專利名稱：用于對(duì)光學(xué)器件中的光束進(jìn)行偏振不敏感移相的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及光學(xué)裝置，并且更具體地，本發(fā)明涉及對(duì)光束進(jìn)行移相。
背景信息隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)率正在超過(guò)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，推動(dòng)了對(duì)光通信的需求，對(duì)快速并且高效的基于光學(xué)的技術(shù)的需求正日益增加。在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)以及吉比特(GB)以太網(wǎng)系統(tǒng)中，多個(gè)光學(xué)信道在同一光纖上的傳輸提供使用由纖維光學(xué)提供的史無(wú)前例的容量(信號(hào)帶寬)的簡(jiǎn)單方法。在系統(tǒng)中一般使用的光學(xué)元件包括波分復(fù)用(WDM)發(fā)射器和接收器、例如衍射光柵的光學(xué)濾波器、薄膜濾波器、光纖布拉格(bragg)光柵、陣列波導(dǎo)光柵、光學(xué)分插復(fù)用器、激光器以及光學(xué)開(kāi)關(guān)。光學(xué)開(kāi)關(guān)可以被用來(lái)對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制。兩種常見(jiàn)類型的光學(xué)開(kāi)關(guān)是機(jī)械開(kāi)關(guān)器件和電-光開(kāi)關(guān)器件。
機(jī)械開(kāi)關(guān)器件一般包括放置在光纖之間的光路中的物理元件。移動(dòng)這些元件以引起開(kāi)關(guān)動(dòng)作。近來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)已經(jīng)被用于小型機(jī)械開(kāi)關(guān)。MEMS很流行，因?yàn)樗鼈兪腔诠璧?，并且使用相?dāng)常規(guī)的硅處理技術(shù)來(lái)處理。但是，因?yàn)镸EMS技術(shù)一般依賴于物理部件或者元件的實(shí)際機(jī)械移動(dòng)，所以MEMS一般局限于較低速度的光學(xué)應(yīng)用，例如具有毫秒量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用。
在電-光開(kāi)關(guān)器件中，電壓被施加到器件被選擇的部分，以在所述器件內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)。電場(chǎng)改變所述器件內(nèi)被選擇材料的光學(xué)性質(zhì)，并且所述電-光效應(yīng)導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)動(dòng)作。電-光器件通常利用將光學(xué)透明性(optical transparency)與電壓可變光學(xué)行為組合的電-光材料。在電-光器件中使用的一種典型類型的單晶電-光材料是鈮酸鋰(LiNbO3)。
鈮酸鋰在從紫外到中紅外的頻率范圍內(nèi)是透明的材料，它表現(xiàn)出例如泡克爾斯效應(yīng)(Pockels effect)的電-光性質(zhì)。普克爾斯效應(yīng)是一種光學(xué)現(xiàn)象，在所述光學(xué)現(xiàn)象中，例如鈮酸鋰的介質(zhì)的折射率隨所施加的電場(chǎng)而變化。鈮酸鋰的變化的折射率可被用來(lái)提供開(kāi)關(guān)。外部控制電路提供所施加的電場(chǎng)給當(dāng)前的電-光開(kāi)關(guān)。
盡管這些類型器件的開(kāi)關(guān)速度非常快，例如在納秒量級(jí)上，但當(dāng)前的電-光開(kāi)關(guān)器件的一個(gè)缺點(diǎn)是這些器件為了切換(switch)光束一般需要相對(duì)地高的電壓。結(jié)果，用來(lái)控制當(dāng)前的電-光開(kāi)關(guān)的外部電路通常被專門制造以生成高壓，并且承受大量的功耗。另外，隨著器件尺寸持續(xù)縮小以及電路密度持續(xù)增加，這些外部高壓控制電路與當(dāng)前的電-光開(kāi)關(guān)的集成正變成日益富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明在附圖中，以實(shí)施例而不是限制的方式來(lái)圖示說(shuō)明本發(fā)明。


圖1是一種光學(xué)器件的剖面圖示，所述光學(xué)器件包括靠近光波導(dǎo)中的平面形絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域，其中所述光學(xué)器件表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振依賴性。
圖2是一種光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖示，所述光學(xué)器件包括靠近光波導(dǎo)中的大致V形的絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域，其中依照本發(fā)明教導(dǎo)，所述光學(xué)器件表現(xiàn)出偏振無(wú)關(guān)性。
圖3是圖示依照本發(fā)明教導(dǎo)，被引導(dǎo)通過(guò)光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施方案的光束的橫向電場(chǎng)(transverse electric field，TE)模(mode)的矢量模型的圖，所述光學(xué)器件包括靠近光波導(dǎo)中的大致V形的絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域。
