光调制器的制作方法

专利名称：光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光调制器和一种调制光束强度的方法。
本发明还涉及包括该光调制器的一种单元、一种发送站、和一种光通信系统。
背景技术：
如I.P.Kaminow和T.L.Koch(“Optical fibertelecommunications IIIB”，编辑，Academic Press，San Diego，1997，第377-404页)所述，在数字通信系统中，把数字电信号形式的信息编码到光载波上，较早采用的途径，是对激光器进行直接调制。直接调制的典型配置，是把电信号与偏置电流组合，然后施加在激光器终端。但是，当尝试以超过约1-2Gb/s的数据比特率进行调制时，出现不希望有的、被称为线性调频的光学频率变化。这些频率变化使激发的激光频率移动，从而加宽发送脉冲的光学频谱。随着通常激光器线性调频的符号及数值沿光纤的传播，当它们与标准单模石英光纤的群速度色散组合时，导致脉冲增宽和干涉的速率加速。
为了克服这一问题，已经建议对激光器发送的连续波(CW)形式光束的强度，通过外部光调制器进行外部调制。通常，光调制器是在数字电信号控制之下，按预定的比特速率对光束强度进行调制，该数字电信号载有要通过光通信系统发送的信息。通常，在数字电信号控制之下，强度光调制器使CW光束在接通和断开之间切换，以便分别获得“1”逻辑状态和“0”逻辑状态。
根据电光效应的强度光调制器，本领域是众所周知的。这些装置包含其光学性质适合被加在其上的电场改变的材料。
根据电光效应的Mach-Zehnder光调制器，也是本领域熟知的。这种调制器设有能把相位调制转换为强度调制的干涉计结构。更具体地说，它通常包括一对通常是相等长度的波导臂，连接在光波导分束器和光波导组合器之间。输入光束通常被波导分束器分解为相等的两束光束，从分束器来的两束光束，通过各自的臂传播，然后被波导组合器重新组合。电极与波导臂结合。通过向一个或两个电极施加调制电压，能够借助电光效应，改变两束光束的相对相位。当两束光束之间累计的相对相移，在两波导臂的末端是π或其奇数倍时，两束光束在波导组合器上产生相消干涉，获得“0”的逻辑状态。相反，当两束光束之间的相对相移是零或π的偶数倍时，两束光束在波导组合器上产生相长干涉，获得“1”的逻辑状态。
有由铌酸锂(LiNbO3)制成的两条臂的Mach-Zehnder调制器，本领域是熟知的(例如见I.P.Kaminow，T.L.Koch编辑的“Opticalfiber telecommunications IIIB”，Academic Press，San Diego，1997，第377-404页)。在这类调制器中，两束光束的相对相位，通过熟知的电光Pockels效应改变。更具体地说，在这类调制器中，对一个或两个电极施加的调制电压-通过Pockels效应-引起铌酸锂折射率的线性变化，以此改变波导臂的光程，从而光束的相位。为了降低操作电压，两个波导臂电极，通常按照相等推挽配置驱动。就是说，驱动它们的调制电信号，在两臂中引起折射率n的变化Δn，有相同的绝对值|Δn|但符号相反(±Δn)。这样，只要使用恰当的初始条件，当没有电压加在电极上时，两束光束之间累计的相对相移，在两条波导臂的末端是零，获得“1”的逻辑状态。相反，当把电压+Vπ/2加在第一臂，和把-Vπ/2加在第二臂时，第一臂的相位是+π/2而第二臂的相位是-π/2，两束光束之间累计的相对相移是π，从而获得“0”的逻辑状态。推挽双臂的驱动条件，比单臂驱动条件要求较低的操作电压。此外，由于Pockels效应的线性度，以相等推挽配置的双臂驱动条件可以给出基本上零的线性调频。
Richard A.Soref等人(“Guided-Wave Intensity ModulatorsUsing Amplitude-and Phase Perturbations”，Journal of LightwaveTechnology，Vol.6，No.3，March 1988，pages 437-444)报告了对耦合波导和Mach-Zehnder干涉计中强度调制的理论分析。更具体地说，他们研究了电光无载流子或Franz-Keldysh效应在IV族和III-V族半导体中引起的振幅和相位组合调制。此外，他们分析了三种类型的电光导波型调制器吸收式通道型、Mach-Zehnder干涉计型、和耦合波导型，其中在后两种调制器中，只有一个臂被扰动。在两臂都被扰动的情形中，他们指出，与在一个臂中给出+Δβ，而在另一个臂中给出-Δβ(其中β＝2πn/λ是传播系数)的推挽Pockels装置不同，Franz-Keldysh和电荷控制装置在两臂中给出相同符号的Δβ。因此，在有两条活动臂的调制器中，相速度失配将在电压接通状态中消失。这一点表明，相位项将抵消，而只留下损耗项。
有两条用多量子阱III-V族材料制成的臂的Mach-Zehnder光调制器，同样是本领域熟知的。
例如，US 5 524 076公开一种Mach-Zehnder光调制器，用多量子阱的III-V族材料制成，其中，能够通过调整干涉计两臂之间的光功率分解比，改变其线性调频参数。
US 5 778 113公开一种Mach-Zehnder光调制器，用多量子阱的III-V族材料制成，它能有选择地产生或者正频率的或者负频率的线性调频。事实上，如在该文献中指出，在无色散位移光纤上，正频率的线性调频影响远距离传输。在这种情况下，由光调制器提供负频率的线性调频控制电平，是有利的。相反，一些使用色散位移或色散补偿光纤的传输网络，是不要求负线性调频的，在此情形下，向数据脉冲提供微量正线性调频，事实上更为适当。
US 5 778 113公开的一种光调制器，包括非对称输入Y形接头波导耦合器、非对称输出Y形接头波导耦合器、定义第一光程的第一干涉计臂、和定义第二光程的第二干涉计臂，其中光程之一的长度大于另一光程一段距离，该距离在已知波长上产生固定的相位差π。在第一和第二臂上设置电极，用于按推挽模式供应偏置和调制电压，以便调制两臂之间有效的相位差。在两臂之一上设置控制电极，用于有选择地施加控制电场，以便有选择地调制两臂之间的相位差。控制电极上没有电场时，产生负频率的线性调频，而臂上的控制电场等于要求产生的固定相位差时，则产生正频率的线性调频。
US 5 778 113指出，III-V Mach-Zehnder调制器与LiNbO3Mach-Zehnder调制器的显著差别是，前者的吸收随加在臂上的电压增加，而后者不存在吸收。此外，III-V Mach-Zehnder调制器展示出某种作为偏置电压函数的非线性相位变化。
US 5 991 471公开一种多量子阱III-V族材料形成的Mach-Zehnder(MZ)光调制器。该调制器分别在第一和第二干涉计的臂上有第一和第二调制电极，用于按推挽模式供应偏置和调制电压。两电极有不同的长度，长度比的设计，要能控制两臂的相对偏置，从而按正的或负的线性调频MZ调制器，或按可构建的线性调频MZ调制器，为频率线性调频提供调整和优化。
申请人注意到，US 5 524 076、US 5 778 113、US 5 991 471公开的Mach-Zehnder结构，要求有非对称的分束器和非对称的组合器、用于调整非对称分束器分解比的装置、不同长度的臂、和/或不同长度的电极。这种结构可能降低整个装置的可靠性，增加生产过程的成本和复杂性。
此外，III-V族半导体材料与硅(Si)的处理工艺不兼容，所以它们不能集成在一块Si基片上(就是说，它们不能在Si基片上生长)。
