高调制效率微环调制器

1.本发明涉及光电子器件技术领域，具体地，涉及一种高调制效率微环调制器。


背景技术：

2.电光调制器是将高速的电信号转换到光域中的关键器件，在光通信、光传感等领域有着十分广泛的应用。近年来，随着集成光电子技术的发展，集成电光调制器被广泛研究，并逐渐成为电光调制器的主要发展方向。从结构上来看，目前主流的电光调制器可主要分为马赫增德尔干涉仪式调制器以及微环谐振腔式调制器两种。相比于马赫增德尔干涉仪式调制器，微环谐振腔式调制器具有尺寸小，调制效率高、驱动电路简单、低功耗的优势。近年来，被越来越多的研究人员所关注。
3.为了推动集成电光调制器的实际应用，需要我们尽可能地降低集成调制器的驱动电压，以使其能够在cmos集成电路能够支持的电压条件下完成光信号的调制。然而，即使是对于微环谐振腔式调制器来说，由于单位电压下材料折射率改变量有限的原因，也很难真正实现在cmos电压下对光信号的有效调制。
4.因此，亟需提出新的器件结构及设计方法，提高微环调制器的调制效率，降低微环调制器正常工作所需驱动电压，以推动微环调制器的实际应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高调制效率微环调制器。
6.根据本发明提供的一种高调制效率微环调制器，包括：输入波导、输出波导、可调微环谐振腔、第一反馈回路波导、第二反馈回路波导、第一模式转换器、第二模式转换器、第三模式转换器以及第四模式转换器；
7.所述输入波导用于将光信号耦合进可调微环谐振腔，所述第一模式转换器、第二模式转换器、第三模式转换器以及第四模式转换器连接在可调微环谐振腔中，所述第一反馈回路波导的两端分别连接第一模式转换器和一个输入端以及第二模式转换器的一个输出端，所述第二反馈回路波导的两端分别连接第三模式转换器的一个输入端以及第四模式转换器的一个输出端，所述输出波导用于将经过调制后的光信号耦合出可调微环谐振腔。
8.优选地，所述可调微环谐振腔包括第一光电调制模组、第二光电调制模组、第一半环波导以及第二半环波导，所述第一光电调制模组与第二光电调制模组之间通过第一半环波导、第二半环波导相连，构成一个谐振波长可调的封闭的环形谐振腔，其中第一半环波导的两端分别连接第一模式转换器和第四模式转换器，第二半环波导的两端分别连接第二模式转换器和第三模式转换器。
9.优选地，所述第一光电调制模组和第二光电调制模组的结构相同，为基于离子掺杂的硅基电光调制模组或硅基热光调制模组，调制模组中波导折射率改变区域随波导宽度的增加而变大。
10.优选地，所述第一反馈回路波导包括依次连接的第一半圆波导、第一直波导和第
二半圆波导，所述第一半圆波导与第一模式转换器连接，所述第二半圆波导与第二模式转换器连接。
11.优选地，所述第二反馈回路波导包括依次连接的第三半圆波导、第二直波导和第四半圆波导，所述第三半圆波导与第三模式转换器连接，所述第四半圆波导与第四模式转换器连接。
12.优选地，所述第一模式转换器、第二模式转换器、第三模式转换器以及第四模式转换器的结构相同，所述第一模式转换器和第四模式转换器设置方向相同，所述第二模式转换器和第三模式转换器设置方向相同，且第一模式转换器与第二模式转换器设置方向相反。
13.优选地，模式转换器包括依次连接的第一输入单模波导、输入s形波导、单模耦合波导、输出s形波导、输出单模波导，以及依次连接的第二输入单模波导、拉锥波导、多模耦合波导以及多模输出波导。
14.优选地，所述第一模式转换器包括：
15.硅衬底；
16.二氧化硅下包层：设置于硅衬底一侧；
17.硅波导层：设置于二氧化硅下包层远离硅衬底一侧；
18.二氧化硅上包层：设置于硅波导层远离二氧化硅下包层一侧。
19.优选地，所述第一光电调制模组包括p型重掺杂区域、n型重掺杂区域、p型轻掺杂区域、n型轻掺杂区域、第一电极、第二电极、二氧化硅上包层、二氧化硅下包层以及硅衬底；所述二氧化硅下包层位于硅衬底的一侧，所述p型重掺杂区域、n型重掺杂区域、p型轻掺杂区域、n型轻掺杂区域位于二氧化硅下包层的另一侧，所述p型重掺杂区域与p型轻掺杂区域连接，所述n型重掺杂区域与n型轻掺杂区域连接，所述p型轻掺杂区域与n型轻掺杂区域连接，所述第一电极与n型重掺杂区域连接，第二电极与p型重掺杂区域连接，所述二氧化硅上包层位于p型重掺杂区域、n型重掺杂区域、p型轻掺杂区域、n型轻掺杂区域的另一侧，且第一电极和第二电极位于二氧化硅上包层中。
20.优选地，所述p型轻掺杂区域和n型轻掺杂区域之间形成u型的载流子耗尽区域，或形成l型的载流子耗尽区域。
21.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
22.本发明将耦合进入微环谐振腔的输入光信号经过模式转换器的转模，分别以第一光信号、第二光信号、第四光信号、第五光信号通过微环谐振腔的相位调制区域，提升了整个微环谐振腔的调制效率有效降低微环调制器的驱动电压，实现降低整体功耗的效果。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本发明高调制效率微环调制器整体结构示意图；
