[发明专利]注入调制器

说明书

本发明涉及一种用于调制光辐射的注入调制器。

对于结合波导来对光信号进行的调制，存在许多应用领域，如例如，在通信技术、传感器系统、图像传输等中。具体整合到半导体材料(如例如，硅、InP、GaAs)中的电光调制器在此发挥着重要作用。基于硅波导的电光调制器由于构成用于光学带宽传输以便进行所谓的片上通信、芯片到芯片通信、光纤通信等的关键部件而逐渐吸引兴趣。相比迄今为止惯用的基于金属的连接，使用光学连接有可能实现显著更高的带宽，具有适中的能耗。

已知用于这种传输链路的光调制器部件的各种设计。最有名的设计是马赫-曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator)(Optics Express(《光学快报》)，2007年第15期第660页，刘等人)、，环形谐振器(《自然》(Nature)，2005年第435期第325页，许等人)、以及法布里-珀罗谐振器(Fabry-Perot Resonator)(《光学快报》，2008年第16期第334页，施密特等人)。

马赫-曾德调制器通常用于高数据速率的消息传输。马赫-曾德调制器的主要优点在于高光学带宽，即，谐振器相对于待调制的光的波长变化的高公差以及(消光比的)可实现的高调制深度。

在基于波导的马赫-曾德调制器(《光学快报》，2007年第15期第660页，刘等人)中，光穿过调制器的至少一个臂中的电光材料。可以通过施加电压来改变电光材料的折射率(或者吸收)。因此，光波在所述臂中经历相移。如果相对于穿过调制器的另一个臂的光波的相移是π(或π的奇数整数倍)，则当两个波叠加时，在马赫-曾德调制器的输出端处发生相消干涉。调制器可以在相长干涉状态与相消干涉状态之间进行操作，也被称为振幅调制。此外，调制器结构在相同振幅但不同相位的状态之间进行操作，也被称为相位调制。同样，还有可能在这些状态的组合之间进行切换。这通常用于增大可使用符号来传输的位(而且，更高调制格式)。为了实现π的相移，光在电光材料中必须穿过路径长度(通常在数毫米到数厘米的范围内)。马赫-曾德调制器的所述路径长度和因此最小结构长度取决于电光效应的强度。

为了生成电光效应，在半导体材料中，在波导中或附近的区域被掺杂。在此方面，通过示例的方式，在绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)波导中，借助于掺杂来产生p-i-n或p-n二极管结构(Nature Photonics(《自然光子学》)，2010年第4期第518页，里德等人)。使用这种二极管结构，可以采用有针对性的方式来改变波导中的电荷载流子浓度。作为所谓的自由载流子等离子体色散效应的结果，这导致波导中的折射率和吸收行为的变化(IEEE J.Quant.Electron.(《IEEE量子电子学杂志》)，2004年第23期第123页，索里夫等人)。在这种情况下，通过在正向方向上向二极管施加电压，有可能将电荷载流子注入到波导中(被称为注入)，或者通过在相反方向上向二极管施加电压，有可能从波导中抽取电荷载流子(被称为耗尽)。

在根据“耗尽”原则的电光光调制器中，波导芯本身被p掺杂和/或n掺杂。通过减少光波导中的电荷载流子来调制光。已知的是，可以通过抽取耗尽调制器中的电荷载流子来实现非常高的调制速度。然而，对波导芯的掺杂导致高吸收并且因此导致高光损耗。

李Z.-Y.等人的出版物(《光学快报》，2009年第17期第15947页)公开了耗尽调制器中的p-n二极管的可以用于相对于波导而延长p-n结中的“耗尽区域”的长度的交替p掺杂区域和n掺杂区域。因此，电光效应可能增大，并且调制器的结构大小可能由此减小。调制器的调制速度无法通过这种安排来增大。

从出版物“CMOS Compatible Fully Integrated Mach-Zehnder Interferometer inSOI Technology(SOI技术中的CMOS兼容的完全集成的马赫-曾德干涉仪)”(IEEE Photonics Technology Letters(《IEEE光子技术快报》)，2000年6月第12卷第6期，P.戴恩斯等人)中已知具有根据专利权利要求1的前序部分所述的特征的注入调制器。

本发明基于对注入调制器进行说明的目的，在所述注入调制器中，有可能实现快速且大的调制效果以及同时相对低的光学衰减。

根据本发明借助于具有如专利权利要求1所述的特征的注入调制器来实现这种目的。在从属权利要求中说明了根据本发明的调制器的有利构型。