在本领域中，已经提出了建立有成本效益的、在一片硅基片上融合硅光子学和先进的硅电子学的硅高密度芯片问题。硅基片与III-V族平板比较，硅能够以低成本、大尺寸(20cm直径的晶片)、有更高度的晶体完整性、更好的天然氧化物、和优良的机械及热性质(见Richard A.Soref，“Silicon-Based Optoelectronics”，Proceedings of theIEEE，vol.81，no.12，December 1993，pages 1687-1706)。
有鉴于此，本领域需要能与电光部件兼容的Si，以便把它们集成在硅基片上。
WO 03/036367公开一种在SiGe中制成并利用Franz-Keldysh效应的光调制器。按照一个实施例，该调制器包括由SiGe制成的一条或两条臂的Mach-Zehnder结构。在该文献中指出，该结构的吸收系数，能够借助Franz-Keldysh效应修改。因为吸收系数的变化，还会引起光相位的变化，所以通过改变一条或两条臂中光的相位，能够用该结构来调制光。因为需要的只是吸收中小小的变化，所以臂中波导区成分中需要的SiGe含量，仅仅是通过Franz-Keldysh效应引起少量的吸收。
该文献公开的用SiGe制作的调制器，是与Si处理工艺兼容的。申请人注意到，SiGe材料有较高的衰减损耗(例如与铌酸锂比较)和Franz-Keldysh效应引起的作为施加电场函数的非线性折射率变化。申请人还注意到，由于SiGe材料高的衰减损耗，应当估算光调制器的大小，以便限制光调制器的总衰减损耗。此外，该文献没有教导如何才能控制被调制光束的频率线性调频。
如上所述，频率线性调频现象是光传输系统中关键的参数。按照不同的系统条件，可以要求发送进光通信系统的光脉冲有正的线性调频、负的线性调频、或零的线性调频。因此，对能提供需要的频率线性调频值的光调制器，存在需求。

发明内容
申请人面对的技术问题是，提供一种光调制器，它能集成在一片硅基片上并有有限的总衰减损耗。
另外，申请人面对的技术问题是，提供一种光调制器，它能以需要的频率线性调频值调制光束。
申请人发现，上述问题能够用Mach-Zehnder结构解决，该Mach-Zehnder结构包括两条其中的纤芯区包含IV族半导体材料的波导臂、每臂各一个的两个电极结构、和把叠加在偏置电压上的调制电压供应到每一电极结构的驱动电路。
事实上，IV族半导体材料是可集成在硅基片上的。
此外，如在下面将详细公开的，每臂各一个的两个电极结构，和把叠加在偏置电压上的调制电压供应到每一电极结构的驱动电路，能获得如下条件当光调制器从“接通”状态到“断开”状态，和反过来时，光束在各自臂中经受的总相移是符号相反的。因此，能够用长度更短的臂，获得两束光束之间的相对总相移为π的奇数/偶数倍，从而限制光调制器的衰减损耗。此外，也可获得缩减的功耗。
此外，申请人发现，输出的被调制光束的频率线性调频，能够对每一臂使用适当的电压供应配置控制。
因此，本发明的第一方面，是一种光调制器，包括-光束分束器，用于把输入光束分解为第一和第二光束；-第一和第二波导臂，与所述光束分束器连接，分别用于接收和发送从其中通过的所述第一和第二光束，所述波导臂各包括纤芯区，该纤芯区由IV族半导体材料或IV族半导体材料的组合构成；-光组合器，与所述第一和第二波导臂连接，用于接收所述第一和第二光束并把它们组合成输出光束；-第一和第二电极结构，分别与所述第一和第二波导臂结合；-驱动电路，用于向所述第一和第二电极结构供应电压，特征在于，所述驱动电路，适合向第一电极结构供应叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，和向第二电极结构供应叠加在第二偏置电压上的第二调制电压。
效果良好的做法是，叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，和叠加在第二偏置电压上的第二调制电压，适合通过Franz-Keldvsh效应，引起各自臂中包含的材料的折射率变化。
最好是，在工作波长上，每一纤芯区中包括的材料，因Franz-Keldysh效应引起的吸收系数变化可以忽略。可取的是，该吸收系数变化Δα的绝对值，在施加的电场范围内不高于0.5dB。更可取的是，在工作波长上，每一纤芯区中包括的材料的吸收系数，对加在各自电极结构上的电场基本上保持恒定。
可取的是，在工作波长上，每一纤芯区中包括的材料有低的吸收系数。更可取的是，该吸收系数不大于13dB/cm(3cm-1)。甚至更可取的是，该吸收系数不大于8dB/cm(2cm-1)。
最好是，在工作波长上，每一纤芯区中包括的材料，可由Franz-Keldysh效应引起明显的折射率变化。可取的是，由Franz-Keldysh效应引起的折射率变化Δn的绝对值，在施加的电场范围内高于2×10-5。更可取的是，它的的绝对值高于3×10-5。
可取的是，与该材料直接跃迁吸收限对应的光子能量，和与最低工作波长对应的光子能量之间，两种光子能量之差的绝对值，不大于0.3eV(光子能量等于hc/λ，其中h是Planck常数，λ是与光子关联的辐射波长)。更可取的是不大于0.2eV。这样能在波导臂纤芯区包含的材料中，获得由Franz-Keldysh效应引起的明显折射率变化。
实际上，与该材料直接跃迁吸收限对应的光子能量，和与最低工作波长对应的光子能量之间的差的绝对值，应当足够地小，以便该材料在工作波长上，得到由Franz-Keldysh效应引起的明显折射率变化。同时，所述差值应当足够地高，以便该材料在工作波长上，有可忽略的吸收系数和可忽略的因Franz-Keldysh效应引起的吸收系数变化。
效果良好的做法是，纤芯区的IV族半导体材料，从包括Si和Ge及其组合的一组中选出。
在优选的实施例中，IV族半导体材料基本上由Ge和Si的组合组成。
可取的是，Ge的量要高于80％。更可取的是，Ge的量要高于85％。
最好是，Ge的量要低于92％。这样能在围绕1550nm的工作波长上，限制臂中的衰减损耗。
最好是，Si的量要低于20％。可取的是，Si的量要低于15％。更可取的是，Si的量低于8％。
含Ge量在80和92％之间，和含Si量在8和20％之间的材料，能在材料的吸收系数和折射率上，在包含1530-1560nm范围的工作波长上，实现上述条件。
通常，波导臂各包括围绕纤芯区的相邻区。所述相邻区可以包括Si、多晶硅(PolySi)、(n+、p+)掺杂Si、(n+、p+)掺杂多晶硅、(n+、p+)掺杂SiGe、空气、或SiO2。纤芯区和相邻区之间折射率的差，最好能在纤芯区中实现导波的传播。
效果良好的做法是，第一和第二臂基本上有相同的长度。这样能比有不同长度臂的Mach-Zehnder结构，以简化的方式实现高的消光比(消光比定义为，当光调制器处于“1”逻辑状态时的输出光功率，与当光调制器处于“0”逻辑状态时的输出光功率之比)。
效果良好的做法是，第一和第二电极结构包括基本上相同长度的电极。这样能简化光调制器的电子学部件。
效果良好的做法是，第一和第二光束有相同的光功率。就是说，光束分束器是对称的分束器，适合把输入光束分解为两束相同光功率的光束。这样能比有非对称光束分束器的Mach-Zehnder结构，以简化的方式获得高的消光比。
通常，光束分束器是Y形波导接头。按照一种变化，它成为光耦合器。最好是，它是3dB光耦合器。
效果良好的做法是，光组合器是对称的组合器。通常，光组合器是Y形波导接头。按照一种变化，它成为光耦合器。最好是，它是3dB光耦合器。
通常，第一和第二调制电压，是载运二进制数字信息的电信号，在正的峰值电压和负的峰值电压之间交替变化，其中，正的峰值电压与“1”比特对应，而负的峰值电压与“0”比特对应(或反过来)。
通常，第一和第二调制电压，是有相同波形的电信号(它们载运相同的二进制数字信息)。通常，它们有相反的符号。此外，它们可以有不同或基本上相等的峰-峰值振幅。
通常，第一和第二调制电压，是射频(RF)电信号。通常，RF的比特率值，高于100Mbits/s(如2.5Gbit/s，10Gbit/s)。
