光相位调制器和光调制器

技术领域

该改进通常涉及光互连系统的领域，更具体地，涉及用于这种光互连系统中的光相位调制器。

背景技术

光互连系统是通过光纤电缆进行通信的手段，它逐渐取代信息处理系统中距离更短的传统的铜线，因为他们允许更快的通信。

如此，光互连系统通常包括第一光子芯片，该第一光子芯片通过光纤电缆与第二光子芯片进行通信耦合，两个光子芯片包括使用传统的半导体制造工艺制造的光子组件，以允许以低成本大量生产。

典型地，第一光子芯片至少具有生成沿半导体波导的光信号的光源、将数据编码到沿半导体波导传播的光信号中的光相位调制器、以及将经编码的光信号耦合到光纤电缆的一端的耦合装置。第二光子芯片通常至少具有耦合装置，以沿通向光检测器的半导体波导耦合从光纤电缆的另一端接收的经编码的光信号，该光检测器从接收的光信号中再现数据。

光相位调制器通常配置为沿半导体波导的长度调制折射率，其中光信号在半导体波导中传播，从而相应地改变光信号的相位。实现这种相位调制的一个技术是随着电子和空穴密度的变化改变半导体波导的折射率的实部和虚部，沿半导体波导改变自由电荷载流子的密度。这些变化通常是通过使用电压源沿半导体波导的长度驱动半导体波导而获得的。

尽管现有的光相位调制器在一定程度上是令人满意的，但仍有改进的空间。

发明内容

已经知道诸如硅的一些半导体材料一般不具有线性电光效应或不具有显著线性电光效应，而二次电光、电吸收和等离子体色散效应都相对较弱。因此，为了实现令人满意的相位调制，用偏压和/或调制信号驱动的半导体波导的长度必须相对较长。附加地或替代性地，偏压和/或调制信号必须显著高以实现令人满意的相位调制。

然而，具有相对较长的光调制器通常不像具有相对较短的光调制器那样方便，其将允许其他光子组件集成到芯片和/或芯片以具有更小占用空间。此外，必须向半导体波导提供高偏压或高幅度调制信号以实现令人满意的相位调制是一问题，因为它将消耗更多的能量。

值得一提的是，能量效率是下一代光互连系统发展的关键。例如，用于这种光互连系统的最受欢迎的应用中之一是在数据中心将数千台服务器彼此通信地耦合，数据中心目前提供了信息技术操作的增长的需求。截至2018年，美国的能量效率和可再生能量的办公室提出，数据中心是能量密集型建筑之一，消耗典型商业办公楼每层空间的能量的10至50倍，合计约占美国总电力的2％。因此，光互连系统中的任何能量消耗减少都可能对环境和经济生成不可忽视的影响。

在一个方面，描述了一种光相位调制器，其具有半导体衬底、安装在半导体衬底上并沿半导体衬底的路径延伸的半导体波导。半导体波导具有沿半导体波导分布的相移单元的系列。每个相移单元具有两个沿路径彼此隔开的布拉格光栅以及两个隔开的布拉格光栅之间的腔。还提供了调制电路，用于根据调制信号驱动半导体波导的长度，从而调制半导体波导的长度的折射率，以诱导沿向沿半导体波导传播的光信号的相移。

发现这种相移单元的系列可以使光信号经历谐振效应，这使半导体波导的半导体材料的一阶色散大大增强，并且反过来提高其群指数，群指数取决于一阶色散。由于光信号在材料中的有效传播速度是由在真空中光的速度除以该材料的群指数来给定的，因此可以极大降低有效传播速度，从而允许相位调制更有效和灵敏。

另一方面，描述了马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器，其具有半导体衬底、沿半导体衬底延伸的半导体波导、第一耦合器和第二耦合器，该第一耦合器将半导体波导耦合到彼此并联连接的第一臂部分和第二臂部分，每个臂部分沿各自路径延伸，该第二耦合器将第一臂部分和第二臂部分彼此结合并通向至少一个输出部分。在本实施例中，第一臂部分具有沿其分布的相移单元的第一系列。每个相移单元具有沿路径彼此隔开的两个布拉格光栅，以及两个隔开的布拉格光栅之间的腔。还提供调制电路，用于根据第一调制信号驱动第一臂部分的长度，从而调制半导体波导的第一臂部分的长度的折射率，以诱导向沿半导体波导传播的光信号的相移。

利用这种马赫-曾德尔调制器，一旦在第一臂部分传播的光信号与在第二臂部分传播的光信号通过建设性/破坏性干涉重新组合，调制第一臂部分中传播的光信号的相位可以导致幅度调制。

此外，由于振幅调制取决于第一臂部分和第二臂部分二者的长度和折射率，该长度和折射率通常随温度波动而一起变化，并导致马赫-曾德尔调制器可以在给定温度范围内与温度无关。因此，只要马赫-曾德尔调制器工作在给定温度范围内，控制马赫-曾德尔调制器的温度的能量消耗很可能是最小的，从而降低了能量消耗。

在一些实施例中，半导体波导的第二臂部分具有相移单元的第二系列。每个相移单元具有两个沿路径彼此隔开的布拉格光栅，以两个隔开的布拉格光栅之间的腔。在这些实施例中，调制电路还配置为根据第一调制信号或根据第二调制信号驱动第二臂部分的长度，从而调制半导体波导的第二臂部分的长度的折射率以诱导向沿半导体波导传播的光信号的相移。在这些实施例中，调制电路使得第一臂部分和第二臂部分同时沿相反方向驱动，使得总相移可以加倍。

尽管本文所描述的示例涉及半导体材料的使用，但本发明人提出，本文所描述的光相位调制器和光调制器可以涉及半导体材料以及在施加电激励后至少表现出改变所选择的非半导体材料的折射率的一些电光效应的任何其他非半导体材料。这种电光效应的示例包括但不限于泡克尔斯效应(Pockels effect)。这种非半导体材料的示例可以包括但不限于铌酸锂(LiNbO3)、聚合物等。

根据一个方面，提供了一种光相位调制器，包括：衬底；安装在衬底上并沿衬底的路径延伸的波导，该波导具有沿波导分布的相移单元的第一系列，每个相移单元具有沿路径彼此隔开的两个布拉格光栅和两个隔开的布拉格光栅之间的腔；以及调制电路，配置为根据调制信号驱动波导的相移单元的系列的长度，从而调制波导的折射率以诱导向沿波导传播的光信号的相移。