圖4是圖示依照本發(fā)明教導(dǎo)，被引導(dǎo)通過(guò)光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施方案的光束的橫向磁場(chǎng)(transverse magnetic field，TM)模的矢量模型的圖，所述光學(xué)器件包括靠近光波導(dǎo)中大致V形的絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域。
圖5是一種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的框示，所述系統(tǒng)包括光發(fā)射器和光接收器，具有包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的偏振不敏感光學(xué)移相器的一個(gè)實(shí)施方案的光學(xué)器件。
圖6是一種光學(xué)調(diào)制器的一個(gè)實(shí)施方案的框示，所述光學(xué)調(diào)制器包括具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的偏振不敏感光學(xué)移相器的一個(gè)實(shí)施方案的馬赫-澤德干涉儀(MachZehnder Interferometer，MZI)配置。
圖7是一種光學(xué)調(diào)制器的一個(gè)實(shí)施方案的框示，所述光學(xué)調(diào)制器包括具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的偏振不敏感光學(xué)移相器的一個(gè)實(shí)施方案的法布里-珀羅腔(Fabry-Perotcavity)配置。
詳細(xì)描述公開(kāi)了用于以光學(xué)器件對(duì)光束進(jìn)行偏振不敏感移相的方法和裝置。在下面的描述中，闡述了很多具體細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明的完整理解。但是，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會(huì)清楚，實(shí)踐本發(fā)明無(wú)需采用這些具體細(xì)節(jié)。此外，沒(méi)有詳細(xì)地描述公知的材料或者方法以免模糊本發(fā)明。
在整個(gè)說(shuō)明書中提及“一個(gè)實(shí)施方案”或“實(shí)施方案”意味著關(guān)于該實(shí)施方案描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或者特性被包括在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方案中。因此，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施方案中”或“在實(shí)施方案中”在整個(gè)說(shuō)明書中不同地方的出現(xiàn)不一定全是指同一實(shí)施方案。而且，所述特定特征、結(jié)構(gòu)或者特性可以在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方案中以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇M合。另外可以理解，這里提供的圖是用于向本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員說(shuō)明的目的，并且這些圖不一定按比例繪制。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，以單個(gè)集成電路芯片上的全集成解決方案提供基于半導(dǎo)體的光學(xué)器件。當(dāng)前描述的光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施方案包括基于半導(dǎo)體的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)具有適于響應(yīng)于信號(hào)對(duì)光束進(jìn)行移相的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電容器型結(jié)構(gòu)。所公開(kāi)的光學(xué)器件的實(shí)施方案可以在多種高帶寬應(yīng)用中使用，所述高帶寬應(yīng)用包括多處理器、電信、網(wǎng)絡(luò)以及諸如光學(xué)延遲線、開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、分插復(fù)用器(add/drop)等的其他的高速光學(xué)應(yīng)用。
在一個(gè)實(shí)施方案中，CMOS電容器型結(jié)構(gòu)適合于靠近波導(dǎo)中的大致V形的絕緣區(qū)域調(diào)制帶電區(qū)域(charged region)。光束被引導(dǎo)通過(guò)波導(dǎo)并且通過(guò)靠近大致V形的絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域，以對(duì)光束進(jìn)行移相。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，利用通過(guò)光波導(dǎo)的大致V形的絕緣區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)關(guān)的相位效率(phase efficiency)。如將要討論的，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在大致V形的絕緣區(qū)域平面之間的基本上正交的關(guān)系導(dǎo)致被任意地偏振的光束基本偏振不敏感的移相，因?yàn)楣馐臋M向電場(chǎng)(TE)和橫向磁場(chǎng)(TM)模分量相對(duì)彼此成直角地傳播通過(guò)光波導(dǎo)。
