包括反馈回路的光信号调制器的制作方法

本发明涉及光信号调制器和操作光信号调制器的方法。

背景技术：

例如在美国专利8,269,431b2的图3中公开了一种光信号调制器。该光信号调制器包括马赫曾德尔干涉仪和调制器偏置控件，该控件允许调节马赫曾德尔干涉仪的操作点。

技术实现要素：

本发明的目的

本发明的目的是提供一种光信号调制器，其以增强的信号质量提供调制的光信号。

本发明的另一目的是提供一种操作光信号调制器的方法，使得调制的输出辐射显示出增强的信号质量。

本发明的概述

本发明的实施例涉及一种光信号调制器，其包括：

调制器单元，其具有用于输入光辐射的光进入端口、各自用于输出调制的光辐射的第一和第二光输出端口和用于输入电调制信号的电进入端口，该调制器单元被配置为响应于电调制信号来调制光辐射，

光电检测器，其连接到第二光输出端口，并被配置为测量在第二光输出端口处发射的调制的光辐射，并提供监视信号，以及

电信号组合器，其具有用于输入外部电数据信号的第一输入端口、用于输入基于监视信号的校正信号的第二电输入端口和连接到调制器单元的电进入端口的电输出端口，

其中，组合器被配置为通过组合外部电数据信号和校正信号来生成所述电调制信号。

调制器单元、光电检测器和组合器优选地集成在相同的半导体芯片中。

从调制器单元的第二输出端口经由光电检测器和组合器到调制器单元的电进入端口的信号延迟优选地短于10ps。

调制器单元、光电检测器和组合器优选地集成在位于相同的半导体芯片的相同的半导体衬底上的半导体层中。

根据优选实施例，信号调制器被配置为生成具有给定比特持续时间的光数据信号，其中，信号路径从调制器单元的第二输出经由光电检测器和组合器延伸到调制器单元的电进入端口的信号路径是如此短，以至于信号传播时间降到所述给定比特持续时间的25％以下。

调制器单元可以包括具有第一输出端口和第二输出端口的mmi耦合器，其中，mmi耦合器的第一输出端口形成调制器单元的第一光输出端口，并且其中，mmi耦合器的第二输出端口形成调制器单元的第二光输出端口。

可替代地或附加地，调制器单元可以包括马赫曾德尔干涉仪和位于马赫曾德尔干涉仪的至少一个干涉仪臂中的相位调制器，其中，所述电调制信号被施加到至少一个相位调制器。

马赫曾德尔干涉仪可以包括具有第一输出端口和第二输出端口的3db-mmi输出耦合器，其中，mmi耦合器的第一输出端口形成调制器单元的第一光输出端口，并且其中，mmi耦合器的第二输出端口形成调制器单元的第二光输出端口。

组合器可以被配置为从外部电数据信号中减去校正信号，以便生成电调制信号。

组合器可以包括反相器和加法器。反相器可以被配置为将校正信号的符号反相并生成反相的校正信号。加法器可以被配置为将外部电数据信号和反相的校正信号相加以便生成电调制信号。

监视信号本身可以形成校正信号。

可替代地，可以在光电检测器和信号组合器之间电布置放大器。放大器可以被配置为放大监视信号，并且从而生成校正信号。

放大器可以是跨阻放大器。

调制器单元、光电检测器、放大器和组合器优选以近距离集成在相同的半导体芯片中，使得从调制器单元的第二输出经由光电检测器、放大器和组合器延伸到调制器单元的电进入端口的信号路径如此短，以至于信号传播时间小于给定比特持续时间的25％。