根据另一方面，提供了一种光调制器，包括：衬底；沿衬底延伸的波导，该波导具有通向彼此并联连接的第一臂部分和第二臂部分的输入部分，每个臂部分沿各自路径延伸，该第一臂部分和第二臂部分彼此结合成至少一个输出部分，该第一臂部分具有沿其分布的相移单元的第一系列，每个相移单元具有两个沿该路径彼此隔开的布拉格光栅和两个隔开的布拉格光栅之间的腔；以及调制电路，配置为根据第一调制信号驱动波导的第一臂部分的相移单元的第一系列的长度，从而调制波导的第一臂部分的长度的折射率以向沿波导传播的光信号的相移。

应当理解，本文所用的“计算机”的表达不以限制性的方式解释。它在广义上被用于通常指一个或多个处理单元的一些形式和可由处理单元访问的存储器系统的一些形式的组合。类似地，这里使用的“控制器”的表达不以限制性的方式解释，而是以设备或执行控制一个或多个设备的功能的具有多于一个设备的系统的一般意义解释。

将理解，计算机或控制器的各种功能可以通过硬件或硬件和软件的组合来实现。例如，硬件可以包括作为处理器的硅芯片的一部分包括的逻辑门。软件可以是以数据的形式，诸如存储在存储系统中的计算机可读指令。关于计算机、控制器、处理单元或处理器芯片，“配置为”的表达涉及硬件的存在或硬件和软件的组合，该软件可操作以执行相关的功能。

在阅读本公开之后，本领域技术人员将会看到关于本改进的许多进一步特征及其组合。

附图说明

在这些附图中，

图1是根据实施例的包括具有光相位调制器的第一光子芯片的光互连系统的示例的斜视图；

图2是图1的光相位调制器的俯视图和局部视图，其中半导体波导具有相移单元的系列，每个相移单元具有两个布拉格光栅和两个光栅之间的腔；

图3A是图2的半导体波导的示例的俯视图和局部视图，其中布拉格光栅以波纹的系列的形式提供；

图3B是图2的半导体波导的示例的顶视图和局部视图，其中布拉格光栅以孔的系列的形式提供；

图4A是图2的半导体波导的示例的剖面图，其中阳极和阴极端子连接至半导体波导；

图4B是图2的半导体波导的另一示例的剖面图，其中PN结横跨半导体衬底的平面延伸；

图4C是图2的半导体波导的另一示例的截面图，其中PN结沿半导体衬底的平面延伸；

图4D是图2的半导体波导的另一示例的剖面图，其中PIN结横跨半导体衬底的平面延伸；

图5是具有臂部分的马赫-曾德尔光调制器的示例的俯视图，其中臂部分具有图2的光相位调制器；

图6是具有两个臂部分的马赫-曾德尔光调制器的另一示例的俯视图，其中每个臂部分具有图2的光相位调制器；

图7是具有第一半导体波导和第二半导体波导的脉冲幅度调制器的示例的俯视图，每个半导体波导具有两个纵向隔开的光相位调制器；

图8是具有彼此并联连接的两个马赫-曾德尔光调制器的相干调制器示例的俯视平面图；

图8A是图8的相干调制器的示意图；

图8B是示出由图8的相干调制器获得的IQ幅度的图；

图9是包括彼此串联的三个光调制器的波分复用器示例的俯视图；

图10A是具有马赫-曾德尔配置的光调制器的另一示例的示意图，其中半导体波导具有两个臂部分，每个臂部分具有相移单元的系列；

图10B是图10A的光调制器的半导体波导的两个臂部分之一的截面图；

图10C是图10A的光调制器的半导体波导的两个臂部分的截面图；

图10D是图10A的光调制器的半导体波导的两个臂部分之一的俯视图，示出每个相移单元有两个布拉格光栅和两个布拉格光栅之间的腔；

图10E是图10A的光调制器的半导体波导的两个臂部分之一的放大俯视图；

图11是示出图10D布拉格光栅的带结构的曲线图；

图12A是示出图10A的光调制器的透射和与图10A的光调制器的不同相移单元数量相关联的相移的曲线图；

图12B是示出图10A的光调制器的有效群指数作为波长的函数的曲线图；

图13A是示出图10A的光调制器的增强因子作为相移单元的数量的函数和作为周期数量的函数的曲线图；

图13B是示出图10A的光调制器的3dB光带宽作为相移单元的数量的函数和作为周期数量的函数的曲线图；

图13C是示出具有六个相移单元的光调制器的增强因子和3dB光带宽作为周期数量的函数的曲线图；

图13D是示出具有存在周期数为15的布拉格光栅的相移单元的光调制器的增强因子和3dB光带宽作为相移单元的数量的函数的曲线图；

图14是示出反射率的变化作为施加到图10A的光调制器的两个臂部分的反向偏压的函数的曲线图；

图15是示出诸如图10A所示的并具有不同数量的相移单元的光调制器的归一化透射相位的绝对值作为施加的反向偏压的函数的曲线图；

图16A是示出光调制幅度作为峰到峰反向偏压的函数和作为图10A的光调制器的第一臂部分和第二臂部分之间的初始相位差的函数的曲线图；

图16B是示出消光比作为峰到峰反向偏压的函数和作为图10A的光调制器的第一臂部分和第二臂部分之间的初始相位差的函数的曲线图；

图17A是示出当偏压Vbid为-4Vp时针对不同的峰到峰反向偏压值的透射作为波长的函数的曲线图；

图17B是示出当偏压Vbias为-4Vp时光调制幅度作为峰到峰反向偏压值的函数的曲线图；

图18A是示出对于不同工作温度具有单推挽驱动的光调制幅度作为波长的函数的曲线图；

图18B是示出光调制幅度的3dB带宽作为峰到峰偏压和图10A的光调制器的两个臂部分之间的初始相位差的函数的曲线图；

图19A包括示出当以10Gb/s操作图10A的光调制器时透射作为时间的函数的曲线图；

图19B包括示出当以50Gb/s操作图10A的光调制器时透射作为时间的函数的曲线图；

图20是示出图10A的光调制器PN结的电截止频率、电容和电阻作为与反向偏压的函数的曲线图；

图21是示出具有不同频率失谐值的图10A的光调制器的归一化小信号-光响应作为随频率的函数的曲线图；

图22是示出图10A的光调制器的光调制幅度作为比特率的函数的曲线图；

图23A是具有马赫-曾德尔配置的光调制器的另一示例的示意图，其中半导体波导具有两个臂部分，每个臂部分均具有相移单元的系列；

图23B是图23A的光调制器的半导体波导的两个臂部分之一的截面图；

图23C是图23A的光调制器的掩模布局示例的示意图；

图23D是结合图23A的光调制器的光器件的示例的示意图；

图24是示出图23A的光调制器的透射作为波长的函数的示例的曲线图，其中插图示出透射作为在一个臂上热加热器的施加的电压的函数；

图25是用于测量图23A的光调制器的动态光调制幅度(optical modulationamplitude，OMA)、误码率(bit error rate，BER)和眼图的实验装置的示例的示意图；

