超低電壓寬調制帶寬低光學損耗光學強度或相位調制器制造技術

本發明專利技術關注能夠具有極低調制電壓、寬調制帶寬、裝置插入的低光學功率損耗以及極小裝置大小的集成光學強度或相位調制器。此些調制器可為電光或電吸收類型，由具體來說適當的電光或電吸收材料或一般來說稱為活性材料的材料制成。用于實現光束模式與活性電活性區之間的高重疊的高效光學波導結構產生減少的調制電壓。在實施例中，通過半導體調制器裝置結構連同作為電光或電吸收材料的活性半導體材料一起實現超低調制電壓、高頻響應和極緊湊的裝置大小，所述材料適當地摻雜有載流子以大體上降低調制器電壓且仍維持高頻響應。在另一實施例中，高效光學耦合結構進一步實現低光學損耗。組合的各種實施例使得調制器能夠達到與現有技術中先前可能的情況相比更低的電壓、更高的頻率、低光學損耗和更緊湊的大小。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉參考本申請要求2013年6月9日申請的第61/832,940號美國臨時申請案、2013年6月11日申請的第61/833,488號美國臨時申請案和2013年12月10日申請的第61/913,945號美國臨時申請案的優先權，以上申請案的內容全部以引用的方式并入本文中。
本申請涉及一種超低電壓寬調制帶寬低光學損耗光學強度或相位調制器。
技術介紹
本專利技術涉及半導體光子學、離散光學器件、集成光學器件和光電子裝置。確切地說，本專利技術涉及能夠通過電信號調制光束強度或相位的集成光學調制器。需要此些調制器以用于將電信號轉換為光學信號以使得光束可用以經由光學通信系統發射信息。光學通信系統中的光源通常是半導體激光且光的傳輸通常是經由光纖。當前可用的典型光學調制器，例如基于鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、硅中自由載流子或化合物半導體中的半導體量子阱的調制器，通常具有約5伏特的高調制電壓，約6dB(75％)裝置插入損耗(意味著僅25％的光學功率將通過裝置)，其中調制頻率能夠高達40千兆赫茲(40GHz)，其中1GHz是109Hz。以5V的調制電壓將光學調制器加電所需的射頻(RF)功率是P＝V2/R，其中R通常是50歐的傳輸線路阻抗。因此5V調制電壓將對應于0.5瓦(52/50瓦)的調制器射頻功率。此功率尤其當調制器在電子光子集成電路(EPIC)或光子集成電路(PIC)中使用時極高，因為具有數百萬晶體管的大電子微處理器芯片的總功率消耗僅為幾瓦。將調制器視為僅一個主動裝置，其功率要求當與單個電子晶體管相比時極高，考慮如下事實：典型微處理器型電子芯片中的電子晶體管的典型功率消耗在1GHz的操作速度下每晶體管在0.2到1微瓦(200到1,000毫微瓦)范圍中。CMOS電壓也快速變為低于1伏特。因此，將對能夠在低于1伏特下操作的調制器感興趣以使其與CMOS電路兼容。雖然已經存在減少調制電壓的努力，但它們通常是通過使裝置長度較長而實現，這常常導致高光學損耗(>75％損耗)。除不合意的長裝置長度之外，高損耗和“低電壓”不是很有用，因為其將意味著將需要較高功率激光來獲得相同光學功率調制且較高功率激光也將消耗高電功率。雖然存在具有不同功能性的各種調制器裝置，但它們可共享產生高裝置操作效率或裝置性能的相同的一般裝置結構(例如，能夠具有超低電壓、寬調制帶寬、低光學損耗的調制器)。能夠產生高裝置效率或高裝置性能的此一般裝置結構是本專利技術的焦點。應用的另一領域稱為射頻光子學(RF光子學)。RF光子學使得能夠經由調制光束而輸送高頻電信號且將其傳輸通過光纖。隨后以高速光學功率檢測器恢復所述電信號。在RF光子學中，還合意的是使調制器電壓變為低于1伏特(優選地低于0.5伏特)，對于光束具有<75％的低裝置處理量損耗。在所有這些應用中，超出1千兆赫茲(GHz)、高達幾十GHz、優選地到達100GHz的高調制帶寬也是大體上合意的。在許多芯片上應用中，需要調制器的物理長度短于約1mm。雖然關于光學強度或相位調制器的現有技術能夠達到合意的性質中的一者或兩者，例如高調制帶寬(>1GHz)或低光學功率處理量損耗(<75％)，但它們通常不能夠達到全部合意的性質，包含全部在一個光學強度或相位調制器裝置中的低調制電壓、高調制帶寬、低光學處理量損耗和緊湊的裝置大小。調制器優值和本專利技術的優點如所提到，單獨實現低調制器電壓VMOD對于這些應用是不足夠的。