[发明专利]一种可集成多功能光学调制器

说明书

本发明的实施方式提供了提供一种用于光通信系统的两端口多功能光调制器，该器件具有以下功能：1)常规的两端口光调制器，提供幅度光调制、相位光调制和高阶光调制功能；2)单端口的反射式光调制器，仅仅提供幅度光调制功能；3)单端口的反射式光调制器，提供幅度光调制、相位光调制和高阶光调制功能。它可以作为集成光学回路的一部分来应用，也可以单独作为一个两端口的器件来使用。该器件便于集成在硅基光学芯片上，因此便于构成低成本和高可靠性的光学模块，应用于光通信与光互联系统中。

技术领域

本发明涉及集成光学器件领域，特别涉及一种具有常规高阶光调制与反射式高阶光调制的器件。

背景技术

集成光子器件是光电子领域的一项关键技术。由于技术的发展，人们在硅基材料构成的光学芯片上已经可以制作出光耦合器、光分束器、光滤波器等无源光学器件，或是光调制器、电光开关等有源光学器件。由于采用绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术的硅基集成器件能够很好的与CMOS工艺相兼容，因此硅基器件便于大规模生产且具有成本优势，人们希望将光互联设备、光通信和光网络中的某些器件集成在单个硅基光学芯片上，最终实现片上光网络(network on chip，NOC)，从而使集成光学回路(Photonicintegrated circuits，PIC)像集成电路一样，能够提供成本较低、功耗较小且性能稳定的光模块资源，应用在未来信息传输和信息处理当中。

硅基光子集成技术是一项新兴的技术，从技术层面上说还存在不少需要解决的问题，但是，随着成本和性能要求越来越严苛的光纤通信等领域的需求不断发展，硅基光子集成技术的应用是大势所趋。利用半导体CMOS工艺，能够在硅片上制作出马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)等传统结构的光学器件，或者包含大量微环等谐振结构的光学器件¹，或者包含MZI和微环阵列混合结构的光学器件²，其结构如图1所示，它们可以应用在光学滤波器和光学调制器当中，研究人员希望将这些结构的硅基光器件直接应用在光通信当中。

为了增强光学调制器的调制效率，一些研究人员将反射镜结构引入光调制器模块中，形成如图2所示的反射式光调制器结构³。在图2中，2×2光学定向耦合器的端口分别连接着两段光波导，形成光调制器的两个臂，所不同的是光波在两个臂上传播时，既有入射方向的调制，也有反射方向的调制，采用该结构可以制成传输速率高达40Gbit/s的光调制器⁴，此时光调制器的动态消光比可以达到3.9dB。专利文献5提出了一种谐振结构的反射式光调制器，但是该结构的光学调制器调制特性与波长相关，需要进行波长稳定性控制，会在一定程度上增加器件的复杂度。由于反射调制能够增强光波和电的相互作用，这使得光学芯片的尺寸相比于原来MZI结构有所减小，因此，可以减小最终光学收发设备的体积。

以上提出的硅基反射式调制结构的芯片可能应用在光接入系统中。例如，专利文献6提出了一种能够扩展TWDM-PON系统中光网络单元(Optical network unit，ONU)数目的方案。该方案中的子网光网络单元需要用到反射式光调制器，而反射式光学调制器如果采用分立器件，体积将会偏大，且往往需要应用光学环形器，若这些器件能够采用光子集成的方法实现，将会减小器件体积，提高系统的整体可靠性。

但是现有的反射式光调制器仅仅具有简单的幅度光调制功能，缺少相位光调制器功能。在未来的光接入系统中，为了继续增加光接入系统容量，廉价的高阶光调制将是一种重要的技术方案，而制造廉价的高阶光调制器将是该方案的核心问题。因此，研究廉价的硅基反射式光调制器成为光接入领域一个重要的技术发展方向。

参考文献：

1.G.T.Reed，G.Mashanovich，F.Y.Gardes，etal.Silicon optical modulators[J].Nat.Photonics 2010，4：518-526.