图26是示出电光散射参数S

图27是使用图23A的光调制器在1V的反向偏置下针对10Gb/s、20Gb/s和30Gb/s的比特率测量的OMA光谱的曲线图；

图28A是使用图23A的光调制器的20Gb/s的比特率的眼图；

图28B是示出使用图23A的光调制器针对不同比特率的BER作为接收的功率的函数的曲线图，其中结果在1V的反向偏压和可工作波长处测量；和

图29是示出使用图23A的光调制器在1V的反向偏压下测量时针对不同比特率的BER作为波长的函数的曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据实施例的光互连系统100的示例。如图所示，光互连系统100具有第一光子芯片102，该第一光子芯片102通过光纤电缆106与第二光子芯片104通信耦合。

在传送器侧，第一光子芯片102具有生成沿半导体波导110的光信号的光源108、编码数据到沿半导体波导110传播的光信号中的光相位调制器112以及将编码的光信号耦合到光纤电缆106的一端106a的耦合装置114。

在接收器侧，第二光子芯片104具有耦合装置116，以沿通向光检测器120的半导体波导118耦合从光纤电缆106的另一端106b接收的编码的光信号，该检测器120从接收的光信号再现数据。

如上所述，光子芯片102和104二者都包括使用传统的半导体制造工艺制造的光子组件，以允许以低成本大量生产。

在所示实施例中，第一光子芯片102和第二光子芯片104是硅光子芯片。更具体地，光子芯片102和104中的每一者具有以绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底的形式提供的半导体衬底122。SOI衬底通常具有硅基层124、安装在硅基层124上的绝缘子层126、安装在绝缘子层126上的半导体波导110以及安装在绝缘子层126和半导体波导110上的覆层128。如图所示，在本实施例中，半导体波导110由硅制成并且以脊波导130的形式提供。然而，可以理解，可以使用其他类型的光子芯片。

图2示出了图1所示的光相位调制器112的示例。如图所示，光相位调制器112具有半导体衬底122。半导体波导110安装在半导体衬底122上并沿半导体衬底122的路径132延伸。在该具体示例中，路径132是平行于半导体衬底122的平面133延伸的纵向路径。如图所示，半导体波导110具有沿半导体波导110分布的相移单元134的第一系列。每个相移单元134具有沿路径132彼此隔开的两个布拉格光栅136，以及两个隔开的布拉格光栅136之间的腔138。

光相位调制器112具有调制电路135，该调制电路135配置为根据调制信号驱动半导体波导110的相移单元134的系列的长度。因此，可以调制半导体波导110的折射率，该折射率反过来引起向沿半导体波导110传播的光信号的相移。

调制信号通常是以比特的形式携带数据的电信号。通过根据调制信号驱动光相位调制器112的半导体波导110，由调制信号携带的数据通过相位调制可以被编码到光信号中，这可以在接收端被解码，以重建原始数据。

每个相移单元134的腔138引起对通过其中的光信号的相应的相移。此外，由于每个腔138被两个布拉格光栅136包围，穿过腔138的光子可以通过两个布拉格光栅136中的一个光栅上的反射被反射回朝向腔138，然后可以通过两个布拉格光栅136中的另一个光栅上的反射被反射回朝向腔138，以此类推，直到它朝向相移单元134的一个下游相移单元逃逸，在那里再次发生这种谐振。前后反射共同形成谐振现象，其中光子每次通过腔138时经历相移。

如上所述，这种谐振效应倾向于增强半导体波导110的一阶色散，这反过来增强其群指数。由于光子在半导体波导110中的有效传播速度是由在真空中光的速度除以群指数来给定的，因此可以极大降低有效传播速度，从而允许相位调制更有效和灵敏。

在一些实施例中，相移单元134的每个腔138是pi相移腔140。因此，当光信号通过pi相移腔140传播时，它经历pi的相移，即半个周期，以使可以由每个光子经历的相移最大化。

注意，每个相移单元134的腔138设计成使得它们具有低质量因子。这样，光相位调制器112的带宽可以足够高。在这个示例中，每个相移单元134的腔138可以具有纵向延伸的矩形截面。然而，将理解，腔138可以具有任何合适的形状。例如，腔138可以具有弯曲的、弧形的或正弦的形状。

在一些实施例中，例如图2所示的一个实施例中，相移单元134彼此纵向相邻。在这样的实施例中，可以说相移单元134彼此高耦合。高耦合的相移单元可以增强谐振现象。然而，在一些其他实施例中，相移单元134彼此纵向隔开。在这些具体实施例中，可以说相移单元134彼此耦合不好或甚至不耦合。

图3A示出了图2的光相位调制器112的相移单元134的布拉格光栅136的示例。如图所示，布拉格光栅136包括多个纵向隔开的波纹142，每个波纹142以垂直于路径132并沿半导体衬底122的平面133的方式从半导体波导110突出。在所示示例中，波纹142显示为具有阶梯状形状，而半导体波导110在波纹142处具有更宽的尺寸d1，且在波纹142之间具有更窄的尺寸d2(d2

图3B示出了图2的光相位调制器的相移单元134的布拉格光栅136’的另一示例。如图所示，布拉格光栅136’包括横跨半导体波导110的多个孔142’，其中每个孔142’沿路径132彼此隔开。这种孔142’可以被称为一维光子晶体。

