一种与偏振无关的硅基电光调制器

1.本实用新型涉及一种与偏振无关的硅基电光调制器，属于半导体硅基光电子通信器件集成技术领域。


背景技术：

2.硅光子学器件在光学应用中具有广阔的前景通信，由于其低成本，高性能以及与现有技术的互补金属氧化物半导体(cmos)技术。硅光学调制器是数据通信相关应用的关键组成部分，意义重大。过去十年中，硅光子调制器领域取得了进展。在所有类型的硅光调制器中，基于硅载流子损耗的调制器已被证明是最流行的光调制解决方案硅由于其高性能，例如高速和低功耗。受到光纤长距离通信的广泛关注。在调制器中通常采用相位调制或者幅度调制的方式，其中相位调制主要通过改变载流子浓度从而改变材料的折射率，进而改变光在波导中的传播常数。幅度调制主要利用物理方式改变材料的吸收系数从而改变出射光的强度。目前最常见的方式是将两者结合，在相位调制的基础上，通过马赫曾德尔或者微环结构将相位变化转换为幅度的变化，这种方式可以更加容易的通过探测器直接检测到。
3.但对于硅基的马赫曾德尔结构的调制器，在材料中的载流子浓度发生改变时，往往会伴随着材料吸收系数的改变。因此对于传统的mzi结构的硅基电光调制器，其消光比相比于三五族材料的调制器还有一定的差距。于此同时，对于目前的大多数的硅光子器件，其对偏振的依赖十分明显，这导致了传统的mzi调制器在测试前需要外接偏振控制器来预调整器件的偏振输出，提高了测试的难度及时间成本，也使得器件在实际应用中产生了许多的限制和困难。因此，如何实现偏振无关化的调制器件也是一个重要的课题，而旋转偏振分束器是一种可以实现将两种偏振态的光分束到不同硅波导通道的同时，将tm偏振态光源转换为te 偏振态的关键器件，同时光功分比可调的mmi结构可以有效的解决由光源导致的偏振态比例不同而引起的调制器两臂的光强不同的情况。
4.因此，鉴于上述硅光子调制器出现的问题，本实用新型提出了一种与偏振无关的硅基电光调制器结构。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种与偏振无关的硅基电光调制器，本实用新型通过旋转偏振分束器及光功分比可调的mmi结构，可以有效的解决当前调制器偏振敏感性及消光比低的问题。
6.本实用新型技术方案是：一种与偏振无关的硅基电光调制器，包括旋转偏振分束器1，与旋转偏振分束器1相连接的是mzi结构中的光传输波导2，在mzi 结构中设有进行光信号调节的移相臂3，移相臂3与光传输波导2相连接；光传输波导2末端光通过光功分比可调的mmi合束器4进行合束，光输出通道5输出调制光信号。
7.作为本实用新型的进一步方案，所述光功分比可调的mmi合束器4通过附载电极6进行分光比调节。
8.作为本实用新型的进一步方案，所述光功分比可调的mmi合束器4包括多模干涉波导7及多模干涉波导7顶端的附载电极6。
9.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉波导7为矩形结构，输入和输出波导沿光场在宽度上发生变化。
10.作为本实用新型的进一步方案，所述的光传输波导2横截面为条形或者脊型结构，使光信号在器件中保持单模传输。
11.作为本实用新型的进一步方案，所述的移相臂3结构的横截面为正向pin 型或者反向pn型掺杂形式。
12.作为本实用新型的进一步方案，所述旋转偏振分束器1由宽度随着光场的传播方向发生变化的两个波导组成。
13.作为本实用新型的进一步方案，所述旋转偏振分束器1用于将输入的混合模式光场根据偏振模式经行分束，并将其中的tm模式光进行偏振旋转，得到te 模式光。
14.所述光功分比可调的mmi合束器4通过材料的电光效应、热光效应、声光效应、自由载流子色散效应等任意一种来改变器件的折射率，使输出的两臂的光信号从50：50到0：100进行调节。
15.本实用新型通过对旋转偏振分束器，将混合模式光信号进行分离转换到mzi 结构中的两个调制臂上，使mzi在调制时两个臂的可以根据偏振模式的输出光强进行调制，使器件无需依靠外界的偏振控制器即可使用，同时通过光功分比可调的mmi结构实现光强的平衡，简化了器件测试时的操作难度。有效的解决了当前mzi光调制器的对偏振敏感的问题及消光比低的问题。
16.所述与偏振无关的硅基电光调制器，该硅光调制器还包括分别位于移相臂两侧的金属电极15，金属电极15上开有接触孔16，同时光功分比可调的mmi合束器4上包括多模干涉波导7及多模干涉波导7顶端的附载电极6，附载电极6 用于调节器件的分光比。
17.优选的，所述移相臂3的横截面为正向pin型，即在平板层分布为p型掺杂区9、n型参杂区10、p+型掺杂区11、n+型掺杂区12。波导中心为本征区域8，不设置掺杂。二氧化硅包层13和埋氧层14用于把光信号限制在波导本征区域8内。
18.所述移相臂3的p+型掺杂区11、n+型掺杂区12分别引出电极短接金属材料作为器件的阴极和阳极。上述金属电极15材料可以为al，cu或w等。
19.本实用新型的有益效果是：本实用新型所提出的与偏振无关的硅基电光调制器是采用旋转偏振分束器作为输出端口，旋转偏振分束器与两个硅基传输波导相连接，且每个硅基传输波导上设有行波电极及移相臂来实现光调制，两臂与光功分比可调的mmi结构相连接，来实现两臂的光强平衡，调制的光信号将通过输出端口输出。当光信号输入进入旋转偏振分束器后，tm偏振光及te偏振光将被分别输出进入不同的光通道中，同时tm光通过旋转器转换为te光源。在调制过程中，当其中一调制臂处于调制模式时，其光强与未调制的另一臂的光强将产生差异，且由于光源本身te光与tm光的比率不同及调制导致的光强差异，为使两臂中的光强保持一致，可以对光功分比可调的mmi施加电压，改变两臂的光强输出功分比可使得两调制臂的光强相同，实现器件偏振无关化的同时，提高调制器的消光比。
附图说明
20.图1是本实用新型调制器基本结构示意图；
21.图2是本实用新型光功分比可调的mmi结构的俯视图；
22.图3是本实用新型调制器的移相臂截面示意图；
23.图4是旋转偏振分束器在1550波段下的器件仿真的光透射图谱仿真结果；
24.图5是调制器在1550波段下的器件仿真的光透射图谱仿真结果。
25.图1
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5中各标号：1
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旋转偏振分束器，2