效果良好的做法是，驱动电路适合向第一和第二电极结构供应第一和第二调制电压，以便当向第一电极结构供应正峰值时，向第二电极结构供应负峰值，和反过来。
选择第一和第二偏置电压以及第一和第二调制电压的峰-峰值振幅，以便使光调制器按照要转移到光束的数字信息，在“1”逻辑状态与“0”逻辑状态之间交替变化。同时，根据对输出被光调制的光束要求的线性调频值，选择第一和第二偏置电压以及第一和第二调制电压的峰-峰值振幅。
具体地说，选择第一和第二偏置电压以及第一和第二调制电压的峰-峰值振幅，以便使光调制器处于“0”逻辑状态时，在两波导臂的光程之间引入π的相对相移(或其奇数倍)，又使光调制器处于“1”逻辑状态时，在两波导臂的光程之间引入零的相对相移(或π的偶数倍)。
按照一个实施例，向第一和第二电极结构供应的偏置和调制电压，当光调制器从“1”逻辑状态过渡到“0”逻辑状态，和反过来时，能使Franz-Keldysh效应在臂中引起的总折射率变化，基本上有相同的绝对值，但符号相反。这样能以基本上零的线性调频，获得输出的被调制光束(把引起的总折射率变化限制在合理的值范围内)。最好是，向第一电极结构供应的第一偏置电压，与向第二电极结构供应的第二偏置电压，基本上相同。最好是，向第一电极结构供应的第一调制电压峰-峰值振幅，与向第二电极结构供应的第二调制电压峰-峰值振幅，基本上相同。
按照一种变化，第一偏置电压不同于第二偏置电压。最好是，在该变化中，第一调制电压的峰-峰值振幅，不同于第二调制电压的峰-峰值振幅，且该差别要使Franz-Keldysh效应在臂中引起的总折射率变化，基本上有相同的绝对值，但符号相反。
按照另一个实施例，向第一和第二电极结构供应的偏置和调制电压，当光调制器从“1”逻辑状态过渡到“0”逻辑状态，和反过来时，能使Franz-Keldysh效应在臂中引起的总折射率变化，在绝对值和符号上都不相同。申请人发现，这样能获得被线性调频的输出调制光束。
最好是，向第一电极结构供应的第一偏置电压，与向第二电极结构供应的第二偏置电压不相同。最好是，向第一电极结构供应的第一调制电压峰-峰值振幅，与向第二电极结构供应的第二调制电压峰-峰值振幅，基本上相同。按照一种变化，第一调制电压的峰-峰值振幅，与第二调制电压的峰-峰值振幅不相同，且该不相同要使Franz-Keldysh效应在臂中引起的总折射率变化，在绝对值和符号上都不相同。
效果良好的做法是，光调制器还包括与两波导臂之一结合的第三电极结构。通常，驱动电路适合向第三电极结构供应CW电压。CW电压通常适合在两臂的光程之间，引入预先指定的初始相对相移。另外，它适合补偿波导臂中长度不需要的差别，这种差别例如因制造过程不精确而产生。例如，所述预定的初始相对相移是π/2。按照另一个例子，所述预定的初始相对相移是零。
按照一种变化，光调制器包括分别与第一和第二波导臂结合的第三和第四电极结构。通常，驱动电路适合向第三和第四电极结构供应CW电压。供应的CW电压，通常适合在两臂的光程之间，引入预定的初始相对相移。另外，它适合补偿波导臂中长度不需要的差别，这种差别例如因制造过程不精确而产生。例如，所述预定的初始相对相移是π/2。按照另一个例子，所述预定的初始相对相移是零。
效果良好的做法是，光调制器是集成在一片硅基片上的。
本发明的第二方面，涉及一种单元，它包括按照本发明第一方面的光调制器，和适合把输入光束转换为相应电信号的电光转换器。
关于光调制器结构上的和功能上的特性，可参考前面参照本发明第一方面所公开的内容。
电光转换器通常包括光电二极管。
效果良好的做法是，电光转换器至少一部分包括IV族半导体材料或IV族半导体材料的组合。通常，它包括Si或Ge或它们的组合。
按照一个实施例，电光转换器与光调制器耦合，以便向光调制器的驱动电路供应对应的电信号。
通常，该单元还包括滤波元件。滤波元件通常与电光转换器和/或光调制器耦合。
按照一个实施例，滤波元件至少包括一个分出滤波元件。分出滤波元件通常适合从波分复用信号中，分出预定波长的光束。分出滤波元件有利地与电光转换器耦合，以便把被分出的光束供应至电光转换器。
按照一个实施例，滤波元件至少包括一个插入滤波元件。插入滤波元件通常适合把预定波长的光束，插入波分复用信号中。光调制器有利地与插入滤波元件耦合，以便对将要插入波分复用信号中的光束，进行强度调制。
效果良好的做法是，插入与分出滤波元件包括从下面一组材料中选出的材料IV族半导体材料，硅的兼容材料如SiO2、掺杂的SiO2、Si3N4、SiON、和它们的组合。
效果良好的做法是，电光转换器和光调制器都集成在同一硅基片上。效果良好的做法是，电光转换器、光调制器、和滤波元件，都集成在同一硅基片上。这样能在这些装置的制造过程中，使它们作为单个产品在同一硅基片上生长，以此避免对准和粘结步骤，不然，这些步骤在单元的组装过程中是必需的。此外，这样可以降低单元的成本和大小。
本发明的第三方面，涉及一种包括光发送器装置的发送站，该光发送器装置包括，提供预定波长光束的光源，和对该光束进行强度调制的按照本发明第一方面的光调制器，该光调制器与光源结合。
关于光调制器结构上的和功能上的特性，可参考前面参照本发明第一方面所公开的内容。
效果良好的做法是，光源是半导体激光器。
按照一个实施例，光发送器装置还包括电光转换器，该电光转换器适合把通用波长的输入的调制光束，转换为对应的调制的电信号，并与光调制器耦合，以便把所述对应的调制的电信号，供应至光调制器的驱动电路。这样，驱动电路按照电光转换器接收的对应的调制电信号，驱动光调制器的第一和第二电极结构。本实施例能使有通用波长的光调制的光束，转换为有预定波长的光调制的光束，如在文献US 5 267 073公开中所述。
效果良好的做法是，电光转换器至少一部分包括IV族半导体材料或IV族半导体材料的组合。通常，它包括Si或Ge或它们的组合。
效果良好的做法是，电光转换器和光调制器都集成在同一硅基片上。这样利于在该两个装置的制造过程中，使它们作为单个产品在同一硅基片上生长，以此避免对准和粘结步骤，不然，这些步骤在发送站部件的组装过程中是必需的。这样有利于降低发送站的成本和大小。
电光转换器通常包括光电二极管。
按照一个实施例，发送站包括多个光发送器装置，用于按彼此不同的预定波长，提供对应的多束调制光束。
按照该实施例，发送站还有利地包括波长复用装置，用于对多束调制光束实施波长复用。
本发明的第四方面，涉及一种光通信系统，该光通信系统包括按照本发明第三方面的发送站，和第一端耦合至发送站的光通信线路。
通常，光通信线路包括光纤。
关于光调制器和发送站结构上和功能上的特性，可参考前面参照本发明第一方面和第三方面所公开的内容。
通常，光通信系统还包括与光通信线路第二端耦合的接收站。
通常，光通信系统至少包括一个光放大器。通常，光放大器包括光纤放大器，例如掺饵光纤放大器。
按照一个实施例，光通信系统还包括按照本发明第二方面的单元。
关于该单元结构上和功能上的特性，可参考前面参照本发明第二方面所公开的内容。
本发明的第五方面，涉及一种调制光束强度的方法，该方法包括的步骤有a)把光束分解为第一和第二光束；b)使所述第一和第二光束分别沿第一和第二光程传播；c)在沿第一和第二光程传播之后，把所述第一和第二光束组合为输出光束；
d)通过Franz-Keldysh效应在两条光程之间引入相对相移，获得输出光束的强度调制；特征在于，步骤d)是通过把叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，供应到第一光程，又把叠加在第二偏置电压上的第二调制电压，供应到第二光程实现的。
效果良好的做法是，在步骤a)中，光束被分解为两束基本上有相同光功率的光束。
通常，该方法还包括步骤e)向至少两条光程之一供应CW电压，用于在两条光程之间引入另外的预先指定的相对相移。
