用于基于半导体的MZM调制器的相位匹配的光波传播和RF波传播的方法和装置制造方法及图纸

具有与行波结构中的RF波导相互作用的基于半导体的光波导的光调制器。半导体光波导通常包括沿波导的pn结。为了降低光信号和RF信号之间的相位偏离，行波结构可以包括其中相位偏离被反转的一个或多个补偿部分。补偿部分可以包括掺杂剂浓度的改变、光波导的额外长度和/或RF波导的额外长度。描述了对应的方法。

Methods and devices for phase matched light wave propagation and RF wave propagation in semiconductor based MZM modulators

A semiconductor based optical waveguide modulator with interaction with the RF waveguide in a traveling wave structure. Semiconductor optical waveguide usually includes PN junction along the waveguide. In order to reduce the phase deviation between the optical signal and the RF signal, the traveling wave structure may include one or more compensation parts in which the phase deviation is reversed. The compensation section may include a change in dopant concentration, an additional length of the optical waveguide and / or an additional length of the RF waveguide. The corresponding method is described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于半导体的MZM调制器的相位匹配的光波传播和RF波传播的方法和装置相关申请的交叉引用本申请要求于2017年1月18日Zhou提交的题为“MethodandApparatusforPhase-MatchedOpticalandRFWavePropagationsforHighSpeedHighEfficiencyLinearMZMModulators”的共同未决的美国临时专利申请62/447,521的优先权，该申请通过引用合并于此。
本专利技术涉及光调制器，包括与RF波导对接的半导体光波导，其中电光耦合为光信号提供调制。本专利技术还涉及波导设计，以减少传播的电信号和传播通过相应波导的光强度之间的相移。
技术介绍
行波结构广泛用于具有Mach-Zehnder调制器(MZM)结构的高速线性调制器，MZM结构具有传统材料平台，例如LiNbO3和InP。可以用于制造光波导的绝缘体上硅(SOI)平台已经成为包括MZM调制器在内的光电子器件的新兴技术，因为SOI制造基础架构与CMOS技术兼容并且适用于光子集成；然而，最有希望的基于SOI的光学调制技术，其通过掺杂的PN结使用载流子耗尽，经受高光学损耗和高Vpi，其中Vpi被定义为在MZM臂上产生Pi相移所需的电压。高Vpi需要高驱动器电压，因此调制器驱动器的功耗很高，这限制了其需要低功耗的应用。另外，还需要高速调制器来满足当今通信和数据中心互连应用不断增长的带宽需求。MZM调制器是通过将输入光波导分成两个光波导臂而形成的，这两个光波导臂由于电光耦合而作为移相器操作，然后它们被组合以形成基于Mach-Zehnder干涉仪结构的组合干涉信号。通过调制移相器上的相位，可以实现光学相位和幅度调制。用于基于硅的光调制器的最有希望的方法是使用：载流子耗尽，其由光波导内部的P-N结构成。在反向偏置条件下，随着光以折射率改变传播通过波导，PN结耗尽载流子并引起折射率和相变的改变。在基于行波结构的调制器中，移相器具有重叠的RF和光波导，其可以实现电光(EO)转换，其特征在于将每单位电压沿着移相器传播的光波的相变(度)应用于移相器。这种结构对于高速线性调制器很有吸引力。