25.图2为本发明第一模式转换器结构的俯视图；
26.图3为本发明基于l型离子掺杂的硅基电光调制模组结构示意图；
27.图4为本发明基于u型离子掺杂的硅基电光调制模组结构示意图；
28.图5为基于热光效应调制模组的结构示意图；
29.图6为本发明第一光电调制模组有效折射率随施加电压值变化的关系示意图；
30.图7为本发明微环调制器调制效率对比示意图。
31.附图标记说明：
32.输入波导100
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第一模式转换器500
33.输出波导200
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第一输入单模波导501
34.可调微环谐振腔300
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输入s型波导502
35.第一半环波导301
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单模耦合波导503
36.第二光电调制模组302
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输出s型波导504
37.第一电极3021
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输出单模波导505
38.第二电极3022
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第二输入单模波导506
39.二氧化硅上包层3023
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拉锥波导507
40.二氧化硅下包层3024
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多模耦合波导508
41.硅衬底3025
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多模输出波导509
42.n型重掺杂区域3026
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第三模式转换器600
43.n型轻掺杂区域3027
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第二模式转换器700
44.p型轻掺杂区域3028
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第二反馈回路波导800
45.p型重掺杂区域3029
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第三半圆波导801
46.第二半环波导303
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第二直波导802
47.第一光电调制模组304
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第四半圆波导803
48.加热电极3041
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第一反馈回路波导900
49.硅脊型波导3042
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第一半圆波导901
50.第四模式转换器400
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第一直波导902
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第二半圆波导903
具体实施方式
52.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
53.根据本发明提供的一种高调制效率微环调制器，参照图1，包括：输入波导100、输出波导200、可调微环谐振腔300、第一反馈回路波导900、第二反馈回路波导800、第一模式转换器500、第二模式转换器700、第三模式转换器600以及第四模式转换器400；
54.输入波导100用于将光信号耦合进微环谐振腔输出第一光信号。
55.第一反馈回路波导900，两端分别与第一模式转换器500的一个输入端以及第二模式转换器700的一个输出端相连，将第一光信号输入到第一模式转换器500中。
