基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法

1.本发明属于集成光学、半导体物理与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种通过泵浦光场产生自由载流子调节芯片集成波导折射率实现信号广场相位高速调制的方法，尤其涉及一种基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.光电信息系统通常由一系列分立光电器件构成，能够执行多种复杂功能；常见光电信息系统包括光通信系统、光交换系统、光学计算机、全光信号处理系统和微波光子系统等，主要通过自由空间光路或全光纤光路构建，系统体积大、稳定性差、协控困难、升级换代速率慢，难以在实验室外环境展开大规模应用。另一方面，得益于精密微纳器件制备工艺的迅猛发展，包括光学调制器、光学滤波器、光学衰减器、定向耦合器、偏振分束器、波分复用器等在内的一大批芯片集成光电器件已具备同分立光电器件相近的性能指标，为单一芯片光电信息系统集成奠定了坚实基础。
3.光学调制器在光通信编解码系统、光学干涉仪、相控阵雷达等一系列应用中发挥重要作用，具体至芯片集成光学调制器主要关注两个方面的性能指标，一是调制速率，二是制备工艺。现阶段普遍采用的热光调制方法受到耗散时间限制，难以突破khz量级；基于p-i-n结构的电光调制方法需要离子注入和化学气相沉积等特殊工艺，同时较高调制电压可能造成波导击穿；基于石墨烯二维层状材料的电光调制方法能够缩短自由载流子寿命并提高调制速率，但覆层结构将会引入巨大的传输损耗。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何通过绝缘体上硅标准工艺制备光学调制器；将携带调制信号的x波段泵浦光场通过定向耦合器导入光学调制器；泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子并改变传输波导折射率；y波段信号光场相位随折射率变化复刻调制信号实现全光调制。
5.为了达到上述效果，本发明提供的基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法，包括以下步骤：
6.步骤一、泵浦光场调制耦合，将调制信号加载于x波段泵浦光场、通过定向耦合器耦合到光学调制器内；
7.步骤二、信号光场调制，泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子、引起传输波导折射率变化、实现对y波段信号光场相位的有效调制；光学调制器以泵浦光场为驱动源且全部由无源光学器件构成。
8.优选的，上述方法具体包括：
9.s101、通过绝缘体上硅标准工艺制备光学调制器，同时传输x波段泵浦光场和y波段信号光场的硅基波导和x波段泵浦光场交叉耦合系数最大、y波段信号光场交叉耦合系数最小的定向耦合器；
10.s102、将经过调制的x波段泵浦光场通过定向耦合器导入光学调制器并与未经过调制的y波段信号光场合并传输；
11.s103、泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子并改变传输波导折射率，对信号光场相位分布进行调制。
12.优选的，上述s101中优化设计波导横截面结构使传输损耗较低、自由载流子寿命较短、波导折射率变化灵敏，优化设计波导长度以兼顾低传输损耗和大调制深度。
13.优选的，上述s102中泵浦光场和信号光场需具有相同的重复频率、相近的传播常数和近零的时序失配。
14.优选的，上述s103通过特定光路还可将上述相位调制转换为强度调制、偏振调制或模式调制。
15.优选的，经过调制的x波段泵浦光场和未经调制的y波段信号光场分别通过光栅耦合器耦合进入硅基波导；信号光场经光学分束器分至马赫增特干涉仪两臂；泵浦光场经定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪一臂。
16.优选的，上述泵浦光场在硅基波导双光子吸收作用下产生自由载流子，改变硅基波导折射率并实现信号光场相位调制；残留泵浦光场经另一定向耦合器导出；经过相位调制的信号光场和未经过相位调制的信号光场干涉输出强度调制信号。
17.优选的，上述定向耦合器由两根平行波导组成，波导长度、宽度和间距经过设计，x波段泵浦光场可在两根波导间倏逝耦合，y波段信号光场不发生倏逝耦合。
18.一种实现如上述基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法的系统，包括光栅耦合器、硅基波导、光学分束器、马赫增特干涉仪以及定向耦合器，还包括：
19.泵浦光场调制耦合子系统，用于将调制信号加载于x波段泵浦光场、通过定向耦合器耦合到光学调制器内；
20.信号光场调制子系统，用于泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子、引起传输波导折射率变化、实现对y波段信号光场相位的有效调制；
21.所述光学调制器以泵浦光场为驱动源且全部由无源光学器件(即不含外接电极)构成；