為了圖示說(shuō)明，圖1是剖面，一般地圖示包括靠近光波導(dǎo)中的平面形絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域的光學(xué)器件。如圖1中所示，光學(xué)器件101包括具有第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料103的第一區(qū)域和具有第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料105的第二區(qū)域。平面絕緣區(qū)域111被設(shè)置在半導(dǎo)體材料區(qū)域103和105之間。如圖1中所圖示，光學(xué)器件101在絕緣體上硅(silicon-on-insulator，SOI)晶片上被制造，并且因此包括掩埋絕緣層107和半導(dǎo)體材料層109。光學(xué)器件101中包括光波導(dǎo)127，光束121沿著光路被引導(dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)127。沿著其光束121被引導(dǎo)的光路沿著這樣的軸線，即所述軸線平行于光學(xué)器件101的光波導(dǎo)的軸線。因此，光路以及因而光束121被示為沿著穿過(guò)頁(yè)面，或者進(jìn)入并且離開(kāi)頁(yè)面的方向傳播。如圖1中所示，半導(dǎo)體材料區(qū)域105接地，并且半導(dǎo)體材料區(qū)域103被耦合成通過(guò)接觸體(contact)113和115接收VSIGNAL。
在工作中，光束121沿著通過(guò)電荷調(diào)制區(qū)域133的光路被引導(dǎo)通過(guò)光波導(dǎo)127。將VSIGNAL施加到光波導(dǎo)127，以靠近平面絕緣區(qū)域111或者在絕緣區(qū)域111與半導(dǎo)體材料區(qū)域103和105之間的界面處調(diào)制電荷調(diào)制區(qū)域133中的自由電荷載流子濃度。所施加的來(lái)自VSIGNAL的電壓改變電荷調(diào)制區(qū)域133中的自由電荷載流子密度，所述改變導(dǎo)致光波導(dǎo)127中半導(dǎo)體材料的折射率的改變。
在工作中，光束121沿著通過(guò)電荷調(diào)制區(qū)域133的光路被引導(dǎo)通過(guò)光波導(dǎo)127。將VSIGNAL施加到光波導(dǎo)127，以在絕緣區(qū)域111與半導(dǎo)體材料區(qū)域103和105之間的界面處調(diào)制電荷調(diào)制區(qū)域133中的自由電荷載流子濃度。所施加的來(lái)自VSIGNAL的電壓改變電荷調(diào)制區(qū)域133中的自由電荷載流子密度，所述改變導(dǎo)致光波導(dǎo)127中半導(dǎo)體材料的折射率的改變。
圖1的光學(xué)器件101表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相位效率偏振依賴性。例如，當(dāng)光束121的偏振平行于平面絕緣區(qū)域111，或者平行于絕緣區(qū)域111與半導(dǎo)體材料區(qū)域103和105之間的界面時(shí)，相位效率顯著較大，例如是光束121的偏振垂直于平面絕緣區(qū)域111時(shí)的相位效率的大約7倍(7x)。結(jié)果，光學(xué)器件101在對(duì)光束121進(jìn)行移相上的效率依賴于被引導(dǎo)通過(guò)光波導(dǎo)127的光束121的偏振。
圖2是一種光學(xué)器件的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖示，所述光學(xué)器件包括靠近光波導(dǎo)中的大致V形的絕緣區(qū)域的電荷調(diào)制區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，圖2的光學(xué)器件表現(xiàn)出偏振無(wú)關(guān)性。如圖2中所示，光學(xué)器件201包括具有第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料203的第一區(qū)域和具有第二傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體材料205的第二區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，半導(dǎo)體材料203包括具有P型摻雜物的硅，并且半導(dǎo)體材料205包括具有n型摻雜物的硅?？梢岳斫?，為了說(shuō)明目的提供了摻雜物的極性，并且依照本發(fā)明的教導(dǎo)，可以反轉(zhuǎn)摻雜物的極性和相應(yīng)的電壓。在一個(gè)實(shí)施方案中，大致V形的絕緣區(qū)域211被設(shè)置在半導(dǎo)體材料區(qū)域203和205之間。如圖2中所圖示，光學(xué)器件201的一個(gè)實(shí)施方案在絕緣體上硅(SOI)晶片上被制造，并且因此包括掩埋絕緣層207和半導(dǎo)體材料層209。
在一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)器件201中包括光波導(dǎo)227，光束221沿著光路被引導(dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)227。在圖2中圖示的實(shí)施方案中，波導(dǎo)227是脊形波導(dǎo)，包括脊形區(qū)域229和平板區(qū)域231。在一個(gè)實(shí)施方案中，光束221包括紅外或近紅外光。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，光束221具有接近大約1.3微米或1.55微米的波長(zhǎng)。在圖2中圖示的實(shí)施方案中，沿著其光束221被引導(dǎo)的光路沿著這樣的軸線，即所述軸線平行于光學(xué)器件201的光波導(dǎo)的軸線。在圖2中所示的實(shí)施例中，光路以及因而光束221被示為沿著穿過(guò)頁(yè)面，或者進(jìn)入并且離開(kāi)頁(yè)面的方向傳播。在圖2的實(shí)施方案中，大致V形的絕緣區(qū)域221的“V”的頂點(diǎn)形成也基本上平行于光路的相交線，光束221沿著所述光路被引導(dǎo)通過(guò)光波導(dǎo)227。
