电光集总调制器的制作方法

本实用新型涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种电光集总调制器。

背景技术：

随着目前提速降费的发展趋势，大量通信和互连设备更新换代，硅基收发机系统已经开始商用，但系统能耗高，对通信、互连的基础设施的压力急剧增大。调制器是光通信、光互连系统中收发机的重要组件，它的能耗仅次于激光器，但调制器自身插损也增加了功耗预算，所以是目前降低能耗的努力中的重要攻关对象。

电光调制器按照是否有末端匹配负载而分为集总式调制器和行波式调制器。目前硅材料的高速电光调制器均为行波式，因为其速率并不显著受限于RC常数和驱动源电缆的特征阻抗，目前已有超过50Gbps速率的器件报道。然而，行波式调制器对驱动电压的利用效率低，存在能耗高、尺寸大、插损大的缺点。另一方面，集总调制器能够更有效地利用驱动电压，具有能耗低、尺寸小、插损小的优点，但是目前报道的硅集总调制器的器件电光带宽仅仅是15GHz以下。

因此，如何能提供一种能耗低、尺寸小、插损小，以及对驱动电压的利用效率高，并满足实际应用中的电光带宽要求的电光调制器成为了目前亟待解决的技术问题之一。

技术实现要素：

针对现有行波式电光调制器以及集总调制器所存在的能耗、尺寸、插损不能兼顾的缺陷，本实用新型提出一种电光集总调制器，包括光学结构、电光结构和电学结构；

所述电光结构用于产生电光效应；所述光学结构用于根据所述电光效应产生相应的调制效果；所述电学结构用于为所述电光结构供电；

所述电学结构的驱动方式为单驱动方式；

所述电学结构包括电极，所述电极用于接收正向和/或反向传输的电信号。

可选地，所述电光结构包括PN结。

可选地，所述PN结的类型包括侧向结类型、插指结类型以及垂直结类型。

可选地，所述PN结为硅PN结或锗PN结。

可选地，所述电光结构包括电光集总调制器的第一调制臂和第二调制臂；

所述第一调制臂和第二调制臂构成电学连接。

可选地，所述第一调制臂和所述第二调制臂的N++极性均位于所述电光结构的中间；所述第一调制臂和所述第二调制臂的P++极性分别位于所述电光结构的两侧；所述第一调制臂和所述第二调制臂的N++极性构成电学连接；或，

所述第一调制臂和所述第二调制臂的P++极性均位于所述电光结构的中间；所述第一调制臂和所述第二调制臂的N++极性分别位于所述电光结构的两侧；所述第一调制臂和所述第二调制臂的P++极性构成电学连接。

可选地，所述电学连接为电学串联关系。

可选地，所述光学结构包括干涉仪。

可选地，所述光学结构还包括与所述干涉仪组合的谐振腔。

可选地，所述干涉仪的类型为马赫曾德Mach-Zehnder干涉仪或迈克尔逊Michelson干涉仪。

本实用新型的电光集总调制器，通过将集总调制器的电学结构的驱动方式改进为单驱动方式，可以将调制器的结电容减半，串联电阻加倍，可实现降低能耗、减小调制器尺寸、降低插损，以及提高对驱动电压的利用效率，并能够提升电光带宽，满足实际应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中双驱动电光集总调制器的示意图；

图2为本实用新型一个实施例的电光集总调制器的结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例的单驱动电光集总调制器的俯视示意图；

图4a为本实用新型一个实施例的马赫曾德干涉型单驱动电光集总调制器的结构示意图；

图4b为本实用新型一个实施例的迈克尔逊干涉仪型单驱动电光集总调制器的结构示意图；

图5为本实用新型一个实施例的电光集总调制器等效电路图；

其中，C_J表示调制臂的电容对电光调制直接产生贡献；R表示调制臂电阻；L表示调制臂电极的电感；C₀表示焊盘bondingpad等部件的电容；

图6为实用新型一个实施例的不同结构电光调制器的小信号电光S21响应图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