通常，在步骤d)中，引入π或其奇数倍的相对相移，以获得0逻辑状态，以及引入0或π的偶数倍的相对相移，以获得1逻辑状态。
效果良好的做法是，第一和第二调制电压，是有相同波形的电信号。
效果良好的做法是，两电信号有相反的符号。
按照一个实施例，第一和第二偏置电压，以及第一和第二调制电压，是为了当从1逻辑状态过渡到0逻辑状态，和反过来时，通过Franz-Keldysh效应，在两条光程中引起总的相移，该总的相移基本上有相同的绝对值，但符号相反。效果良好的做法是，第一偏置电压基本上与第二偏置电压相同。最好是，第一调制电压的峰-峰值振幅，基本上与第二调制电压的峰-峰值振幅相同。按照一种变化，第一偏置电压与第二偏置电压不相同。最好是，在该变化中，第一调制电压的峰-峰值振幅，与第二调制电压的峰-峰值振幅不相同。
按照另一个实施例，第一和第二偏置电压，以及第一和第二调制电压，是为了当从1逻辑状态过渡到0逻辑状态，和反过来时，通过Franz-Keldysh效应，在两条光程中引起的总相移在绝对值和符号上不相同。效果良好的做法是，第一偏置电压与第二偏置电压不相同。最好是，第一调制电压的峰-峰值振幅，与第二调制电压的峰-峰值振幅基本上相同。


现在，参照附图中出示的非限制性例子代表的实施例，说明本发明的特征和优点，附图有-图1示意画出按照本发明的光调制器中，波导的Mach-Zehnder结构的第一(图1a)和第二(图1b)实施例；-图2对SiGe材料，画出在波长1530-1560nm范围中，折射率变化与施加的电场的关系，该SiGe材料包括含量10％的Si和含量90％的Ge；-图3对SiGe材料，画出在波长1530-1560nm范围中，吸收系数与施加的电场的关系，该SiGe材料包括含量10％的Si和含量90％的Ge；-图4按照第一(图4a)和第二(图4b)实施例，画出本发明光调制器的波导臂结构；-图5画出在图4a波导臂x＝0.55μm的水平断面上，电场沿y方向的变化；-图6画出图4b结构在y＝0的竖直断面上的电场；-图7示意画出本发明光调制器的一个实施例；-图8按照第一种电压配置，画出相移(Δφ，以弧度为单位)随供应到本发明光调制器第一电极结构(点线)和第二电极结构(连续线)、叠加在偏置电压(V，任意单位)上的调制电压的变化(图8a)，以及叠加在偏置电压(任意单位)上、供应到第一电极结构的调制电压(VRF1，图8b的点线)及第二电极结构的调制电压(VRF2，图8b的连续线)，随时间(以ps为单位)变化的图形；-图9a按图8的电压配置，画出在本发明的光调制器中，第一光束通过第一臂传播(点线)及第二光束通过第二臂传播(连续线)时，频率遭受的变化Δv(GHz)与时间(ps)的关系，以及输出的被调制光束光功率(任意单位)与时间(ps，虚线)的关系；-图9b画出被本发明有图8电压配置的光调制器调制的光束(带菱形的连续线)，或被线性调频参数等于+0.1的常规推挽LiNbO3调制器调制的光束(带三角形的连续线)，在标准单模光纤(SMF)中传播的情形下，从计算得到的性能损失与光纤长度的关系；-图10按照第二种电压配置，画出相移(Δφ，以弧度为单位)随供应到本发明光调制器第一电极结构(点线)和第二电极结构(连续线)、叠加在偏置电压(V，任意单位)上的调制电压的变化(图10a)，以及叠加在偏置电压(任意单位)上、供应到第一电极结构的调制电压(VRF1，图10b的点线)及第二电极结构的调制电压(VRF2，图10b的连续线)，随时间(以ps为单位)变化的图形；-图11a按图10的电压配置，画出在本发明的光调制器中，第一光束通过第一臂传播(点线)及第二光束通过第二臂传播(连续线)时，频率遭受的变化Δv(GHz)与时间(ps)的关系，以及输出的被调制光束光功率(任意单位)与时间(ps，虚线)的关系；-图11b画出被本发明有图10电压配置的光调制器调制的光束(带菱形的连续线)，或被线性调频参数等于-0.3的常规推挽LiNbO3调制器调制的光束(带三角形的连续线)，在标准单模光纤(SMF)中传播的情形下，从计算得到的性能损失与光纤长度的关系；-图12按照第三种电压配置，画出相移(Δφ，以弧度为单位)随供应到本发明光调制器第一电极结构(点线)和第二电极结构(连续线)、叠加在偏置电压(V，任意单位)上的调制电压的变化(图12a)，以及叠加在偏置电压(任意单位)上、供应到第一电极结构的调制电压(VRF1，图12b的点线)及第二电极结构的调制电压(VRF2，图12b的连续线)，随时间(以ps为单位)变化的图形；-图13a按图12的电压配置，画出在本发明的光调制器中，第一光束通过第一臂传播(点线)及第二光束通过第二臂传播(连续线)时，频率遭受的变化Δv(GHz)与时间(ps)的关系，以及输出的被调制光束光功率(任意单位)与时间(ps，虚线)的关系；-图13b画出被本发明有图12电压配置的光调制器调制的光束(带菱形的连续线)，或被线性调频参数等于+0.1的常规推挽LiNbO3调制器调制的光束(带三角形的连续线)，在标准单模光纤(SMF)中传播的情形下，从计算得到的性能损失与光纤长度的关系；-图14画出按照本发明的光发送站的第一实施例；-图15画出按照本发明的发送器装置的第一实施例(图15a)和第二实施例(图15b)；-图16画出按照本发明的发送站的第二实施例；-图17画出按照本发明的光通信系统；-图18画出按照本发明的单元的实施例；-图19画出用于本发明光调制器的驱动电路的实施例。
具体实施例方式
图7画出按照本发明的光调制器1的实施例，该光调制器1包括Mach-Zehnder结构、第一电极结构20、第二电极结构21、第三电极结构22、可供选择的第四电极结构23、和驱动第一、第二、第三、和第四(如果有的话)电极结构20、21、22、23的驱动电路。
在图7(亦见图1a)的实施例中，Mach-Zehnder结构包括输入波导10；把输入光束分解为两光束的光束分束器11a；接收和发送从其中通过的两光束的第一和第二波导臂9及12；把两光束组合为输出光束的组合器14a；输出波导15；在波导臂9、12与光束分束器11a及光组合器14a之间的接头区13。
在光调制器1中，第一电极结构20与第一波导臂9结合，第二电极结构21与第二波导臂12结合，第三电极结构22与第二波导臂12结合，和第四电极结构23(如果有的话)与第一波导臂9结合。
输入波导10包括在工作波长上有低吸收系数的材料。例如，吸收系数低于2dB/cm。举例说，该材料可以从包括Si、Si3N4、SiON、SiO2、和适当掺杂的SiO2的一组中选出。此外，输入波导10还适合与供应输入光束的光纤耦合。
光束分束器11a最好是对称的(即50/50)分束器，适合把输入光束分解为有基本相同光功率的两光束。但是，45/55的分解比，最好是47/53，是可以承受的。在图1a和7所示实施例中，光束分束器11a是常规的Y波导接头。效果良好的做法是，光束分束器11a包括在工作波长上有低吸收系数的材料。例如，吸收系数低于2dB/cm。举例说，该材料可以从包括
Si、Si3N4、SiON、SiO2、和适当掺杂的SiO2的一组中选出。最好是，它包括与输入波导10相同的材料。
光组合器14a最好是对称的组合器，适合把两束光束组合成输出光束。在图1a和7所示实施例中，光组合器14a是常规的Y波导接头。光组合器14a可以有利地包括在工作波长上有低吸收系数的材料。例如，吸收系数低于2dB/cm。举例说，该材料可以从包括Si、Si3N4、SiON、SiO2、和适当掺杂的SiO2的一组中选出。
图1b画出Mach-Zehnder结构另一个实施例，它与图1a实施例的不同点是，光束分束器11b和光组合器14b是常规的定向耦合器，例如3dB耦合器。
