线性化调制器的制作方法

1.本发明涉及一种电光调制器，并且具体地涉及一种已相对于工作电压范围线性化的电光调制器。


背景技术：

2.各种类型的电光调制器在所施加的工作电压与所产生的光学相移之间具有固有的非线性传递函数。这种非线性对使用此类调制器的系统是相对严重的限制。
3.例如，在诸如光纤无线电的模拟应用中，非线性限制射频信号的动态范围和最大功率。这可导致较差的链路增益和较高的信噪比。在lidar应用中，非线性相位调制器需要数模转换器中的更多位进行补偿。这增加了系统的大小和功率。在一般通信应用中，由于脉冲幅度调制4(pam-4)调制器是非线性的，因此它们需要非线性电驱动器来补偿，这增加了驱动器的复杂性和功耗。
4.图1和图2分别示出了p-n(耗尽)调制器和moscap调制器的传递函数。该曲线图是作为工作电压v的函数的折射率δn
eff
的有效变化。p-n调制器的传递函数遵循平方根特性，其中斜率随工作电压而减小。相比之下，moscap调制器的传递函数具有“拐点”特性，其中斜率在“开启”电压v
th
处突然变化。v
th
后的斜率的梯度与调制器的电容c
ox
成正比。


技术实现要素：

5.在一般层面上，本发明的实施方案涉及通过级联具有不同传递函数的多个子调制器而形成的线性化调制器。
6.因此，在第一方面，本发明的实施方案涉及一种电光调制器，其包括：
7.输入波导，所述输入波导被配置为将光引导到所述电光调制器的调制区域中；
8.在所述调制区域内的多个子调制器，每个子调制器在所施加的电压与光学相移之间具有传递函数；以及
9.输出波导，所述输出波导被配置为将光引导出所述调制区域；
10.其中每个调制器的所述传递函数的组合使得在所施加的电压与所述调制区域的光学相移之间的总传递函数在工作电压范围内基本上是线性的。
11.因此，此类电光调制器在工作电压范围内线性化，从而克服了前面讨论的缺点。在一些实施方案中，通过对应结(p-n或moscap)几何形状或掺杂水平的调整来控制每个子调制器的传递函数。在一些实施方案中，调制器的总相移是每个子调制器的相移之和(即，独立传递函数的叠加)乘以每个子调制器的光学长度。所谓光学长度，其可以是指通过子调制器的光的路径长度。
12.电光调制器可以具有以下可选特征中的任何一者或在它们兼容的范围内具有以下可选特征的任意组合。
13.多个子调制器中的至少两个子调制器可以具有彼此不同的传递函数。在一些实施方案中，每个子调制器可以具有不同于其他子调制器的传递函数。
14.子调制器可以是基于载流子耗尽的调制器。例如，每个子调制器可以包括连接到一对电极的p-i-n或p-n结。每个子调制器的传递函数可以通过改变以下各项中的一者或多者来确定：光学长度；耗尽宽度；以及掺杂水平。
15.子调制器可以是基于金属氧化物半导体电容器(moscap)的调制器。例如，每个子调制器可以在两个掺杂区域之间包括氧化物势垒，使得所得结构可用作电容器。每个子调制器的传递函数可以通过改变以下各项中的一者或多者来确定：光学长度；氧化物厚度；以及掺杂水平。
16.子调制器可以共享公共电极。也就是说，每个子调制器可以连接到与其他子调制器相同的电极对。子调制器可以由公共驱动器驱动。也就是说，每个子调制器在使用中可以经历与其他子调制器相同的工作电压。
17.调制区域可以设置在马赫-曾德尔(mach-zehnder)调制器(mzm)的第一臂内。第二调制区域可以设置在马赫-曾德尔调制器的第二臂内，第二调制区域可以包括第二多个子调制器，第二多个子调制器中的每个子调制器在所施加的电压与光学相移之间具有传递函数，该传递函数不同于第二多个子调制器中的其他子调制器。第二调制区域的子调制器可以与第一调制区域的子调制器基本相同。也就是说，第一调制区域的每个子调制器可以在第二调制区域中具有对应的子调制器。第二调制区域可以由不同于第一调制区域的驱动器驱动。输入波导可以耦合到分路器，该分路器在马赫-曾德尔调制器的每个臂之间划分输入光。输入光可以在马赫-曾德尔调制器的每个臂之间以50:50的比例进行分离。输出波导可以耦合到组合器，该组合器组合从马赫-曾德尔调制器中的每一者接收到的光。
18.调制区域可以在环形调制器内。环形调制器可以是微环形调制器(mrm)。输入波导和输出波导可以是总线波导的区域，并且总线波导可以包括耦合到环形调制器的耦合区域。
19.子调制器可以基于硅。或者，子调制器可以基于iii-v半导体。
20.电光调制器还可以包括多个调制区域，每个调制区域包括相应的多个子调制器，每个相应的多个子调制器的传递函数的组合使得每个调制区域在所施加的电压与相应的调制区域的光学相移之间的总传递函数在工作电压范围内基本上是线性的。每个调制区域的子调制器可以由公共驱动器驱动。调制区域可以共享公共接地电极。多个调制区域可以位于马赫-曾德尔调制器的一个臂内。电光调制器还可以包括在马赫-曾德尔调制器的第二臂中的第二多个调制区域，第二臂中的每个调制区域包括相应的多个子调制器，每个相应的多个子调制器的传递函数的组合使得第二臂的每个调制区域在所施加的电压与相应的调制区域的光学相移之间的总传递函数在工作电压范围内基本上是线性的。
