具有降低的殘餘振幅調製的基於矽的電光相位調製器的製作方法

2023-05-02 19:56:01 2

專利名稱：具有降低的殘餘振幅調製的基於矽的電光相位調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於矽的電光相位調製器，以及更具體地涉及一種在 絕緣矽(SOI)結構內形成且包含可調諧環形濾波器的調製器，其從本質
上"消除"出現在調製的光輸出信號上的(不需要的)振幅調製。
背景技術：
在基於矽的平臺中提供光調製的能力方面已取得了顯著的進步，如在
美國專利6,845,198中所公開的，所述專利在2005年1月18日發給 R.K.Montgomery等人，以及轉讓給本申請的受讓人。Montgomery等人的 調製器以形成第一電導率類型的柵區以與第二電導率類型的主體區部分 地重疊為基礎，相對薄的介電層在柵區和主體區的鄰近部分之間插入。控 制在柵區和主體區中的摻雜以形成在電介質之上和之下的輕摻雜區，因此 界定器件的有源區。有利地，光電場本質上與在有源器件區域中的自由載 流子集中區相重合。因此，調製信號的施加引起在相同的時刻自由載流子 在電介質兩側上的同時積聚、消耗或轉換，這導致操作以超過10 GHz的 速度進行。
圖1示出如在Montgomery等人的參考中所公開的基於矽的調製器器 件的示例性裝置。在此情況下，利用摻雜(即"有源")矽層2 (通常為 多晶矽)的"SISCAP，，結構1布置在絕緣矽(SOI)晶片4的相對薄的(亞 微米)表面層3的摻雜部分之上，此薄的表面層3在本領域中通常稱作"S01
層"。薄介電層5位於摻雜的有源多晶矽層2和摻雜的SOI層3之間，且 所述層這樣布置以便形成如圖l所示的重疊，以界定器件的有源區。如上 所述，自由載流子作為施加到SOI層3( VREF3 )和/或多晶矽層2( VREF2 ) 的電壓的函數在介電層5的任一側上積聚和消耗。自由載流子濃度的調製 導致有源區中有效折射率的改變，因此引入沿波導(波導在垂直於紙的方 向)傳播的光信號的相位調製，該波導沿有源區形成。
當將這樣的調製器構造為純頻率調製器(即，單邊帶)時，如圖2所 示的鋸齒斜坡波形用於提供調製信號。特別是，輸入信號用於將相位從0 線性地改變到2tt，然後幾乎瞬時地返回到0 (然後重複-模2丌)。此線 性相移導致固定的頻率變換co。=5 4)/5t。然而，對於這種基於自由 載流子效應提供期望調製的調製器，出現一個問題。即，調製器的光吸收 /衰減特徵為在光路中的自由載流子的總數的函數。因此，調製光信號的 相位的信號施加還影響光信號的振幅。這是有問題的，因為不需要的振幅 調製在輸出信號中引入了誤差。圖3示出此振幅調製的出現和在有關的頻 譜中的殘餘AM調製的信號分量。
因此，在本領域中遺留一個儘可能多地去除在基於SOI的電光相位調 制器內存在的AM調製的需要。

發明內容
在現有技術中保留的需要由本發明解決，本發明涉及基於矽的電光相 位調製器，以及更具體地，涉及一種在絕緣矽(SOI)結構內形成且包含 集成的濾波裝置的調製器，其從本質上"消除"出現在調製的光輸出信號 上的(不需要的)振幅調製。
根據本發明，形成的濾波裝置包括至少一對濾波器，第一濾波器在振 幅響應的近線性區(正或負)偏置，以及第二濾波器在相對的近線性區(即， 分別為負或正)偏置。假定所述第一濾波器沿負斜率區偏置，那麼振幅響 應曲線移動以顯示更多的延遲，以及振幅被降低。在此情況下，第二濾波 器沿正斜率區偏置以便增加所述振幅。通過控制這兩個濾波器的偏置點， 因此，可實現"零"振幅響應，這允許提供純相位調製。