56.第一模式转换器500，用于对第一光信号进行转模处理并输出第二光信号。
57.第二模式转换器700，用于对第二光信号进行转模处理并输出第三光信号。
58.第三模式转换器600，用于对第三光信号进行转模处理并输出第四光信号。
59.第四模式转换器400，用于对第四光信号进行转模处理并输出第五光信号。
60.第二反馈回路波导800，两端分别于第三模式转换器600的一个输入端以及第四模式转换器400的一个输出端相连，将第五光信号输入到可调微环谐振腔300的相位调制臂中。
61.可调微环谐振腔300，用于对第一、二、四、五光信号进行调制。
62.输出波导200，用于将经过调制后的光信号耦合出微环谐振腔输出第六光信号。
63.其中，初始光信号、第一光信号、第三光信号、第五光信号、第六光信号为第一模式光信号，第二光信号、第四光信号为第二模式光信号。需要说明的是，第一模式、第二模式可为任意的光波导模式。以下仅以第一模式为te0模式、第二模式为te1模式为例进行说明。
64.第一、二、三、四模式转换器具有相同的结构，但沿相同或相反的方向放置。具体表现为：第一模式转换器500与第四模式转换器400放置方向相同，与第二模式转换器700、第三模式转换器600放置方向相反。其作用在于将输入至其中的光信号转换为不同阶模式的光信号(如te0,te1,te2,te3等)并输出。由于两个不同阶模式的光信号在经过光电调制模组进行相位调制的过程中彼此之间不发生干涉或者串扰，因此二者的相位改变量可以叠加，实现前文中所述提高调制效率，降低器件驱动电压的效果。图2为第一模式转换器500结构的俯视图，第一模式转换器500的结构包括：第一输入单模波导501，输入s形波导502，单模耦合波导503，输出s形波导504，输出单模波导505，第二输入单模波导506，拉锥波导507，多模耦合波导508，多模输出波导509。在垂直结构方面，第一模式转换器还包括：硅衬底；二氧化硅下包层(设置于硅衬底一侧)，硅波导层，设置于二氧化硅下包层远离硅衬底一侧；二氧化硅上包层，设置于硅波导层远离二氧化硅下包层一侧。下面，以te0，te1两模式为例，对第一模式转换器的功能进行阐述。当te0模式的光从单模波导501处输入时，由于耦合区域满足发生模式转换的相位匹配条件，经过耦合区域耦合后，将于多模输出波导509处输出te1模式的光信号。当te0模式的光从单模波导506处输入时，则不会发生模式转换，光信号将以te0模式由多模波导509处输出。同理，根据光路的可逆性，当te1模式的光从多模输出波导509处输入时，也会在耦合区发生模式转换，转换成te0模式的光从第一输入单模波导501处输出。当te0模式的光从多模输出波导509处输入时，将不会在耦合区发生模式转换，光信号仍以te0模式从第二输入单模波导506输出。
65.可调微环谐振腔300还包括：第一光电调制模组304、第二光电调制模组302、第一半环波导301、第二半环波导303。其中第一光电调制模组304用于对第一、二光信号进行相位调制。第二光电调制模组302用于对第四、五光信号进行相位调制。第一光电调制模组304与第二光电调制模组302之间通过第一半环波导301、第二半环波导303相连，构成一个谐振波长可调的封闭的环形谐振腔。
66.第一光电调制模组304和第二光电调制模组302具有相同的结构，可为基于离子掺杂的硅基电光调制模组或硅基热光调制模组。调制模组中波导折射率改变区域会随着波导宽度的增加而变大。图3为基于l型离子掺杂的硅基电光调制模组，其结构包括：p型重掺杂区域3029、n型重掺杂区域3026、p型轻掺杂区域3028、n型轻掺杂区域3027、第一电极3021、第二电极3022、二氧化硅上包层3023、二氧化硅下包层3024、硅衬底3025。具体地，调制电信号通过第一电极3021和第二电极3022施加在p型重掺杂区域3029和n型重掺杂区域3026上，以调节p型轻掺杂区域3028和n型轻掺杂区域3027中的载流子浓度。p型轻掺杂区域3028和n
型轻掺杂区域3027之间形成l型的载流子耗尽区域，进而改变波导内光信号的有效折射率。
67.在一些具体的实施例中，第一、第二光电调制模组也可为基于u型离子掺杂的硅基电光调制模组，具体结构如图4所示。包括：p型重掺杂区域3029、n型重掺杂区域3026、p型轻掺杂区域3028、n型轻掺杂区域3027、第一电极3021、第二电极3022、二氧化硅上包层3023、二氧化硅下包层3024、硅衬底3025。具体地，调制电信号通过第一电极3021和第二电极3022施加在p型重掺杂区域3029和n型重掺杂区域3026上，以调节p型轻掺杂区域3028和n型轻掺杂区域3027中的载流子浓度。p型轻掺杂区域3028和n型轻掺杂区域3027之间形成u型的载流子耗尽区域，进而改变波导内光信号的有效折射率。