技术实现思路
在第一方面，本专利技术涉及一种光调制器，包括基于半导体的光波导和一对RF波导，其中，光波导和RF波导被配置有耦合区域，以在光波导内提供RF电磁场，并且被配置有一个或多个补偿部分，具有一定长度的光波导或RF波导，其具有显著减小或消除的电光耦合。通常，RF波导通过一个或多个补偿部分形成连续波导结构。在另一方面，本专利技术涉及一种光调制器，包括：被配置为形成耦合区域的基于半导体的光波导和RF波导，其在该耦合区域上发生电光耦合以调制基于半导体的光波导内的光信号，其中，基于半导体的光波导包括pn结，根据半导体沿着与光传播方向垂直的、穿过光波导的横截面的对应掺杂而形成pn结，其中，掺杂在沿着基于半导体的光波导的一个或多个补偿部分处变化，以减小基于半导体的光波导中的光传输与RF波导中的RF信号之间的累积相位差。在另一方面，本专利技术涉及一种用于调制光信号的方法，包括以下步骤：沿半导体光波导传播激光、以及沿一对RF波导传播RF信号。通常，半导体光波导和RF波导被配置成行波调制器结构以提供电光耦合，并且行波调制器结构包括一个或多个补偿部分，在该一个或多个补偿部分处，针对传播速度差来校正传播的光信号和传播的RF信号的相对相位，其中，光信号由单个RF信号调制。附图说明图1是具有行波结构的Mach-Zehnder调制器的示意性顶视图，该行波结构具有与Mach-Zehnder干涉仪的相应臂对接的RF波导。图2是RF波导中的传播信号和光波导中的光信号的相对相位的图，其中在没有相位校正的情况下，RF波导速度大于光波导速度，图中一条曲线示出了在没有相位校正的情况下的相位失配，第二条曲线示出了如本文所述的相位校正的影响。图3是RF波导中的传播信号和光波导中的光信号的相对相位的图，其中在没有相位校正的情况下，RF波导速度小于光波导速度，图中一条曲线示出了在没有相位校正的情况下的相位失配，第二条曲线示出了如本文所述的相位校正的影响。图4是具有三个补偿部分的光波导的顶视图，所述三个补偿部分具有改变的半导体掺杂剂水平以补偿RF和光学相对相移以减小相移值，其中将RF波导分离以允许单独观察光波导。图5是图4结构的组装图，其中RF波导安装在光波导之上。图6是耦合到RF波导的半导体光波导的顶部示意图，其中补偿部分具有光波导的远离RF波导延伸的延伸部分。图7是耦合到RF波导的半导体光波导的顶部示意图，其中补偿部分具有RF波导的远离光波导延伸的延伸部分。图8是耦合到RF波导的半导体光波导的顶部示意图，其中第一类补偿部分具有改变的半导体掺杂水平，第二类补偿部分具有光波导的远离RF波导延伸的延伸部分。图9是耦合到RF波导的半导体光波导的顶部示意图，其中第一类补偿部分具有改变的半导体掺杂水平，第二类补偿部分具有RF波导的远离光波导延伸的延伸部分。图10是下面描述的特定模型的相位差图。图11是具有相位补偿的三个模型系统和不具有相位补偿的三个对应模型系统的作为频率的函数的电光S21传输特性的图。图12是行波Mach-Zehnder调制器的顶视图，其在每个干涉仪臂上具有代表性补偿部分，以在后续附图中为一些代表性的特定波导结构提供背景。图13是沿图12的A-A线截取的截面图，示出了基于绝缘体上硅(SOI)的光波导，其具有沿肋的np结从而提供沿肋的光传播，肋具有高掺杂的半导体翼从而提供与RF波导的对接。图14是沿图12的B-B线截取的截面图，示出了具有改变的半导体掺杂水平的第一类补偿部分。图15是沿图12的B-B线截取的截面图，示出了RF波导远离连续光波导延伸的第二类补偿部分。图16是图15的补偿部分的局部顶视图，示出了远离光波导延伸的RF波导。图17是沿图12中B-B线截取的截面图，示出了第光波导远离连续RF波导延伸的三类补偿部分。图18是图16的补偿部分的局部顶视图，示出了远离RF波导延伸的光波导。图19是具有双pn光波导的行波MZM的配置的截面图，其中RF波导与一对光波导对接，以执行电光耦合来调制光信号，其中半导体掺杂被配置为提供RF波导与从脊形光波导延伸的n++掺杂的翼的对接。图20是具有双pn光波导的行波MZM的配置的截面图，其中RF波导与一对光波导对接，以执行电光耦合来调制光信号，其中半导体掺杂被配置为提供RF波导从脊形光波导延伸的p++掺杂的翼的对接。