具有正向和反向偏置二極體的光子調製器的製造方法
2023-04-27 16:56:51 2
具有正向和反向偏置二極體的光子調製器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有正向和反向偏置二極體的光子調製器，所述調製器包括：正向偏置二極體，其針對功率和面積而優化以執行調諧功能；以及反向偏置二極體，其針對速度而優化以執行調製功能。
【專利說明】具有正向和反向偏置二極體的光子調製器
【技術領域】
[0001]本發明一般地涉及光子調幅器，具體地說，涉及具有用於調諧和調製功能的單獨二極體的光子調製器。
【背景技術】
[0002]基於幹涉測量或諧振波導結構的光子調幅器通過改變有效折射率來調製光，所述改變在通過調製器的光波中提供光相移。通常通過跨波導實施移相器二極體並在正向偏置或反向偏置條件下使二極體工作來實現此折射率變化。在正向偏置條件下，二極體以低電壓注入相對大量的電流，從而針對給定長度的波導引起較大的折射率變化。這意味著可以使用相對較短長度的波導製造移相器二極體。但是，二極體中固有的較大電荷密度導致較低的速度性能。
[0003]備選地，在反向偏置狀態下，只有少量洩漏電流流過二極體，並且電場主要引起折射率變化。因此，在該狀態下，二極體的工作可以快得多，但因為每單位波導長度的折射率變化小於正向偏置區域，所以需要更長的波導或大得多的電壓來產生所需的相移。在實踐中，與正向偏置二極體相比，對反向偏置二極體施加更長的波導和大得多的電壓。
[0004]因此，當選擇正向偏置或反向偏置二極體設計時，在功率、速度和面積之間存在權衡。可以針對面積優化正向偏置二極體，為此使波導較短並以增加的電壓和電流值運行二極體，以便每單位波導長度產生更大的折射率變化。備選地，可以針對功率優化正向偏置二極體，為此使波導略長並以減小的電壓和電流值運行二極體，從而每單位波導長度產生更小的折射率變化，這在更長長度的波導上累積。最後，正向偏置二極體可以被設計為在功率和面積之間實現折衷，為此在功率優化和面積優化後的設計點之間的某處選擇波導長度。
[0005]通常使用馬赫-策德爾幹涉儀(MZI)調製光波以便傳輸數據。馬赫-策德爾幹涉儀使用幹涉將上述調相轉換為調幅。通常馬赫-策德爾幹涉儀的兩臂具有相同的長度，以便通過改變一個臂的折射率，可以在輸出中對光進行調幅。因為在兩臂之間使波導進行精確長度匹配(對應於光的一個波長的適當部分)極具挑戰性，並且通常對溫度變化敏感，所以通常在馬赫-策德爾幹涉儀的一個臂中需要低速相位調諧元件，從而提供靜態折射率調整以便調諧調製器的偏置點。
[0006]除了其它方式之外，可以通過使用上述移相器二極體執行這種調諧，為此先後向二極體施加適當的調諧電壓和AC調製電壓。因為半導體的熱響應時間比其電響應時間慢幾個數量級，所以基本上可以使用DC電壓執行調諧，其中使用來自調製器的光輸出的反饋來控制該DC調諧電壓的振幅。
[0007]通常，在馬赫-策德爾幹涉儀的一個臂中具有二極體，並且該二極體將接收包含DC和AC分量兩者的電壓信號。DC分量執行調諧，為此將它所在的臂的相位設置為與另一個臂的相位相同或相差一個常量偏移。AC分量在調製器的輸出中提供對應於光調製的折射率擾動。
[0008]如圖1中所示，通常使用單個二極體I執行調諧和調製功能兩者。這需要使用集成偏置器元件將DC調諧組件(例如低速調諧電路2)與AC調製組件(例如高速數據源3)相組合。
[0009]但是，給定在選擇二極體工作區域時在前面討論的固有權衡，除了高速調製以外，使用針對高速調製優化的反向偏置二極體來執行低速調諧操作可能在功率、面積或這兩方面導致低效率。
【發明內容】
[0010]鑑於傳統系統的上述以及其它示例性問題、缺點和劣勢，本發明的一個示例性特性是提供一種光子調製器，其包括針對功率、面積或這兩者的組合而優化以執行調諧功能的二極體，以及針對速度而優化以執行調製功能的二極體。
[0011]本發明的一個示例性方面體現為一種調幅器，其包括針對功率和面積而優化以執行調諧功能的正向偏置二極體，以及針對速度而優化以執行調製功能的反向偏置二極體。
[0012]本發明的另一個示例性方面體現為一種調幅器，其包括針對功率和面積而優化以執行調諧功能的第一臂，以及針對速度而優化以執行調製功能的第二臂。