調制器必須具有低裝置插入損耗(即高光學處理量功率)或高光學功率透射率T，其經界定為調制器的輸出光學功率除以輸入光學功率，TMOD＝(光學功率輸出)/(光學功率輸入)。調制器裝置的光學處理量功率中的任何損耗等效于低電信號功率到光學信號功率轉換，其是合意的調制器的優值中將考慮的重要因數。由于經調制光學功率的量與調制器電壓成比例，在信號發射噪聲比方面，1/TMOD2等效于VMOD2(或1/TMOD等效于VMOD)，其也是合意的調制器的優值中將考慮的重要因數。即，TMOD減少2倍等效于VMOD增加2倍，且對于在信號調制和發射中實現低信噪比同等地不合意。類似論斷涉及調制器的調制深度(MD)，其經界定為調制器正改變的光學功率的百分比。在信號發射噪聲比方面，1/(MD2)等效于VMOD2，且將為合意的調制器的優值中將考慮的重要因數。通常，調制器帶寬BW較高(以GHz計)，調制器越好，且是在優值中將考慮的因數。并且，調制器裝置長度LMOD越短，其越好。裝置長度與調制器電壓之間通常存在線性折衷，因此(LMOD2)等效于VMOD2，為優值中將考慮的因數。最后，在不損失調制性能的情況下調制器可采取的最大光學功率MP(以毫瓦計)也是重要的，且是優值中將考慮的因數。這有時稱為調制器的光學飽和功率且調制飽和度可由于通過調制器材料的高光學功率的載流子激勵而發生。在電信號到光學信號功率傳送方面，光學功率越高，在光檢測器端處電信號可從調制光束轉換回RF電壓越多。因此1/(MP2)等效于VMOD2，為調制器優值中將考慮的因數。帶寬(BW)和調制功率(或每單位時間能量)在優值方面成反比例。應注意，2倍調制帶寬意味著在時間周期減半時發射的每數據二分之一RF能量。因此信噪比實際上變差2倍，但數據速率快2倍，意味著較高調制的優點在一定程度上被較高噪聲抵消，但我們將不精確考慮優值中的噪聲。所有較快脈沖經歷相同的低功率和高噪聲折衷(即，其對調制器不是固有的)。我們仍將看見較大BW作為類似于較小RF功率的優點(1/VMOD2)。組合全部上述因數，當比較調制器性能時，在以下“調制器優值”方面比較它們是有用的，調制器優值是在上文所提及的量方面如下界定：MFOM＝TMOD2xMD2xMP2xBW/(VMOD2xLMOD2)，(1)其中以上方程式中的“x”意味著數學“乘法”且“/”意味著數學“除法”。對于本專利中的論述，我們為簡單起見將忽略MP因數(即我們將設定MP＝1)。VMOD中的平方是由于功率考慮。其它因數在其等效于VMOD中完成。以此方式界定，MFOM的值越高，調制器對于實現大頻率帶寬、低裝置光學功率處理量損耗、小裝置大小、低調制電壓、高調制深度和高裝置光學功率容限的目的來說越好。此MFOM將與下文界定的“理想光學強度和相位調制器”的MFOM進行比較。為了于RF光子學和EPIC的目的，我們將參考“理想光學調制器”界定為具有以下特性的調制器：TMOD＝0.25、VMOD＝0.5(V)、LMOD＝1(mm)、BW＝40(GHz)、MD＝0.9。表示為“MIFOM”的此理想調本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種沉積于襯底上的低損耗低電壓高頻光學相位或強度調制器裝置，其包括：沉積于所述襯底上的輸入連接波導芯，其連接去往和來自電活性層的光束的能量，所述光束具有在操作光學波長λop周圍的一或多個光學波長；所述輸入連接波導芯變成輸入錐形波導芯且在電活性層下方進入，其中所述光束能量在所述錐形波導芯在所述電活性層下方進入之前在所述輸入錐形波導芯中被良好限制，且所述光束能量在所述錐形波導芯在所述電活性層下方進入之后的某個點在所述輸入錐形波導芯中不再被良好限制；且所述電活性層中的材料的至少部分的折射率nEC或光學增益/吸收系數αEC可通過所述電活性層中的施加電場、電流或者載流子的注入或耗盡而更改，其中所述電活性層是電活性波導芯的部分或空間上接近于電活性波導芯。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.06.09 US 61/832,940;2013.06.11 US 61/833,488;1.一種沉積于襯底上的低損耗低電壓高頻光學相位或強度調制器裝置，其包括：
沉積于所述襯底上的輸入連接波導芯，其連接去往和來自電活性層的光束的能量，所