如圖2的實(shí)施方案中所示，半導(dǎo)體材料區(qū)域205接地，并且半導(dǎo)體材料區(qū)域203被耦合成通過(guò)接觸體213和215接收VSIGNAL。在一個(gè)實(shí)施方案中，接觸體213和215是在光束221的光路以外的位置被耦合到半導(dǎo)體材料區(qū)域205的金屬接觸體。如圖2中所示，將VSIGNAL施加到光波導(dǎo)，導(dǎo)致電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子的調(diào)制，所述電荷調(diào)制區(qū)域233靠近大致V形的絕緣區(qū)域211，并且光束221被引導(dǎo)通過(guò)所述電荷調(diào)制區(qū)域233。從本公開(kāi)獲益的本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，因此提供了CMOS電容器型結(jié)構(gòu)，其中大致V形的絕緣區(qū)域211的相對(duì)面上的高度帶電的區(qū)域代表CMOS電容器型結(jié)構(gòu)的極板。
在一個(gè)實(shí)施方案中，依照本發(fā)明的教導(dǎo)，在光學(xué)器件201中還包括絕緣材料223的緩沖區(qū)和絕緣材料225的緩沖區(qū)。如圖2中所示，緩沖區(qū)223被設(shè)置在接觸體213和光束221的光路之間。緩沖區(qū)225被設(shè)置在接觸體215和光束221的光路之間。在一個(gè)實(shí)施方案中，緩沖區(qū)223和225由具有比波導(dǎo)227的核心的折射率低的折射率的材料制成。結(jié)果，緩沖區(qū)223和225充當(dāng)包層，以便幫助限制光束221保持在波導(dǎo)227內(nèi)。在圖2中圖示的實(shí)施方案中，掩埋絕緣層207也充當(dāng)包層，以便幫助限制光束221保持在波導(dǎo)227內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，緩沖區(qū)223和225還充當(dāng)電氣隔離器，以便在電氣上將耦合到波導(dǎo)227的接觸體與從光束221引導(dǎo)來(lái)的光電場(chǎng)隔離。
在工作中，光束221沿著通過(guò)電荷調(diào)制區(qū)域233的光路被引導(dǎo)通過(guò)光波導(dǎo)227。將VSIGNAL施加到光波導(dǎo)227，以在大致V形的絕緣區(qū)域211與半導(dǎo)體材料區(qū)域203和205之間的界面處調(diào)制電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子濃度。所施加的來(lái)自VSIGNAL的電壓改變電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子密度，所述改變導(dǎo)致光波導(dǎo)227中半導(dǎo)體材料的折射率的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子可以包括例如電子、空穴或它們的組合。
在一個(gè)實(shí)施方案中，響應(yīng)于VSIGNAL，被傳遞通過(guò)電荷調(diào)制區(qū)域233的光束221的相位被調(diào)制。在一個(gè)實(shí)施方案中，由于等離子體光學(xué)效應(yīng)，傳遞通過(guò)波導(dǎo)227中的電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子或者不存在自由電荷載流子時(shí)的光束221的相位被調(diào)制。由于光電場(chǎng)矢量和光波導(dǎo)227中沿著光束221的光路可能出現(xiàn)的自由電荷載流子之間的交互，出現(xiàn)了等離子體光學(xué)效應(yīng)。光束221的電場(chǎng)使自由電荷載流子極化，并且這實(shí)際上擾動(dòng)介質(zhì)的局部介電常數(shù)。這又導(dǎo)致光波傳播速度以及因而光的折射率的擾動(dòng)，因?yàn)檎凵渎示褪钦婵罩械墓馑俸徒橘|(zhì)中的光速之比。因此，響應(yīng)于電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子的調(diào)制，光學(xué)器件201的光波導(dǎo)227中的折射率被調(diào)制。光學(xué)器件201的波導(dǎo)中被調(diào)制的折射率相應(yīng)地對(duì)通過(guò)光學(xué)器件201的光波導(dǎo)227傳播的光束221的相位進(jìn)行調(diào)制。另外，電荷調(diào)制區(qū)域233中的自由電荷載流子被場(chǎng)加速，并且在光能用盡時(shí)導(dǎo)致光場(chǎng)的吸收。一般折射率擾動(dòng)是復(fù)數(shù)，其中實(shí)部是引起速度改變的部分，并且虛部與自由電荷載流子吸收有關(guān)。利用光波長(zhǎng)λ、折射率變化Δn和交互長(zhǎng)度L，相移量φ近似地由φ＝(2π/λ)ΔnL (式1)給出。在硅中的等離子體光學(xué)效應(yīng)的情況下，由電子(ΔNe)和空穴(ΔNh)濃度變化所產(chǎn)生的折射率變化Δn由Δn=-e2λ28π2c2ϵ0n0(be(ΔNe)1.05me*+bh(ΔNh)0.8mh*)]]>(式2)給出，其中，n0是針對(duì)硅的標(biāo)稱折射率，e是電子電荷，c是光速，ε0是自由空間介電率，me*和mh*分別是電子和空穴有效質(zhì)量，be和bh是擬合參數(shù)。
如圖2中可以觀察到的，大致V形的絕緣區(qū)域211的一個(gè)實(shí)施方案可以被刻畫為由兩個(gè)平面絕緣材料區(qū)域217和219形成，所述兩個(gè)平面絕緣材料區(qū)域217和219關(guān)于彼此成角度，形成“V”形。為了本公開(kāi)的目的，可以理解大致V形的絕緣區(qū)域211的“V”的精確形狀可能偏離在圖2中為說(shuō)明目的而圖示的嚴(yán)格“V”形實(shí)施方案。例如，可以使“V”的下端或頂點(diǎn)變平、變鈍或變圓，或者，“V”形可以被包括在鋸齒形的“W”或“M”形結(jié)構(gòu)中，等等。但是，在所有這些各個(gè)實(shí)施方案中，大致V形的絕緣區(qū)域211至少包括所述兩個(gè)絕緣材料區(qū)域，依照本發(fā)明的教導(dǎo)，所述兩個(gè)絕緣材料區(qū)域關(guān)于彼此成角度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，絕緣材料區(qū)域217和219對(duì)于彼此可以是基本正交的關(guān)系。在另一實(shí)施方案中，絕緣材料區(qū)域217和219彼此成不是90度的角。類似于上面的討論，在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)光束221的偏振平行于絕緣材料區(qū)域217或219中的一個(gè)時(shí)，相位效率顯著較大，例如是光束221的偏振垂直于同一絕緣材料區(qū)域217或219時(shí)的相位效率的7倍(7x)。
