具有正向和反向偏置二極管的光子調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有正向和反向偏置二極管的光子調(diào)制器，所述調(diào)制器包括：正向偏置二極管，其針對(duì)功率和面積而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)諧功能；以及反向偏置二極管，其針對(duì)速度而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)制功能。
【專利說(shuō)明】具有正向和反向偏置二極管的光子調(diào)制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及光子調(diào)幅器，具體地說(shuō)，涉及具有用于調(diào)諧和調(diào)制功能的單獨(dú)二極管的光子調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]基于干涉測(cè)量或諧振波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光子調(diào)幅器通過(guò)改變有效折射率來(lái)調(diào)制光，所述改變?cè)谕ㄟ^(guò)調(diào)制器的光波中提供光相移。通常通過(guò)跨波導(dǎo)實(shí)施移相器二極管并在正向偏置或反向偏置條件下使二極管工作來(lái)實(shí)現(xiàn)此折射率變化。在正向偏置條件下，二極管以低電壓注入相對(duì)大量的電流，從而針對(duì)給定長(zhǎng)度的波導(dǎo)引起較大的折射率變化。這意味著可以使用相對(duì)較短長(zhǎng)度的波導(dǎo)制造移相器二極管。但是，二極管中固有的較大電荷密度導(dǎo)致較低的速度性能。
[0003]備選地，在反向偏置狀態(tài)下，只有少量泄漏電流流過(guò)二極管，并且電場(chǎng)主要引起折射率變化。因此，在該狀態(tài)下，二極管的工作可以快得多，但因?yàn)槊繂挝徊▽?dǎo)長(zhǎng)度的折射率變化小于正向偏置區(qū)域，所以需要更長(zhǎng)的波導(dǎo)或大得多的電壓來(lái)產(chǎn)生所需的相移。在實(shí)踐中，與正向偏置二極管相比，對(duì)反向偏置二極管施加更長(zhǎng)的波導(dǎo)和大得多的電壓。
[0004]因此，當(dāng)選擇正向偏置或反向偏置二極管設(shè)計(jì)時(shí)，在功率、速度和面積之間存在權(quán)衡?？梢葬槍?duì)面積優(yōu)化正向偏置二極管，為此使波導(dǎo)較短并以增加的電壓和電流值運(yùn)行二極管，以便每單位波導(dǎo)長(zhǎng)度產(chǎn)生更大的折射率變化。備選地，可以針對(duì)功率優(yōu)化正向偏置二極管，為此使波導(dǎo)略長(zhǎng)并以減小的電壓和電流值運(yùn)行二極管，從而每單位波導(dǎo)長(zhǎng)度產(chǎn)生更小的折射率變化，這在更長(zhǎng)長(zhǎng)度的波導(dǎo)上累積。最后，正向偏置二極管可以被設(shè)計(jì)為在功率和面積之間實(shí)現(xiàn)折衷，為此在功率優(yōu)化和面積優(yōu)化后的設(shè)計(jì)點(diǎn)之間的某處選擇波導(dǎo)長(zhǎng)度。
[0005]通常使用馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x(MZI)調(diào)制光波以便傳輸數(shù)據(jù)。馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x使用干涉將上述調(diào)相轉(zhuǎn)換為調(diào)幅。通常馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x的兩臂具有相同的長(zhǎng)度，以便通過(guò)改變一個(gè)臂的折射率，可以在輸出中對(duì)光進(jìn)行調(diào)幅。因?yàn)樵趦杀壑g使波導(dǎo)進(jìn)行精確長(zhǎng)度匹配(對(duì)應(yīng)于光的一個(gè)波長(zhǎng)的適當(dāng)部分)極具挑戰(zhàn)性，并且通常對(duì)溫度變化敏感，所以通常在馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x的一個(gè)臂中需要低速相位調(diào)諧元件，從而提供靜態(tài)折射率調(diào)整以便調(diào)諧調(diào)制器的偏置點(diǎn)。
[0006]除了其它方式之外，可以通過(guò)使用上述移相器二極管執(zhí)行這種調(diào)諧，為此先后向二極管施加適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧電壓和AC調(diào)制電壓。因?yàn)榘雽?dǎo)體的熱響應(yīng)時(shí)間比其電響應(yīng)時(shí)間慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以基本上可以使用DC電壓執(zhí)行調(diào)諧，其中使用來(lái)自調(diào)制器的光輸出的反饋來(lái)控制該DC調(diào)諧電壓的振幅。
