电光调制器及电光调制方法

1.本发明涉及集成光学的光通信领域，尤其涉及硅基集成的基于耦合调制的电光调制器。


背景技术：

2.硅基光子器件具有高带宽、高速率，与传统微电子工艺兼容的优点，能够很好实现光电融合，因此硅基光电子学作为新兴学科飞速发展，并在通信领域发挥着重要的作用。其中，作为电光转换核心器件的硅基调制器更是获得了广泛的研究。在硅基调制器中，通常是通过外加电场作用改变硅波导中的载流子浓度，从而改变波导折射率和吸收系数，进而改变波导中传输光的相位，并通过干涉结构或谐振腔结构将相位的变化转化为光强的变化。
3.电光调制器常用光学结构有马赫-增德尔干涉仪(mzi)型和微环谐振腔(mrr)型等。在mzi型调制器中，入射光被分成两束光分别进入mzi两臂波导，然后通过合波，干涉叠加构成输出光；在mrr型调制器中，入射光进入直波导并部分耦合进微环，直波导的光场和自微环耦合出来进入直波导的光场干涉叠加构成输出光的光场。现有的硅基集成的电光调制器中品质因数q较低，波导的散射和调制器的尺寸较大，功耗大。


技术实现要素：

4.本发明实施方式提供了一种电光调制器及电光调制方法，通过对两个波导进行加电以调节谐振腔之间的耦合，控制下波导中光线的输出能够减小波导的散射和调制器尺寸，具有高q值，实现选频功能。
5.为解决上述技术问题，本发明实施方式提供了一种电光调制器，包括：光输入接口、与所述光输入接口相连的第一纳米束腔、与所述第一纳米束腔耦合的第二纳米束腔、与所述第二纳米束腔相连的光输出接口；其中，所述第一纳米束腔上设有第一pn结，所述第二纳米束腔上设有第二pn结，所述第一pn结与所述第二pn结用于在加载单端推挽电极后，调节所述第一纳米束腔与所述第二纳米束腔的耦合，控制从所述光输出接口输出的光线强度。
6.本发明实施方式还提供了一种电光调制方法，包括：向所述电光调制器的光输入接口发射激光，供所述激光经过所述光输入接口进入到所述电光调制器的第一纳米束腔；通过单端推挽电极对所述第一纳米束腔上的第一pn结，以及所述电光调制器的第二纳米束腔上的第二pn结进行加电，得到调制后的光线。
7.本发明实施方式相对于现有技术而言，提供了一种基于耦合调制纳米束腔的电光调制器结构，该结构包括两个耦合的纳米束腔的波导，在两个波导上加载单端推挽电极，通过施加电压使得两个波导有效折射率分别发生改变，从而调节谐振腔之间的耦合，控制光线从下波导的输出比，实现电光耦合。由于波导是耦合的两个纳米束腔，可以减小波导的散射和调制器尺寸，具有高q值，实现选频功能。
附图说明
8.图1是根据第一实施方式的电光调制器的示意图；
9.图2是根据第二实施方式的电光调制器的示意图；
10.图3是根据第三实施方式的电光调制器的示意图；
11.图4是根据第三实施方式的电光调制器在不加电调制下光输出端口的透射率谱线；
12.图5是根据第三实施方式的电光调制器在加电调制下光输出端口的透射率谱线；
13.图6是根据第四实施方式的电光调制方法流程图。
具体实施方式
14.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
15.本发明的第一实施方式涉及一种电光调制器，如图1所示，包括光输入口101，光输出接口113，第一纳米束腔114，与第一纳米束腔114耦合的第二纳米束腔115，第一纳米束腔114上设有第一pn结103，第二纳米束腔115上设有第二pn结108。光输入接口101的输出端与第一纳米束腔114的光输入端相连，第二纳米束腔115的光输出端与光输出接口113相连。
16.第一纳米束腔114和第二纳米束腔115是在直波导中蚀刻出一系列空气孔形成的。激光经过光输入口进入到纳米束腔，光线在两侧的纳米束腔之间来回反射形成谐振。
17.第一pn结103和第二pn结108用于加载单端推挽电极后，调节所述第一纳米束腔与所述第二纳米束腔的耦合，控制从所述光输出接口输出的光线强度。具体的说，当不加电调制时，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115满足相位匹配条件进行耦合；当加电进行调制时，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的有效折射率发生改变，不满足相位匹配调制，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的耦合变弱，光线在光输出接口113的输出变弱，从而实现利用加电调节谐振腔之间的耦合来控制光线的输出。
18.第一pn结103、第二pn结108为水平pn结，在其它实施例中，也可采用其它有源pn结的结构，如l型pn结，u型pn结等。
19.光输入口101，光输出接口113为倒锥形耦合器，在其它实施例中，也可采用其他具有光斑尺寸转换功能的结构，如光栅耦合器，悬臂梁耦合器，双层锥形结构等。
20.本发明的第一实施方式相对于现有技术而言，通过在第一纳米束腔114上的第一pn结103和第二纳米束腔115上的第二pn结108加载单端推挽电极，施加电压使得第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的有效折射率发生改变，从而调节第一纳米束腔114和第二纳米束腔115之间的耦合，控制光线从第二纳米束腔115的输出比，实现电光调制使用。基于两个纳米束腔的耦合调制器，能够减小波导的散射和调制器的尺寸，并且具有高q值，实现选频功能。