22.所述系统经过调制的x波段泵浦光场和未经调制的y波段信号光场分别通过光栅耦合器耦合进入硅基波导；信号光场经光学分束器分至马赫增特干涉仪两臂；泵浦光场经定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪一臂；泵浦光场在硅基波导双光子吸收作用下产生自由载流子，改变硅基波导折射率并实现信号光场相位调制；残留泵浦光场经另一定向耦合器导出；经过相位调制的信号光场和未经过相位调制的信号光场干涉输出强度调制信号；
23.所述定向耦合器由两根平行波导组成，波导长度、宽度和间距经过设计，x波段泵浦光场可在两根波导间倏逝耦合，y波段信号光场不发生倏逝耦合。
24.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
25.与现有技术相比，本发明提供的方法泵浦光场通过定向耦合器进入光学调制器、通过双光子吸收效应产生自由载流子并改变传输波导折射率，信号光场相位随折射率变化实现有效调制。该方法基于现阶段相对成熟的芯片集成光路制备工艺，能够通过一次曝光刻蚀制备完成，同时兼顾高调制速率、低插入损耗、高机械稳定性、高制备效率等优势，有望
在超大规模芯片集成光电系统中得到广泛应用。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1示出了本发明基于光生自由载流子的芯片集成全光调制原理示意图。
具体实施方式
28.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
29.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
30.本发明提供一种基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法的实施例，包括以下步骤：
31.步骤一、泵浦光场调制耦合，将调制信号加载于x波段泵浦光场、通过定向耦合器耦合到光学调制器内；
32.步骤二、信号光场调制，泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子、引起传输波导折射率变化、实现对y波段信号光场相位的有效调制；光学调制器以泵浦光场为驱动源且全部由无源光学器件构成。
33.在一些实施例中，方法具体包括：
34.s101、通过绝缘体上硅标准工艺制备光学调制器，同时传输x波段泵浦光场和y波段信号光场的硅基波导和x波段泵浦光场交叉耦合系数最大、y波段信号光场交叉耦合系数最小的定向耦合器；
35.s102、将经过调制的x波段泵浦光场通过定向耦合器导入光学调制器并与未经过调制的y波段信号光场合并传输；
36.s103、泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子并改变传输波导折射率，对信号光场相位分布进行调制。
37.在一些实施例中，s101中优化设计波导横截面结构使传输损耗较低、自由载流子寿命较短、波导折射率变化灵敏，优化设计波导长度以兼顾低传输损耗和大调制深度。
38.在一些实施例中，s102中泵浦光场和信号光场需具有相同的重复频率、相近的传
播常数和近零的时序失配。
39.在一些实施例中，s103通过特定光路还可将上述相位调制转换为强度调制、偏振调制或模式调制。
40.在一些实施例中，经过调制的x波段泵浦光场和未经调制的y波段信号光场分别通过光栅耦合器耦合进入硅基波导；信号光场经光学分束器分至马赫增特干涉仪两臂；泵浦光场经定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪一臂；泵浦光场在硅基波导双光子吸收作用下产生自由载流子，改变硅基波导折射率并实现信号光场相位调制；残留泵浦光场经另一定向耦合器导出；经过相位调制的信号光场和未经过相位调制的信号光场干涉输出强度调制信号。
41.在一些实施例中，定向耦合器由两根平行波导组成，波导长度、宽度和间距经过设计，x波段泵浦光场可在两根波导间倏逝耦合，y波段信号光场不发生倏逝耦合。
42.本发明提供一种实现上述基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法的系统实施例，包括光栅耦合器、硅基波导、光学分束器、马赫增特干涉仪以及定向耦合器，还包括：
43.泵浦光场调制耦合子系统，用于将调制信号加载于x波段泵浦光场、通过定向耦合器耦合到光学调制器内；
44.信号光场调制子系统，用于泵浦光场在双光子吸收作用下产生自由载流子、引起传输波导折射率变化、实现对y波段信号光场相位的有效调制；
45.在一些实施例中，光学调制器以泵浦光场为驱动源且全部由无源光学器件(即不含外接电极)构成；
46.在一些实施例中，系统经过调制的x波段泵浦光场和未经调制的y波段信号光场分别通过光栅耦合器耦合进入硅基波导；信号光场经光学分束器分至马赫增特干涉仪两臂；泵浦光场经定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪一臂；泵浦光场在硅基波导双光子吸收作用下产生自由载流子，改变硅基波导折射率并实现信号光场相位调制；残留泵浦光场经另一定向耦合器导出；经过相位调制的信号光场和未经过相位调制的信号光场干涉输出强度调制信号；
47.在一些实施例中，定向耦合器由两根平行波导组成，波导长度、宽度和间距经过设计，x波段泵浦光场可在两根波导间倏逝耦合，y波段信号光场不发生倏逝耦合。