在一實施方式中，可使用一對可調諧的環形諧振濾波器，因為充分理
解了將這樣的器件與基於SOI的電光調製器集成所涉及的處理過程。特別
是，每一環的一段被摻雜並且耦合到電極，以提供期望的調諧，其中電壓 施加到所述摻雜區將改變所述環的有效折射率(以及因此改變濾波波長)。
通常，多個這樣的濾波元件可組合使用，其中額外數量的元件用於通 過增加濾波器響應中的極點和零點的數目，來改善調製器的相位和振幅響 應的形狀。
在下面的論述過程中以及通過參考附圖，本發明的多個其它實施方式 和方面將變得顯而易見。


現在參照附圖，
圖1在簡化的橫截面圖中示出在絕緣矽(SOI)結構中形成的示例性 電光相位調製器；
圖2包括與圖1的調製器有關的理想相位輸入和理想頻語的圖3包括類似的相位圖，而且還示出出現在圖1的調製器中的振幅調 制信號分量，包括殘餘AM分量的頻譜也在圖3中示出；
圖4用簡化視圖示出根據本發明形成的振幅校正裝置的第一實施方 式，其抵消在電光相位調製器內的振幅調製效應，其中還顯示此實施方式 的才展幅和相對相4立圖5示出根據本發明使用一對平行波導來產生"振幅補償"的本發明 的可替換的實施方式，以及
圖6示出圖5的實施方式的變形，其中多個濾波器元件用於改善基於 SOI的電光相位調製器的相位和振幅響應的成形。
具體實施例方式
圖4示出一個示例性裝置，用於實質上降低在來自電光調製器的相位
調製輸出信號O中的振幅調製的出現。如所示，光信號O沿波導IO傳播， 其中在大多數情況下，波導10包括絕緣矽(SOI)結構的相對薄的(不到 一微米)矽表面層。此外，波導10的"有源區，，最好以上面結合圖1所 示的方式界定，圖1示出寬度相對窄的"有源區"5。這樣的裝置對於單 一模式應用是重要的。
再次參考圖4,第一光學濾波元件12 (在此情況下為環形波導)以輸 出耦合(out-couple)傳播信號的所選部分的方式沿波導IO布置。環的Q (因此，相位)定義濾波器的選擇性，其中Q因子越高，濾波器響應具 有越多的選擇性。對於本發明來說，高Q因子是期望的。第一濾波元件 12(為論述起見，下面稱為"第一環形濾波器12")顯示為包括調諧區 14,其中調諧區14包括SOI層的摻雜部分，其內形成第一環形濾波器12。 通過將電壓施加於調諧區14,更改第一環形濾波器12的那部分的有效折 射率。有效折射率的更改導致改變從波導IO輸出耦合的光波長。因此， 通過調整施加到調諧區14的電壓，可"調諧"濾波波長。根據本發明的 教導，第一環形濾波器12被調諧，以便在預定波長"A"輸出耦合信號。 參考與所述裝置的此部分有關的振幅和相位圖，看到波長"A"沿振幅響 應的負(向下的)斜率。當有效折射率增加時，第一環形濾波器12的時 延增加以及濾波器的響應曲線向左移動。因此，調製的光輸出信號的輸出 相位移向更多的延遲，以及振幅被降低。
第二環形濾波器16 (其在大多數通常的情況下可包括任何合適類型 的可調諧的光學濾波器)示出為沿波導10的單獨部分布置，其中濾波器 16包括調諧區18。根據本發明，施加到調諧區18的電壓被控制，以使由 第二環形濾波器16濾波的波長"B，，沿振幅響應的正(向上的)斜率， 這由相關的振幅和相位響應圖顯示。此外，當有效折射率增加時，第二環 形濾波器16的時延增加，以及濾波器的響應曲線向左移動。然而，在此 情況下，隨著調製的光輸出信號的輸出相位移向更多的延遲，振幅增加。 因此，根據本發明，與第二濾波元件有關的振幅中的增加將補償與第一濾 波元件有關的振幅中的降低，以及顯著降低輸出信號中所存在的殘餘振幅 調製。