输出波导15最好包括在工作波长上有低吸收系数的材料。例如，吸收系数低于2dB/cm。举例说，该材料可以从包括Si、Si3N4、SiON、SiO2、和适当掺杂的SiO2的一组中选出。最好是，它包括与光组合器14a或14b相同的材料。此外，输出波导15最好适合与光纤耦合，以便接收和发送从其中通过的输出光束。
接头区13可以是对接耦合(当光束分束器11a、11b和光组合器14a、14b是由Si制成的时候)或包括光栅辅助耦合器或锥形辅助耦合器。
波导臂9、12最好有基本上相同的长度。此外，按照本发明，它们各包括纤芯区，该纤芯区由IV族半导体材料及包围纤芯区的相邻区构成。所述相邻区可以包括Si、(n+、p+)掺杂Si、(n+、p+)掺杂多晶硅、(n+、p+)掺杂SiGe、空气、或SiO2。纤芯区和相邻区之间折射率的差，要能在纤芯区中实现导波的传播。
为了在包括1530-1610nm范围的波长上使用(就是说，在用于电信的典型波长频段中)，该两个纤芯区最好包括含有一定量Si的Ge基(即有较大的Ge百分比)材料(本文此后称为SiGe材料)。
应当指出，Ge在0.8eV上有直接跃迁，0.8eV与约1550nm的波长对应。因此，Ge在1550nm上是强烈吸收的。但是，随着Si的添加，使Ge基材料的直接跃迁能量上升，可以获得1550nm波长上有低吸收的SiGe材料。
具体说，按照本发明，Si和Ge的含量，最好是使，与SiGe材料的直接跃迁吸收限对应的光子能量，和与最低工作波长(如1530nm)对应的光子能量之间的差，在绝对值上足够地小，以致该材料在1530-1560nm波长范围中，可由Franz-Keldysh效应引起明显的折射率变化。同时，Si和Ge的含量最好是使所述差值足够地高，以致SiGe材料在1530-1560nm范围中，有低的吸收系数和Franz-Keldysh效应引起的可忽略的吸收系数变化。
例如，由Si含量10％和Ge含量90％构成的SiGe材料，满足上述要求。
图2对上述SiGe材料，画出在波长1530-1560nm范围中，折射率变化与施加的电场的关系。值得注意的是，折射率随施加的电场平方地变化。此外，可以看到，对施加的约80KV/cm电场，可以获得约0.5×10-4的折射率变化Δn。举例说，上述Δn值在约7mm长的波导臂中，能实现π/2的相移。
图3对所述包含Si含量10％和Ge含量90％的SiGe材料，画出在波长1530-1560nm范围中，吸收系数与施加的电场的关系。值得注意的是，在该波长范围中，吸收系数低于2cm-1，且对施加的电场基本上是恒定的。
这样，通过两臂9和12的两束光束，经受低的衰减(低于2cm-1)，且对施加的电场基本上是恒定的。
因此，当向第一臂9施加的电压，高于向第二臂12施加的电压(或反过来)时，通过臂9和12的两束光束，有利地经受基本上相同的衰减。
图4a按照本发明第一实施例，画出与各自电极结构结合的波导臂9、12之一。按照该实施例，每一波导臂包括生长在本征硅(i-Si)基片30上的SiGe脊形区32(纤芯区)，并用多晶硅的上包层31覆盖。如图4a所示，在SiGe脊形区32两侧，(n+或p+)掺杂的多晶硅和SiGe区33形成PIN结构的N+和P+有电阻的触点。再配以金属触点34(例如Au的金属触点)，与该N+和P+有电阻的触点直接接触。金属触点34(连同掺杂区33)形成光调制器1的第一电极结构20和第四电极结构23(如果有的话)，或第二电极结构21和第三电极结构22。
图4b按照本发明第二实施例，画出与各自电极结构结合的波导臂9、12之一。按照该实施例，每一波导臂包括生长在硅基片35上的SiGe脊形区32(纤芯区)，硅基片35是(p+或n+)掺杂的，以便形成P+或N+的有电阻的触点。SiGe脊形区32再用多晶硅区36覆盖，多晶硅区36是(p+或n+)掺杂的，以便再形成N+或P+的有电阻的触点。每一波导臂还包括上包层区37(该上包层区可以包括空气、SiO2、或多晶硅)、侧金属触点34、和直接与该N+或P+有电阻的触点35和36接触的中央金属触点34(例如Au的金属触点)。金属触点34(连同掺杂区35、36)形成光调制器1的第一电极结构20和第四电极结构23(如果有的话)，或第二电极结构21和第三电极结构22。
在图4b中，侧金属触点34和SiGe脊形区32中心之间的距离，最好大于5μm，避免因存在金属触点34而产生的光功率损耗。
在图4a和4b两个实施例中，SiGe脊形区32的大小，最好能在工作波长上实现单模传播，如Soref等人所述(Journal of QuantumElectronics，vol.27，no.8，1991，第1971页)，当满足下面的关系时，可以获得单模传播ab≤0.3+r1-r2]]>其中脊形区32的中央部分宽度被指定为2aλ，脊形区32的中央部分高度被指定为2bλ，脊形区32的侧面部分的高度被指定为2brλ，λ是自由空间的光波长，而r是侧面部分高度与中央部分高度之比的相对高度。
此外，a和b值及金属触点34的位置，最好对每一施加在金属触点34之间的电压，都能使施加于SiGe脊形区32的电场高于5KV/cm(以便限制功耗)，并能同时限制光衰减损耗。
事实上，施加相等的电压，当p+掺杂区与n+掺杂区之间的距离下降时，有效的电场(从而Franz-Keldysh效应)是增加的。但是，当该距离太低时，光场将显著透入p+和n+的高掺杂区，从而增加光衰减损耗。
该两个矛盾要求之间的良好折衷，是p+掺杂区与n+掺杂区之间的距离低于2μm，和掺杂物浓度为1017-1019cm-3。
图5画出在图4a的臂的水平断面上，电场沿y方向的变化，水平断面位于x＝0.55μm，如图4a所示。图6画出在图4b结构的竖直断面上的电场，竖直断面在y＝0上，如图4b所示。
光调制器1的驱动电路向金属触点34供应电压。具体说，在图4a的实施例中，电压可以向触点之一供应，而其他可以接地。在图4b的实施例中，电压可以向中央触点供应，而侧触点可以接地。
按照本发明，驱动电路适合向第一电极结构20供应叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，并向第二电极结构21供应叠加在第二偏置电压上的第二调制电压，以便通过Franz-Keldysh效应，在波导臂9、12纤芯区32的材料中，引起折射率的变化。
通常，第一调制电压和第二调制电压，是RF电信号，其上载运着与转移到输入光束相同的二进制信息，该二进制信息在正峰值电压(对应于“1”比特)和负峰值电压(对应于“0”比特)之间交替变化。
为了避免RF电信号从金属触点34往回反射，在RF电信号要送到的金属触点和接地的金属触点间，提供适当的阻抗(如适当的电阻)。
此外，驱动电路还适合向第三电极结构22(和可供选择地向第四电极结构23)供应CW电压。
选择向第三电极结构22(和可供选择地向第四电极结构23)供应的CW电压，是为了在两波导臂9、12的光程之间，获得预定的初始相移。
通常，第一和第二调制电压是有相同波形的电信号(在这一点上，它们载运相同的二进制数字信息)。但是，它们能有不同的峰-峰值振幅。
此外，第一调制电压和第二调制电压最好以相反符号向第一和第二电极结构20、21供应。就是说，它们是这样被供应的当负的峰值振幅被送到某一电极结构时，正的峰值振幅被送至另一个电极结构，反之亦然。
如在图2所示，值得注意的是，SiGe材料的折射率，随施加的电场平方地改变。
因此，围绕正峰值振幅和负峰值振幅之间的零值，以相反符号振荡的调制电压配置(不向电极结构施加偏置电压)，将在本发明的光调制器的两臂中，给出相同的总的折射率变化+Δn，从而两波导臂之间没有相对相移。
因此，为了实施推挽条件，在本发明的装置中，每一调制电压，被叠加在各自的偏置电压上并以相反符号向各自的电极结构供应，这样能够通过Franz-Keldysh效应，在两波导臂中引起总的不同符号的折射率变化，并能在两波导臂之间获得相对相移。
图19画出驱动电路80的实施例，它包括电驱动器81，第一和第二T形偏置装置82、83，和第一、第二、及第三电通路84、85、86。