图4A-D示出光相位调制器112的不同实施例的截面图。

更具体地，图4A示出具有包括阳极和阴极端子144和146的调制电路135的光相位调制器112的示例。阳极和阴极端子144和146沿半导体波导110的两个相对侧中的各自一个延伸。这样，电连接至阳极和阴极端子144和146的电压源148可以通过驱动半导体波导110的相移单元134的第一系列来执行调制。在本实施例中，折射率的变化可以通过泡克尔斯效应(Pockels effect)来实现。

图4B和4C示出具有包括诸如图4A所示的阳极和阴极端子144和146的调制电路的光相位调制器112的示例。在这些具体实施例中，半导体波导110具有p掺杂和n掺杂半导体区150和152。p掺杂和n掺杂半导体区150和152限定了沿半导体波导110纵向延伸的结154。这些实施例可以称为PN结。如图4B的实施例所示，结154垂直于半导体衬底122的平面133，而在图4C的实施例中，结154平行于半导体衬底122的平面133。在这两个实施例中，阳极和阴极端子144和146直接或间接地电连接至n掺杂和p掺杂半导体区152和150，以执行调制。

如图所示，半导体波导110可具有重p+掺杂区150’和n+掺杂区152’，甚至更重p++掺杂区150’和n++掺杂区152’，以提高在那里半导体波导110可以被调制的效率。可以理解的是，p++掺杂区150”具有比p+掺杂区150’更高的空穴密度，而反过来p+掺杂区150’具有比p掺杂区150更高的空穴密度。类似地，n++掺杂区152”具有比n+掺杂区152’更高的电子密度，而n+掺杂区152’具有比n掺杂区152更高的电子密度。

在图4D中，半导体波导110具有在p掺杂和n掺杂区150和152之间延伸的本征区156，其可以被称为PIN结。

根据实施例，调制电路135可以配置为反向或正向偏压半导体波导110。例如，图4B和4C中所示的PN结154可以被反向偏压，而图4D所示的PIN结154可以被正向偏压。

图5-8示出光相位调制器112的不同使用。

更具体地，图5示出了马赫-曾德尔结构中的光调制器158的示例。如本实施例所示，光调制器158具有半导体衬底122、沿半导体衬底122延伸的半导体波导110。如图所示，半导体波导110具有输入部分，该输入部分通向彼此并联连接的第一臂部分162和第二臂部分164。在该示例中，第一耦合器161将输入部分160耦合到第一和第二臂部分162。第一耦合器161可以以定向耦合器、功分器和任何其他合适的耦合结构的形式提供。在这个实施例中，第一臂部分162和第二臂部分164中的每个臂部分沿各自的路径132延伸。第一臂部分162和第二臂部分164在第二耦合器163处彼此结合成至少一个输出部分166。

如图所示，第一臂部分162具有沿其分布的相移单元134的第一系列，其中每个相移单元134具有沿路径132彼此隔开的两个布拉格光栅136和两个隔开的布拉格光栅136之间的腔138。因此，在这个示例中，光调制器158结合光相位调制器112。

还提供调制电路135，用于根据第一调制信号驱动半导体波导110的第一臂部分162的相移单元134的第一系列的长度。

利用这种马赫-曾德尔调制器，一旦第一臂部分162中传播的光信号通过建设性/破坏性干涉与第二臂部分164中传播的光信号重新组合，调制第一臂部分162中传播的光信号的相位可以导致幅度调制。

如上所讨论的，由于振幅调制取决于第一臂部分162和第二臂部分164的长度和折射率，这两个部分通常可以随着温度波动一起变化，因此所得到的马赫-曾德尔光调制器158在给定温度范围上与温度无关。因此，只要马赫-曾德尔光调制器158在给定的温度范围内工作，控制马赫-曾德尔光调制器158的温度的能量消耗可能是最小的，从而降低能量消耗。

可以沿半导体波导110的第一臂部分162和第二臂部分164的每个或两个臂部分设置一个或多个温度控制器168。这些温度控制器168可用于设定光调制器158的工作点，或者附加地或替代性地将光调制保持在其给定的温度范围内。

图6示出了马赫-曾德尔结构中的光调制器258的另一示例。如图所示，光调制器258与参考图5描述的光调制器158类似。因此，类似的要素将使用类似的附图标记表示，但以200的系列。然而，如本实施例所描述的，第二臂部分264具有沿其分布的相移单元的第二系列234，其中每个相移单元234具有沿路径232彼此隔开的两个布拉格光栅236和两个隔开的布拉格光栅236之间的腔238。因此，相移单元的第二系列234可以形成类似于沿第一臂部分262延伸的光相位调制器212的沿第二臂部分264延伸的光相位调制器212。

在该具体实施例中，调制电路235可以配置为根据第一调制信号驱动第二臂部分264的相移单元的第二系列234的长度，该第一调制信号也用于驱动第一臂部分262的相移单元234的第一系列的长度。因此，只需要一个电压源248。在该具体实施例中，调制电路235使得第一臂部分262和第二臂部分264二者同时以相反方向被驱动，使得总相移可以加倍。在该示例中，调制电路235配置为向第一臂部分262和第二臂部分264提供偏压Vbias，其对于设定光调制器258的工作状态是可以是有用的。在这种背景下，偏压为直流(DC)，而调制信号为交流(AC)。

然而，在一些其他实施例中，调制电路235可以配置为根据不同于第一调制信号的第二调制信号驱动半导体波导210的第二臂部分264的相移单元的第二系列234的长度，其中利用第一调制信号驱动相移单元234的第一系列的长度。

图7示出了马赫-曾德尔结构中的光调制器358的示例。如图所示，光调制器358与参考图6描述的光调制器258类似。因此，类似的要素将使用类似的附图标记表示，但以300的系列。如图所示，光调制器358具有半导体衬底322、沿半导体衬底332延伸的半导体波导310。半导体波导310具有输入部分360，在第一耦合器361处，该输入部分360耦合到彼此并联连接的第一臂部分362和第二臂部分364。在本实施例中，第一臂部分362和第二臂部分364沿各自的路径332延伸。第一臂部分362和第二臂部分364彼此结合成至少一个输出部分366。

如图所示，第一臂部分362具有沿其分布的相移单元334的第一系列334a和沿其分布的相移单元334的第三系列334c，其中第一系列334a沿路径332与第三系列334c纵向隔开。这样，相移单元334的第一系列334a形成与第三光相位调制器312c串联的第一光相位调制器312a，第三光相位调制器312c本身反过来由相移单元334的第三系列334c形成。