述光束具有在操作光學波長λop周圍的一或多個光學波長；
所述輸入連接波導芯變成輸入錐形波導芯且在電活性層下方進入，其中所述光束能量
在所述錐形波導芯在所述電活性層下方進入之前在所述輸入錐形波導芯中被良好限制，且
所述光束能量在所述錐形波導芯在所述電活性層下方進入之后的某個點在所述輸入錐形
波導芯中不再被良好限制；且
所述電活性層中的材料的至少部分的折射率nEC或光學增益/吸收系數αEC可通過所述電
活性層中的施加電場、電流或者載流子的注入或耗盡而更改，其中所述電活性層是電活性
波導芯的部分或空間上接近于電活性波導芯。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電活性波導芯和電活性波導包層結構處于中
等-強導引或極強導引機制中以使得由Rcts＝(nCo2-nCd2)/(nCo2+nCd2)界定的所述波導芯層與
頂部和底部波導包層兩者的折射率對比度均大于大約0.2，其中nCd是所述頂部或所述底部
波導包層區的平均材料折射率，且nCo是所述波導芯區的平均材料折射率。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電活性波導芯和電活性波導包層結構處于極
強導引機制中以使得由Rcts＝(nCo2-nCd2)/(nCo2+nCd2)界定的所述波導芯層與所述頂部和所
述底部波導包層兩者的所述折射率對比度均大于大約0.5，其中nCd是所述頂部或所述底部
波導包層區的所述平均材料折射率，且nCo是所述波導芯區的所述平均材料折射率。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電活性波導芯厚度d芯處于超薄、極薄、中等薄
或薄區中以使得d芯<(2*λop/nCo)。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電活性波導芯厚度d芯處于超薄區或極薄區中
以使得d芯<(λop/nCo)。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電活性層具有從頂部電連接到所述電活性層
的低折射率歐姆透明導體(LRI-OTC)層，所述LRI-OTC形成所述頂部電活性波導包層的部
分。
7.根據權利要求1所述的裝置，其進一步包括電連接到所述電活性層的結構，所述結構
包括至少第一PN結，其中具有P摻雜劑的第一P層垂直地連接(垂直意味著在垂直于所述襯
底平面的方向上，水平意味著在平行于所述襯底平面的方向上)到具有N摻雜劑的第一N層，
或PqN結，其中具有P摻雜劑的第一P層連接到具有N或P摻雜劑或未摻雜(即為本征半導體材
料)的第一q層，且所述q層進一步連接到具有N摻雜劑的第一N層。
8.根據權利要求1所述的裝置，其進一步包括電連接到所述電活性層的結構，所述結構
包括至少第一NqN結，其中具有N摻雜劑的第一N層垂直地連接(垂直意味著在垂直于所述襯
底平面的方向上，水平意味著在平行于所述襯底平面的方向上)到具有N或P摻雜劑或未摻
雜(即為本征半導體材料)的第一q層，且所述第一q層進一步連接到具有N摻雜劑的第二N
層。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一P層電連接到第二PN結的具有P摻雜劑的
第二P層，稱為PN改變的PN結(PNCPN)，此第二P層電連接到此第二PN結的具有N摻雜劑的第
二N層。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中跨越此第一PN結的所述第一P層和所述第一PN結
的所述第一N層施加電壓以導致所述電活性層中的施加電場、電流或者載流子的注入或耗
盡。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中跨越所述第二PN結的所述第二N層和所述第一PN
結的所述第一N層施加電壓以導致所述電活性層中的施加電場、電流...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃瑩彥，
申請(專利權)人：光電網股份有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US