通常，驱动器81是普通类型的亦称差分驱动器、双平衡驱动器、或双输出驱动器。驱动器81适合接收载运数字信息的RF电信号，该信息要通过光调制器转移到光束上，适合把电信号放大，和适合输出第一和第二调制电压，该第一和第二调制电压有相同波形、相反符号、和不同或相等(取决于需要的电压配置，在下面将详细公开)的峰-峰值振幅。
第一和第二T形偏置装置82、83是普通的装置，适合分别接收来自驱动器81的第一和第二调制电压，和接收第一和第二偏置电压，并把它们在输出中组合。第一和第二T形偏置装置82、83分别与第一和第二电极结构(图19中未画出)耦合，向它们供应相应的叠加在相应偏置电压上的调制电压。
电通路84、85把驱动器输出连接到相应的T形偏置装置82、83，然后T形偏置装置向第一和第二电极结构输出。效果良好的做法是，电通路84、85要使第一和第二电极结构上的第一和第二调制电压是同相的。
第三电通路86向第三电极结构22供应CW电压。在必要时，由第四光程(未画出)向第四电极结构23供应CW电压。
按照一种变化，驱动电路可以用两个驱动器(未画出)代替单个驱动器。在这种情形下，两个驱动器适合接收相应的输入电信号并把它放大，该电信号载运着要通过光调制器转移到光束上的数字信息。输入驱动器的电信号应有几乎相同的波形、相反的符号、和不同或相等(取决于需要的电压配置，在下面将详细公开)的峰-峰值振幅。
依据要转移到光束上的二进制信息，光调制器1在“1”逻辑状态与“0”逻辑状态之间交替变化。
选择供应到第三电极结构22的CW电压(和可供选择地向第四电极结构23)、第一和第二偏置电压、和第一和第二调制电压的峰-峰值振幅，以便在光调制器1的“0”逻辑状态中，在两波导臂9、12的光程之间引入相对相移π(或其奇数倍)，和在光调制器的“1”逻辑状态中，引入零的相对相移(或π的偶数倍)。同时，根据输出的光调制光束需要的线性调频值，选择这些电压。
图8、10、和12画出本发明光调制器1三种可能的电压配置。具体说，图8a、10a、和12a画出相移(Δφ，以弧度为单位)随供应到第一电极结构20(点线)和第二电极结构21(连续线)、叠加在偏置电压(V，任意单位)上的调制电压的变化。另外，图8b、10b、和12b画出叠加在偏置电压(任意单位)上、供应到第一电极结构(VRF1，点线)及第二电极结构21(VRF2，图8b的连续线)的调制电压，随时间(以ps为单位)变化的图形。
如在图8、10、12所示，第一和第二调制电压有相同的波形但符号相反。
图8和12画出不同的配置，这些配置适合获得基本上零线性调频的输出被调制光束，而图10画出的配置，适合获得负线性调频的输出被调制光束。
在图8的第一种配置中，光调制器1的驱动电路80，向第三电极结构22供应的CW电压，是为了在第二臂12和第一臂9光程之间，引入π/2的相移Δφin＝φ2in-φ1in。此外，驱动电路80还向第一和第二电极结构20、21供应有相同峰-峰值振幅的调制电压，该调制电压叠加在相同的偏置电压上。更具体地说，叠加在偏置电压上的调制电压，在与相位φ0的φRF对应的极小值V0，和与相位φ0+π/2的φRF对应的极大值V0+π/2之间变化。此外，供应的方式是，极小值V0被供应到第一电极结构20，而极大值V0+π/2被供应到第二电极结构21，和反过来。
因此，当向第一电极结构20供应极小电压V0，而向第二电极结构21供应极大电压V0+π/2时，得到光调制器1的断开状态或“0”逻辑状态。就是说，此时两光程之间的相移为Δφ＝φ2-φ1＝(φ2in+φRF2)-(φRF1)＝(π/2+φ0+π/2)-(φ0)＝π。
相反，当向第二电极结构21供应极小电压V0，而向第一电极结构20供应极大电压V0+π/2时，得到光调制器1的接通状态或“1”逻辑状态。就是说，此时两光程之间的相移为Δφ＝φ2-φ1＝(φ2in+φRF2)-(φRF1)＝(π/2+φ0)-(φ0+π/2)＝0。
图9a画出第一光束通过第一臂9传播(点线)及第二光束通过第二臂12传播(连续线)时，频率遭受的变化Δv与时间的关系。此外，该图还画出输出的被调制光束光功率(任意单位)的变化与时间(虚线)的关系。
值得注意的是，当光调制器从“接通”状态过渡到“断开”状态，和反过来时，第一光束通过第一臂传播及第二光束通过第二臂传播遭受的总相移Δφ，绝对值是相同的，但符号相反。在折射率随施加的电场作线性变化的情形下，上述过程将给出(理想情形下)有零线性调频的输出被调制光束。但是，在本发明的光调制器中，由于折射率的非线性变化，光束在每一瞬间遭受的瞬时相位变化Δφ(和瞬时频率变化Δv)，是不同的。但是，从图9a可见，在该配置中，第一和第二光束遭受的瞬时频率变化，是非常类似的。
事实上，申请人用图8的电压配置，对本发明的调制器进行的小信号分析，给出0.02的线性调频(即基本上是零线性调频)。
此外，如图9b所示，申请人通过系统模拟，把本发明的该光调制器性能，与常规的推挽LiNbO3光调制器性能比较，发现其中因Pockels效应引起的折射率变化，是线性的。
具体说，图9b画出被本发明按照图8电压配置的光调制器调制的光束(带菱形的连续线)，或被线性调频参数等于+0.1的常规推挽LiNbO3调制器调制的光束(带三角形的连续线)，在标准单模光纤(SMF)中传播的情形下，从计算得到的性能损失与光纤长度的关系。该两个调制器的性能是相当的。
如上所述，图12画出另一种可能配置，它适合获得有基本上零线性调频的输出被调制光束。
按照该配置，光调制器1的驱动电路80，向第三电极结构22供应的CW电压，是为了在第二臂12和第一臂9光程之间，引入初始的零相移(Δφin＝φ2in-φ1in＝0)。实际上，如果调制器波导臂9、12的长度相等，这一要求等于把零CW电压供应至第三电极结构22。此外，驱动电路80还向第一和第二电极结构20、21供应有不同峰-峰值振幅的调制电压，且分别叠加在不同偏置电压上(Vbias1和Vbias2)。更具体地说，叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，在与相位φ0的φRF1对应的极小值V0，和与相位φ0+π/2的φRF2对应的极大值V0+π/2之间变化。同时，叠加在第二偏置电压上的第二调制电压，在与相位φ0+π的φRF2对应的极大值V(0+π)，和与相位φ0+π/2的φRF2对应的极小值V0+π/2之间变化。供应的调制电压是，极小电压被供应到第一电极结构20，而极大电压被供应到第二电极结构21，和反过来。
因此，当向第一电极结构20供应极小电压V0，而向第二电极结构21供应极大电压V0+π时，得到断开状态或“0”逻辑状态。就是说，此时两光程之间的相移为Δφ＝φ2-φ1＝(φRF2)-(φRF1)＝(φ0+π)-(φ0)＝π。
相反，当向第二电极结构21供应极小电压V0+π/2，而向第一电极结构20供应极大电压V0+π/2时，得到接通状态或“1”逻辑状态。就是说，此时两光程之间的相移为Δφ＝φ2-φ1＝(φ2RF)-(φ1RF)＝(φ0+π/2)-(φ0+π/2)＝0。
图13a画出第一光束通过第一臂9传播(点线)及第二光束通过第二臂12传播(连续线)时，频率遭受的变化Δv与时间的关系。此外，它还画出输出的被调制光束光功率(任意单位)随时间(虚线)的变化。
与图8的配置类似，第一和第二调制电压的峰-峰值振幅，和第一和第二偏置电压，要使当光调制器从“接通”状态过渡到“断开”状态，和反过来时，第一光束通过第一臂9传播及第二光束通过第二臂12传播遭受的总相移Δφ，绝对值是相同的，但符号相反(见图13a)。在本发明的光调制器中，由于折射率的非线性变化，光束在每一瞬间遭受的瞬时相移Δφ(和瞬时频率变化Δv)，是不同的。但是，从图13a可见，同样在该配置中，第一和第二光束遭受的瞬时频率变化，也是非常类似的。
