[实用新型]一种波长无关高消光比的硅光子调制器

说明书

本实用新型涉及一种波长无关高消光比的硅光子调制器，属于半导体光信号传输技术领域。该硅光子调制器，硅层分为输入硅光子波导、主MZI结构中的硅光子3dB分束器、辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ、主MZI中的相位臂硅光子波导、硅光子输出波导、主MZI中的硅光子合束器和主MZI单元，输入硅光子波导通过主MZI结构中的硅光子3dB分束器分别连接辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ输入端，辅助MZI单元Ⅰ、辅助MZI单元Ⅱ输出端连接主MZI中的相位臂硅光子波导，主MZI中的相位臂硅光子波导内部设有主MZI单元，主MZI中的相位臂硅光子波导输出端连接硅光子输出波导。本实用新型通过对辅助MZI进行操作，可以有效解决当前MZI硅光子调制器低消光比和窄波长带宽的问题。

技术领域

本实用新型涉及一种波长无关高消光比的硅光子调制器，属于半导体光信号传输技术领域。

背景技术

硅光子光电集成波导器件是光通信领域的研究热点，其工艺与CMOS器件工艺完全兼容，能够实现与现有集成电路进行集成；同时由于硅材料具有相对高的材料折射率，其器件尺寸可以到达纳米量级，具有极低的成本和批量生产的特性。硅光子高速调制器在光通信网络、数据中心等数据传输方面有着广泛的应用前景。目前硅光子高速调制器主要有4种结构，微环调制器、MOS结构调制器、GeSi吸收调制器和PN结MZI调制器。微环调制器对光波长非常敏感且调制消光比低，MOS结构调制器由于使用多晶硅材料其光学损耗大，GeSi吸收调制器由于Ge带宽变化小只能在1600nm左右的光波段调制且效率低，鉴于以上的原因，此三种硅光子调制器还未实现广泛应用。PN结MZI结构的硅光子调制器是依靠Si的等离子色散效应实现调制功能，通过注入载流子的浓度变化改变波导折射率。目前，PN结MZI结构的硅光子调制器已经实现了超过50Gbps的OOK模式的调制，通过PAM4或更高的PAM16、偏振调制等模式可以实现更高的调制速率，其调制速率完全满足通信容量增长的需求。然而，PN结MZI结构的调制器也面临关键的问题。首先，其调制功能的实现是基于PN结处载流子浓度的变化（改变波导折射率，进而改变波导中光信号相位），但载流子的浓度会造成光信号的强度变化。当波导中载流子浓度高时，波导中光传输损耗大；当波导中载流子浓度低时，波导中光传输损耗小。当PN结处于较高负偏压下的耗尽模式下，PN结处载流子浓度较低，此时光损耗较低；当PN结处于正偏压或较小负偏压下，PN结处载流子浓度大，光损耗大。对于传统单MZI结构的PN-type硅光子调制器，光信号进入MZI调制臂前，光信号需经过3dB分束器，进入两臂相位调制器前两臂中的光强相同。在对单一调制臂进行调制工作时，在载流子注入模式下（即电压正向导通）因载流子浓度增加导致光强减弱，而在载流子耗尽模式下（负电压）因载流子浓度减小导致光强增大。无论电压的施加方向，在单臂操作时，操作臂光强与未操作的光强不相同，必然导致在MZI合束时消光比不高，使调制器的误码率增大。在对MZI两臂同时操作时，为实现π的相位差，两臂的施加电压不相同，通常使用pull-push电信号（即两调制臂施加反向的等值电压），此时两臂的光强必定相差大，最后在合束后调制器的消光比必然不高。同时，硅光子调制器是采用等离子色散效应来实现调制，其折射率改变效率不高，目前MZI硅光子调制器采用不等臂相位长度，其操作波长带宽受到严重影响，不能对宽波长带宽实现调制。传统基于PN-type的MZI硅光子调制器存在消光比较低、波长带宽狭小等问题，严重阻碍了其广泛应用。