電光集總調制器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電光集總調制器，包括光學結構、電光結構和電學結構；所述電光結構用于產生電光效應；所述光學結構用于根據所述電光效應產生相應的調制效果；所述電學結構用于為所述電光結構供電；所述電學結構的驅動方式為單驅動方式；所述電學結構包括電極，所述電極用于接收正向和/或反向傳輸的電信號。本發明的電光集總調制器，通過將集總調制器的電學結構的驅動方式改進為單驅動方式，可以將調制器的結電容減半，串聯電阻加倍，可實現降低能耗、減小調制器尺寸、降低插損，以及提高對驅動電壓的利用效率，并能夠提升電光帶寬，滿足實際應用需求。
【專利說明】
電光集總調制器
技術領域
[0001] 本發明涉及集成光電子技術領域，尤其涉及一種電光集總調制器。
【背景技術】
[0002] 隨著目前提速降費的發展趨勢，大量通信和互連設備更新換代，硅基收發機系統 已經開始商用，但系統能耗高，對通信、互連的基礎設施的壓力急劇增大。調制器是光通信、 光互連系統中收發機的重要組件，它的能耗僅次于激光器，但調制器自身插損也增加了功 耗預算，所以是目前降低能耗的努力中的重要攻關對象。
[0003] 電光調制器按照是否有末端匹配負載而分為集總式調制器和行波式調制器。目前 硅材料的高速電光調制器均為行波式，因為其速率并不顯著受限于RC常數和驅動源電纜的 特征阻抗，目前已有超過50Gbps速率的器件報道。然而，行波式調制器對驅動電壓的利用效 率低，存在能耗高、尺寸大、插損大的缺點。另一方面，集總調制器能夠更有效地利用驅動電 壓，具有能耗低、尺寸小、插損小的優點，但是目前報道的硅集總調制器的器件電光帶寬僅 僅是15GHz以下。
[0004] 因此，如何能提供一種能耗低、尺寸小、插損小，以及對驅動電壓的利用效率高，并 滿足實際應用中的電光帶寬要求的電光調制器成為了目前亟待解決的技術問題之一。

【發明內容】

[0005] 針對現有行波式電光調制器以及集總調制器所存在的能耗、尺寸、插損不能兼顧 的缺陷，本發明提出一種電光集總調制器，包括光學結構、電光結構和電學結構；
[0006] 所述電光結構用于產生電光效應;所述光學結構用于根據所述電光效應產生相應 的調制效果;所述電學結構用于為所述電光結構供電；
[0007] 所述電學結構的驅動方式為單驅動方式；
[0008] 所述電學結構包括電極，所述電極用于接收正向和/或反向傳輸的電信號。
[0009] 可選地，所述電光結構包括PN結。
[0010] 可選地，所述PN結的類型包括側向結類型、插指結類型以及垂直結類型。
[0011] 可選地，所述PN結為硅PN結或鍺PN結。
[0012] 可選地，所述電光結構包括電光集總調制器的第一調制臂和第二調制臂；
[0013]所述第一調制臂和第二調制臂構成電學連接。
[0014] 可選地，所述第一調制臂和所述第二調制臂的N++極性均位于所述電光結構的中 間;所述第一調制臂和所述第二調制臂的P++極性分別位于所述電光結構的兩側;所述第一 調制臂和所述第二調制臂的N++極性構成電學連接;或，
[0015] 所述第一調制臂和所述第二調制臂的P++極性均位于所述電光結構的中間；所述 第一調制臂和所述第二調制臂的N++極性分別位于所述電光結構的兩側;所述第一調制臂 和所述第二調制臂的P++極性構成電學連接。
[0016] 可選地，所述電學連接為電學串聯關系。
[0017] 可選地，所述光學結構包括干涉儀。
[0018] 可選地，所述光學結構還包括與所述干涉儀組合的諧振腔。
[0019] 可選地，所述干涉儀的類型為馬赫曾德Mach-Zehnder干涉儀或邁克爾遜 Michel son 干涉儀。
[0020] 本發明的電光集總調制器，通過將集總調制器的電學結構的驅動方式改進為單驅 動方式，可以將調制器的結電容減半，串聯電阻加倍，可實現降低能耗、減小調制器尺寸、降 低插損，以及提高對驅動電壓的利用效率，并能夠提升電光帶寬，滿足實際應用需求。
【附圖說明】
[0021] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明 的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 這些附圖獲得其他的附圖。
[0022] 圖1為現有技術中雙驅動電光集總調制器的示意圖；
[0023] 圖2為本發明一個實施例的電光集總調制器的結構示意圖；
[0024] 圖3為本發明一個實施例的單驅動電光集總調制器的俯視示意圖；