从组合器单元的输出经由调制器单元的第二输出端口、光电检测器、放大器到组合器单元的第二电输入端口的信号延迟优选地短于10ps。

可以在调制器单元的第二光输出端口与光电检测器之间的光信号路径中布置至少一个光滤波器或光畸变元件。

在光电检测器和调制器单元的电进入端口之间的电路径中可以布置至少一个电滤波器或电畸变元件。

本发明的另一个实施例涉及一种用于基于外部电数据信号来生成光数据信号的方法，包括以下步骤：

通过将电调制信号施加到调制器单元的电进入端口来调制光辐射，所述调制器单元在调制器单元的第一光输出端口处发射所述光数据信号，

测量在调制器单元的第二光输出处发射的调制的光辐射并提供监视信号，以及

将基于监视信号的校正信号与所述外部电数据信号电组合，并且从而形成所述电调制信号。

外部电数据信号的比特持续时间被优选地选择以满足以下条件：

tb>4*tp

其中，tb描述了外部电数据信号的比特长度，tp描述了从组合器单元的输出到组合器单元的第二电输入端口的反馈信号路径中的传播时间。

附图说明

为了容易理解获得本发明的上述和其他优点的方式，将通过参考在附图中示出的本发明的特定实施例来对以上简要描述的本发明进行更具体的描述。应当理解，这些附图仅描述了本发明的典型实施例，因此不应认为是对本发明范围的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和说明本发明，其中：

图1以俯视图示出了根据本发明的光信号调制器的第一示例性实施例，

图2示出了由图1的实施例生成的示例性眼图，其没有激活的反馈回路并且没有降低高阶畸变，

图3示出了由图1的实施例生成的示例性眼图，其具有激活的反馈回路并且具有降低的高阶畸变，

图4示出了产生的反馈路径中的不同反馈增益值的调制光输出信号的带宽，

图5示出了图1的示例性实施例的横截面，

图6-10示出了根据本发明的光信号调制器的进一步的示例性实施例。

具体实施方式

参考附图将最好地理解本发明的优选实施例。容易理解的是，如本文附图中一般描述和说明的，本发明可以在很宽的范围内变化。因此，如附图所示，对本发明的示例性实施例的以下更详细的描述并非旨在限制所要求保护的本发明的范围，而仅是本发明的当前优选实施例的代表。

图1示出了根据本发明的光信号调制器300的第一示例性实施例。光信号调制器300包括半导体芯片10。半导体芯片10的第一区域20包含光信号调制器300的电子组件，并且半导体芯片10的第二区域30包含光信号调制器300的光和电光组件。

光输入41、光输出42、输入波导43、输出波导44、调制器单元50和光电检测器60位于半导体芯片10的第二区域30中。

放大器70和电信号组合器80位于半导体芯片10的第一区域20中。

调制器单元50具有用于输入光辐射p的光进入端口53和用于输入电调制信号em的电进入端口54。如将在下面进一步详细解释的，调制器单元50被配置为响应于电调制信号em来调制光辐射p。调制的辐射的第一部分p'在第一光输出端口51处离开调制器单元50。调制的辐射的第二部分p'在第二光输出端口52处离开。

光电检测器60连接到第二光输出端口52，并测量在第二光输出端口52处发射的调制的光辐射p'2。光电检测器60提供监视信号m。

放大器70放大监视信号m，并且从而生成校正信号cs。放大器70可以是跨阻放大器。

电信号组合器80具有用于输入外部电数据信号ds的第一输入端口81和用于输入校正信号cs的第二电输入端口82。组合器80可以由运算放大器以及其他组件(例如，预加重单元)组成或包括运算放大器以及其他组件。

电信号组合器80从外部电数据信号ds中减去校正信号cs，并生成电调制信号em。电调制信号em在电输出端口83处离开电信号组合器80并到达调制器单元50的电进入端口54。

从电组合器80的电输出端口83，经由调制器单元50的电进入端口54、马赫曾德尔干涉仪310、调制器单元50的第二输出端口52、光电检测器60、放大器70延伸到组合器80的第二电输入端口82的信号路径以下称为反馈路径。反馈路径在图1中用参考符号fbp表示。