类似地，第二臂部分364具有沿其分布的相移单元334的第二系列334b和沿其分布的相移单元334的第四系列334d，其中第二系列334b沿路径332与第四系列334d纵向隔开。再次，相移单元334的第二系列334b形成与第四光相位调制器312d串联的第二光相位调制器312b，第四光相位调制器312d本身反过来由相移单元334的第四系列334d形成。

在本实施例中，调制电路335配置为提供第一调制信号，但其方向与相移单元334的第一系列334a和相移单元334的第二系列334b相反，并且配置为提供第二调制信号，但其方向与相移单元334的第三系列334c和相移单元334的第四系列334d相反。

这样，图7的光调制器358可以用于脉冲幅度调制(pulse-amplitude modulation，PAM)，更具体地，用于4-PAM。在这个配置中，第一调制信号可以决定最低有效位，而第二调制信号可以决定最高有效位。

可以理解的是，在其他实施例中，光调制器358的其他变型可以用于16-PAM、64-PAM等。

如图所示，在本实施例中，第一臂部分362和第二臂部分364中的每个臂部分中提供了温度控制器368。

图8示出了马赫-曾德尔结构中的光调制器458的示例。如图所示，光调制器458与参考图7描述的光调制器358类似。因此，类似的要素将使用类似的附图标记表示，但以400的系列。如图所示，光调制器458具有半导体衬底422、沿半导体衬底422延伸的半导体波导410。半导体波导410耦合到彼此并联连接的第一臂部分462、第二臂部分464、第三臂部分470和第四臂部分472的输入部分460。在本实施例中，第一臂部分462、第二臂部分464、第三臂部分470和第四臂部分472中的每个臂部分沿各自的路径432延伸。第一臂部分462、第二臂部分464、第三臂部分470和第四臂部分472彼此结合成至少一个输出部分466。

如图所示，第一臂部分462具有沿其分布的相移单元434的第一系列434a，第二臂部464具有沿其分布的相移单元434的第二系列434b，第三臂部470具有沿其分布的相移单元434的第三系列434c，第四臂部472具有沿其分布的相移单元434的第四系列434d。

在本实施例中，调制电路435配置为提供第一调制信号，但其方向与相移单元434的第一系列434a和相移单元434的第二系列434b相反，并且配置为提供第二调制信号，但其方向与相移单元434的第三系列434c和相移单元434的第四系列434d相反。

在本实施例中，可以在第一臂部分462、第二臂部分464、第三臂部分470和第四臂部分472中的每个臂部分中提供温度控制器468。替代性地或附加地，可以在臂部分462、464、470和472的重新组合的下游提供温度控制器468。辅助输出部分474可设置在所述重新组合的下游。

因此，在本实施例中，光调制器458可以用作用于正交幅度调制(quadratureamplitude modulation，QAM)的IQ调制器。图8A是结合图8的光调制器458的IQ相干调制器476的示意图。图8B是示出可以由IQ相干调制器474获得的IQ幅度的曲线图。

图9示出了结合彼此串联连接的多个光调制器258以提供波分复用(wavelength-division multiplexing，WDM)传送器578的光调制器558的示例。在这些实施例中，每个光调制器258调制在光谱隔开的光波长λ1、λ2和λ3(诸如输入光谱580处所示)处具有功率的多个光信号中的对应一个光信号。输出光谱的示例示出在582处。在替代的实施例中，设想通过使用光频率组合，将不需要复用器(MUX)或解复用器(DEMUX)。

示例1-具有宽光带宽的高效硅光子调制器

目前，已经创建了对高速通信的增加的需求。光通信已经是迄今唯一的解决方案，通过它可以生成满足要求的速度的巨大机会。电光(Electro-optic，EO)调制器是光通信的重要部分之一，它的设计对提供光互连的要求起着至关重要的作用。事实上，EO调制器的设计在光研究中可以保持有吸引力的课题，直到可以存在朝向获得具有高速度的透射的趋势。

硅光子(Silicon photonic，SiP)调制器呈现低成本部件，并与CMOS工艺相兼容，但以降低的EO效应为代价。在硅中，没有线性EO效应。此外，二次EO效应和电吸收效应都非常弱。等离子体色散效应在硅中也不是强的效应，但改变硅的折射率是主要的现象。例如，结合到行波波导的基于SiP的马赫-曾德尔(MZ)调制器(称为传统的MZM)遭受低的调制效率，导致高功耗和长的移相器长度。尽管有这些缺点，当以推挽配置工作时，由于宽的光带宽和小的脉冲啁啾，这种调制器可以提供无温度工作。与传统的MZM相反，基于谐振器的SiP调制器(RBM)具有紧凑的占用空间和低功耗。原因在于腔中的谐振现象会导致相移对施加的电压更加灵敏，导致大大提高的调制效率。然而，由于窄的光带宽，RBM生成非常啁啾的脉冲，并且对温度的变化不稳定。值得指出，与调制器驱动器所需要消耗的能量相比，微环调制器(micro ring modulator，MRM)的主动稳定需要更多能量消耗。

上述两种类型的SiP调制器都有优缺点。它们本身可能不能满足光互连的期望要求，而它们中的一种合成物将能够满足。在一些论文中，在MZ的每个臂上实现了环形谐振器以提高相位效率。它使器件紧凑，但伴随光带宽的牺牲，导致显著提高的对温度的灵敏度。为了克服带宽限制，已经提出在每个臂处插入分立级联环。然而，该设计遭受自由频谱范围(free spectrum range，FSR)的限制。除了光环外，还在MZ的每个臂上使用光子晶体波导以实现调制增强。一方面，制造工艺是这种设计的一个挑战。另一方面，对电压的灵敏度仍然在高的级别。

在这个示例中，提出了一种SiP调制器的设计，它的特性在传统的MZM和RBM的特性之间。一个目的是通过在MZ的移相器中结合耦合的谐振器，实现MRM的高调制效率和常规MZM的宽光带宽之间的折衷，使得谐振器用于低色散慢光(low-dispersion slow light，LDSL)体制。如将要讨论的，该设计可以提高延迟带宽乘积，这是基于慢光器件的基本限制。对应于大的群指数的高延迟时间提供调制增强。此外，宽的光带宽会导致对温度的低灵敏度。因此，这种设计比MRM更稳定并且具有更大的工作温度范围，并且与传统的MZM相比，其具有更低的峰到峰(V