图21的上部图像是具有补偿部分以提供改进的相位匹配的行波调制器的顶视图，下部图像是描绘具有与RF波导对接的双pn光波导的行波MZM结构的截面图。图22的中心图像是行波调制器的顶视图，该行波调制器具有两个具有反向掺杂剂对称性的不同区段，下部图像是描绘与RF波导对接的具有第一掺杂剂对称性的双pn光波导的行波MZM结构的截面图，上部图像是描绘与RF波导对接的具有与第一掺杂剂对称性相反的第二掺杂剂对称性的双pn光波导的行波MZM结构的截面图。图23的中心图像是行波调制器的顶视图，该行波调制器具有与图22类似的两个具有反向掺杂剂对称性的不同区段，但具有与图20类似的修改的掺杂剂水平的补偿部分，以提供改进的相位匹配，下部图像是描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光调制器，包括基于半导体的光波导和一对RF波导，其中，所述光波导和所述RF波导被配置有：耦合区域，以在所述光波导内提供RF电磁场；以及一个或多个补偿部分，具有一定长度的光波导或RF波导，其具有显著减小或消除的电光耦合，其中，所述RF波导通过所述一个或多个补偿部分形成连续波导结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.18 US 62/447,5211.一种光调制器，包括基于半导体的光波导和一对RF波导，其中，所述光波导和所述RF波导被配置有：耦合区域，以在所述光波导内提供RF电磁场；以及一个或多个补偿部分，具有一定长度的光波导或RF波导，其具有显著减小或消除的电光耦合，其中，所述RF波导通过所述一个或多个补偿部分形成连续波导结构。2.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述一个或多个补偿部分是三个或更多个补偿部分。3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其中，所述补偿部分包括RF波导，所述RF波导远离所述光波导，并且遵循在所述补偿部分的另一端与所述光波导重新对准的路径，以远离所述补偿部分恢复电光耦合。4.根据权利要求1或2所述的光调制器，其中，所述补偿部分包括光波导，所述光波导远离所述RF波导并且遵循在所述补偿部分的另一端与所述RF波导重新对准的路径，以远离所述补偿部分恢复电光耦合。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光调制器，还包括掺杂剂补偿部分，所述掺杂剂补偿部分包括远离所述补偿部分相对于所述基于半导体的光波导的改变的横截面掺杂剂分布。6.根据权利要求1至5中任一项所述的光调制器，其中，所述基于半导体的光波导包括基于硅的光波导。7.根据权利要求6所述的光调制器，其中，所述基于硅的光波导包括掺杂硅脊内的pn掺杂剂界面。8.根据权利要求7所述的光调制器，包括Mach-Zehnder调制器结构，所述Mach-Zehnder调制器结构具有输入波导、两个干涉仪臂、将所述输入波导与所述两个干涉仪臂光学连接的光学分离器，其中，一个干涉仪臂对应于所述基于半导体的光波导。9.根据权利要求8所述的光调制器，其中，两个高掺杂硅翼连接到所述掺杂硅脊，并且其中，RF波导与每个高掺杂硅翼对接。10.根据权利要求8所述的光调制器，还包括：附加的基于半导体的光波导，与另一干涉仪臂相对应，并且具有掺杂硅脊内的pn掺杂剂界面，其中，高掺杂翼从延伸远离另一个脊的每个掺杂硅脊延伸，并且其中，RF波导与每个高掺杂硅翼对接。11.一种光调制器，包括被配置为形成耦合区域的基于半导体的光波导和RF波导，在所述耦合区域上发生电光耦合，以调制所述基于半导体的光波导内的光信号，其中，所述基于半导体的光波导包括pn结，根据所述半导体沿着与光传播方向垂直的、穿过光波导的横截面的对应掺杂而形成所述pn结，并且其中，所述掺杂在沿着所述基于半导体的光波导的一个或多个补偿部分处变化，以减小所述基于半导体的光波导中的光传输与所述RF波导中的RF信号之间的累积相位差。12.根据权利要求11所述的光调制器，其中，所述一个或多个补偿部分是三个或更多个补偿部分。13...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建英，
申请(专利权)人：新飞通光电公司，
类型：发明
国别省市：美国,US