[0013]一種示例性光子調製方法包括:使信號通過光子調製器，所述調製器包括正向偏置二極體和反向偏置二極體；向所述正向偏置二極體施加低速調諧信號；並向所述反向偏置二極體施加高速數據源。
[0014]本發明的上述示例性實施例可以提供一種具有改進的空間、功率效率和性能特性的調製器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]從以下參考附圖的對本發明示例性實施例的詳細描述，將更好地理解上述和其它目的、方面和優點，這些附圖是:
[0016]圖1示出傳統光子調製器；
[0017]圖2示出示例性調製器，其包括針對功率和面積而優化以執行調諧功能的正向偏置二極體以及針對速度而優化以執行調製功能的反向偏置二極體；
[0018]圖3示出使用馬赫-策德爾幹涉儀調製器的示例性實施例；
[0019]圖4示出示例性推挽式調製器；以及
[0020]圖5示出包括反向偏置二極體和正向偏置二極體的示例性諧振器。
【具體實施方式】
[0021]現在參考附圖，更具體地說參考圖2-5，它們示出根據本發明的方法和結構的示例性實施例。
[0022]本發明的示例性實施例可以應用於使用垂直或水平結二極體的基於幹涉測量和諧振的光子調製器設備。
[0023]如圖2中所示，本發明的一個示例性實施例在同一調製器4中包括針對功率、面積或這兩者的組合優化以執行調諧功能的正向偏置二極體5，以及在速度性能方面突出以執行調製功能的反向偏置二極體6。在圖2的實施例中，可以為光子調製器4提供AC調製信號7和DC調諧信號8兩者，為此將AC調製信號7定向到反向偏置二極體6並將DC調諧信號8定向到正向偏置二極體5。由於在提供給定光相移時,反向偏置二極體的功率和面積效率可能低於正向偏置二極體，因此所述示例性調製器可以在功率、面積或這兩方面更高效，因為它使用更高效的正向偏置二極體產生必需相移的不需要以高速工作的部分。
[0024]此外，所述示例性調製器可能不需要在電氣上將DC信號與AC調製信號相組合，因為在單獨的二極體中執行調諧。該特性明顯降低將AC調製信號從數據源定向到反向偏置二極體所需的設計複雜性。
[0025]在本發明的一個示例性實施例中，從諸如矽、絕緣體上矽或磷化銦之類的集成光子平臺中的光子波導來構造馬赫-策德爾幹涉儀(MZI)。波導可以是脊形波導、通道波導、帶波導或各種其它類型的波導。
[0026]圖3示出使用MZI調製器的本發明的一個示例性實施例。如可以容易地看到的那樣，在所述示例性實施例中，MZI的兩臂的長度可以明顯不同。在示例性MZI的一個臂(通常為較長的臂)中，製造反向偏置p-n或p-1-n 二極體6。對於p-n 二極體，二極體的結與光波導10重疊。同樣，對於p-1-n 二極體，二極體的本徵區域與波導10重疊。可以使用各種二極體幾何形狀，包括但不限於使用淺蝕刻注入區域的水平結P-n 二極體和垂直結p-1-n二極體。
[0027]在MZI的第二個臂(通常為較短的臂)中，製造正向偏置p-n或p-1-n 二極體5。前面針對反向偏置二極體6描述的所有可能幾何和電子變化也適用於正向偏置二極體5。
[0028]在本發明的一個示例性實施例中，到反向偏置二極體的接觸連接到高速二極體驅動器7 (圖2)的輸出端，向高速二極體驅動器7提供用以調製光的數據模式。到正向偏置二極體5的接觸連接到開環或閉環控制系統8 (圖2)，控制系統8提供優化後的DC偏置以調諧調製器。高速二極體驅動器7和控制系統8可以與光子調製器4整體集成在同一晶片上，並通過金屬布線層提供接觸，或者它們可以位於一個或多個單獨晶片上，並通過標準封裝過程(例如引線接合或倒裝晶片接合)提供接觸。
[0029]此外，可以使用Y結或定向耦合器(在圖3中示為元件9)實現MZI中所需的分割和組合功能。
[0030]此外，可以通過調整光子波導10的設計來修改分光比，以便恰好在組合器9之前的兩個臂中的光功率相同(或者具有某一其它優選比率)。在某些示例性實施例中，這可能是必需的，因為正向和反向偏置二極體的光損失可以不同。
[0031]圖4示出使用MZI調製器的一個示例性推挽式實施例。在該示例性實施例中，在光子平臺中製造MZI，並在每個臂中製造反向偏置二極體6和正向偏置二極體5兩者。反向偏置二極體6以推挽式配置工作，其中來自高速二極體驅動器的差分輸出端連接到兩個二極體，從而不是在MZI的一個臂中需要pi弧度的光相移，而是在兩個臂上施加相反符號的具有pi/2弧度的光相移。一個示例性控制系統可以操作兩個正向偏置移相器中的任一移相器以便適當地偏置調製器，使得控制系統可以在任一臂中提供O到pi的相位調整，而不是在一個臂中提供O到2*pi的相位調整。