现有的集总调制器多采用如图1所示的双驱动方式(图1中的PN结为最简单的侧向结，Metal表示金属电极，Contact表示金属过孔),其电光带宽仅仅是15GHz以下，无法满足调制速率高于28Gbps的实际应用需求应用要求。由于集总调制器具有行波调制器所不具有的能够有效地利用驱动电压、能耗低、尺寸小以及插损小等优点，如果能够提升集总调制器的电光带宽，使之满足应用需求，那么集总调制器将有望替代行波调制器，实现大幅降低通信系统的能耗的目的。

图2示出了本实用新型一个实施例的电光集总调制器的结构示意图；如图2所示，所述集总调制器包括光学结构10、电光结构20和电学结构30；

其中，所述电光结构用于产生电光效应；所述光学结构用于根据所述电光效应产生相应的调制效果；所述电学结构用于为所述电光结构供电；

可以理解的是，上述电光结构20是调制器中用于直接产生电光效应和调制的部分，根据不同的电光效应，其对光场的作用可以表现为对相位的调制、对偏振状态的改变和对振幅(强度)的调制；光学结构10是将电光结构20产生的电光效应转变为所需的调制效果的部分，例如可以将相位调制转化为强度调制，可以通过双臂推挽调制实现相位键控等；而电学结构30是为电光结构20供电的部分。

电学结构30的驱动方式为单驱动方式；

电学结构30包括电极(图中未示出)，所述电极用于接收正向和/或反向传输的电信号。

需要说明的是，本实施例的电光调制器为集总调制器，也即其电学结构中的电极末端不设匹配电阻。

具体来说，单驱动方式是现有技术中多用于行波调制器的一种驱动方式，可以将调制器的结电容减半，串联电阻加倍，且可保证调制器具有较大的电光带宽。

本实用新型的电光集总调制器，通过将集总调制器的电学结构的驱动方式改进为单驱动方式，可以将调制器的结电容减半，串联电阻加倍，可实现降低能耗、减小调制器尺寸、降低插损，以及提高对驱动电压的利用效率，并能够提升电光带宽，满足实际应用需求。

进一步地，作为上述实施例的优选，所述电光结构可包括PN结；所述PN结的类型包括侧向结类型、插指结类型以及垂直结类型。

可以理解的是，本实施例所采用的单驱动方式是可独立于调制PN结的，即上述单驱动方式的集总调制器可采用侧向结、插指结、垂直结等各类PN电光结构，本实用新型对此不进行限定。

进一步地，作为上述实施例的优选，所述PN结可选为硅PN结或锗PN结等基于等离子色散效应的电光结构。

需要说明的是，本实施例所提供的单驱动电光调制器亦可适用于基于其他电光效应(线性电光效应、克尔效应和Franz-Keldysh效应、量子限制Stark效应)的调制器，例如铌酸锂调制器及三五族半导体调制器。

图3为本实用新型一个实施例的单驱动电光集总调制器的俯视示意图；如图3所示，在上述实施例的基础上，所述电光结构20还可包括电光调制器的第一调制臂21和第二调制臂22；

所述第一调制臂和第二调制臂构成电学连接。

需要说明的是，上述单驱动即指仅用一个微波信号源来驱动两个调制臂，且两个调制臂的调制结构将相同掺杂类型(P或N)的区域连接在一起。单驱动电学结构的中央区域应当接直流偏压(参见图3中的Vb)，但本实施例也适用于中央不做电学连接的情况。例如无直流偏压或将直流偏压与驱动信号叠加后输入到外侧两电极(如图3中两侧的P++)之间。

如图3所示，作为上述实施例的优选，所述第一调制臂21和所述第二调制臂22的N++极性均位于所述电光结构的中间；第一调制臂21和第二调制臂22的P++极性分别位于所述电光结构的两侧；并且第一调制臂21和第二调制臂22的N++极性构成电学连接(优选为电学串联)。

可以理解的是，由于电光结构的对称性，可令上述第一调制臂21和第二调制臂22的P++极性均位于所述电光结构的中间；第一调制臂21和第二调制臂22的N++极性分别位于所述电光结构的两侧；并且第一调制臂21和第二调制臂22的P++极性构成电学连接(优选为电学串联)。