為了說(shuō)明的目的，例如假設(shè)光束221的偏振平行于大致V形的絕緣區(qū)域211的區(qū)域217。例如，相位效率將是光束221的偏振垂直于大致V形的絕緣區(qū)域211的區(qū)域217時(shí)的相位效率的7倍(7x)。但是，由于區(qū)域217和219彼此基本正交，所以光束221基本上垂直于區(qū)域217的偏振平行于區(qū)域219。類似地，光束221垂直于區(qū)域219的偏振基本上平行于區(qū)域217。因此，依照本發(fā)明的教導(dǎo)，利用靠近大致V形的絕緣區(qū)域211的電荷調(diào)制區(qū)域233，光學(xué)器件201在對(duì)光束211的相位進(jìn)行調(diào)制時(shí)表現(xiàn)出偏振無(wú)關(guān)性。
為了進(jìn)一步圖示說(shuō)明，假設(shè)大致V形的絕緣區(qū)域211的區(qū)域217和219均以相對(duì)于圖2中所示實(shí)施方案中圖示的水平線218的角度θ被排列。在一個(gè)實(shí)施方案中，假設(shè)角度θ接近45度，或者大致V形的絕緣區(qū)域211的區(qū)域217和219以相對(duì)于彼此的大約90度角被形成。繼續(xù)這個(gè)實(shí)施例，令大致V形的絕緣區(qū)域211的區(qū)域217和219在電場(chǎng)分量平行于區(qū)域217或219時(shí)的波導(dǎo)有效折射率變化等于Δn。這樣，對(duì)于垂直于區(qū)域217或219的電場(chǎng)分量來(lái)說(shuō)，由于以上所討論的較小相位效率，所引起的波導(dǎo)有效折射率改變顯著較小，或者例如Δn/7。
在其中半導(dǎo)體材料區(qū)域203和205包括硅，并且包括區(qū)域217和219的大致V形的絕緣區(qū)域211是具有大約5到12納米厚度的氧化物層的實(shí)施方案中，對(duì)于光波導(dǎo)227，實(shí)現(xiàn)了單模波導(dǎo)。光波導(dǎo)227具有一個(gè)針對(duì)光束221的TE模偏振分量的光學(xué)模和一個(gè)針對(duì)光束221的TM模偏振分量的光學(xué)模。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于TE模偏振分量來(lái)說(shuō)，總的波導(dǎo)有效折射率改變是例如2[Δn·cosθ+(Δn/7)·sinθ]， (式3)而TM模偏振分量的總的波導(dǎo)有效折射率改變是例如2[(Δn/7)·cosθ+Δn·sinθ](式4)因此，當(dāng)圖2中圖示的實(shí)施方案中的角度θ基本上等于45度時(shí)，對(duì)于光束221的TE和TM模偏振分量來(lái)說(shuō)，所引起的總折射率變化基本上相同。因此，利用依照本發(fā)明的教導(dǎo)的光學(xué)器件201的光學(xué)移相器，獲得了基本上偏振無(wú)關(guān)的相位效率。
為了圖示說(shuō)明光學(xué)器件201的偏振無(wú)關(guān)性，圖3是圖示光束221的TE模偏振分量的矢量模型的圖，并且圖4是圖示光束221的橫磁場(chǎng)TM模偏振分量的矢量模型的圖，所述光束221被引導(dǎo)通過(guò)依照本發(fā)明教導(dǎo)的光學(xué)器件201的光波導(dǎo)227的一個(gè)實(shí)施方案。
在圖3和4中圖示的示例性實(shí)施方案中，大致V形的絕緣區(qū)域211是具有大約12納米厚度的氧化物。如在圖3和4中的實(shí)施方案中所能觀察到的，光波導(dǎo)227是脊形波導(dǎo)，其中脊形區(qū)域229具有大約3微米的寬度和大約1微米的高度。圖3和4中的實(shí)施方案中的光波導(dǎo)227的平板區(qū)域在高度上大約是1.5微米。
如從圖3和4的矢量模型可以理解的，光束221的TE和TM模的分布沿著橫過(guò)(across)大致V形的絕緣區(qū)域211的水平方向是對(duì)稱的。因此，對(duì)于大致V形的絕緣區(qū)域211在垂直方向上的給定位置來(lái)說(shuō)，在電荷調(diào)制區(qū)域233之上的光束221的TE和TM模的重疊基本相等。由于光束221的TE和TM模偏振分量在垂直方向上都不對(duì)稱，所以有效折射率改變將略微依賴于大致V形的絕緣區(qū)域211相對(duì)于TE和TM模偏振分量的光學(xué)模的位置。在一個(gè)實(shí)施方案中，依照本發(fā)明的教導(dǎo)，可以調(diào)整大致V形的絕緣區(qū)域211的垂直位置以獲取偏振無(wú)關(guān)的工作。在這樣做時(shí)，依照本發(fā)明的教導(dǎo)，即使大致V形的絕緣區(qū)域211的區(qū)域217和219之間的相對(duì)角度并不精確地是90度時(shí)，也有可能具有偏振不敏感相移。
圖5一般地圖示一種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的框圖，所述系統(tǒng)包括光發(fā)射器和光接收器，具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的光學(xué)器件。具體地說(shuō)，圖5示出包括光發(fā)射器503和光接收器507的光學(xué)系統(tǒng)501。在一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)系統(tǒng)501還包括以光學(xué)方式耦合在光發(fā)射器503和光接收器507之間的光學(xué)器件505。如圖5中所示，光發(fā)射器503發(fā)射由光學(xué)器件505接收的光束521。在一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)器件505可以包括例如上面結(jié)合圖2到4描述的光學(xué)器件201的器件，以響應(yīng)于信號(hào)VSIGNAL對(duì)光束521進(jìn)行移相。這樣，光學(xué)器件505不依賴于光束521的偏振。在這樣的實(shí)施方案中，光學(xué)器件505可以充當(dāng)光學(xué)延遲器。在另一實(shí)施方案中，可以在光學(xué)幅度調(diào)制器等中采用光學(xué)器件505。在根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的各個(gè)實(shí)施方案中，可以理解光學(xué)器件505能夠以快達(dá)10GHz及以上的速度工作。結(jié)果，依照本發(fā)明的教導(dǎo)，可以在例如用于數(shù)據(jù)通信和芯片到芯片互連應(yīng)用的高速硅調(diào)制器中制造光學(xué)器件505的實(shí)施方案。