当光传播通过硅波导时，其速度为c/ng，其中c＝3×10

在基于慢光的调制器中，低群速度(或大n

级联微环谐振器已经类似地插入到MZ(MRM-MZM)中以提高调制效率。本文描述的调制器结构背后有三个原因，表明该设计比MRM-MZM具有更好的性能。首先，在该设计中，在整个C波段观察到单峰，因此不存在FSR限制，这是MRM-MZM中的重要挑战。此外，本文所描述的光调制器是由耦合级联的谐振器形成的，从而导致性能改善；而MRM-MZM包含分离的级联腔。最后，当该设计实现具强的波纹时，占用空间面积可以很小，这直接有助于使设计对制造变化的更稳健。在MRM-MZM中，能够使得占用空间面积很小，但以增加的制造误差和FSR限制为代价。

图10A示出了光调制器658的示例的配置。如图所示，光调制器658与参考图6描述的光调制器258类似。因此，类似的要素将用类似的附图标记表示，但以600的系列。光调制器658可以被称为布拉格光栅谐振器辅助MZ调制器(BGR-MZM)。具有均匀周期Λ＝310nm的布拉格光栅636被插入到布置有六个π相移单元634的臂部分662和664的每个臂部分中，诸如图10D所示。在本示例中，每个腔638的每一侧设置有15个周期。

从10B到10E图中所示的示例可以看出。使用在脊波导610中具有50％的占空比的侧壁波纹642设计布拉格光栅636，该脊波导610具有850nm的最大宽度W

如图所示，半导体波导610可具有p掺杂和n掺杂区650和652，重p+掺杂和n+掺杂区650’和652’，以及更重p++掺杂和n++掺杂区650’和652’，以提高半导体波导610在那里可以被调制的效率。在这个示例中，这些区的尺寸如下：X1为约625nm，X2为约1μm，X3为约0.5μm，Y1为约625nm，Y2为约1μm，Y3为约0.5μm。在这个示例中，臂部分662和664的长度L约为56.7μm。

关于光调制器658的光谱响应。通过3dB绝热耦合器661耦合光功率后，光穿过每个臂部分662和664中的相移单元634的系列。为了确定移相单元634的透射和相移，使用传递矩阵模型，κ被定义为光栅耦合系数。为了估计κ，首先通过FDTD-Lumerical计算光子带隙(ΔλPBG)，然后使用下列方法提供：

其中λc为λPBG的中心波长，n

使用高光子带隙IBG背后的目的是为了提供3.15nm 3-dB光带宽所需要的周期的数量减少，导致L＝56.7μm的IBG长度极短，并因此导致低的调制功率。换言之，当IBG长度降低时，保持光栅强度(κ×L)高。值得注意的是，具有强的波纹的布拉格光栅能够增加辐射损耗，并因此增加每个长度的损耗。然而，这里描述的调制器的总损耗在合理的范围内，因为IBG的长度是相当小的。本文描述的光调制器在不考虑调制损耗(modulation loss，ML)的情况下呈现1.16dB损耗，对应于已经由FDTD-Lumerical计算的206dB/cm。

在静态响应中，在C波段仅有一个透射的峰，其3-dB光带宽为3.15nm，诸如参考图12A中T曲线所示。应当理解，由于增加光带宽，使用LDSL体制可以提高调制器稳定性。如果工作波长(λ0＝1547.3nm)附近的相移的斜率增大，则可以呈现调制增强，该调制增强意味着需要更低的V

关于慢光对静态响应的影响，图12B示出六个相移单元的n

根据克莱默-克朗尼格(Kramers-Kronig)分析，当电压施加到相移单元的系列时，有源区的空穴和电子浓度发生变化，引起折射率中的变化。与反向偏置相比，施加正电压呈现更高的调制效率，但以降低的电光带宽为代价。然后，反向偏压主要用于高速应用。图14示出扰动的折射率作为反向电压的函数。可见，折射率的变化值小，证实了在该实施例中在硅中的等离子体分散效应是弱效应。图15示出了针对腔的各种数量归一化相移的绝对值作为电压的函数。可见，对应于参考相移(简单掺杂波导的相移)的标记线对施加的电压的灵敏度最低，而灵敏度通过谐振现象的加效应而提高。

OMA是对输出功率归一化的最大(“1”)和最小(“0”)输出功率之间的差。相移单元的系列被集成到MZ干涉(MZI)中，假设在MZI的输出和输入中分别存在理想的合成器和分离器，通过如下公式计算其功率输出。

其中P

图16A和16B示出工作波长处的ER和OMA值作为每个臂上的

图17A示出针对V

图18A表示OMA频谱，显示其3-dB带宽为3.9nm。OMA的3-dB带宽作为V

采用耦合模理论实现所提出的调制器的动态模型。在本例中，IBG从z＝0开始到z＝L，相移位于z＝L/12、3L/12、5L/12、7L/12、9L/12、11L/12。此外，当工作波长为λ

其中c是光在真空中的速度。此外，n

等式10可以使用归一化参数重写：

其中：

我们使用FDTD方法求解上面的等式。在不同比特率下使用二进制比特序列以评估调制器在时阈中的性能。图19A和19B示出在10Gb/s和50Gb/s的比特率下调制器的时间响应。

EO带宽受电学和光学术语的限制：RC常数和腔的总质量因数(或光子寿命时间τ)。

其中fc为BGR-MZM小信号响应的EO 3-dB截止频率，fRC代表反向偏压下p-n二极管RC常数的截止频率，fτ为光截止频率，给定fτ＝1/(2πτ)。p-n结的电阻和电容被建模，诸如图20作为DC反向偏压的函数所示。由此可见，在VDC＝-4V时，计算了1.239PF/cm的电容，1.417Ω.cm的电阻，对应于fRC＝90.69GHz。通过对本文所讨论的动力学模型施加脉冲并进行傅立叶变换，提供光截止频率。图21示出针对各种光失谐这里描述的调制器的光小信号响应，示出针对f＝0，fτ＝49.22GHz，对应于3.23Ps的τ。还理解的是，如果工作波长被调谐得远离谐振波长，则光截止频率增加，然而以降低工作温度范围和ER二者为代价。因此，选择的工作波长与谐振波长相同。期望调制器能够引入fc＝31.9GHz的EO带宽。