[0025] 圖4a為本發明一個實施例的馬赫曾德干涉型單驅動電光集總調制器的結構示意 圖；
[0026]圖4b為本發明一個實施例的邁克爾遜干涉儀型單驅動電光集總調制器的結構示 意圖；
[0027] 圖5為本發明一個實施例的電光集總調制器等效電路圖；
[0028] 其中，Cj表示調制臂的電容對電光調制直接產生貢獻;R表示調制臂電阻;L表示調 制臂電極的電感;Co表示焊盤bonding pad等部件的電容；
[0029] 圖6為發明一個實施例的不同結構電光調制器的小信號電光S21響應圖。
【具體實施方式】
[0030] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明 一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有 做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0031] 現有的集總調制器多采用如圖1所示的雙驅動方式（圖1中的PN結為最簡單的側向 結，Metal表示金屬電極，Contact表示金屬過孔），其電光帶寬僅僅是15GHz以下，無法滿足 調制速率高于28Gbps的實際應用需求應用要求。由于集總調制器具有行波調制器所不具有 的能夠有效地利用驅動電壓、能耗低、尺寸小以及插損小等優點，如果能夠提升集總調制器 的電光帶寬，使之滿足應用需求，那么集總調制器將有望替代行波調制器，實現大幅降低通 信系統的能耗的目的。
[0032] 圖2示出了本發明一個實施例的電光集總調制器的結構示意圖；如圖2所示，所述 集總調制器包括光學結構10、電光結構20和電學結構30;
[0033] 其中，所述電光結構用于產生電光效應;所述光學結構用于根據所述電光效應產 生相應的調制效果;所述電學結構用于為所述電光結構供電；
[0034] 可以理解的是，上述電光結構20是調制器中用于直接產生電光效應和調制的部 分，根據不同的電光效應，其對光場的作用可以表現為對相位的調制、對偏振狀態的改變和 對振幅(強度)的調制;光學結構10是將電光結構20產生的電光效應轉變為所需的調制效果 的部分，例如可以將相位調制轉化為強度調制，可以通過雙臂推挽調制實現相位鍵控等;而 電學結構30是為電光結構20供電的部分。
[0035] 電學結構30的驅動方式為單驅動方式；
[0036]電學結構30包括電極（圖中未示出），所述電極用于接收正向和/或反向傳輸的電 信號。
[0037] 需要說明的是，本實施例的電光調制器為集總調制器，也即其電學結構中的電極 末端不設匹配電阻。
[0038] 具體來說，單驅動方式是現有技術中多用于行波調制器的一種驅動方式，可以將 調制器的結電容減半，串聯電阻加倍，且可保證調制器具有較大的電光帶寬。
[0039] 本發明的電光集總調制器，通過將集總調制器的電學結構的驅動方式改進為單驅 動方式，可以將調制器的結電容減半，串聯電阻加倍，可實現降低能耗、減小調制器尺寸、降 低插損，以及提高對驅動電壓的利用效率，并能夠提升電光帶寬，滿足實際應用需求。
[0040] 進一步地，作為上述實施例的優選，所述電光結構可包括PN結;所述PN結的類型包 括側向結類型、插指結類型以及垂直結類型。
[0041] 可以理解的是，本實施例所采用的單驅動方式是可獨立于調制PN結的，即上述單 驅動方式的集總調制器可采用側向結、插指結、垂直結等各類PN電光結構，本發明對此不進 行限定。
[0042] 進一步地，作為上述實施例的優選，所述PN結可選為娃PN結或鍺PN結等基于等離 子色散效應的電光結構。
[0043] 需要說明的是，本實施例所提供的單驅動電光調制器亦可適用于基于其他電光效 應(線性電光效應、克爾效應和Franz-Keldysh效應、量子限制Stark效應)的調制器，例如鈮 酸鋰調制器及三五族半導體調制器。
[0044] 圖3為本發明一個實施例的單驅動電光集總調制器的俯視示意圖；如圖3所示，在 上述實施例的基礎上，所述電光結構20還可包括電光調制器的第一調制臂21和第二調制臂 22；
[0045] 所述第一調制臂和第二調制臂構成電學連接。
[0046]需要說明的是，上述單驅動即指僅用一個微波信號源來驅動兩個調制臂，且兩個 調制臂的調制結構將相同摻雜類型(P或N)的區域連接在一起。單驅動電學結構的中央區域 應當接直流偏壓(參見圖3中的Vb)，但本實施例也適用于中央不做電學連接的情況。例如無 直流偏壓或將直流偏壓與驅動信號疊加后輸入到外側兩電極(如圖3中兩側的P++)之間。 [0047]如圖3所示，作為上述實施例的優選，所述第一調制臂21和所述第二調制臂22的N+ +極性均位于所述電光結構的中間；第一調制臂21和第二調制臂22的P++極性分別位于所述 電光結構的兩側;并且第一調制臂21和第二調制臂22的N++極性構成電學連接(優選為電學 串聯)。