例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，以單個(gè)集成電路芯片上的全集成解決方案提供基于半導(dǎo)體的光學(xué)幅度調(diào)制器。具體地說(shuō)，圖6一般地示出光學(xué)調(diào)制器601的一個(gè)實(shí)施方案，可以采用所述光學(xué)調(diào)制器601代替圖5的光學(xué)器件505。如所描繪的實(shí)施方案中所示，光學(xué)調(diào)制器601在以光學(xué)方式被耦合在馬赫-澤德干涉儀(MZI)配置605的級(jí)聯(lián)Y分支耦合器之間的兩個(gè)臂的至少一個(gè)中包括光學(xué)移相器603，所述馬赫-澤德干涉儀配置605被設(shè)置在半導(dǎo)體材料中。在一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)移相器603類似于上面結(jié)合圖2到4描述的光學(xué)器件201的實(shí)施方案。
在工作中，光束621被引導(dǎo)進(jìn)入MZI配置605的輸入。光束621被分開(kāi)，使得光束621的第一部分被引導(dǎo)通過(guò)MZI配置605的臂中的一個(gè)，并且光束621的第二部分被引導(dǎo)通過(guò)MZI配置605的臂中的另一個(gè)。如所描繪的實(shí)施方案中所示，MZI配置605的臂中的一個(gè)包括光學(xué)移相器603，所述光學(xué)移相器603響應(yīng)于信號(hào)VSIGNAL調(diào)整光束621的第一和第二部分之間的相對(duì)相位差。在一個(gè)實(shí)施方案中，光束621的第一和第二部分隨后在半導(dǎo)體襯底中被合并，使得光束621在MZI配置605的輸出作為相長(zhǎng)地或者相消地干涉的結(jié)果被調(diào)制。如所示，在一個(gè)實(shí)施方案中，MZI配置605的臂中的一個(gè)包括光學(xué)移相器603。在另一實(shí)施方案中，MZI配置605的兩個(gè)臂都可以包括光學(xué)移相器603。
圖7是框圖，一般地圖示包括法布里-珀羅腔配置的光學(xué)調(diào)制器的實(shí)施方案，所述法布里-珀羅腔配置具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的偏振不敏感光學(xué)移相器的一個(gè)實(shí)施方案。具體地說(shuō)，圖7一般地示出光學(xué)調(diào)制器701的一個(gè)實(shí)施方案，對(duì)于圖5的光學(xué)器件505來(lái)說(shuō)，可以采用所述光學(xué)調(diào)制器701。如所描繪的實(shí)施方案中所示，光學(xué)調(diào)制器701包括在光學(xué)反射器703和707之間限定出的法布里-珀羅腔配置709。在所圖示的實(shí)施方案中，光學(xué)移相器705被包括在法布里-珀羅腔配置709中，所述法布里-珀羅腔配置709以光學(xué)方式被耦合在光學(xué)反射器703和707之間。在一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)移相器705類似于上面結(jié)合圖2到4描述的光學(xué)器件201的實(shí)施方案。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以利用集成在基于半導(dǎo)體的光波導(dǎo)中的布拉格光柵等來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)反射器703和707，以限定法布里-珀羅腔配置709。
在工作中，光束721通過(guò)光學(xué)反射器703被輸入到光學(xué)移相器701的法布里-珀羅腔配置709內(nèi)。將VSIGNAL信號(hào)施加到光學(xué)移相器705，以當(dāng)光束721在法布里-珀羅腔配置709內(nèi)諧振時(shí)對(duì)光束721的相位進(jìn)行調(diào)制。依照本發(fā)明的教導(dǎo)，通過(guò)利用光學(xué)移相器705調(diào)制光束721的相位，從光學(xué)反射器707輸出的光束721以不依賴于偏振的方式被調(diào)制。
在前面的詳細(xì)描述中，已經(jīng)參考本發(fā)明具體的示例性實(shí)施方案描述了其方法和裝置。然而，很明顯可以對(duì)其做出各種修改和改變而不會(huì)偏離本發(fā)明更寬的精神和范圍。因此，本說(shuō)明書和附圖要被視為說(shuō)明性而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括光波導(dǎo)的第一區(qū)域，所述光波導(dǎo)被設(shè)置在半導(dǎo)體材料中，所述第一區(qū)域具有第一傳導(dǎo)類型；所述光波導(dǎo)的第二區(qū)域，所述光波導(dǎo)被設(shè)置在所述半導(dǎo)體材料中，所述第二區(qū)域具有和所述第一傳導(dǎo)類型相反的第二傳導(dǎo)類型；以及大致V形的絕緣區(qū)域，所述大致V形的絕緣區(qū)域被設(shè)置在所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域之間，其中所述大致V形的絕緣區(qū)域的頂點(diǎn)形成基本上平行于被引導(dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)的光束的光路的相交線。