21.本发明的第二实施方式涉及一种电光调制器，第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于，在本发明第二实施方式中，对电光调制器的电学结构部分做了改进。第一纳米束腔与第二纳米束腔的两侧还设有高掺杂区，且电光调制器中包含金属电极。
22.如图2所示，本发明的第二实施方式中的电光调制器包括：包括光输入口101，光输出接口113，第一纳米束腔114，第二纳米束腔115，第一pn结103，第二pn结108，第一高掺杂区105，第二高掺杂区106，第三高掺杂区110，第一金属电极111和第二金属电极112。
23.第一纳米束腔114与第二纳米束腔115并列排放，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115耦合，第一纳米束腔114上设有第一pn结103，第二纳米束腔115上设有第二pn结108。第一高掺杂区105位于第一纳米束腔114第一侧，第一侧为背离第二纳米束腔115的一侧；第二高掺杂区106位于第一纳米束腔114与所述第二纳米束腔115之间；第三高掺杂区110位于第二纳米束腔115第二侧；第二侧为背离第一纳米束腔114的一侧。
24.光输入口101的输出端与第一纳米束腔114的第一部分102的光输入端相连，第一纳米束腔114的第一部分102的光输出端与第一pn结103的光输入端相连，第一pn结103的光输出端与第一纳米束腔114的第二部分104相连。
25.第一高掺杂区105的电输出端和第一pn结103的电输入端相连，第一pn结103的电输出端与第二高掺杂区106的电输入端相连。第一金属电极111的电输出端分别和第一高掺杂区105、第三高掺杂区110的电输入端相连。
26.第二纳米束腔115的第一部分107的光输出端与第二pn结108的光输入端相连，第二pn结108的光输出端与第二纳米束腔115的第二部分109的光输入端相连，第二纳米束腔115的第二部分109的光输出端与光输出接口113相连。
27.第三高掺杂区110的电输出端和第二pn结108的电输入端相连，第二pn结108的电输出端和第二高掺杂区106的电输入端相连。第二金属电极112的电输出端和第二高掺杂区106的电输入端连接。
28.第一金属电极111，第二金属电极112为铝金属电极，在其他实施方式中，也可以采用其它金属电极，如au,ag,cu等材料制成的金属或合金。
29.第一高掺杂区105为高掺杂的p 区域，第二高掺杂区106为高掺杂的n 区域，第三高掺杂区110为高掺杂的p 区域。在其他实施方式中，能够对硅高浓度掺杂实现的结构均可。
30.当不加电调制时，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115满足相位匹配条件进行耦合；当加电进行调制时，激光经过光输入口进入到纳米束腔，光线在两侧的纳米束腔之间来回反射形成谐振，第一高掺杂区105和第三高掺杂区110用于接入形成单端推挽电极的微波信号，通过单端推挽电极对两个纳米束腔进行加电，第二高掺杂区106用于接入形成单端推挽电极的直流信号，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的有效折射率发生改变，不满足相位匹配调制，即第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的耦合变弱，光线在光输出接口113的输出变弱，从而实现利用加电调节谐振腔之间的耦合来控制光线的输出。而且，本实施方式中的各高掺杂区在和金属电极接触时，能形成欧姆接触，降低电阻值，减小损耗。
31.本发明的第二实施方式的技术方案，利用第一金属电极111、第二金属电极112对第一pn结103、第二pn结108加电调制，即在第一纳米束腔114上的第一pn结103和第二纳米束腔115上的第二pn结108加载单端推挽电极，通过施加电压使得第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的有效折射率发生改变，从而调节第一纳米束腔114和第二纳米束腔115之间的耦合，控制光线从第二纳米束腔115的输出比，实现电光调制。使用基于两个纳米束腔的耦合调制器，能够减小波导的散射和调制器的尺寸，通过高掺杂区的设置能够降低功耗。
32.本发明的第三实施方式涉及一种电光调制器，第三实施方式与第二实施方式大致相同，主要区别之处在于，在本发明第三实施方式中，对电光调制器的光学结构部分做了改进。
33.如图3所示，电光调制器包括光输入口101，光输出接口113，第一纳米束腔114，与第一纳米束腔114耦合的第二纳米束腔115，第一纳米束腔114上设有第一pn结103，第二纳米束腔115上设有第二pn结108。光输入接口101的输出端与第一纳米束腔114的光输入端相连，第二纳米束腔115的光输出端与光输出接口113相连。第一纳米束腔114和第二纳米束腔115为非对称的纳米束腔。
