一种双臂反向电压调制的电光调制器和光信号调制方法

1.本发明涉及光电信息中的硅基电光调制器领域，具体涉及一种双臂反向电压调制的硅基电光调制器，该调制器可以在保证调制效率的情况下将调制器电极长度减小，从而有效减小行波电极的传输损耗，提高调制器的带宽。


背景技术：

2.随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量技术快速发展。
3.随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。
4.作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的电光调制器，它的作用就是把电信号加到光载波上，将电信号转变为光信号。硅基电光调制器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。
5.近年来，在学术界和工业界的持续创新努力下，各种高性能指标的波导集成的硅基电光调制器不断被提出，部分指标已经达到了商用三五族探测器的水平。目前马赫增德尔结构调制器主要采用对一个臂进行调制，或者对两个臂进行通过差分信号进行调制(推挽式)的调制方式。以对一个臂调制方式为例，要使两臂相位差达到180
°
，则需对90
°
移相器的一条支路波导调制使其相位减小90
°
，加上90
°
移相器的作用，则可使该支路光相位减小180
°
，也就是两个支路的相对相位差为180
°
，但是这种调制方法的调制效率较低、传输损耗大。


技术实现要素：

6.为了解决现有马赫增德尔结构调制器的调制效率较低、传输损耗大的问题，发明人对该调制器进行了改进，并在此基础上提出了改进的调制方法，以提高调制效率、降低传输损耗。本发明所采用的方案具体如下。
7.一种双臂反向电压调制的电光调制器，包括波导结构和能改变光相位的移相器；所述波导结构包括由下而上的硅基层、外延层和两条均具有pn结的光支路。两条光支路即为该电光调制器的双臂。两条所述光支路间隔嵌设在所述外延层中；每条所述光支路均包括两个电极、p区和n区，所述p区邻接于所述n区，其中一个所述电极连接于所述p区，另一个电极连接于所述n区，所述p区和所述n区嵌设于所述外延层中，两个所述电极和所述p区和所述n区连接的一端嵌入所述外延层中，另一端裸露在所述外延层之外；所述移相器连接于其中一条光支路。
8.作为该双臂反向电压调制的电光调制器的一种改进，所述移相器为90
°
移相器。
9.作为该双臂反向电压调制的电光调制器的一种改进，所述外延层为二氧化硅层。
10.作为该双臂反向电压调制的电光调制器的一种改进，在每条光支路中，所述p区和所述n区均为长条状，截面均为l形，所述p区和所述n区呈背靠背对称设置。
11.作为该双臂反向电压调制的电光调制器的一种改进，在每条光支路中，两个电极为长条状，朝向和所述p区和所述n区相同；其中一个电极焊接在所述p区远离所述n区的一侧，另一个电极焊接在所述n区远离所述p区的一侧。
12.作为该双臂反向电压调制的电光调制器的一种改进，所述电光调制器还包括输入端和输出端；所述输入端分叉并分别连接于两条光支路的一端，两条光支路的另一端汇合并连接于所述输出端。
13.一种光信号调制方法，利用上述的双臂反向电压调制的电光调制器对光信号进行调制，包括利用一条光支路上的移相器来改变该支路的光相位，并且通过该条光支路上的两个电极施加偏压来进一步改变该光支路的光相位，通过另一条光支路上的两个电极施加偏压来改变该光支路的光相位。
14.作为该光信号调制方法的一种改进，对两条光支路上施加的偏压大小相等但方向相反。
15.作为该光信号调制方法的一种改进，对第一条光支路上施加的正向偏压，使该支路的光相位减小45
°
；对第二条光支路上施加的反向偏压，使该支路的光相位增加45
°
。
16.作为该光信号调制方法的一种改进，所述移相器连接在所述第一条光支路上，将所述第一条光支路的光相位减小90
°
。
17.本发明的有益效果是：本发明提出的双臂反向电压调制的电光调制器设置了两条均具有pn结的光支路，每条光支路均连接两个电极，可以向两条光支路同时施加电压信号，且可以施加反向的电压信号，以反向调节两条光支路上的光相位，相比于只能单路调制光相位的设备和方法，本装置和方法提高了调制效率，在维持相同的光相位调制效果下，可以缩短光支路的长度，即减小p区和n区以及电极的长度，即降低了传输损耗，从而也提升了电光调制器的带宽，降低了功耗。
附图说明
18.图1为双臂反向电压调制的电光调制器的双臂结构俯视示意图。
19.图2为双臂反向电压调制的电光调制器的截面结构示意图。
20.附图标记：波导结构1、移相器2、硅基层11、外延层12、光支路13、电极131、p区132、n区133、输入端3、输出端4。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的电光调制器和光信号调制方法的实施方式进行具体说明。