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光传输波导，3
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移相臂，4
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光功分比可调的mmi合束器，5
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光输出通道，6
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附载电极，7
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多模干涉波导，8
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本征区域，9
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p型掺杂区，10
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n型参杂区，11
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p+型掺杂区，12
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n+型掺杂区，13
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二氧化硅包层，14
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埋氧层，15
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金属电极，16
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接触孔。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
27.实施例1：如图1
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5所示，一种与偏振无关的硅基电光调制器，包括旋转偏振分束器1，与旋转偏振分束器1相连接的是mzi结构中的光传输波导2，在 mzi结构中设有进行光信号调节的移相臂3，移相臂3与光传输波导2相连接；光传输波导2末端光通过光功分比可调的mmi合束器4进行合束，光输出通道 5输出调制光信号。
28.作为本实用新型的进一步方案，所述光功分比可调的mmi合束器4通过附载电极6进行分光比调节。
29.作为本实用新型的进一步方案，所述光功分比可调的mmi合束器4包括多模干涉波导7及多模干涉波导7顶端的附载电极6。
30.作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉波导7为矩形结构，输入和输出波导沿光场在宽度上发生变化。
31.作为本实用新型的进一步方案，所述的光传输波导2横截面为条形或者脊型结构，使光信号在器件中保持单模传输。
32.作为本实用新型的进一步方案，所述的移相臂3结构的横截面为正向pin 型或者反向pn型掺杂形式。
33.作为本实用新型的进一步方案，所述旋转偏振分束器1由宽度随着光场的传播方向发生变化的两个波导组成。
34.作为本实用新型的进一步方案，所述旋转偏振分束器1用于将输入的混合模式光场根据偏振模式经行分束，并将其中的tm模式光进行偏振旋转，得到te 模式光。
35.其中光功分比可调的mmi合束器4包括多模干涉波导7及多模干涉波导7 顶端的附载电极6。光传输波导2的横截面为脊形波导，其中脊高130nm，平板层高90nm。脊形波导宽度为500nm，其中移相臂3是由掺杂形成的pin结构的脊型光波导。平板区域为p型掺杂区9与n型掺杂区10形成的轻掺杂区域，波导中心为本征区域8。与下层平板层相连接，外侧与平板层相连接的部分由p+ 型掺杂区11和n+型掺杂区12组成，并在p+型掺杂区11和n+型掺杂区12上方沉积金属电极15，形成欧姆接触。在金属电极15上方开有接触孔16，与外部调制信号相连接。其中p型掺杂区9、p+型掺杂区11的注入离子为硼粒子，其浓度分别为4e17cm
‑3和1e20cm
‑3。n型掺杂区10、n+型掺杂区12的注入离子为磷粒子，其浓度分别为4e17cm
‑3和
1e20cm
‑3。金属电极15为al材料，接触孔的直径为5微米。
36.当光信号输入进入旋转偏振分束器1后，tm偏振光及te偏振光将被分别输出进入不同的光传输波导2中，同时tm光通过旋转偏振分束器1转换为te 光源。在调制过程中，当其中一移相臂3处于调制模式时，其光强与未调制的另一臂的光强将产生差异，且由于光源本身te光与tm光的比率不同及调制导致的光强差异，为使两臂中的光强保持一致，可以对光功分比可调的mmi合束器 4上的附载电极6施加电压，改变两臂的光强输出功分比可使得两调制臂的光强相同，实现器件偏振无关化的同时，提高调制器的消光比。
37.图5为本实用新型旋转偏振分束器、偏振无关的硅基电光调制器在1550波段下的器件仿真的光透射图谱。可见，通过旋转偏振分束器及光功分比可调的 mmi合束器4的引入，使得两臂的光在输出端可以发生完全干涉，使器件对于偏振不敏感，同时提高了器件的消光比，减小了器件的误码率，提高了调制器的信号传输效率。
38.本实用新型的工作原理是：
39.当光信号输入进入旋转偏振分束器后，tm偏振光及te偏振光将被分别输出进入不同的光通道中，同时tm光通过旋转偏振分束器1转换为te光源。在调制过程中，当其中一调制臂处于调制模式时，其光强与未调制的另一臂的光强将产生差异，且由于光源本身te光与tm光的比率不同及调制导致的光强差异，为使两臂中的光强保持一致，可以对光功分比可调的mmi合束器4施加电压，改变两臂的光强输出功分比可使得两调制臂的光强相同，实现器件偏振无关化的同时，提高调制器的消光比。
40.上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。