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述大致V形的絕緣區(qū)域是由至少兩個(gè)絕緣材料區(qū)域形成的，所述至少兩個(gè)絕緣材料區(qū)域在所述大致V形的絕緣區(qū)域的所述頂點(diǎn)處具有相交部分。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中在所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域之間以基本正交的關(guān)系形成所述兩個(gè)絕緣材料區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光波導(dǎo)包括脊形波導(dǎo)，其中所述第一區(qū)域被包括在所述光波導(dǎo)的脊形部分中，并且所述第二區(qū)域被包括在所述光波導(dǎo)的平板部分中。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括電荷調(diào)制區(qū)域，所述電荷調(diào)制區(qū)域沿著所述光束的所述光路被調(diào)制并且靠近所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域之間的所述大致V形的絕緣區(qū)域，所述電荷調(diào)制區(qū)域?qū)Ρ灰龑?dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)的所述光束的相位進(jìn)行調(diào)制。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述光束是任意地偏振的光束，包括第一和第二偏振分量，其中響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域的所述第一偏振分量的相位調(diào)制基本上等于響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域的所述第二偏振分量的相位調(diào)制。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一偏振分量是所述任意地偏振的光束的橫向磁場(chǎng)(TM)模偏振分量，并且所述第二偏振分量是所述任意地偏振的光束的橫向電場(chǎng)(TE)模偏振分量。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中響應(yīng)于信號(hào)對(duì)所述電荷調(diào)制區(qū)域進(jìn)行調(diào)制，所述信號(hào)被耦合成由所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域中的一個(gè)來(lái)接收。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括耦合到所述光波導(dǎo)的所述第一區(qū)域的第一接觸體和耦合到所述光波導(dǎo)的所述第二區(qū)域的第二接觸體，所述第一和第二接觸體在被引導(dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)的所述光束的所述光路以外的位置被耦合到所述光波導(dǎo)，其中所述信號(hào)被耦合成由所述第一和第二接觸體中對(duì)應(yīng)的一個(gè)來(lái)接收。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，還包括緩沖區(qū)域，所述緩沖區(qū)域被設(shè)置在所述光束的所述光路和所述光束的所述光路以外的所述位置中的至少一個(gè)之間，在所述位置所述第一和第二接觸體分別被耦合到所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域。
11.一種方法，包括沿著光路引導(dǎo)光束通過(guò)光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)被設(shè)置在半導(dǎo)體材料中；靠近被設(shè)置在所述光波導(dǎo)的第一和第二區(qū)域之間的大致V形的絕緣區(qū)域沿著所述光路對(duì)電荷調(diào)制區(qū)域進(jìn)行調(diào)制；并且響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域?qū)λ龉馐南辔贿M(jìn)行調(diào)制，其中所述光束是任意地偏振的光束，包括第一和第二偏振分量，其中響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域的所述第一偏振分量的相位調(diào)制基本上等于響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域的所述第二偏振分量的相位調(diào)制。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中沿著所述光路引導(dǎo)所述光束通過(guò)所述光波導(dǎo)的操作包括以基本上與通過(guò)所述光波導(dǎo)在所述大致V形的絕緣區(qū)域的頂點(diǎn)處形成的相交線平行的方式引導(dǎo)所述光束通過(guò)所述光波導(dǎo)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中靠近被設(shè)置在所述光波導(dǎo)的第一和第二區(qū)域之間的所述大致V形的絕緣區(qū)域沿著所述光路對(duì)所述電荷調(diào)制區(qū)域進(jìn)行調(diào)制的操作包括將電信號(hào)施加到所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域中的至少一個(gè)，其中所述光波導(dǎo)的所述第一區(qū)域具有第一傳導(dǎo)類型，并且所述第二區(qū)域具有和所述第一傳導(dǎo)類型相反的第二傳導(dǎo)類型。