图22示出OMA作为比特率的函数，确认OMA几乎是恒定的50Gbps，其后它减少，对应于更低的ER或更接近的眼开图。

因此，在该示例中，描述了SiP调制器的新设计，该SiP调制器的特性在常规MZM与MRM之间。在该设计中，使用慢光来同时改善调制效率和工作温度范围。在此描述的光调制器的设计背后的关键思想是通过组合相移布拉格光栅来利用谐振增强的优势，以便与常规的MZM相比提高效率(Vπ×L＝0.28Vcm)。此外，这些腔被设计成具有低品质因数(Q＝332)，确认光带宽保持宽的，导致将载波波长偏移扩展到～±2nm，对应于50K热容差范围。尽管对谐振器进行级联，但调制器尺寸非常紧凑，使得每个臂的长度仅为56.7μm，因为使用具有高光子带隙的布拉格光栅。通过利用FDTD解决标准耦合模式理论，呈现这种设计的动态模型，表明BGR-MZM的小信号响应的E/O 3-dB截止频率为31.9GHz。

示例2-由相移布拉格光栅辅助的马赫-曾德尔硅光子调制器

在该示例中，演示了光调制器的新的设计，其与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)技术兼容：由相移的布拉格光栅(PSBG-MZM)辅助的马赫-曾德尔调制器(MZM)。利用谐振现象，使得调制器可以在光带宽保持宽的同时提供高调制效率。这导致具有高调制效率(Vπ×L＝0.25V.cm)、紧凑占用空间(L＝130μm)和低功耗工作(80fJ/位)的基于谐振的硅光子(SiP)调制器。此外，不同于其他基于谐振的调制器(resonance-based modulators，RBM)，上述特性具有其他良好的特征，诸如ΔT＝20℃的工作温度范围，Δλ0＝1.4nm的工作波长窗口，以及f

光互连已经证明满足增长的性能要求(诸如高带宽、每比特所需要的低能量和低等待时间)是有前景的解决方案[1]。光调制器是片上和芯片-芯片光互连中的基本部件。其中，由于与CMOS制造工艺兼容，SiP调制器目前被视为光子集成电路(PIC)中采用的优选候选。SiP调制器通常分为两个广泛的类：MZM和RBM。

MZM提供高速调制并提供宽的光带宽，导致温度不灵敏的工作[2]。此外，如果在推挽配置中工作，则MZM能够生成无啁啾脉冲。尽管有这些优点，MZM需要几毫米范围内的长相移器以获得所需要的相位调制[2]。结果，MZM遭受大的占用空间和每位的高能量消耗；并且还应当设计行波电极，该行波电极反过来引入一些其他挑战，如RF损耗和群速度失配，这限制了MZM的EO带宽[2]。

谐振增强调制具有巨大的潜力以解决以上问题，并且允许移相器的长度的大幅度减少。例如，微环调制器(MRM)具有高度紧凑占用空间且需要低RF驱动电压[3]。然而，这些益处伴随着若干挑战。首先，工作波长窗口相当窄，使得环境中的小改变(例如，热变化)造成性能上的巨大失真。第二，MRM生成啁啾脉冲。第三，MRM需要具有高品质因子的谐振器，导致由于高光子寿命而限制EO带宽。

组合MZM和可提供谐振特性的其他结构是克服常规DMZM的低调制效率的另一有前景的候选。由实现了高调制效率的[4]提出了载有光子晶体波导(photonic crystalwaveguide，PCW)的MZM。然而，众所周知，从标准制造工艺的角度来看，基于PCW的设计是非常有挑战性的，并且小的制造误差造成调制器的性能中的大的失真。在[5]中，提出了由微环谐振器辅助的MZM以达到调制增强。但是，这种益处是以与MRM类似的增加的温度灵敏性为代价来提供的。为了扩大工作温度范围，由[6]提出了级联环的组被引入到马赫-曾德尔干涉(MZI)的每个臂中。然而，FSR限制是为WDM应用开发的这种设计的主要障碍。

在该示例中，光调制器758可以允许实现常规MZM的性能与RBM的性能之间的折衷。由Vπ×L＝0.25V.cm的调制效率、80fJ/比特的每比特消耗功率、1.4nm的工作波长窗口、20℃的工作温度范围、以及32GHz的EO带宽实验性地表征光调制器758。此外，由于光调制器758在单推挽配置中工作，因此还可以获得无啁啾工作。

在慢光体制中工作的光调制器具有解决面对常规的MZM的电流问题的有前景的潜力。这是因为慢光体制提供了大的群指数(或高光延迟)，增强了调制效率。然而，这种机制还可能引入离开的窄带宽。因此，当利用慢光体制时，应当考虑效率与带宽之间的权衡。图23A示出光调制器758的另一示例的示意图，其中每个臂部分含有相移单元的系列(诸如以上描述的相移单元的系列，以下称为集成的布拉格光栅谐振器(integrated Bragggrating resonator，IBGR))以使光变慢。在参考文献[7]、[8]中，详细讨论了如何使用相移布拉格光栅设计慢光效应。光调制器758的设计背后的关键思想是，当调制效率谐振地增加时，光带宽应保持宽。通过采用具有低品质因数的腔来获得宽的光带宽。此后，级联这些谐振器不仅获得所需要的相位调制，而且保持大的光带宽。结果，光调制器758能够提供紧凑的占用空间和低功耗(类似于MRM)，并且还呈现稳定的工作和高的EO带宽(类似于常规的MZM)。

为了引入慢光到光调制器758中，侧壁波纹742是优选的，而不是如光子晶体中通常使用的周期性的孔。侧壁波纹742的优点在于实际实施的观点，然而以降低慢光波导的最佳品质因数为代价。如图所示，在该实施例中，光调制器758的规格如下：约130mm的L，约600nm的W

