[發(fā)明專利]基于硅波導的電光超快空間調制器

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• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106873192A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設計）人: 白冰;裴麗;王吉;張艷;徐春霞
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G02F1/015
• 分類號: G02F1/015;G02F1/025
• 代理公司: 北京衛(wèi)平智業(yè)專利代理事務所(普通合伙)11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發(fā)明屬于通信用硅基器件領域，特別涉及電光超快調制器范圍。

背景技術

光調制器是光通信系統(tǒng)中的極其重要的一部分，光調制器的性能直接影響到整個通信系統(tǒng)的性能，光調制器就是通過對載波操作，將調制信號摻入載波的幅度、相位或偏振等性質，從而實現(xiàn)信號的加載。

近年來隨著高速光通信系統(tǒng)迅速發(fā)展，迫切要求高速光波導調制器與之相適應。首先，當需要在載波中加載超高頻率的信號時就需要超高速的調制信號，而產生超快電信號的高速電路是難于制作，并且價格比較昂貴。為了實現(xiàn)高速調制，時分復用是產生高速信號的一種有效辦法，其原理就是將低速的數(shù)據(jù)流利用時間上插空的方法經過多級復用后變?yōu)楦咚俚臄?shù)據(jù)流。但是采用光時分復用器也存在了較多的問題，首先，復用過程中各路光信號要進行多次耦合，這樣會產生較大的耦合損耗；其次，為了得到高速的信號，需要進行多級復用組合，會造成系統(tǒng)體積較大不利于集成的問題；最后，多級復用分布體積大，易受環(huán)境中溫度和振動不均勻分布的影響，難于補償和控制；此外，時分復用產生高速信號的方法僅限于幅度調制，當采用相位或偏振等調制方式時，各路信號在疊加時會出現(xiàn)相干現(xiàn)象，所以時分復用產生高速信號的方法具有較大的局限性。

目前，科研人員已經提出了很多電光調制器的實現(xiàn)方案，主要有鈮酸鋰調制器、Ⅲ-Ⅴ族半導體電吸收調制器、聚合物調制器。其中研究最多的就是鈮酸鋰馬赫增德爾調制器，這類調制器插入損耗較小，對于波長、溫度等因素的影響不大，調制帶寬也可以達到100GHz,但是鈮酸鋰調制器具有低電壓靈敏度的問題，具體表現(xiàn)為半波電壓較大，要實現(xiàn)較大的帶寬是以較高的半波電壓為代價的。基于Ⅲ-Ⅴ族材料的電吸收調制器于傳統(tǒng)的電折射調制器相比，如鈮酸鋰調制器，具有較低的半波電壓和驅動電壓，并且尺寸更小，調制效率也更高，但是由于電吸收效應的強度調制也會造成折射率實部的變化，也就是電吸收效應會引起相位調制，形成啁啾現(xiàn)象，易造成信號失真。并且其調制帶寬相對于鈮酸鋰調制器所達到的帶寬也是較窄的。聚合物調制器是根據(jù)線性電光效應的原理進行工作的，具有很高的潛在調制帶寬，一般的聚合物調制器的設計是基于M-Z結構的，所以研究的重點主要在于材料本身，進一步提高聚合物材料的電光效應，有望實現(xiàn)更低的半波電壓。但是聚合物調制器受溫度和光功率的影響較大，材料本身不夠穩(wěn)定，一般來說聚合物調制器的插入損耗也是較大的。

硅基調制器在材料上具有成本低、高折射率和非線性系數(shù)等優(yōu)勢，從制作工藝上兼容成熟的CMOS工藝利于光電集成，近年來發(fā)展突飛猛進，調制速度可以達到幾十Ghz。硅基高速電光調制器不僅是未來光交叉互連(OXC)和光分插復用(OADM)系統(tǒng)中的核心器件，而且在芯片光互聯(lián)和光計算技術中也具有很大的應用前景。因此，開展硅基高速電光調制器的研究意義重大。硅材料中的電光效應分為直接電光效應和間接電光效應，其中直接電光效應包括Pockels,Kerr效應等，間接電光效應包括F-K效應，載流子色散效應等。由于體硅材料沒有一階電光效應，高階電光效應又非常微弱，硅基高速電光調制的調制機理一般都利用硅材料的載流子色散效應。載流子色散效應是一種間接電光效應，它利用外加電場下，外界載流子注入引起有源區(qū)自由載流子濃度的變化調制輸出光波的幅值和相位從而實現(xiàn)電光調制。基于上述描述，載流子色散效應成為了硅基調制器最佳的調制方式。

需要注意的是，目前的調制器都是采用空間上單點調制的方式，無法充分滿足當前高速光通信系統(tǒng)對于調制速度的需要。將高重復頻率的調制信號在空間上拆解為很多低重復頻率的調制信號，在光波導的不同位置同時加載，對載波的不同空間部分進行同時調制同樣可以得到高速調制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱為空間調制。這種空間調制的方式既解決了高速電路難以制作和成本昂貴的問題，也避免了光電材料響應速度無法跟上電信號變化速度的問題以及高速電信號導致的系統(tǒng)損耗過高的問題。同時相對于光時分復用產生高速信號的辦法，采用硅基空間調制的方式器件尺寸可以較小，耦合損耗大、受環(huán)境影響大以及對于幅度調制的局限性等缺點均得以改善。

發(fā)明內容

本發(fā)明提出了硅基電光空間超快調制器，旨在實現(xiàn)電信號在光域的靈活加載和超快加載。