从调制器单元50的光进入端口53延伸到调制器单元50的第一光输出端口51的路径在下文中称为调制路径。调制路径在图1中用参考符号mph表示。

信号调制器300可以被配置为生成给定比特持续时间的光数据信号。在这种情况下，调制器单元50、光电检测器60、放大器70和组合器80优选地相对彼此位于很近的距离，以使得反馈路径fbp足够短以提供低于比特持续时间的25％的信号传播时间。为此，调制器单元50、光电检测器60、放大器70和组合器80优选地集成在相同的半导体芯片10中。

如果信号传播时间不超过比特持续时间的25％，则可以显著地补偿在调制路径mph中引起的高阶非线性，以使它们对调制的光信号pout的信号质量的影响相对较小。高阶非线性的减少是由反馈回路(由反馈路径fbp提供)引起的，尤其是由组合器80引起的，该组合器80从外部数据信号ds中减去出现的非线性畸变。

图2和图3展示了反馈路径fbp对经过nrz调制的光信号pout的影响，该信号在第一光输出端口51处离开调制器单元50。图2示出了眼图，也称为眼状图，例如，在关闭组合器80的情况下，无需补偿高阶非线性。

图3示出了具有较高阶非线性补偿的各个眼图。

图1示出了由于对于反馈路径fbp的不同的反馈增益值gl的反馈回路而导致的产生的带宽的增加。在图4的示例性实施例中，带宽随着增益值gl的增加而从5ghz增加到16.3ghz。

对于具有给定设计并因此具有反馈路径fbp的给定长度的信号调制器300，优选地选择外部电数据信号ds的比特持续时间以满足以下条件：

tb>4*tp

其中tb描述了外部电数据信号ds的比特长度，tp描述了从第二输出52到调制器单元50的电进入端口54的反馈路径fbp中的传播时间。

例如对于数据速率为10gbit/s的光输出信号pout，反馈路径fbp应该优选地短于5600μm。在这种情况下，由反馈路径fbp引起的信号延迟短于25ps(考虑到由放大器70(如果存在)和组合器80引起的7,5ps的典型信号延迟)并且上述条件tb>4*tp被满足。

对于数据速率为25gbit/s的光输出信号pout，反馈路径fbp应该优选地短于800μm，以便使反馈路径fbp中的信号延迟短于10ps(再次考虑到由放大器70(如果存在)和组合器80引起的7,5ps的典型信号延迟)。

调制器单元50可以包括马赫曾德尔干涉仪310和位于马赫曾德尔干涉仪311的干涉仪臂311和312之一或两者中的相位调制器320。电调制信号em被施加到干涉仪臂311和312中的至少一个。相位调制器320可以包括允许载流子注入或耗尽的pn结。

在图1的实施例中，马赫曾德尔干涉仪310还包括中间波导313和远程3db分路器314。3db分路器314的一个出口端口形成调制器单元50的第一光输出端口51和调制器单元50的另一个第二光输出端口52。

图5示出了图1的示例性实施例的横截面。

输入波导43、输出波导44、调制器单元50、光电检测器60、放大器70和电信号组合器80优选地共享相同的半导体芯片10的相同的波导硅层13。半导体芯片10可以基于soi(绝缘体上硅)材料，该soi材料包括硅衬底11、在衬底11之上的掩埋氧化物层12以及在掩埋氧化物层之上的硅层。后者的硅层优选地形成波导硅层13。

光输入41和光输出42可各自包括偏转元件41a，42a和透镜41a，41b。偏转元件41a和42a优选地是形成在波导硅层13中并且因此形成在半导体芯片10的前端中的光栅。透镜41b和42b优选地形成在半导体芯片10的后端的至少一个后端层14中。

发射器200(例如激光器)可以是安装在半导体芯片10上的倒装芯片。例如，发射器200可以通过基板210安装在半导体芯片10上。光发射器200优选是连续波激光器。光发射器200可以是光信号调制器300的组件或外部组件。