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述光束是任意地偏振的光束，包括第一和第二偏振分量，其中對(duì)所述光束的所述相位進(jìn)行調(diào)制的操作包括，響應(yīng)于靠近被設(shè)置在所述光波導(dǎo)的第一和第二區(qū)域之間的所述大致V形的絕緣區(qū)域?qū)λ鲭姾烧{(diào)制區(qū)域進(jìn)行調(diào)制，基本上均衡地對(duì)所述光束的所述第一偏振分量的相位和所述光束的所述第二偏振分量的相位進(jìn)行調(diào)制。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一偏振分量是所述任意地偏振的光束的橫向磁場(chǎng)(TM)模偏振分量，并且所述第二偏振分量是所述任意地偏振的光束的橫向電場(chǎng)(TE)模偏振分量。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中由至少兩個(gè)絕緣材料區(qū)域形成所述大致V形的絕緣區(qū)域，所述至少兩個(gè)絕緣材料區(qū)域在所述大致V形的絕緣區(qū)域的頂點(diǎn)處具有相交部分，其中靠近所述絕緣材料的所述第一區(qū)域的所述電荷調(diào)制區(qū)域適合于將所述第一偏振分量的所述相位調(diào)制一個(gè)量，所述量基本上等于靠近所述絕緣材料的所述第二區(qū)域的所述電荷調(diào)制區(qū)域適合于將所述第二偏振分量的所述相位調(diào)制的量。
17.一種系統(tǒng)，包括光發(fā)射器，所述光發(fā)射器生成光束，其中所述光束是任意地偏振的光束；光接收器，所述光接收器以光學(xué)的方式被耦合成接收所述光束；以及光學(xué)器件，所述光學(xué)器件以光學(xué)的方式被耦合在所述光發(fā)射器和所述光接收器之間，并且所述光學(xué)器件包括光學(xué)移相器，用于對(duì)所述光束的相位進(jìn)行調(diào)制，所述光學(xué)移相器包括光波導(dǎo)的第一區(qū)域，所述光波導(dǎo)被設(shè)置在半導(dǎo)體材料中，所述第一區(qū)域具有第一傳導(dǎo)類型；所述光波導(dǎo)的第二區(qū)域，所述光波導(dǎo)被設(shè)置在半導(dǎo)體材料中，所述第二區(qū)域具有和所述第一傳導(dǎo)類型相反的第二傳導(dǎo)類型；以及大致V形的絕緣區(qū)域，所述大致V形的絕緣區(qū)域被設(shè)置在所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域之間，其中所述大致V形的絕緣區(qū)域的頂點(diǎn)形成基本上平行于被引導(dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)的所述光束的光路的相交線。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中用至少兩個(gè)絕緣材料區(qū)域形成所述大致V形的絕緣區(qū)域，所述至少兩個(gè)絕緣材料區(qū)域在所述大致V形的絕緣區(qū)域的所述頂點(diǎn)處具有相交部分。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中在所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域之間以基本正交的關(guān)系形成所述兩個(gè)絕緣材料區(qū)域。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括電荷調(diào)制區(qū)域，所述電荷調(diào)制區(qū)域沿著所述光束的所述光路被調(diào)制并且靠近所述光波導(dǎo)的所述第一和第二區(qū)域之間的所述大致V形的絕緣區(qū)域，所述電荷調(diào)制區(qū)域?qū)Ρ灰龑?dǎo)通過(guò)所述光波導(dǎo)的所述光束的相位進(jìn)行調(diào)制。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域的所述第一偏振分量的相位調(diào)制基本上等于響應(yīng)于所述電荷調(diào)制區(qū)域的所述第二偏振分量的相位調(diào)制。
22.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)移相器被包括在所述光學(xué)器件中所包括的光學(xué)調(diào)制器中，所述光學(xué)調(diào)制器對(duì)從所述光發(fā)射器被引導(dǎo)到所述光接收器的所述光束的幅度進(jìn)行調(diào)制。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)調(diào)制器包括具有第一和第二臂的馬赫-澤德干涉儀(MZI)配置，其中所述第一和第二臂中的至少一個(gè)中包括所述光學(xué)移相器，以對(duì)被引導(dǎo)通過(guò)所述MZI配置的所述光束進(jìn)行調(diào)制。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)調(diào)制器包括法布里一珀羅腔配置，其中所述法布里-珀羅腔配置中包括所述光學(xué)移相器，以對(duì)被引導(dǎo)通過(guò)所述法布里-珀羅腔配置的所述光束進(jìn)行調(diào)制。
全文摘要
用于以不依賴于偏振的方式對(duì)光束的相位進(jìn)行調(diào)制的裝置和方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的裝置包括被設(shè)置在半導(dǎo)體材料中的光波導(dǎo)的第一區(qū)域和被設(shè)置在所述半導(dǎo)體材料中的所述光波導(dǎo)的第二區(qū)域，所述第一區(qū)域具有第一傳導(dǎo)類型，并且所述第二區(qū)域具有和第一傳導(dǎo)類型相反的第二傳導(dǎo)類型。所述裝置還包括被設(shè)置在光波導(dǎo)的第一和第二區(qū)域之間的大致V形的絕緣區(qū)域，其中大致V形的絕緣區(qū)域的頂點(diǎn)形成基本上平行于被引導(dǎo)通過(guò)光波導(dǎo)的光束的光路的相交線。
文檔編號(hào)G02F1/025GK1938638SQ200580010454
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者A·劉, 理查德·瓊斯, 馬里奧·帕尼西亞, 格雷厄姆·里德 申請(qǐng)人:英特爾公司