68.在一些具体的实施例中，第一、第二光电调制模组还可为基于热光效应的调制模组，具体结构如图5所示。包括：第一电极3021、第二电极3022、加热电极3041、二氧化硅上包层3023、硅脊型波导3042、二氧化硅下包层3024、硅衬底3025。具体地，调制电信号通过第一电极3021和第二电极3022施加在加热电极3041上，热电极通电后产生热效应，温度发生变化，进而改变下层波导的温度，进而改变波导内光信号的有效折射率。
69.该调制器的结构还包括，第一反馈回路波导900与第二反馈回路波导800。两反馈回路波导具有相同的结构。第一反馈回路波导900，其结构包括第一半圆波导901，第一直波导902，第二半圆波导903。第一反馈回路波导的两端分别与第一模式转换器的第一输入单模波导、第二模式转换器的第二输入单模波导相连，作用是将经过调制的第一光信号送至第一模式转换器的第一单模输入波导端进行转模，转为第二光信号，使其再次通过第一光电调制模组进行相位调制。第二反馈回路波导800，其结构包括第三半圆波导801，第二直波导802，第四半圆波导803。其两端分别与第三模式转换器的第二输入单模波导、第四模式转换器的第一输入单模波导相连，作用是将由第四模式转换器转模输出的第五光信号送至第三模式转换器的第二输入单模波导，并使其再次通过第二光电调制模组进行相位调制。
70.下面，将以te0为第一模式光信号，te1为第二模式光信号为例对本技术实施例的具体工作原理进行阐释：光信号由输入波导100以te0模式输入，耦合进入可调微环谐振腔中300中，谐振腔中的光沿逆时针方向传播，首先由第一模式转换器500的第二输入单模波导506输入，并从第一模式转换器的多模输出波导509输出。此时的输出光未发生模式转换，仍为te0模式，并顺次进入到第一光电调制模组304中进行相位调制。经过调制后的光信号由第二模式转换器的多模输出波导输入，从第二模式转换器的第二单模输入波导输出，沿第一反馈回路波导900返回第一模式转换器的第一输入单模波导501端，并输入，此时在第一模式转换器中发生模式转换，由原来的te0模式转换为te1模式。第一光信号经过转模后变为第二光信号，从第一模式转换器的多模输出波导509端输出，并再次经过第一光电调制模组304进行相位调制。调制后的te1模式的第二光信号由第二模式转换器的多模输出波导输入，在第二模式转换器700中再次发生模式转换，由te1模式转换为te0模式，并从第二模式转换器的第一输入单模波导输出第三光信号。第三光信号沿第二半环波导303到达第三模式转换器的第一输入单模波导，经第三模式转换器600后再次转模变为te1模式，从第三模式转换器的多模输出波导输出，此时输出光信号为第四光信号，第四光信号紧接着进入第二光电调制模组302中，进行相位调制，调制后由第四模式转换器的多模输出波导端输入，在第四模式转换器400中发生转模，转为te0模式，并从第四模式转换器的第一输入单模波导端输出，此时输出光信号为第五光信号。第五光信号经第二反馈回路波导800再次由第
三模式转换器的第二单模输入波导端输入，不发生转模，仍以te0模式输出，至第二光电调制模组302进行相位调制，并以te0模式从第四模式转换器多模输出波导端输入，从第四模式转换器的第二单模输入波导端输出。第四模式转换器400输出的信号最终通过第一半环波导301耦合至输出波导200中，并最终输出。在经过整个微环调制器的过程中，光信号先后以te0模式、te1模式两次经过第一光电调制模组304和第二光电调制模组302，总共进行四次相位调制，大大地提升了整个微环调制器的调制效率。
71.请参照图6，横坐标为第一光电调制模组的施加电压值(实际电压值，负号表示pn结反偏电压，单位为v)，纵坐标为波导中te0模式与te1模式的有效折射率l41为施加电压值与te0模式有效折射率的关系曲线，l42为施加电压值与te1模式有效折射率的关系曲线。如图4所示，随着第一光电调制模组的施加电压值逐渐增加，te0模式与te1模式的有效折射率都逐渐增加。使得te0模式、te1模式的光信号在可调微环谐振腔中积累相位变化。经过微环谐振腔的谐振作用，相位变化将转换为强度变化，进而改变谐振腔的谐振波长。
72.请参照图7，横坐标为波长(单位为nm)，纵坐标为信号功率(单位db)。l1为不施加电压下微环谐振腔的透射谱线，lte0为普通单模微环调制器在施加1v电压下谐振腔的透射谱线，lte0 te1为所提出的微环调制器在施加1v电压下谐振腔的透射谱线。如图7所示，本技术实施例中所提出的微环调制器，在相同的工作电压下可以实现更大的波长漂移量，调制效率接近普通单模微环调制器的二倍。
73.所述可调微环谐振腔包括第一光电调制模组、第二光电调制模组、第一半环波导以及第二半环波导，所述第一光电调制模组与第二光电调制模组之间通过第一半环波导、第二半环波导相连，构成一个谐振波长可调的封闭的环形谐振腔，其中第一半环波导的两端分别连接第一模式转换器和第四模式转换器，第二半环波导的两端分别连接第二模式转换器和第三模式转换器。
74.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。