48.如图1所示，本发明提供一种基于绝缘体上硅制备工艺的、全光驱动的芯片集成马赫增特干涉仪，用以描述基于光生自由载流子的芯片集成全光调制原理：经过调制的x波段泵浦光场和未经调制的y波段信号光场分别通过光栅耦合器耦合进入硅基波导；信号光场经光学分束器分至马赫增特干涉仪两臂；泵浦光场经定向耦合器耦合进入马赫增特干涉仪一臂(定向耦合器由两根平行波导组成，波导长度、宽度和间距经过精细设计，x波段泵浦光场可在两根波导间倏逝耦合，y波段信号光场几乎不发生倏逝耦合)；泵浦光场在硅基波导双光子吸收作用下产生自由载流子，改变硅基波导折射率并实现信号光场相位调制；残留泵浦光场经另一定向耦合器导出；经过相位调制的信号光场和未经过相位调制的信号光场干涉输出强度调制信号。需要注意的是，图1仅展示了相位调制和强度调制的基本原理，本发明所述全光调制方法还可用于实现偏振调制、模场调制等。
49.本发明提供一种基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法的实施例，泵浦光
场通过定向耦合器进入光学调制器、通过双光子吸收效应产生自由载流子并改变传输波导折射率，信号光场相位随折射率变化实现有效调制。
50.在一些实施例中，芯片集成波导能够通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、能够在自由载流子作用下产生折射率变化，芯片集成波导所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等，既可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法；
51.在一些实施例中，泵浦光场位于x波段，需要以低功率在芯片集成波导内产生高浓度自由载流子(高折射率变化)，泵浦光场可由脉冲激光器产生，调制方式既可为外部调制(产生激光脉冲后调制)也可为内部调制(直接输出调制脉冲)；信号光场位于y波段，需在芯片集成波导内以较低损耗传输，信号光场可以为连续光、脉冲光或单光子序列；泵浦光场和信号光场需具有相同的重复频率、相近的传播常数和近零的时序失配。
52.在一些实施例中，定向耦合器需包含两个输入端和一个输出端，泵浦光场和信号光场从输入端输入，泵浦光场通过倏逝波耦合与信号光场合并传输并从输出端输出，泵浦光场交叉耦合系数最大，信号光场交叉耦合系数最小，不限定定向耦合器具体结构参数。
53.在一些实施例中，光学调制器中泵浦光场和信号光场在光学调制器中的传输波导内同步传输，泵浦光场产生的自由载流子致折射率变化影响信号光场相对相位，波导横截面结构需优化设计使传输损耗较低、自由载流子寿命较短、波导折射率变化灵敏，波导长度需优化设计以兼顾低传输损耗和大调制深度；还可将上述相位调制通过特定光路转换为强度调制、偏振调制、模式调制等。
54.本发明提供一种基于光生自由载流子的芯片集成全光调制方法的实施例，将调制泵浦光场沿垂直于芯片方向照射到传输波导上表面引发自由载流子致折射率变化的全光调制方法。
55.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
56.首先，本发明所述全光调制方法没有用到芯片电极和外接电压、毋须离子注入(p-i-n结构)、气相沉积等特殊工艺，同时避免了调制电压过高造成的波导击穿问题，结构简单、性能可靠、易于实现；
57.其次，本发明所述全光调制方法最大调制速率取决于自由载流子耗散速率，可以通过波导结构优化降低自由载流子寿命并突破速率瓶颈，调制速率远高于当前普遍采用的热光调制方法；
58.此外，本发明为集成化大规模光场调控提供了全新技术思路，相关设计理念有望在全光通信信号波长转换、光学神经网络、光学相控阵等领域得到广泛应用。
59.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
60.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
61.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
62.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
63.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
64.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
65.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
66.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
67.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
68.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
69.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实
施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
70.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。