[发明专利]具有改善的效率和啁啾控制的基于硅的光调制器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年6月12日提交的第61/186,693号美国临时申请的优先权和权益，该美国临时申请在此通过引用并入该申请。

技术领域

本发明涉及一种基于硅的光调制器，更具体地说，涉及在一种基于硅的调制器中通过分别地加偏压于装置的一个节点(例如，多晶硅区)来将调制器的电压摆幅限制在该基于硅的装置的累积区内以提供改善的调制效率和“啁啾(chirp)”(例如，时变光学相位)控制的功能。

背景技术

多年来，光调制器都由电光材料制成，例如铌酸锂。光波导在电光材料内形成，且金属接触区域被设置在每一波导支路的表面上。连续波(CW)光信号被输入到波导中，电数据信号输入被施加作为金属接触区域的输入。外加的电信号更改了接触点下面的波导区的折射率，因而改变了沿着波导的传播速度。通过施加在两个支路之间产生π的相位移的电压，形成了非线性(数字)马氏调制器。

尽管这种类型的外置调制器被证明为极其有用，但日益期望在基于硅的平台上形成多种光学组件、子系统及系统。还期望将与这种系统相关联的多种电子组件(例如，用于电光调制器的输入电子数据驱动电路)与在同一硅衬底上的光学组件集成在一起。明显地，基于铌酸锂的光学装置在这种情况下的应用不是一种选择。多种其他传统的电光设备均由不能直接地与硅平台相兼容的相似的材料(例如III-V族化合物)制成。

在基于硅的平台中提供光调制的功能方面已经具有重大进展，如于2005年1月18日授予R.K.Montgomery等人的美国专利6,845,198中公开的内容，其已转让给本申请的受让人，并在此通过引用将其并入。图1图示了Montgomery等人的专利中公开的基于硅的调制器装置的示例性布置。在此实例中，基于硅的光调制器1包括掺杂的硅层2(通常地，多晶硅)，其与亚微米厚的硅表层3(通常在本领域中称为SOI层)的反向掺杂部分重叠布置。SOI层3被示出为传统的绝缘硅(silicon-on-insulator，SOI)结构4的表层，该SOI结构还包括硅衬底5和埋氧层6。重要地，相对较薄的电介质层7(例如，二氧化硅，氮化硅，氧化钾，三氧化二铋，氧化铪，或其他高介电常数的电绝缘材料)沿着SOI层3和掺杂的多晶硅层2之间的重叠区域设置。由多晶硅层2，电介质层7和SOI层3限定的重叠区域限定了光调制器1的“作用区”。在一种实施方式中，多晶硅层2可以是p-掺杂的，SOI层3可以是n-掺杂的；同样可以使用互补的掺杂布置(例如，n-掺杂的多晶硅层2和p-掺杂的SOI层3)。

图2是调制器1的作用区的放大视图，其图示了关于穿过该结构(沿垂直于纸张方向)传播的信号的光强，还图示了多晶硅层2和SOI层3之间重叠的宽度W。在操作中，由于电压施加到SOI层3和掺杂的多晶硅层2的作用，自由载流子将聚积并耗尽在电介质层7的两侧。自由载流子的浓度的调制导致作用区内有效折射率的变化，因而引入沿着由作用区限定的波导传播的光信号的相位调制。在图2所示的图中，光信号将沿着垂直于纸张方向的Y轴传播。

在考虑铌酸锂调制器的当前水平的重大进展时，一般的基于硅的光调制器和尤其图1中的示例性配置遭受着因固有的相位响应及调制器的两个支路之间的光损失差异而产生的对啁啾的影响。啁啾是时变光学相位，其能够在光信号传播穿过弥散型纤维时不利于光信号的传播行为。光调制器的啁啾行为通常使用“α参数”表征，α参数被定义为归一化到由调制器产生的强度调制量的相位调制量。α参数可以被定义为如下：

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可以显示的数值为零，正数或负数。在某些应用中，需要具有较小的负调频量(例如，较小的负α参数)以延伸在色散限制其传播范围前，信号沿色散介质例如光纤传播的距离。