34.第一纳米束腔和第二纳米束腔的宽度可为70nm,束腔的高度为220nm，两个束腔的间隙为330nm，纳米束腔的腔长为3um，束腔中相邻空气孔中心之间的距离，即纳米束腔的周期为330nm。
35.在第三实施方式中，纳米束腔的非对称结构通过改变其中的空气孔的数量，孔径等参数实现。如图3所示，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的两端空气孔数量之比均为2：1；并且，第一纳米束腔114靠近光输入接口101一端的空气孔个数小于远离光输入接口101一端的空气孔个数，第二纳米束腔115靠近光输出接口113一端的空气孔个数小于远离光输出接口113一端的空气孔个数。
36.例如，第一纳米束腔114靠近光输入接口101一端的空气孔个数为10个，远离光输入接口101一端的空气孔个数为20个；第二纳米束腔115靠近光输出接口113一端的空气孔个数为10个，远离光输出接口113一端的空气孔个数为20个。
37.再比如，如图3所示，第一纳米束腔114靠近所述光输入接口101一端的空气孔的孔径，从朝向光输入接口101的方向由大到小渐变；第一纳米束腔114远离光输入接口101一端的空气孔的孔径，从背离所述光输入接口的方向由大到小渐变；第二纳米束腔115靠近光输出接口113一端的空气孔的孔径，从朝向光输出接口113的方向由大到小渐变；第二纳米束腔115远离光输出接口113一端的空气孔的孔径，从背离光输出接口113的方向由大到小渐变。
38.第一纳米束腔和第二纳米束腔中的空气孔的孔径由大变小的渐变，可通过使纳米束腔的填充因子从0.2到0.1渐变实现。填充因子是反映空气孔面积的参数，空气孔面积越大填充因子越大。在其他实施方式中，纳米束腔还可以为其它具有谐振功能的结构。
39.第一纳米束腔114和第二纳米束腔115两侧由渐变孔径的空气孔以及中间的直波导组成。渐变的空气孔相当于两面反射镜用来束缚光线，在中间形成共振，中间的直波导区域支持传播模式。由于纳米束腔中多个空气孔的结构能够减小波导的散射。
40.在第三实施方式中，由于采用了非对称的纳米束腔结构，增大了光线在第一纳米束腔的右端口内及第二纳米束腔的左端口内的反射，因此能够阻止光线在第一纳米束腔的右端口及第二纳米束腔的左端口的输出，从而将光线有效地聚集在纳米束腔内，即光线只从与第二纳米光束腔的右端口连接的光输出接口输出。
41.当不加电调制时，通过第一纳米束腔和第二纳米束腔的谐振将能量束缚在腔内，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115满足相位匹配条件，能将光线从第一纳米束腔耦合到第二纳米束腔。此时，如图4所示，在出光波长的谐振点1548nm处，输出端口的透射率可达80％。
42.当加电进行调制时，第一pn结103和第二pn结108用于加载单端推挽电极，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的有效折射率发生改变，相位匹配条件发生失配，第一纳米束腔114和第二纳米束腔115的耦合变弱，光线在光输出接口113的输出变弱，此时如图5所示，在谐振点1548nm附近的透射率降为15％。
43.在第三实施方式中，空气孔的个数及孔径设置不仅仅能形成非对称的纳米束腔，减少光线散射，并且能够改变谐振腔的品质因数q,从而增加消光比。
44.比如，可以通过增加空气孔的数量、提高空气孔孔径大小，如改变纳米束腔的填充因子，来增大谐振腔的品质因数q。
45.另外，可以通过改变纳米腔的周期、腔长等参数来调节合适的谐振波长。
46.在第三实施方式中，通过对两个纳米束腔进行加电，可以调节谐振腔之间的耦合，控制下波导中光线的输出。使用基于纳米束腔的耦合调制器，能够减小波导的散射和调制器尺寸，另外可通过空气孔的参数设置，使得调制器具有高q值，并实现选频功能。
47.本发明的第四实施方式涉及一种电光调制方法，适用于上述实施方式中的调制器。如图6所示，该电光调制方法包括：
48.s101：向电光调制器的光输入接口发射激光，供所述激光经过所述光输入接口进入到所述电光调制器的第一纳米束腔。
49.激光经过光输入口进入到纳米束腔，光线在两侧的纳米束腔之间来回反射形成谐振，第一纳米束腔和第二纳米束腔满足相位匹配条件进行耦合。
50.s102：通过单端推挽电极对所述第一纳米束腔上的第一pn结，以及所述电光调制器的第二纳米束腔上的第二pn结进行加电，得到调制后的光线。
51.通过加载单端推挽电极，施加电压使得第一纳米束腔和第二纳米束腔的有效折射率发生改变，第一纳米束腔和第二纳米束腔不满足相位匹配调制，即第一纳米束腔和第二纳米束腔的耦合变弱，光线在光输出接口的输出变弱，从而实现利用加电调节谐振腔之间的耦合来控制光线的输出，实现电光调制，以减小波导的散射和调制器尺寸，另外可通过空气孔的参数设置，使得调制器具有高q值，并实现选频功能。
52.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。