[0048]可以理解的是，由于電光結構的對稱性，可令上述第一調制臂21和第二調制臂22 的P++極性均位于所述電光結構的中間；第一調制臂21和第二調制臂22的N++極性分別位于 所述電光結構的兩側;并且第一調制臂21和第二調制臂22的P++極性構成電學連接(優選為 電學串聯）。
[0049] 進一步地，作為上述實施例的優選，光學結構10可包括干涉儀11(圖中未示出）。
[0050] 在此基礎上，作為本實施例的優選，光學結構10還可以包括與干涉儀11組合的諧 振腔12。
[0051 ]圖4a為本發明一個實施例的馬赫曾德Mach-Zehnder干涉型單驅動電光集總調制 器的結構示意圖；如圖4a所示，該調制器最上部和下部的細線為光學結構10a，旁邊分別標 注RF+、RF-的兩個方框的是電學結構20，圖中未示出電光結構。
[0052]圖4b為本發明一個實施例的邁克爾遜Michelson干涉儀型單驅動電光集總調制器 的結構示意圖；如圖4b所示，該調制器下部的細線為光學結構10b，其與圖4a中下方所示的 光學結構l〇a的區別在于，該光學結構10b為4端口親合器件，其最下方的兩個端口分別為輸 入、輸出端口（順序可調換）；而圖4a下方的光學結構10a中示出的是三端口器件（最常見的 是Y分支耦合器和多模干涉耦合器），但使用四端口耦合器亦可。
[0053] 進一步地，上述邁克爾遜干涉儀還可包括反射元件，且所述反射元件位于所述邁 克爾遜干涉儀的末端;其中，所述反射元件可為光子晶體反射鏡或環形鏡loop mirror。
[0054] 需要說明的是，上述采用的邁克爾遜干涉儀和馬赫曾德干涉儀均為現有的光學結 構，本發明對此不進行限制。
[0055] 圖5為本發明一個實施例的電光集總調制器等效電路圖；
[0056] 需要說明的是，圖5的目的是為了幫助讀者更好地理解本實施例的電光集總調制 器的帶寬計算方法，其意義在下面的公式(2)中可以體現出來(串并聯分壓）。將集總調制器 等效為RLC電路與電容的并聯是本領域技術人員應該了解的知識，在此不進行贅述。
[0057] 圖6為發明一個實施例的不同結構電光調制器的小信號電光S21響應圖。
[0058] 下面結合圖5、圖6詳細介紹針對本發明提供的電光集總調制器的帶寬分析方法。
[0059] 以硅電光調制器常用的側向結調制結構為例，本發明提供的集總調制臂長例如為 M=0.5mm，其電學參數舉例為：
[0060] 焊盤bonding pad等部件的電容Co = 26fF;串聯電阻R=12.7 Ω ;調制臂電極的電 感L = 0.176nH，調制臂的電容C〗 = 260fF，因而小信號電光帶寬可以由以下公式（1)~(4)進 行計算：
[0064]
[0065] 其中Zo為驅動器件所用的微波傳輸線特征阻抗，標準線纜是Ζο = 5〇Ω特征阻抗，ω 為小信號調制角頻率，to為光波波包傳輸通過調制臂所需的時間，H(jco)表示RLC電路向電 容C(PN結）的電壓傳遞函數，r t表示由于微波阻抗失配導致的電壓透過系數，Z!表示RLC電 路輸入阻抗。頻域S21(co)表示在頻率為ω的小信號正弦調制電信號調制下，輸出光信號在 ω頻率處的頻率分量。計算所得的電光帶寬如圖6所示。其中，實線為傳統雙驅動電學結構 的S21響應，3dB帶寬約為10.7GHz;虛線為本發明使用的單驅動電學結構(除電學結構外，其 他結構均不變)的S21響應，由于單驅動能夠使電阻R加倍，結電容Cj減半，其3dB帶寬擴展為 17.9GHz，因而可以滿足28Gbps的實際應用需求應用要求。
[0066] 需要說明的是，這兩個調制器的光學結構均為馬赫曾德干涉儀型。由于邁克爾遜 干涉儀型電光集總調制器能夠在光正向、反向通過調制臂時均產生累積的調制效果，所以 僅需馬赫曾德型調制臂長度的一半即可得到相同的調制效果。點劃線為單驅動電學結構邁 克爾遜干涉儀型電光調制器的S21響應，其3dB帶寬提升到23.96抱，因而可以滿足286&?8的 實際應用需求應用要求。