[0007]通常，在馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x的一個(gè)臂中具有二極管，并且該二極管將接收包含DC和AC分量?jī)烧叩碾妷盒盘?hào)。DC分量執(zhí)行調(diào)諧，為此將它所在的臂的相位設(shè)置為與另一個(gè)臂的相位相同或相差一個(gè)常量偏移。AC分量在調(diào)制器的輸出中提供對(duì)應(yīng)于光調(diào)制的折射率擾動(dòng)。
[0008]如圖1中所示，通常使用單個(gè)二極管I執(zhí)行調(diào)諧和調(diào)制功能兩者。這需要使用集成偏置器元件將DC調(diào)諧組件(例如低速調(diào)諧電路2)與AC調(diào)制組件(例如高速數(shù)據(jù)源3)相組合。
[0009]但是，給定在選擇二極管工作區(qū)域時(shí)在前面討論的固有權(quán)衡，除了高速調(diào)制以外，使用針對(duì)高速調(diào)制優(yōu)化的反向偏置二極管來(lái)執(zhí)行低速調(diào)諧操作可能在功率、面積或這兩方面導(dǎo)致低效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于傳統(tǒng)系統(tǒng)的上述以及其它示例性問(wèn)題、缺點(diǎn)和劣勢(shì)，本發(fā)明的一個(gè)示例性特性是提供一種光子調(diào)制器，其包括針對(duì)功率、面積或這兩者的組合而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)諧功能的二極管，以及針對(duì)速度而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)制功能的二極管。
[0011]本發(fā)明的一個(gè)示例性方面體現(xiàn)為一種調(diào)幅器，其包括針對(duì)功率和面積而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)諧功能的正向偏置二極管，以及針對(duì)速度而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)制功能的反向偏置二極管。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)示例性方面體現(xiàn)為一種調(diào)幅器，其包括針對(duì)功率和面積而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)諧功能的第一臂，以及針對(duì)速度而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)制功能的第二臂。
[0013]一種示例性光子調(diào)制方法包括:使信號(hào)通過(guò)光子調(diào)制器，所述調(diào)制器包括正向偏置二極管和反向偏置二極管；向所述正向偏置二極管施加低速調(diào)諧信號(hào)；并向所述反向偏置二極管施加高速數(shù)據(jù)源。
[0014]本發(fā)明的上述示例性實(shí)施例可以提供一種具有改進(jìn)的空間、功率效率和性能特性的調(diào)制器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]從以下參考附圖的對(duì)本發(fā)明示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更好地理解上述和其它目的、方面和優(yōu)點(diǎn)，這些附圖是:
[0016]圖1示出傳統(tǒng)光子調(diào)制器；
[0017]圖2示出示例性調(diào)制器，其包括針對(duì)功率和面積而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)諧功能的正向偏置二極管以及針對(duì)速度而優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)制功能的反向偏置二極管；
[0018]圖3示出使用馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x調(diào)制器的示例性實(shí)施例；
[0019]圖4示出示例性推挽式調(diào)制器；以及
[0020]圖5示出包括反向偏置二極管和正向偏置二極管的示例性諧振器。
【具體實(shí)施方式】
[0021]現(xiàn)在參考附圖，更具體地說(shuō)參考圖2-5，它們示出根據(jù)本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例。
[0022]本發(fā)明的示例性實(shí)施例可以應(yīng)用于使用垂直或水平結(jié)二極管的基于干涉測(cè)量和諧振的光子調(diào)制器設(shè)備。
[0023]如圖2中所示，本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例在同一調(diào)制器4中包括針對(duì)功率、面積或這兩者的組合優(yōu)化以執(zhí)行調(diào)諧功能的正向偏置二極管5，以及在速度性能方面突出以執(zhí)行調(diào)制功能的反向偏置二極管6。在圖2的實(shí)施例中，可以為光子調(diào)制器4提供AC調(diào)制信號(hào)7和DC調(diào)諧信號(hào)8兩者，為此將AC調(diào)制信號(hào)7定向到反向偏置二極管6并將DC調(diào)諧信號(hào)8定向到正向偏置二極管5。由于在提供給定光相移時(shí),反向偏置二極管的功率和面積效率可能低于正向偏置二極管，因此所述示例性調(diào)制器可以在功率、面積或這兩方面更高效，因?yàn)樗褂酶咝У恼蚱枚O管產(chǎn)生必需相移的不需要以高速工作的部分。