圖5顯示本發明的可替換的振幅補償裝置。在此情況下，使用分光器
結構，每一環形濾波器沿單獨的一個分離路徑布置。如所示，光相位調製
信號被作為沿波導20的輸入施加，其中如用上述的裝置，波導20可在 SOI結構的相對薄的(例如亞微米)表面矽層內形成。此後，波導20分 離成兩個單獨、平行的波導22和24。第一可調諧的濾波元件26 (在此情 況下為可調諧的環形濾波器)在波導22的側面布置，並起作用以輸出耦 合來自波導22的傳播預定波長的信號。可調諧的環形濾波器26包括調諧 區28,其中施加到調諧區28的偏置電壓確定來自波導22的被輸出耦合 的特定波長。如同上述的裝置，調諧區28可包括用來形成波導22的相同 的亞微米矽層的重摻雜部分，或布置在環形濾波器26的那部分之上的摻 雜的多晶矽材料，或可替換地，布置在環形濾波器26的預定部分之上的 矽化物或其它金屬。
根據本發明，以及類似於以上結合圖4所述的裝置，第一環形濾波器 26調諧成濾波以波長A出現的信號，其顯示為沿著振幅響應的負斜率。 將合適的電壓偏置施加到調諧區28將允許選擇此期望的波長。第二環形 濾波器30示出為在波導24的側面布置，其中第二環形濾波器30包括調 諧區32。在此情況下，施加到調諧區32的偏置被調整，直到第二環形濾 波器30去除在點"B"的波長，該波長與振幅響應的上升沿有關。因此， 這兩個信號的組合本質上從調製器輸出中去除任何振幅響應。具體地，來 自圖5的裝置的輸出信號的強度可表達成如下
因此，根據本發明的教導，通過保持cos^在恆定的值(接近零)，輸 出強度展示很少的振幅調製。例如，當通過自由載流子效應將2TT相移施
加到單個相位調製器時，輸出強度降低了 2.5dB。對於圖5所示的發明裝 置，2丌相移導致輸出lA強度減少了 20%,而強度16增加了20%。然而， 總的輸出強度僅稍微地改變，因為co^本質上保持恆定。因此，假定整體 的歸一化輸出，當強度的20%的改變沿波導22和24應用時，IouT改變到 0.99 (即，1%的改變)，這提供了振幅調製降低了 20倍。應注意，施加 到每一臂的波形不是線性的，但作為結果的相移是線性的。實際上，相位
改變是Q二CV改變的直接結果，其中，AQ/At =從0到2丌的常數。
由於光信號被分離以沿兩個單獨的信號路徑傳播，可能出現一定範圍 的相移，因為這兩個路徑的長度可能不是完全相等的。因此，優選地，單 獨的相位調整元件34沿波導22和/或波導24布置，以及被利用來補償可 能產生的任何相位失配。即，偏置電壓施加到相位調整元件，將引入克月良 由所述裝置引入的任何相移所需的合適的時延。
如以上所述，多個單獨的濾波元件可使用在本發明的裝置中，以更好 地成形相位調製響應和去除較大部分的不需要的(殘餘)振幅調製。圖6 示出圖5的裝置的變更，其中在此情況下， 一組三個單獨的可調諧的環形 濾波器在每一波導的側面堆疊。即，多個三個單獨的可調諧的環形濾波器 26-1、 26-2和26-3沿波導22的一部分堆疊，其中每一可調諧的環形濾波 器包括單獨的可調諧區28-1、 28-2和28-3,將不同的偏置電壓施加於每 一區的可能性增加了所述裝置的總的相位/頻率調諧範圍。類似的可調諧 的環形濾波器30-l、 30-2和30-3的堆疊裝置在波導24的側面布置。一 組調諧區32-1、 32-3和32-3以類似的方式與環形濾波器30-1、 30-2和 30-3聯繫，以對沿波導24傳播的信號提供增加的波長調諧範圍。如以上 所述，增加環的數量(即，諧振數量)使在濾波器響應中的極點和零點的 數目增加，這提供了對濾波器的可調諧性的更多的控制。
