[发明专利]基于纳米束调制器的少模波导光发射结构

说明书

一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，由一根少模总线波导、N个定向耦合器、包含N个纳米束调制器的纳米束调制器阵列和包含N个单模波导的单模波导阵列构成，其中N≥3。输入激光进入单模波导阵列，经过纳米束调制器调制，之后分别与少模总线波导中的不同模式进行耦合，其中少模波导总线宽度逐渐由小变大，从而使支持的模式由单模变为多模。本发明具有传输信号数据容量大、调制效率高、结构紧凑、功耗低的特点，又能实现调制器阵列的高密度集成。在数据光互连中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电光调制，具体是一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构。

背景技术

当今世界科技和经济发展对高性能计算日益增长的需求，以及微电子技术自身不断的完善，使得高端处理器的性能不断提高。这将使得大规模计算和交换系统变得越来越复杂，必须在有限的功耗预算内不断提高互连容量才能持续提高处理速度。电互连的功耗、面积和成本随数据量的增加呈指数增长。这意味着如果用传统的电互连来实现如此大的传输带宽，必须在电学材料、器件和电路等方面取得进一步突破，包括低损耗和低色散的电介质材料(通常非常昂贵)、串行器/解串器、均衡和噪声消除电路等等。电互连技术进展速度很难跟得上实际发展需求。而光子不带电荷、无静止质量，因此高速和宽带是光子学与身居来的优势，这一优势已在90年代后蓬勃发展起来的光纤通信系统中得到很好的发挥。同样，硅光子学的发展为芯片内光互连展示了光与电相辅相成、共同提高的美好前景。

光互连实际上是一个微型化的光通信系统，需要产生光载波的激光器、把电信号转变成光信号的调制器和将光信号还原成电信号的探测器。对于片上光互连，不宜采用高阶调制方式，以强度调制-直接检测(IM-DD)为主。这是因为一方面高阶调制的解调复杂、代价高(包括对激光器要求也很高)；另一方面传输距离短，基本不存在色散和非线性对信号质量的影响。在长距离通信中采用高阶调制的另一目的是提高谱效率，这一问题可通过空分、波分、模分复用等方式予以解决。用硅材料实现光互连功能，工艺上与CMOS兼容是其优势之一，但存在诸多挑战。比如，硅是间接带隙材料，无法通过受激辐射产生激光。这是硅基光互连最大挑战之一，近期虽有一定进展，但离应用要求还有距离。比较可行的方式是采用III-V族激光芯片倒扣在硅基片上实现混合集成，虽然这种解决方案在一定程度上使硅基光互连的优越性打折扣。

高速低功耗电光调制器作为光互连的关键器件之一，近年来受到美国、日本等政府部门和研究结构的高度重视。用于片上光互连的调制器与光通信所使用的调制器不同，除了能实现高速调制外，必须具有以下特征：低功耗、小型化，并且和CMOS兼容。为了实现高速调制，必须有快速的载流子迁移(注入和抽取)以及短的光子寿命。低功率则要求调制器必须具有低调制电压，因而必须提高调制效率和消光比。特别是对于短距离的芯片内光互连，光发射机的能耗预算需要控制在几个fJ/bit左右。因此，制作硅基电光调制器的难度虽不如硅基激光器，但仍有很多技术问题需要攻克。

发明内容

本发明是基于现有的光子学理论和成熟的制备工艺基础，针对上述问题和现有技术的不足，提出一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构。该结构具有传输信号容量大、调制效率高、结构紧凑、功耗低的特点，又能实现调制器阵列的高密度集成。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，其特点在于整个结构由一根少模总线波导、N个定向耦合器、包含N个纳米束调制器的调制器阵列和包含N根单模波导的单模波导阵列构成，所述的少模总线波导的波导宽度逐渐由小变大(w₁<w₂<w₃)，输入激光进入所述的单模波导阵列，经过所述的纳米束调制器阵列调制，经N个定向耦合器分别与所述的少模总线波导中的相应模式进行耦合，最终将不同光信号合成一路采用多个模式进行传输，其中N≥3。