如图23A所示，具有Λ＝310nm的均匀周期的IBGR放置在MZM的每个臂中。每个谐振器由在每侧具有小的周期的数量(NOP＝30)的相移部分组成。为了实现所需要的相位调制，七个级联耦合的谐振器放置在每个臂中。在脊波导中使用具有50％的占空比的侧壁波纹来设计布拉格光栅，该脊波导具有500nm的平均宽度、220nm的脊高度和90nm的板高度。最大波导宽度为600nm并且最小为400nm。图23B示出了在具有特定位置的三个掺杂级中限定的横向PN结，以便最小化光损耗并且保持低电阻。PN结是对称的。

图23C示出光调制器758的掩模布局。为了控制光调制器758，在此示例中使用四个温度控制器768。由于制造缺陷，第一臂部分762和第二臂部分764中的IBGR的阻挡带通常不匹配。因此，为了补偿该问题，将两个热元件RH1和RH2放置在IBGR的顶部。还利用两个其他热元件TH1和TH2以将工作点偏置在正交点处。50Ω负载790放置在RF焊盘之间以获得RF阻抗匹配。使用标准193nm光刻工艺在IME A*STAR处以多项目晶圆运行制造光调制器758，其中硅层的厚度为220nm，掩埋氧化物的厚度为2μm。图23D示出所制造的芯片。在该图中，所有尺寸都是微米级，其中RH表示谐振加热器，TH表示热加热器。

图24示出了光调制器758的光谱。通过应用0V的V

OOK调制格式用于利用图25中所示的实验设置来表征调制器性能。首先使用比特模式生成器(BPG)(SHF12124A)生成长度为231

激光功率选择为15dBm。接下来，利用偏振控制器(polarization controller，PC)来改善基本TE模式下的光纤到芯片耦合。调制光信号经过隔离器之后将进入掺铒光纤放大器(Erbium-doped fiber amplifier，EDFA)的内部进行放大。然后设定3-dB带宽的可调带通光滤波器(tunable optical bandpass filter，TOBP)。TOPB之后是内联衰减器以控制所接收的功率。为了捕获眼图并测量BER，使用80GHz带宽采样示波器(samplingoscilloscope，SO)。针对BPG和SO使用相同的时钟来同步它们。重要的是注意到，捕获了所有的动态结果而没有数字信号处理(DSP)。

IBGR是需要放置在MZI中以产生振幅调制的相位调制器。假设理想的Y形结，MZI的输出功率是使用以上等式(2)和(3)来计算的，其中P

调制效率可以通过典型的品质因数(Vπ×L)和每比特所需要的能量来评估。光调制器758记录0.25V.cm的Vπ×L，示出γ＝9的增强因子。1V的反向偏压(Vbias)处的p-n结电容为2pF/cm。考虑130μm相移器长度，总电容为26.1fF。结果，光调制器758的每比特能量消耗(Eb＝1/4CV

总片上损耗是18dB并且描述如下：来自两个光栅耦合器的14dB，来自两个3dB绝热耦合器的1dB，来自1cm长的路由波导的典型2.5dB传播损耗，以及来自掺杂的IBGR的大约0.5dB(如图24所示)。因此，当没有施加偏置时，光调制器758自身的特征在于在工作波长处大约39dB/cm。在慢光体制中的这种损失来自两个问题。首先，具有强波纹的IBGR内部的慢光的传播损失。第二，由于在IBGR中的慢光与脊波导中的快光之间存在群折射率失配，因此生成在它们的界面处的耦合损耗。这些损失可以通过使用其中组指数逐渐增加(或减少)的锥形来减轻[9]。

图26显示了通过PNA微波网络分析仪(Agilent N5227A 10MHz-67GHz)测量的针对不同偏置点的EO散射参数S

为了评估调制信号的质量，在工作波长处测量PSBG-MZM的动态OMA。使用OMA＝10log(P

图28A示出了没有DSP的20Gb/s调制信号的眼图。为了呈现不同调制速度的光调制器758性能的定量评估，测量BER曲线作为在工作波长处的接收功率和图28B中所指示的1V的反向偏置的函数。假设2×10

在该示例中，实验证明了由耦合谐振器辅助的MZM，该MZM不仅在调制效率做出显著改善，而且在稳定条件下工作。使用由低品质因子的谐振器形成的IBGR。与常规的MZM相比，光调制器758的特征在于更低的功耗(80fJ/比特)、改进的调制效率(Vπ×L＝0.25V.cm)和更紧凑的占用空间(L＝130μm)。光调制器758对温度变化具有更大的容差(ΔT＝20℃)工作，这导致与MRM相比更稳定的性能。此外，由于低光子寿命并且没有EO相位失配，获得了32GHz的EO带宽。最后，光调制器758在推挽配置中工作，因此使得调制信号的啁啾减少。

在其他实施例中，尺寸可以不同。例如，在另一具体实施例中，这种光调制器的另一示例的规格如下：约1100nm的W

参考文献

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[4]T.Tatebe,T.Baba,Y.Hinakura,and Y.Terada,“Si Photonic Crystal Slow-Light Modulators with Periodic p–n Junctions,”J.Light.Technol.Vol.35,Issue 9,pp.1684-1692,vol.35,no.9,pp.1684–1692,2017.5]R.Li et al.,“An 80Gb/s SiliconPhotonic Modulator Based on the Principle of Overlapped Resonances,”IEEEPhotonics J.,vol.9,no.3,pp.1–11,2017。

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[7]O.Jafari,H.Sepehrian,W.Shi,and S.LaRochelle,“Silicon PhotonicModulator based on Coupled Bragg Grating Resonators used as Phase Shifters,”in Optical Fiber Communication Conference,2018,no.c,p.Th2A.20。

[8]O.Jafari,H.Sepehrian,W.Shi,and S.Larochelle,“High-EfficiencySilicon Photonic Modulator Using Coupled Bragg Grating Resonators,”JLT,2019。

[9]Y.Zhao,Y.-N.Zhang,Q.Wang,and H.Hu,“Review on the OptimizationMethods of Slow Light in Photonic Crystal Waveguide,”IEEE Trans.Nanotechnol.,vol.14,no.3,pp.407–426,May 2015。

可以理解的是，上述和所说明的示例仅是示范性的。每个光子芯片可以配置为传送器和接收器二者，以允许双向光通信。例如，尽管这些示例描述了具有彼此并联连接的两个或四个臂部分的光调制器，但应当指出，光调制器的其他实施例可以具有彼此并联连接的多于两个或多于四个的臂部分。该范围由所附的权利要求指示。