[0024]此外，所述示例性調(diào)制器可能不需要在電氣上將DC信號(hào)與AC調(diào)制信號(hào)相組合，因?yàn)樵趩为?dú)的二極管中執(zhí)行調(diào)諧。該特性明顯降低將AC調(diào)制信號(hào)從數(shù)據(jù)源定向到反向偏置二極管所需的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
[0025]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，從諸如硅、絕緣體上硅或磷化銦之類的集成光子平臺(tái)中的光子波導(dǎo)來(lái)構(gòu)造馬赫-策德?tīng)柛缮鎯x(MZI)。波導(dǎo)可以是脊形波導(dǎo)、通道波導(dǎo)、帶波導(dǎo)或各種其它類型的波導(dǎo)。
[0026]圖3示出使用MZI調(diào)制器的本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例。如可以容易地看到的那樣，在所述示例性實(shí)施例中，MZI的兩臂的長(zhǎng)度可以明顯不同。在示例性MZI的一個(gè)臂(通常為較長(zhǎng)的臂)中，制造反向偏置p-n或p-1-n 二極管6。對(duì)于p-n 二極管，二極管的結(jié)與光波導(dǎo)10重疊。同樣，對(duì)于p-1-n 二極管，二極管的本征區(qū)域與波導(dǎo)10重疊。可以使用各種二極管幾何形狀，包括但不限于使用淺蝕刻注入?yún)^(qū)域的水平結(jié)P-n 二極管和垂直結(jié)p-1-n二極管。
[0027]在MZI的第二個(gè)臂(通常為較短的臂)中，制造正向偏置p-n或p-1-n 二極管5。前面針對(duì)反向偏置二極管6描述的所有可能幾何和電子變化也適用于正向偏置二極管5。
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，到反向偏置二極管的接觸連接到高速二極管驅(qū)動(dòng)器7 (圖2)的輸出端，向高速二極管驅(qū)動(dòng)器7提供用以調(diào)制光的數(shù)據(jù)模式。到正向偏置二極管5的接觸連接到開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)8 (圖2)，控制系統(tǒng)8提供優(yōu)化后的DC偏置以調(diào)諧調(diào)制器。高速二極管驅(qū)動(dòng)器7和控制系統(tǒng)8可以與光子調(diào)制器4整體集成在同一芯片上，并通過(guò)金屬布線層提供接觸，或者它們可以位于一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)芯片上，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)封裝過(guò)程(例如引線接合或倒裝芯片接合)提供接觸。
[0029]此外，可以使用Y結(jié)或定向耦合器(在圖3中示為元件9)實(shí)現(xiàn)MZI中所需的分割和組合功能。
[0030]此外，可以通過(guò)調(diào)整光子波導(dǎo)10的設(shè)計(jì)來(lái)修改分光比，以便恰好在組合器9之前的兩個(gè)臂中的光功率相同(或者具有某一其它優(yōu)選比率)。在某些示例性實(shí)施例中，這可能是必需的，因?yàn)檎蚝头聪蚱枚O管的光損失可以不同。
[0031]圖4示出使用MZI調(diào)制器的一個(gè)示例性推挽式實(shí)施例。在該示例性實(shí)施例中，在光子平臺(tái)中制造MZI，并在每個(gè)臂中制造反向偏置二極管6和正向偏置二極管5兩者。反向偏置二極管6以推挽式配置工作，其中來(lái)自高速二極管驅(qū)動(dòng)器的差分輸出端連接到兩個(gè)二極管，從而不是在MZI的一個(gè)臂中需要pi弧度的光相移，而是在兩個(gè)臂上施加相反符號(hào)的具有pi/2弧度的光相移。一個(gè)示例性控制系統(tǒng)可以操作兩個(gè)正向偏置移相器中的任一移相器以便適當(dāng)?shù)仄谜{(diào)制器，使得控制系統(tǒng)可以在任一臂中提供O到pi的相位調(diào)整，而不是在一個(gè)臂中提供O到2*pi的相位調(diào)整。
[0032]圖5示出本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例。在圖5的實(shí)施例中，在光子平臺(tái)中制造諧振器11，并在諧振器11中制造反向偏置二極管6和正向偏置二極管5。諧振器11可以使用各種波導(dǎo)幾何形狀實(shí)現(xiàn)，包括但不限于環(huán)形諧振器、跑道型諧振器和法布里-珀羅(Fabry-Perot)諧振器。[0033]與MZI調(diào)制器一樣，諧振器11中的反向偏置二極管6連接到高速二極管驅(qū)動(dòng)器，并且諧振器11中的正向偏置二極管連接到開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，可以提供光總線波導(dǎo)12。
[0034]盡管根據(jù)示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有修改的本發(fā)明。
[0035]此外，要指出的是， 申請(qǐng)人:的目的是涵蓋所有權(quán)利要求元素的等效物，即使以后在訴訟程序中有所修改。
