[发明专利]光相位调制器和光调制器

说明书

描述了通常具有衬底、波导和调制电路的光相位调制器；波导安装在衬底上并沿衬底的路径延伸，该波导具有沿波导分布的相移单元的第一系列，每个相移单元具有两个沿路径彼此隔开的布拉格光栅和两个隔开的布拉格光栅之间的腔；调制电路配置为根据调制信号驱动波导的相移单元的系列的长度，从而调制波导的折射率以诱导向沿波导传播的光信号的相移。

技术领域

该改进通常涉及光互连系统的领域，更具体地，涉及用于这种光互连系统中的光相位调制器。

背景技术

光互连系统是通过光纤电缆进行通信的手段，它逐渐取代信息处理系统中距离更短的传统的铜线，因为他们允许更快的通信。

如此，光互连系统通常包括第一光子芯片，该第一光子芯片通过光纤电缆与第二光子芯片进行通信耦合，两个光子芯片包括使用传统的半导体制造工艺制造的光子组件，以允许以低成本大量生产。

典型地，第一光子芯片至少具有生成沿半导体波导的光信号的光源、将数据编码到沿半导体波导传播的光信号中的光相位调制器、以及将经编码的光信号耦合到光纤电缆的一端的耦合装置。第二光子芯片通常至少具有耦合装置，以沿通向光检测器的半导体波导耦合从光纤电缆的另一端接收的经编码的光信号，该光检测器从接收的光信号中再现数据。

光相位调制器通常配置为沿半导体波导的长度调制折射率，其中光信号在半导体波导中传播，从而相应地改变光信号的相位。实现这种相位调制的一个技术是随着电子和空穴密度的变化改变半导体波导的折射率的实部和虚部，沿半导体波导改变自由电荷载流子的密度。这些变化通常是通过使用电压源沿半导体波导的长度驱动半导体波导而获得的。

尽管现有的光相位调制器在一定程度上是令人满意的，但仍有改进的空间。

发明内容

已经知道诸如硅的一些半导体材料一般不具有线性电光效应或不具有显著线性电光效应，而二次电光、电吸收和等离子体色散效应都相对较弱。因此，为了实现令人满意的相位调制，用偏压和/或调制信号驱动的半导体波导的长度必须相对较长。附加地或替代性地，偏压和/或调制信号必须显著高以实现令人满意的相位调制。

然而，具有相对较长的光调制器通常不像具有相对较短的光调制器那样方便，其将允许其他光子组件集成到芯片和/或芯片以具有更小占用空间。此外，必须向半导体波导提供高偏压或高幅度调制信号以实现令人满意的相位调制是一问题，因为它将消耗更多的能量。

值得一提的是，能量效率是下一代光互连系统发展的关键。例如，用于这种光互连系统的最受欢迎的应用中之一是在数据中心将数千台服务器彼此通信地耦合，数据中心目前提供了信息技术操作的增长的需求。截至2018年，美国的能量效率和可再生能量的办公室提出，数据中心是能量密集型建筑之一，消耗典型商业办公楼每层空间的能量的10至50倍，合计约占美国总电力的2％。因此，光互连系统中的任何能量消耗减少都可能对环境和经济生成不可忽视的影响。

在一个方面，描述了一种光相位调制器，其具有半导体衬底、安装在半导体衬底上并沿半导体衬底的路径延伸的半导体波导。半导体波导具有沿半导体波导分布的相移单元的系列。每个相移单元具有两个沿路径彼此隔开的布拉格光栅以及两个隔开的布拉格光栅之间的腔。还提供了调制电路，用于根据调制信号驱动半导体波导的长度，从而调制半导体波导的长度的折射率，以诱导沿向沿半导体波导传播的光信号的相移。

发现这种相移单元的系列可以使光信号经历谐振效应，这使半导体波导的半导体材料的一阶色散大大增强，并且反过来提高其群指数，群指数取决于一阶色散。由于光信号在材料中的有效传播速度是由在真空中光的速度除以该材料的群指数来给定的，因此可以极大降低有效传播速度，从而允许相位调制更有效和灵敏。