[发明专利]一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及高速电光调制领域，尤其涉及一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪(Ring-MZI)结构的电光调制器，为实现低功耗、小尺寸光子集成提供了一种途径。

背景技术

随着集成电路技术的发展，器件尺寸越来越小，由此而导致的功耗、串扰和延迟也越来越严重，单纯的电学器件已经满足不了信息发展的需要，尤其是在互连领域，因此1984年提出利用光互连替代电互连。光互连相对于电互连具有很多优势，比如延迟低，传输通量大，无干扰和低能耗等。在光子互连领域中，激光器、光波导、调制器和探测器是最基本的光子器件，其中调制器负责将电信号转化为光信号，其表现制约了整个系统的性能。在电光调制器中，光学结构主要有两种：微环和马赫曾德尔干涉仪(MZI)。基于微环的电光调制器尺寸小，适于高密度集成，并且由于其调制不需要获得π相移，因此功耗小；基于MZI的电光调制器尺寸大，调制臂上的相位差需要达到π相移，因此调制效率相对较低，功耗大。从稳定性上讲，由于硅的热光系数比较高dn/dT＝1.86×10^-4/K，因此当环境温度变化时，硅的折射率变化，引起波导有效折射率的变化，从而导致电光调制器波长的偏移，而微环的带宽小，很容易受到影响，MZI的带宽大，对温度的敏感性相对较差，适于产业化生产。为了改善微环的温度敏感性，可以引入负温度系数的材料以抵消硅折射率增加导致的有效折射率变化，但是负温度系数的材料几乎都是聚合物材料，与CMOS工艺不兼容。也可以通过加入控温系统使得器件工作在恒温下，但是这样会增加整体器件的功耗，减小了竞争力。从带宽方面讲，微环的调制带宽受到环内光子寿命和驱动电路寄生RC常数的影响，而微环的光子寿命比较大，从而限制了其调制带宽；MZI的调制带宽只受RC常数的影响，因此相对较大，可以实现更高速度的调制。另外，由于微环的谐振作用，导致环内光强很大，当光强达到一定程度时便会引起非线性效应，导致谐振波长的偏移，影响器件的性能。

硅基电光调制器一般是利用等离子色散作用，通过加载电压改变波导中自由载流子的浓度实现波导折射率的变化，波导折射率变化会引起相位的变化，最终通过干涉表现为光强的变化。基于等离子色散效应的电光调制器对载流子调制的方式有三种：载流子注入，载流子累积和载流子耗尽。载流子注入是利用PIN结构在外加正偏压下载流子的扩散和漂移完成的，但是由于载流子浓度变化的过程中扩散占主导作用，并且其扩散时间相对较长，因此调制速度并不是很高，在预加重电压的调制下，其调制速度达到了12.5Gbps；载流子累积是利用MOS结构沟道中的电荷累积过程实现的，硅波导中间有一层薄(10nm左右)SiO₂层，两边分别是P型和N型掺杂的硅波导，在外加电压的作用下，自由载流子积累在SiO₂层的两侧，通过改变SiO₂两边的载流子浓度改变波导折射率；载流子耗尽是利用PN结构在外加负偏压下载流子的扩散和漂移完成的，但是在载流子浓度变化的过程中漂移占主导作用，使得载流子浓度变化很快，可以实现高速调制，现在基于反向PN结电光调制器的调制速率已经可以达到60Gbps。在这三种载流子调制方式中，载流子注入型由于载流子浓度变化很大，调制效率最高，但是调制速度也最慢；载流子积累和载流子耗尽由于载流子浓度变化仅仅在SiO₂层和PN结两边，变化范围很小，因此调制效率比较低，但是调制速度快。由于载流子积累型的需要淀积一层薄的SiO₂作为隔离层，工艺难度大，因此现在研究的电光调制器主要类型是基于载流子耗尽型的PN结电光调制器。

发明内容

本发明旨在提供一种大带宽、高调制效率、低功耗的电光调制器，该结构利用了Ring-MZI结构，通过在谐振腔结构中加入MZI结构改变谐振腔内的损耗，实现谐振腔结构临界耦合和非临界耦合状态之间的相互转换，同时通过增加谐振腔内的损耗可以减小光子寿命，增加其调制带宽。另外，由于该器件不需要实现π相移，因此调制效率高，功耗低。

本发明提供了一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器，其包括：

入射波导，其为直波导，用于接收入射光和输出出射光；

弯曲波导，其与入射波导近距离设置，使得经过入射波导内的入射光部分耦合进该弯曲波导，且经过该弯曲波导的出射光部分耦合进所述入射波导并输出；

马赫曾德尔干涉仪结构，其输入端与弯曲波导的输入端相连，其输出端与弯曲波导的输出端相连，以形成微环谐振腔，且其用于增加微环谐振腔的光损耗。