21.电光调制器可以是基于硅的调制器。电光调制器可以是基于iii-v半导体的调制器。
22.在第二方面，本发明的实施方案提供了一种使用第一方面的电光调制器调制光信号的方法，该方法包括：
23.向所述输入波导提供输入信号；
24.使用所述调制区域调制所述输入信号，以形成经调制的输出信号；以及
25.从所述输出波导输出所述经调制的输出信号。
附图说明
26.现在通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施方案，在附图中：
27.图1示出了p-n调制器的传递函数；
28.图2示出了moscap调制器的传递函数；
29.图3示出了根据本发明的一个实施方案的马赫-曾德尔耗尽调制器；
30.图4示出了根据本发明的一个实施方案的微环耗尽调制器；
31.图5示出了根据本发明一个实施方案的电光调制器的总传递函数，其由多个子调制器的传递函数之和形成；
32.图6示出了根据本发明的一个实施方案的马赫-曾德尔moscap调制器；
33.图7示出了根据本发明的一个实施方案的微环moscap调制器；并且
34.图8示出了根据本发明的一个实施方案的多调制区域马赫-曾德尔耗尽调制器。
具体实施方式
35.现在将参考附图讨论本发明的各方面和实施方案。其他方面和实施方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的。此文本中提及的所有文件均以引用的方式并入本文。
36.图3示出了根据本发明的一个实施方案的马赫-曾德尔耗尽调制器300。以待调制的光信号的形式的光经由输入波导301进入调制器并且到达分路器302，分路器然后在马赫-曾德尔耗尽调制器的第一臂303和第二臂304之间划分所接收的信号。在一些实施方案中，在马赫-曾德尔的每个臂之间均分信号。
37.以第一臂303为例，其由平行于第二臂朝向调制器的输出波导312延伸的波导形成。沿第一臂和沿波导设置的是调制区域，该调制区域包括三个子调制器：305a、305b和305c。子调制器中的每一者由第一掺杂区域306a/306b/306c以及第二掺杂区域307a/307b/307c形成。第一掺杂区域掺杂有第一种掺杂剂，并且第二掺杂区掺杂有第二种掺杂剂。例如，第一掺杂区域可以是n掺杂的，并且第二掺杂区域可以是p掺杂的(或者反之亦然)。在一些实施方案中，本征区域保留在掺杂区域之间，以提供p-i-n结。在其他实施方案中，不保留本征区域以提供p-n结。每个臂中的波导可以是脊形波导或肋形波导，并且掺杂区域可以向上延伸到波导的相对侧壁。或者，波导可以是脊形波导或肋形波导，并且掺杂的侧壁可以延伸穿过波导的上表面和下表面。
38.第一掺杂区域306a-306c全部连接到沿调制器的第一臂303延伸的共享电极308。第二掺杂区域307a-307c也连接到共享电极309。在该示例中，共享电极308是驱动电极或信号电极并且提供工作电压v，而共享电极309是接地电极或接地体。子调制器305a、305b和305c中的每一者具有不同的光学长度：l1、l2和l3。每个子调制器的第一掺杂区域306a、306b和306c具有与其他子调制器不同的掺杂浓度，如由阴影程度所指示的。在该示例中，第一子调制器305a具有最短的光学长度l1，但是掺杂剂的浓度最高。而第三子调制器305c具有最长的光学长度l3，但是掺杂剂的浓度最低。就光学长度和掺杂剂浓度两者而言，第二子调制器305b位于第一与第二之间。每个子调制器还具有耗尽区域，可以调整其宽度以调整调制简表。
39.具有如此配置的调制区域的结果是，每个子调制器在所施加的电压v与赋予到通过该子调制器的光的相移φn之间具有不同的传递函数。如将结合图5详细讨论的，这可以
导致调制区域的总传递函数，该总传递函数在工作电压范围内基本上是线性的。
40.第一臂303中的结构基本上镜像于第二臂304中。第二臂具有另一调制区域，该调制区域还包括三个子调制器：310a、310b和310c。第二臂304的第一子调制器310a与第一臂303的第一子调制器305a基本相同，如每个臂的第二调制器和第三调制器的情况一样。第一臂中的接地电极309可以与第二臂共享。
41.在两个臂303和304的远离分路器302的端部处，两个臂聚在光组合器311中。在这里，在任何给定臂内赋予光信号的任何相移都用于以马赫-曾德尔调制器本身已知的方式调制输出信号的幅度。然后通过输出波导312发送输出信号以用于进一步处理、传输或检测。