进一步地，作为上述实施例的优选，光学结构10可包括干涉仪11(图中未示出)。

在此基础上，作为本实施例的优选，光学结构10还可以包括与干涉仪11组合的谐振腔12。

图4a为本实用新型一个实施例的马赫曾德Mach-Zehnder干涉型单驱动电光集总调制器的结构示意图；如图4a所示，该调制器最上部和下部的细线为光学结构10a，旁边分别标注RF+、RF-的两个方框的是电学结构20，图中未示出电光结构。

图4b为本实用新型一个实施例的迈克尔逊Michelson干涉仪型单驱动电光集总调制器的结构示意图；如图4b所示，该调制器下部的细线为光学结构10b，其与图4a中下方所示的光学结构10a的区别在于，该光学结构10b为4端口耦合器件，其最下方的两个端口分别为输入、输出端口(顺序可调换)；而图4a下方的光学结构10a中示出的是三端口器件(最常见的是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。

进一步地，上述迈克尔逊干涉仪还可包括反射元件，且所述反射元件位于所述迈克尔逊干涉仪的末端；其中，所述反射元件可为光子晶体反射镜或环形镜loop mirror。

需要说明的是，上述采用的迈克尔逊干涉仪和马赫曾德干涉仪均为现有的光学结构，本实用新型对此不进行限制。

图5为本实用新型一个实施例的电光集总调制器等效电路图；

需要说明的是，图5的目的是为了帮助读者更好地理解本实施例的电光集总调制器的带宽计算方法，其意义在下面的公式(2)中可以体现出来(串并联分压)。将集总调制器等效为RLC电路与电容的并联是本领域技术人员应该了解的知识，在此不进行赘述。

图6为实用新型一个实施例的不同结构电光调制器的小信号电光S21响应图。

下面结合图5、图6详细介绍针对本实用新型提供的电光集总调制器的带宽分析方法。

以硅电光调制器常用的侧向结调制结构为例，本实用新型提供的集总调制臂长例如为M＝0.5mm，其电学参数举例为：

焊盘bonding pad等部件的电容C₀＝26fF；串联电阻R＝12.7Ω；调制臂电极的电感L＝0.176nH，调制臂的电容C_J＝260fF，因而小信号电光带宽可以由以下公式(1)～(4)进行计算：

$\left|S_{21}\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{1}{\left|S_{21}\left(0\right)\right|}\frac{1}{\mathrm{\ω}}|1-\exp \left({\mathrm{j\ωt}}_0\right)|\left|H\left(j\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\Γ}}_t\left(\mathrm{\ω}\right)\right|---\left(1\right)$

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_J}}{j\mathrm{\ω}L+R+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_J}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\Γ}}_t=\frac{2Z_l}{Z_l+Z_0}---\left(3\right)$

$\frac{1}{Z_l}=\frac{1}{j\mathrm{\ω}L+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_J}+R}+\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_0}}---\left(4\right)$

其中Z₀为驱动器件所用的微波传输线特征阻抗，标准线缆是Z₀＝50Ω特征阻抗，ω为小信号调制角频率，t₀为光波波包传输通过调制臂所需的时间，H(jω)表示RLC电路向电容C(PN结)的电压传递函数，Γ_t表示由于微波阻抗失配导致的电压透过系数，Z_l表示RLC电路输入阻抗。频域S21(ω)表示在频率为ω的小信号正弦调制电信号调制下，输出光信号在ω频率处的频率分量。计算所得的电光带宽如图6所示。其中，实线为传统双驱动电学结构的S21响应，3dB带宽约为10.7GHz；虚线为本实用新型使用的单驱动电学结构(除电学结构外，其他结构均不变)的S21响应，由于单驱动能够使电阻R加倍，结电容C_J减半，其3dB带宽扩展为17.9GHz，因而可以满足28Gbps的实际应用需求应用要求。

需要说明的是，这两个调制器的光学结构均为马赫曾德干涉仪型。由于迈克尔逊干涉仪型电光集总调制器能够在光正向、反向通过调制臂时均产生累积的调制效果，所以仅需马赫曾德型调制臂长度的一半即可得到相同的调制效果。点划线为单驱动电学结构迈克尔逊干涉仪型电光调制器的S21响应，其3dB带宽提升到23.9GHz，因而可以满足28Gbps的实际应用需求应用要求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本实用新型公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的说明书的范围当中。