半导体芯片10的前端和/或后端可以进一步包括一个或多个金属层15和通孔16(通孔：垂直互连接入，层之间的垂直电连接)。金属层15和通孔16可用于将半导体芯片10的组件与光信号调制器300的另一个和/或其他组件(例如，发射器200)和/或与外部组件电连接。

图6示出了根据本发明的光信号调制器300的第二示例性实施例。与图1的光信号调制器300相比，监视信号m本身形成校正信号cs。省略放大器70。

图7示出了根据本发明的光信号调制器300的第三示例性实施例。与图1的光信号调制器300相比，马赫曾德尔干涉仪310包括3db-mmi输出耦合器315。3db-mmi输出耦合器315具有第一输出端口315a和第二输出端口315b。mmi耦合器315的第一输出端口315a形成调制器单元50的第一光输出端口51，并且连接到光信号调制器300的数据输出端口42。mmi耦合器315的第二输出端口315b形成调制器单元50的第二光输出端口52，并与光电检测器60连接。

图8示出了根据本发明的光信号调制器300的第四示例性实施例。与图7的光信号调制器300相比，监视信号m本身形成校正信号cs。省略放大器70。

图9示出了根据本发明的光信号调制器300的第五示例性实施例。与图1的光信号调制器300相比，组合器80由反相器87和加法器88组成。反相器87对校正信号cs的符号进行反相并生成反相的校正信号。加法器88将外部电数据信号ds和反相的校正信号相加，以生成电调制信号em。

图10示出了根据本发明的光信号调制器300的第六示例性实施例。光信号调制器300包括如结合图7所讨论的马赫曾德尔干涉仪310。

与图7的光信号调制器300相比，组合器80由反相器87和加法器88组成。图10的组合器80可以与结合图9讨论的组合器相同。

本文公开的本发明的各种实施例和实施例的各种方面不仅要以本说明书中具体描述的顺序和上下文来理解，还应包括任何顺序及其任何组合。每当上下文需要时，以单数形式使用的所有单词均应视为包括复数形式，并且反之亦然。每当上下文需要时，以单词“和”列出的所有选项都应被视为包括“或”，并且反之亦然，及其任意组合。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的多个实施例。申请人希望强调，每个实施例的每个特征可以与任何其他实施例结合或添加到任何其他实施例，以便修改相应的实施例并创建附加的实施例。这些附加实施例构成了本公开的一部分，并且因此，申请人可以在起诉的后期阶段就这些附加实施例提出进一步的专利权利要求。

此外，申请人想强调的是，以下每个从属权利要求的每个特征都可以与目前的独立权利要求中的任何一个以及目前的从属权利要求中的任何其他(一个或多个)组合(无论目前的权利要求结构如何)。

因此，申请人可以在诉讼的后期阶段将进一步的专利权利要求指向其他权利要求组合。

参考标记

10半导体芯片

11硅衬底

12掩埋氧化物层

13波导硅层

14后端层

15金属层

16通孔

20半导体芯片的第一区域

30半导体芯片的第二区域

41光输入

41a偏转元件

41b透镜

42光输出

42a偏转元件

42b透镜

43输入波导

44输出波导

50调制器单元

51第一光输出端口

52第二光输出端口

53光进入端口

54电进入端口

60光电检测器

70放大器

80电信号组合器

81第一电输入端口

82第二电输入端口

83电输出端口

87反相器

88加法器

200发射器

210基板

300光信号调制器

310马赫曾德尔干涉仪

311干涉仪臂

312干涉仪臂

313中间波导

3143db分路器

3153db-mmi输出耦合器

315a第一输出端口

315b第二输出端口

320相位调制器

cs校正信号

ds外部电数据信号

em电调制信号

fbp反馈路径

gl反馈增益值

m监视信号

mph调制路径

p光辐射

p'调制的辐射的第一部分

p'2调制的光辐射的第二部分