42.图4示出了根据本发明的一个实施方案的微环耗尽调制器400。调制器包括总线波导401和总线波导的耦合区域402，其将沿总线波导传输的光耦合到微环谐振器波导403中。在该实施方案中，总线波导401的左手侧被认为是输入波导，并且总线波导的右手侧被认为是输出波导。沿微环谐振器设置的是调制区域，该调制区域包括三个子调制器：404a、404b和404c，如由虚线区域所指示的。与前面讨论的马赫-曾德尔调制一样，每个子调制器包括第一掺杂区域405a/405b/405c以及第二掺杂区域406a/406b/406c。第一掺杂区域连接到共享电极407(在该示例中为驱动器电极)，其围绕微环谐振器的外圆周延伸。类似地，第二掺杂区域连接到共享电极408(在该示例中为接地电极)，其围绕微环谐振器的内圆周延伸。与图3所示的调制器相比，该示例中的第一子调制器404a具有最长的光学长度和最轻的掺杂浓度，并且第三子调制器404c具有最短的光学长度和最重的掺杂浓度。
43.在使用中，未调制的光从总线波导401的左手侧进入调制器，如由虚线箭头所指示的。所述光然后在耦合区域402处耦合到环形谐振器中，并且穿过子调制器中的每一者，在其中对所述光进行调制以产生调制输出(由虚线箭头所指示的)。然后，调制输出在耦合区域402处耦合回总线波导，并且在总线波导的右手侧处离开调制器。
44.与图3中的调制器一样，通过调整每个子调制器相对于另一个的光学长度、掺杂浓度或耗尽宽度，调制区域的传递函数作为整体可以在工作电压范围内线性化。
45.该原理在图5中示出，该图是作为施加的电压φ的函数的相变v的曲线图。可以看出，子调制器中的每一者具有不同的传递函数n1(v)l1、n2(v)l2和n3(v)l3。这些传递函数的叠加导致总传递函数φ
tot
，该总传递函数在比各个子调制器的任何传递函数更宽的电压范围内基本上是线性的。总传递函数可以采用以下形式：
[0046][0047]
其中φn是第n个子调制器的相变，λ是工作波长，nn(v)是施加电压v时第n个子调制器的折射率，并且ln是第n个子调制器的光学长度。通常，可以通过模拟掺杂水平或本征区域宽度(或两者)的范围并提取每个的非线性传递函数来得出此类总传递函数。优化函数(诸如最小二乘)可以用于n个传递函数的组合，以实现基本上线性(即最线性响应)。然后可以对不同数量的区域n重复此操作，直到达到期望的线性水平。
[0048]
图6示出了根据本发明的一个实施方案的马赫-曾德尔moscap调制器600。图6的调制器600与图3的调制器300大致共享相同的结构，因为其具有两个臂，每个臂具有调制区域。每个调制区域包括三个子调制器：601a/602a、601b/602b和601c/602c。然而，与图3中的
调制器相反，氧化物区域604/605存在于马赫-曾德尔的每个臂中并且沿其每个臂存在。氧化物区域允许每个调制器用作电容器，因此不需要将恒定电压施加到电极以调制信号。
[0049]
此外，与图3的调制器300相反，调制器600的子调制器的传递函数通过改变以下各项中的任一者或多者来调整：光学长度；氧化物区域厚度；以及掺杂浓度。
[0050]
图7示出了根据本发明的一个实施方案的微环moscap调制器700。与前面一样，调制器700与图4中的调制器400大致共享相同的结构，因为其包括总线波导、具有调制区域的环形谐振器/波导以及在调制区域内的三个子调制器：701a、701b和701c。然而，与图4中的调制器相反，氧化物区域704存在于环形谐振器内，使得子调制器可作为电容器操作，并且因此不向电极施加恒定电压以调制信号。
[0051]
图8示出了根据本发明的一个实施方案的多调制区域马赫-曾德尔耗尽调制器800。调制器800的宽型结构与图3所示的调制器300的宽型结构相匹配，因为其包括输入波导、分路器、两个臂、组合器和输出波导。然而，沿图8中的马赫-曾德尔调制器的每个臂，是多个调制区域801a/802a、801b/802b和801c/802c。
[0052]
与前面一样，每个调制区域包括多个子调制器。在该示例中，第一臂中的第一调制区域801a包括三个子调制器：803a(i)、803a(ii)和803a(iii)。每个调制区域具有提供电压vn的相应驱动电极。第一臂的调制区域共享公共接地电极。该公共接地电极也可以与第二臂的调制区域共享。
[0053]
虽然图8所示的调制器800使用耗尽结结构，但其当然可以使用关于图6和图7讨论的moscap结构。
[0054]
图8所示的结构允许对传递函数的线性化进行更精细的控制。
[0055]
虽然上面讨论的调制器利用克尔(kerr)效应，但本发明同样适用于其他调制器，诸如利用弗朗兹-凯尔迪什(franz-keldysh)效应或量子限制斯塔克(stark)效应(所谓的qcse调制器)的调制器。本发明适用于具有可调整以调谐传递函数的参数的任何调制器。
[0056]
虽然已经结合上面描述的示例性实施方案描述了本发明，但是当给出本公开内容时，许多等效修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而不是限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对所述实施方案作出各种改变。