在圖6所示的具體的實施方式中，在沿波導42傳播的第一輸出信號 和沿波導44傳播的第二輸出信號之間出現相移增加的可能性，波導42沿 環形濾波器26-3布置，波導44沿環形濾波器30-3布置。因此，可調諧 的移相器46沿波導42布置，其中通過控制施加到可調諧的移相器46的 偏置，波導42和44的光程長度可以相等以及相移被消除。優選地，第二 可調諧的移相器48沿波導44布置以提供其它範圍的相移控制。
儘管以多個實施方式顯示了本發明的主題，然而，應理解，本發明的 範圍僅由所附到其的權利要求來限定。
權利要求
1.一種濾波裝置，其用於降低基於矽的電光相位調製器輸出中的振幅調製，所述濾波裝置在包括亞微米厚的矽表面層(SOI層)的絕緣矽(SOI)結構中形成，以及包括光波導結構，其在所述SOI層內形成，用於支持來自相關聯的電光相位調製器的光輸出信號的傳播；第一光學濾波器，其耦合到所述光波導結構，以及形成為輸出耦合沿所述濾波器特徵曲線的上升沿的預定第一波長；以及第二光學濾波器，其耦合到所述光波導結構，以及形成為輸出耦合沿所述濾波器特徵曲線的下降沿的預定第二波長，以便降低來自所述傳播的光輸出信號的振幅調製分量。
2. 如權利要求1所述的濾波裝置，其中所述光波導結構包括在所述 SOI結構的所述SOI層內形成的單個光波導。
3. 如權利要求1所述的濾波裝置，其中所述光波導結構包括分光器/ 光組合器幾何機構，其包括平行布置在輸入波導部分和輸出波導部分之間 的第一波導臂和第二波導臂，其中所述第一光學濾波器布置在所述第一波 導臂的旁邊，以及所述第二光學濾波器布置在所述第二波導臂的旁邊。
4. 如權利要求3所述的濾波裝置，其中所述分光器/光組合器進一步 包括光學相位調整元件，其沿所述第一波導臂和所述第二波導臂之一或兩 者布置，所述光學相位調整元件用於降低沿其傳播的信號之間的相位差。
5. 如權利要求1所述的濾波裝置，其中所述第一和第二光學濾波器 包括光學環形諧振器，其在所述SOI結構的所述SOI層內形成為環形波 導。
6. 如權利要求5所述的濾波裝置，其中所述光學環形諧振器包括高 摻雜區，以提供對所述濾波波長值的調諧。
7. 如權利要求1所述的濾波裝置，其中所述第一光學濾波器包括第 一多個單獨的光學濾波元件，以及所述第二光學濾波器包括第二多個單獨 的光學濾波元件，其中每一濾波元件配置成輸出耦合不同的波長，以及所 述濾波裝置響應的諧振隨著單獨的濾波元件的數目增加而增加。
全文摘要
一種用於從電光相位調製器(在絕緣矽(SOI)系統內形成)輸出中去除不需要的振幅調製的裝置包括諧振濾波器，其在響應信號的正和負斜率上偏置。因此，當一個濾波器的振幅響應降低時，另一濾波器的振幅響應增加，這導致輸出平衡以及本質上消除了相位調製輸出信號中的振幅調製。在一實施方式中，環形諧振器(在SOI層中形成)用於提供濾波，其中當諧振器的數目增加時，濾波裝置的性能相應地被改善。
文檔編號G02F1/01GK101111796SQ200680003385
公開日2008年1月23日 申請日期2006年1月30日 優先權日2005年1月28日
發明者大衛·佩德 申請人:斯歐普迪克爾股份有限公司