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)制器，包括: 正向偏置二極管，其被配置為執(zhí)行調(diào)諧功能；以及 反向偏置二極管，其被配置為執(zhí)行調(diào)制功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，還包括: 第一臂，其包括所述反向偏置二極管；以及 第二臂，其包括所述正向偏置二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述反向偏置二極管包括反向偏置p-n二極管和反向偏置p-1-n 二極管中的至少一個(gè)，以及 其中所述正向偏置二極管包括正向偏置p-n 二極管和正向偏置p-1-n 二極管中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的調(diào)制器，其中所述反向偏置p-n二極管和所述正向偏置p-n 二極管中的至少一個(gè)的結(jié)與波導(dǎo)重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的調(diào)制器，其中所述反向偏置p-1-n二極管和所述正向偏置p-1-n二極管中的至少一個(gè)的本征區(qū)域與波導(dǎo)重疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述第一臂和所述第二臂包括在集成光子平臺(tái)中的光子波導(dǎo)，所述集成光子平臺(tái)包括硅、絕緣體上硅和磷化銦中的至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的調(diào)制器，其中所述波導(dǎo)包括脊形波導(dǎo)、通道波導(dǎo)和帶波導(dǎo)中的至少一個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述第一臂包括的長(zhǎng)度大于所述第二臂的長(zhǎng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述第一臂包括正向偏置二極管，并且所述第二臂包括反向偏置二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述第一臂和所述第二臂集成在光子平臺(tái)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中所述反向偏置二極管和所述正向偏置二極管均布置在諧振器中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中所述正向偏置二極管針對(duì)功率和面積而優(yōu)化以執(zhí)行所述調(diào)諧功能，以及 其中所述反向偏置二極管針對(duì)速度而優(yōu)化以執(zhí)行所述調(diào)制功能。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述第一臂和所述第二臂包括集成在硅平臺(tái)中的光子波導(dǎo)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，其中所述反向偏置二極管連接到高速二極管驅(qū)動(dòng)器，并且所述正向偏置二極管連接到開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的調(diào)制器，其中所述第一臂和所述第二臂包括集成在硅平臺(tái)中的光子波導(dǎo)，以及 其中所述反向偏置二極管連接到高速二極管驅(qū)動(dòng)器，并且所述正向偏置二極管連接到開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)，使得所述二極管驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)中的至少一個(gè)集成在所述硅平臺(tái)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，還包括第一臂和第二臂， 其中所述第一臂包括所述正向偏置二極管和所述反向偏置二極管。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的調(diào)制器，還包括:光輸入端口；光輸出端口；用于向所述正向偏置二極管施加電壓的輸入端子；以及用于向所述反向偏置二極管施加電壓的輸入端子。
18.一種調(diào)制器，包括:第一臂，其被配置為執(zhí)行調(diào)諧功能；以及第二臂，其被配置為執(zhí)行調(diào)制功能。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的調(diào)制器，其中所述第一臂包括反向偏置二極管；以及其中所述第二臂包括正向偏置二極管。
20.—種光子調(diào)制方法,包括:使信號(hào)通過(guò)調(diào)制器，所述調(diào)制器包括正向偏置二極管和反向偏置二極管；向所述正向偏置二極管施 加低速調(diào)諧信號(hào)；以及向所述反向偏置二極管施加高速數(shù)據(jù)源。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK103809302SQ201310355223
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月17日
【發(fā)明者】B·G·李, J·A·卡沙, A·V·雷利亞科夫, C·L·朔 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司