[0067]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存 在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋 非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要 素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備 所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除在 包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。術語"上"、"下"等指 示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化 描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操 作，因此不能理解為對本發明的限制。除非另有明確的規定和限定，術語"安裝"、"相連"、 "連接"應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是 機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個 元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本 發明中的具體含義。
[0068] 本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而能夠理解的是，本發明的實施例可 以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技 術，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應當理解，為了精簡本發明公開并幫助理解各 個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特 征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。
[0069] 最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依 然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進 行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術 方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的說明書的范圍當中。
【主權項】
1. 一種電光集總調制器，其特征在于，包括光學結構、電光結構和電學結構； 所述電光結構用于產生電光效應;所述光學結構用于根據所述電光效應產生相應的調 制效果;所述電學結構用于為所述電光結構供電； 所述電學結構的驅動方式為單驅動方式； 所述電學結構包括電極，所述電極用于接收正向和/或反向傳輸的電信號。2. 根據權利要求1所述的調制器，其特征在于，所述電光結構包括PN結。3. 根據權利要求2所述的調制器，其特征在于，所述PN結的類型包括側向結類型、插指 結類型以及垂直結類型。4. 根據權利要求2所述的調制器，其特征在于，所述PN結為硅PN結或鍺PN結。5. 根據權利要求2所述的調制器，其特征在于，所述電光結構包括電光集總調制器的第 一調制臂和第二調制臂； 所述第一調制臂和第二調制臂構成電學連接。6. 根據權利要求5所述的調制器，其特征在于，所述第一調制臂和所述第二調制臂的N+ +極性均位于所述電光結構的中間;所述第一調制臂和所述第二調制臂的P++極性分別位于 所述電光結構的兩側;所述第一調制臂和所述第二調制臂的N++極性構成電學連接;或， 所述第一調制臂和所述第二調制臂的P++極性均位于所述電光結構的中間；所述第一 調制臂和所述第二調制臂的N++極性分別位于所述電光結構的兩側;所述第一調制臂和所 述第二調制臂的P++極性構成電學連接。7. 根據權利要求6所述的調制器，其特征在于，所述電學連接為電學串聯關系。8. 根據權利要求1所述的調制器，其特征在于，所述光學結構包括干涉儀。9. 根據權利要求8所述的調制器，其特征在于，所述光學結構還包括與所述干涉儀組合 的諧振腔。10. 根據權利要求8或9所述的調制器，其特征在于，所述干涉儀的類型為馬赫曾德 ]\&(：11-261111(161'干涉儀或邁克爾遜組〇11618011干涉儀。
【文檔編號】G02F1/21GK105974613SQ201610562556
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】周治平, 李心白
【申請人】北京大學