事实上，申请人用图12的电压配置，对本发明的调制器进行的小信号分析，给出0.02的线性调频(即基本上是零线性调频)。
此外，如图13b所示，申请人通过系统模拟，把本发明的该光调制器性能，与常规的推挽LiNbO3光调制器性能比较，发现其中因Pockels效应引起的折射率变化，是线性的。
具体说，图13b画出被本发明按照图12电压配置的光调制器调制的光束(带菱形的连续线)，或被线性调频参数等于+0.1的常规推挽LiNbO3调制器调制的光束(带三角形的连续线)，在标准单模光纤(SMF)中传播的情形下，从计算得到的性能损失与光纤长度的关系。该两个调制器的性能是相当的。
图10画出的一种配置，适合获得有负线性调频的输出被调制光束。
按照该配置，光调制器1的驱动电路80，向第三电极结构22供应的CW电压，是为了在第二臂12和第一臂9光程之间，引入初始的零相移(Δφin＝φ2in-φ1in＝0)。此外，驱动电路80还向第一和第二电极结构20、21供应相同峰-峰值振幅的调制电压，且分别叠加在不同偏置电压上(分别为Vbias1和Vbias2)。更具体地说，叠加在第一偏置电压上的调制电压，在与相位φ0的φRF1对应的极小值V0，和与相位[φ0+(φ0+π)]/2的φRF1对应的极大值(V0+V0+π)/2之间变化。同时，叠加在第二偏置电压上的调制电压，在与相位φ0+π的φRF2对应的极大值V0+π，和与相位[φ0+(φ0+π)]/2的φRF2对应的极小值(V0+V0+π)/2之间变化。供应的调制电压是，极小电压被供应到第一电极结构20，而极大电压被供应到第二电极结构21，和反过来。
因此，当向第一电极结构20供应极小电压V0，而向第二电极结构21供应极大电压V0+π时，得到断开状态或“0”逻辑状态。就是说，此时两光程之间的相移为Δφ＝φ2-φ1＝(φRF2)-(φRF1)＝(φ0+π)-(φ0)＝π。
相反，当向第二电极结构21供应极小电压(V0+V0+π)/2，而向第一电极结构20供应极大电压(V0+V0+π)/2时，得到接通状态或“1”逻辑状态。就是说，此时两光程之间的相移为Δφ＝φ2-φ1＝(φRF2)-(φRF1)＝0。
不同于图8和12的配置，第一和第二调制电压的峰-峰值振幅，和第一和第二偏置电压，要使当光调制器从“接通”状态过渡到“断开”状态，和反过来时，第一光束通过第一臂9传播及第二光束通过第二臂12传播遭受的总相移Δφ(和总的Δv变化)，在绝对值上和符号上都不相同(也见图11a，图上画出第一和第二光束遭受不同的瞬时频率变化)。
这样，得到被线性调频的输出被调制光束。更具体地说，对已公开的配置，已经通过小信号分析，计算出等于约-0.3的负线性调频。
图11b画出被本发明按图10配置的光调制器调制的光束(带菱形的连续线)，或被有相同线性调频参数的常规推挽LiNbO3调制器调制的光束(带三角形的连续线)，在标准单模光纤(SMF)中传播的情形下，通过系统模拟计算得到的性能损失与光纤长度的关系。
两种光调制器的性能是相当的。
对本发明的光调制器1，通过适当选择光调制器的初始条件、施加于第一和第二电极结构20及21的偏置电压和调制电压，可以获得预定的需要的线性调频值。
例如，要获得+0.3的正线性调频，可以用与图10相同的配置，通过改变初始条件，以便在两臂9和12的光程之间，引入π的初始相对相移而实现。
为了表征调制器，可以编制包含各种CW、偏置电压值、及调制电压值的表，使用这些值，可以获得预定的线性调频值。
值得注意的是，在本发明的光调制器中—其中，在工作波长上，Franz-Keldysh效应引起的折射率变化是非线性和显著的，吸收系数是低的，且Franz-Keldysh效应引起的吸收系数变化，对施加的电场是可忽略的—，用有相同长度的波导臂、有相同长度的电极、有对称的光束分束器及组合器的Mach-Zehnder结构，能够获得要求值的线性调频。
本发明的光调制器1，能在光通信系统中使用，使调制器按照将要通过该系统传输的数字信息，调制输入光束的强度。
图14画出包括发送器装置40的光发送站50的第一实施例。
图15a画出发送器装置40的第一实施例，它包括按预定波长提供光束的光源41，和按照本发明用于调制该光束强度的光调制器1。
效果良好的做法是，该光源41是常规的半导体激光器。
图15b画出光发送器装置40另一个实施例，它与图15a实施例的不同点在于，它还包括电光转换器42，适合把通用波长的输入的调制光束，转换为对应的调制的电信号。电光转换器42与光调制器1耦合，以便向光调制器1的驱动电路供应相应的调制电信号。这样，驱动电路按照电光转换器42接收的调制电信号，驱动光调制器1的第一和第二电极结构。该实施例能使被调制的有通用波长的光束，转换为有预定需要的波长的调制光束。
电光转换器42通常包括常规的光电二极管，该光电二极管能用IV族半导体材料实现。
例如，电光转换器42包括文献WO 04/001857公开的光电检测器。
电光转换器42和光调制器1，最好集成在同一硅基片上。
图16画出适合用于WDM传输的发送站50的第二实施例，它包括多个光发送器装置40(按照图15a或15b的实施例)和常规的波长复用装置51，该多个光发送器装置40用于按彼此不同的预定波长，提供对应的多束调制光束，该波长复用装置51用于把该多束调制光束实施波长复用。
图17画出一种光通信系统60，它包括发送站50、由第一光纤跨距54和第二光纤跨距56构成的光纤线路、第一和第二光纤跨距54、56之间的光放大器55、和接收站58。
效果良好的做法是，光放大器55包括常规的掺饵光纤放大器。
接收站58属于常规类型。它通常包括常规的光电二极管，用于从第二光纤跨距56接收光束，并把接收的光束转换为对应的电信号，然后送至适当的处理单元(未画出)。
在WDM传输的情形，接收站58通常包括常规的分用器和多个常规的光电二极管。
此外，在WDM传输的情形，包括在通信系统60中的光线路，可以包括分插单元。
图18画出按照本发明一个实施例的分插单元70。
单元70包括第一输入75、第一输出76、第二输入78、第二输出77、按照本发明的光调制器1、电光转换器71、分出滤波元件72、插入滤波元件73、和连接波导74。
在所示的实施例中，单元70从输入75接收WDM信号。分出滤波元件72把预定波长的光束从WDM信号分出，把分出的光束供应到电光转换器71，而把余下的WDM信号供应到插入滤波元件73。电光转换器71把分出光束转换为对应的电信号，并把该电信号供应到第二输出77。光调制器1从第二输入78接收预定波长的光束，适当地调制其强度，并把它供应到插入滤波元件73。后者把已调制的光束插入WDM信号，并把这样改变了的WDM信号供应到第二输出76。
分出和插入滤波元件72、73是常规的滤波装置。
虽然分/插功能已经在图18中被画成由分开的元件72、73实施，但必须指出，单个元件(如干涉滤波器)可以实施该两种功能。
电光转换器71通常包括以IV族半导体材料，或IV族半导体材料的组合制成的常规光电二极管。
例如，电光转换器71包括文献WO 04/001857公开的光电检测器。
效果良好的做法是，分出滤波元件72、插入滤波元件73、和连接波导74，都用IV族半导体材料、IV族半导体材料的组合、SiO2、掺杂的SiO2、Si3N4、SiON、或它们的组合制成。
最好是，在该单元的制作过程中，光调制器1、电光转换器71、分出滤波元件72、插入滤波元件73、和连接波导74，都生长在同一硅基片上。如上所述，这样可以消除必要的对准和粘结步骤，不然这些步骤在该单元各种部件的组装过程中是必需的，同时还降低单元的成本和大小。
权利要求