[0032]圖5示出本發明的另一個示例性實施例。在圖5的實施例中，在光子平臺中製造諧振器11，並在諧振器11中製造反向偏置二極體6和正向偏置二極體5。諧振器11可以使用各種波導幾何形狀實現，包括但不限於環形諧振器、跑道型諧振器和法布裡-珀羅(Fabry-Perot)諧振器。[0033]與MZI調製器一樣，諧振器11中的反向偏置二極體6連接到高速二極體驅動器，並且諧振器11中的正向偏置二極體連接到開環或閉環控制系統。此外，可以提供光總線波導12。
[0034]儘管根據示例性實施例描述了本發明，但本領域的技術人員將認識到，可以在所附權利要求的精神和範圍內實現具有修改的本發明。
[0035]此外，要指出的是， 申請人:的目的是涵蓋所有權利要求元素的等效物，即使以後在訴訟程序中有所修改。
【權利要求】
1.一種調製器，包括: 正向偏置二極體，其被配置為執行調諧功能；以及 反向偏置二極體，其被配置為執行調製功能。
2.根據權利要求1的調製器，還包括: 第一臂，其包括所述反向偏置二極體；以及 第二臂，其包括所述正向偏置二極體。
3.根據權利要求2的調製器，其中所述反向偏置二極體包括反向偏置p-n二極體和反向偏置p-1-n 二極體中的至少一個，以及 其中所述正向偏置二極體包括正向偏置p-n 二極體和正向偏置p-1-n 二極體中的至少一個。
4.根據權利要求3的調製器，其中所述反向偏置p-n二極體和所述正向偏置p-n 二極體中的至少一個的結與波導重疊。
5.根據權利要求3的調製器，其中所述反向偏置p-1-n二極體和所述正向偏置p-1-n二極體中的至少一個的本徵區域與波導重疊。
6.根據權利要求2的調製器，其中所述第一臂和所述第二臂包括在集成光子平臺中的光子波導，所述集成光子平臺包括矽、絕緣體上矽和磷化銦中的至少一個。
7.根據權利要求6的調製器，其中所述波導包括脊形波導、通道波導和帶波導中的至少一個。
8.根據權利要求2的調製器，其中所述第一臂包括的長度大於所述第二臂的長度。
9.根據權利要求2的調製器，其中所述第一臂包括正向偏置二極體，並且所述第二臂包括反向偏置二極體。
10.根據權利要求2的調製器，其中所述第一臂和所述第二臂集成在光子平臺中。
11.根據權利要求1的調製器，其中所述反向偏置二極體和所述正向偏置二極體均布置在諧振器中。
12.根據權利要求1的調製器，其中所述正向偏置二極體針對功率和面積而優化以執行所述調諧功能，以及 其中所述反向偏置二極體針對速度而優化以執行所述調製功能。
13.根據權利要求2的調製器，其中所述第一臂和所述第二臂包括集成在矽平臺中的光子波導。
14.根據權利要求1的調製器，其中所述反向偏置二極體連接到高速二極體驅動器，並且所述正向偏置二極體連接到開環控制系統和閉環控制系統中的至少一個。
15.根據權利要求2的調製器，其中所述第一臂和所述第二臂包括集成在矽平臺中的光子波導，以及 其中所述反向偏置二極體連接到高速二極體驅動器，並且所述正向偏置二極體連接到開環控制系統和閉環控制系統中的至少一個，使得所述二極體驅動器和控制系統中的至少一個集成在所述矽平臺中。
16.根據權利要求1的調製器，還包括第一臂和第二臂， 其中所述第一臂包括所述正向偏置二極體和所述反向偏置二極體。
17.根據權利要求1的調製器，還包括:光輸入埠；光輸出埠；用於向所述正向偏置二極體施加電壓的輸入端子；以及用於向所述反向偏置二極體施加電壓的輸入端子。
18.一種調製器，包括:第一臂，其被配置為執行調諧功能；以及第二臂，其被配置為執行調製功能。
19.根據權利要求18的調製器，其中所述第一臂包括反向偏置二極體；以及其中所述第二臂包括正向偏置二極體。
20.—種光子調製方法,包括:使信號通過調製器，所述調製器包括正向偏置二極體和反向偏置二極體；向所述正向偏置二極體施 加低速調諧信號；以及向所述反向偏置二極體施加高速數據源。
【文檔編號】G02F1/01GK103809302SQ201310355223
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年8月15日 優先權日:2012年8月17日
【發明者】B·G·李, J·A·卡沙, A·V·雷利亞科夫, C·L·朔 申請人:國際商業機器公司