22.如图1所示，一种双臂反向电压调制的电光调制器，包括波导结构1和能改变光相位的移相器2。所述波导结构1包括由下而上的硅基层11、外延层12和两条均具有pn结的光支路13。所述外延层12可以是二氧化硅层。
23.两条光支路13即为该电光调制器的双臂。两条所述光支路13间隔且最好是平行的嵌设在所述外延层12中，以不会相互干扰且提高空间利用率。
24.如图2所示，每条所述光支路13均包括两个电极131、p区132和n区133。在每条光支路13中，所述p区132邻接于所述n区133，组成了上述pn结的结构。在每条光支路13中，其中一个电极131连接于所述p区132，另一个电极131连接于所述n区133，所述p区132和所述n区133均嵌设于所述外延层12中，两个所述电极131和所述p区132和所述n区133连接的一端嵌入所述外延层12中，另一端裸露在所述外延层12之外。在这两个电极131中，一个为s极，另一个为g极，均可以由铝材质制成。可以是，s极和p区132连接，g极和n区133连接；也可以是，s极和n区133连接，g极和p区132连接。
25.所述移相器2连接于其中一条光支路13，用于调制该条光支路13上的光相位。当输入光分叉为两束相同光分别经过两条光支路13后，一条光支路13上的光相位被所述移相器2改变，两束光汇合后发生干涉，使光被调制。输入光还可以受两条光支路13的电极131施加偏压而进一步发生光相位变化，使光被进一步调制，得到目标光信号。
26.本实施方式中的电光调制器设置了两路均具有pn结的光波导结构1，能同时调制两支路上的光相位，提高了调制效率。相比于现有的马赫增德尔结构调制器，在同样的调制效果下，可以缩短光支路13，从而降低光传输损耗。
27.如图1和图2，图1未示出硅基层11和外延层12。在每条光支路13中，所述p区132和所述n区133均为长条状(图1)，截面均为l形(图2的截面结构)，所述p区132和所述n区133呈背靠背对称设置。在每条光支路13中，两个电极131也均为长条状(图1)，朝向和所述p区132和所述n区133相同。其中一个电极131焊接在所述p区132远离所述n区133的一侧，另一个电极131焊接在所述n区133远离所述p区132的一侧。
28.如图2所示，所述电光调制器还包括输入端3和输出端4。所述输入端3分叉并分别连接于两条光支路13的一端，两条光支路13的另一端汇合并连接于所述输出端4。
29.本实施方式中提出的双臂反向电压调制的电光调制器设置了两条均具有pn结的光支路13，每条光支路13均连接两个电极131，可以向两条光支路13同时施加电压信号，且可以施加反向的电压信号，以反向调节两条光支路13上的光相位，相比于只能单路调制光相位的设备和方法，本装置和方法提高了调制效率，在维持相同的光相位调制效果下，可以缩短光支路13的长度，即减小p区132和n区133以及电极131的长度，即降低了传输损耗，从而也提升了电光调制器的带宽，降低了功耗。
30.利用上述的双臂反向电压调制的电光调制器，对输入的光信号进行调制的方法包括：利用一条光支路13上的移相器2来改变该支路的光相位，并且通过该条光支路13上的两个电极131施加偏压来进一步改变该光支路13的光相位，通过另一条光支路13上的两个电极131施加偏压来改变该光支路13的光相位。
31.作为对输入的光信号进行调制的方法的一种优选实施方式，对两条光支路13上施加的偏压大小相等但方向相反。例如一个臂(光支路13)加的为s-g信号(3v)，则另一个臂施加的为g-s信号(-3v)。施加正向偏压的一个调制臂的pn结注入载流子，光传播速度减慢。施加反向偏压的一个调制臂的pn结输出载流子，光传播速度加快。
32.例如，在调制时，要使两臂相位差达到180
°
，则需用90
°
移相器2对其所在的支路进行调制使通过波导的光相位减小90
°
，同时，在该条支路上，通过两个电极131施加正向偏压
进一步使通过pn结波导的光相位再减小45
°
，而对另外一条支路，通过两个电极131施加反向偏压使通过该支路波导的光相位增加45
°
，从而使两路光相位差为180
°
。
33.因此，基于该工作原理的电光调制器，单路只调制45
°
相位就可以达到两路相位差为180
°
的目的。因此，相对于传统调制器需对90
°
移相器2的一条支路波导调制使其相位减小90
°
，加上90
°
移相器2的作用，则可使该支路光相位减小180
°
的作法，本实施方式中的电光调制器可以把调制器长度减小为原来的一半，并进行双路同时调制，就可以达到同样的调制效果。减小调制器长度，即沿着光传输的方向上，将电极131和pn结波导的长度减为原先的一半，从而可以大大提升调制器带宽，减小功耗。
34.上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本发明，不能理解为是对本发明要求保护范围的限制；只要是根据本发明所揭示精神所作的任何等同变更或修饰，均落入本发明要求保护的范围。