1.一种光调制器(1)，包括-光束分束器(11a、11b)，用于使输入光束分解为第一和第二光束；-第一和第二波导臂(9、12)，与所述光束分束器(11a、11b)连接，分别用于接收和发送从其中通过的所述第一和第二光束，所述波导臂(9、12)各包括由IV族半导体材料或IV族半导体材料的组合构成的纤芯区(32)；-光组合器(14a、14b)，与所述第一和第二波导臂(9、12)连接，用于接收所述第一和第二光束并把它们组合为输出光束；-第一和第二电极结构(20、21)，分别与所述第一和第二波导臂(9、12)结合；-驱动电路(80)，用于向所述第一和第二电极结构(20、21)供应电压；其特征在于，所述驱动电路(80)适合向第一电极结构(20)供应叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，和适合向第二电极结构(21)供应叠加在第二偏置电压上的第二调制电压。
2.按照权利要求1的光调制器(1)，其中的光束分束器(11a、11b)是对称的光束分束器，适合把输入光束分解为两束基本上有相同光功率的光束。
3.按照权利要求1或2的光调制器(1)，其中的第一和第二波导臂(9、12)基本上有相同的长度。
4.按照权利要求1到3任一项的光调制器(1)，其中每一纤芯区(32)的IV族半导体材料，选自包括Si和Ge以及它们的组合的一组材料。
5.按照权利要求1到4任一项的光调制器(1)，还包括与两条波导臂(9、12)之一结合的第三电极结构(22)。
6.按照权利要求5的光调制器(1)，其中的驱动电路(80)适合向第三电极结构(22)供应CW电压。
7.按照权利要求1到6任一项的光调制器(1)，其中的驱动电路(80)适合供应作为有相同波形电信号的第一和第二调制电压。
8.按照权利要求7的光调制器(1)，其中的驱动电路(80)适合供应有相反符号的电信号。
9.按照权利要求1到8任一项的光调制器(1)，是集成在一片硅基片上的调制器。
10.一种单元(70)，包括按照权利要求1到9任一项的光调制器(1)，和适合把输入光束转换为对应的电信号的电光转换器(71)。
11.按照权利要求10的单元(70)，其中的电光转换器(71)与光调制器(1)耦合，以便向光调制器(1)的驱动电路(80)供应对应的电信号。
12.按照权利要求10的单元(70)，还包括滤波元件(72、73)。
13.按照权利要求12的单元(70)，其中的滤波元件(72、73)与电光转换器(71)耦合。
14.按照权利要求12或13的单元(70)，其中的滤波元件(72、73)与光调制器(1)耦合。
15.按照权利要求12到14任一项的单元(70)，其中的滤波元件(72、73)包括与电光转换器(71)耦合的分出滤波元件(72)，和与光调制器(1)耦合的插入滤波元件(73)。
16.按照权利要求10到15任一项的单元(70)，其中电光转换器(71)的至少一部分包括IV族半导体材料或IV族半导体材料的组合。
17.按照权利要求16的单元(70)，其中的电光转换器(71)和光调制器(1)，都集成在一片硅基片上。
18.按照权利要求12到17任一项的单元(70)，其中的滤波元件(72、73)包括选自如下一组的材料，该组材料包括IV族半导体材料、SiO2、掺杂SiO2、Si3N4、SiON、和它们的组合。
19.按照权利要求16到18任一项的单元(70)，其中的电光转换器(71)、光调制器(1)、和滤波元件(72、73)，都集成在一片硅基片上。
20.一种包括光发送器装置(40)的发送站(50)，该光发送器装置包括按预定波长提供光束的光源(41)和按照权利要求1到9任一项的光调制器(1)，该光调制器(1)与光源(41)结合，用于调制该光束的强度。
21.按照权利要求20的发送站(50)，其中的光发送器装置(40)还包括电光转换器(42)，适合把按通用波长的输入调制光束，转换为对应的调制的电信号，该电光转换器(42)与光调制器(1)耦合，以便向光调制器(1)的驱动电路(80)供应所述对应的调制电信号。
22.一种光通信系统(60)，包括按照权利要求20或21的发送站(50)，和第一端耦合到发送站(50)的光通信线路(54、56)。
23.按照权利要求22的光通信系统(60)，还包括与光通信线路(54、56)第二端耦合的接收站(58)。
24.按照权利要求22或23的光通信系统(60)，还包括按照权利要求10到19任一项的单元(70)。
25.一种用于调制光束强度的方法，包括的步骤有a)把光束分解为第一和第二光束；b)使所述第一和第二光束分别沿第一和第二光程传播；c)在所述第一和第二光束沿第一和第二光程传播之后，把所述第一和第二光束组合成输出光束；d)通过Franz-Keldysh效应在两条光程之间引起相对相移，获得输出光束的强度调制；其特征在于，步骤d)是通过把叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，供应到第一光程，又把叠加在第二偏置电压上的第二调制电压，供应到第二光程实现的。
26.按照权利要求25的方法，其中在步骤a)中，光束被分解为两束基本上有相同光功率的光束。
27.按照权利要求25或26的方法，还包括步骤e)向两条光程的至少之一供应CW电压，用于在两光程之间引入另外的预先指定的相对相移。
28.按照权利要求25到27任一项的方法，其中在步骤d)中，引入π或其奇数倍的相对相移，以获得0逻辑状态，以及引入0或π的偶数倍的相对相移，以获得1逻辑状态。
29.按照权利要求28的方法，其中的第一和第二调制电压，是有相同波形的电信号。
30.按照权利要求29的方法，其中的电信号有相反的符号。
31.按照权利要求30的方法，其中的第一和第二偏置电压，以及第一和第二调制电压，是为了当从1逻辑状态过渡到0逻辑状态，和反过来时，通过Franz-Keldysh效应，在两条光程中引起总的相移，该总的相移基本上有相同的绝对值，但符号相反。
32.按照权利要求31的方法，其中的第一偏置电压基本上与第二偏置电压相同。
33.按照权利要求32的方法，其中第一调制电压的峰-峰值振幅，基本上与第二调制电压的峰-峰值振幅相同。
34.按照权利要求31的方法，其中的第一偏置电压不同于第二偏置电压。
35.按照权利要求34的方法，其中第一调制电压的峰-峰值振幅，不同于第二调制电压的峰-峰值振幅。
36.按照权利要求30的方法，其中的第一和第二偏置电压，以及第一和第二调制电压，是为了当从1逻辑状态过渡到0逻辑状态，和反过来时，通过Franz-Keldysh效应，在两条光程中引起总的相移，该总的相移的绝对值和符号都不相同。
37.按照权利要求36的方法，其中的第一偏置电压不同于第二偏置电压。
38.按照权利要求37的方法，其中第一调制电压的峰-峰值振幅，基本上与第二调制电压的峰-峰值振幅相同。
全文摘要
一种光调制器(1)，包括使输入光束分解为第一和第二光束的光束分束器(11a、11b)；连接到所述光束分束器(11a、11b)的第一和第二波导臂(9、12)，分别用于接收和发送从其中通过的所述第一和第二光束，所述波导臂(9、12)各包括由IV族半导体材料或IV族半导体材料组合构成的纤芯区(32)；与所述第一和第二波导臂(9、12)连接，用于接收所述第一和第二光束并把它们组合为输出光束的光组合器(14a、14b)；分别与所述第一和第二波导臂(9、12)结合的第一和第二电极结构(20、21)；向所述第一和第二电极结构(20、21)供应电压的驱动电路(80)，特征在于，所述驱动电路(80)适合向第一电极结构(20)供应叠加在第一偏置电压上的第一调制电压，和适合向第二电极结构(21)供应叠加在第二偏置电压上的第二调制电压。
文档编号G02F1/17GK1961254SQ200480042605
公开日2007年5月9日 申请日期2004年3月31日 优先权日2004年3月31日
发明者塞尔维亚·基蒂尼, 安东尼奥·尼斯伯拉 申请人:皮雷利&C.有限公司