一种硅基调制器技术领域
本发明涉及硅光子集成领域，尤其涉及一种硅基调制器。
背景技术
微电子技术发展起来后，一直按着摩尔定律预测的那样，“半导体芯片
的集成度每18个月增长一倍，而价格则降低一半。”但是，现在以硅为基础
的微电子技术已经越来越接近物理极限，很难继续遵循摩尔定律来发展。同
时，在光通信领域，一直受到光器件高功耗，高成本，大体积等的困扰。硅
光子技术的应运而生，可以同时解决微电子领域和光通信领域的诸多难题。
硅光子技术就是以半导体的成熟工艺即生产电子器件，又生产光子器件。但
是，要实现硅光子技术的产业化还存在很多要可否的困难，其中，硅基调制
器就是最大难点。
调制器的实现主要原理是通过外部信号控制光路中的折射率发生变化，
从而使得光输出的相位发生变化，达到调制的目的。一条波导能够实现相位
的调制，那么两条波导组成的MZ(Mach-Zehnder，马赫-泽德)结构，通
过控制MZ结构的偏置点就可以实现相位调制和强度调制，光通信中的QPSK
(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)信号就是基于这样的结构。
所以，一条能够根据电信号实时改变光的输出相位的波导，即相位调制器是
调制器系统的关键。在硅基系统中，电光效应比较弱，热光效应虽然显著，
但是其调制速率很慢，等离子色散(Plasma Dispersion，简称PD)效应的调
制效率相对较高，调制速率也有很大的提升，因而受到很大的关注。利用PD
效应设计的调制器大体可以分为：载流子注入式(pin结构)，载流子耗尽
式(pn节结构)，MOS电容式。载流子的多少直接影响光在波导中的折射
率，进而影响输出相位，此类调制器就是通过外部电信号控制载流子的变化，
进而实现相位调制，但是这类型的调制器存在很多限制，由于载流子的变化
区域与光场重合比较少，调制效率很低。人们往往通过增大器件长度，来得
到小的Vπ(使得光路延时相位π所需的电压)，但是，器件过长会影响调制
速率。要保证调制速率，又不得不使得Vπ增加。人们陆续设计了插指型调制
器，U型PN节调制器等，但是仍然面临调制速率不高，调制电压过大，消
光比过低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅基调制器，以提高调制效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅基调制器，其中，包括：
光路选择器、两组波导和光耦合器，其中，
所述光路选择器，用于接收输入光，在电信号的控制下，控制光输入到
第一组波导或者输入到第二组波导；
所述第一组波导和所述第二组波导，一端与所述光路选择器连接，另一
端连接所述光耦合器，所述第一组波导或所述第二组波导将光输出给所述光
耦合器，由所述光耦合器耦合输出，所述第一组波导和所述第二组波导的光
程不相等，且其光程差与待获得的相位差相应。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述第一组波导为一条波导，所述第二组波导为一条波导，所述第一组
波导和所述第二组波导的长度不相等，且长度差与所述光程差对应。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述第一组波导包括一条波导，所述第二组波导包括一条波导，
所述第一组波导中接入一相位控制器，或者所述第二组波导中接入一相
位控制器，或者所述第一组波导和所述第二组波导中的分别接入一相位控制
器。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述第一组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第一波导和第
四波导，所述第一波导和所述第四波导组成MZ结构，
所述第二组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第二波导和第
三波导，所述第二波导和所述第三波导组成MZ结构，
所述第一组波导中的波导和所述第二组波导中的波导的长度不相等，且
长度差与所述光程差对应，所述第一组波导与所述第二组波导输出光场相位
相反。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述第一组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第一波导和第
四波导，所述第一波导和所述第四波导组成MZ结构，
所述第二组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第二波导和第
三波导，所述第二波导和所述第三波导组成MZ结构，
在所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导和所述第四波导中的一
条或多条波导上接入一相位控制器，所述第一组波导与所述第二组波导输出
光场相位相反。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述光路选择器包括第一微环结构和第二微环结构，所述第一微环结构
的一端与所述第一组波导中的一条波导连接，所述第一微环结构的另一端与
所述第二组波导中的一条波导连接，所述第二微环结构的一端与所述第一组
波导中另一条波导连接，所述第二微环结构的另一端与所述第二组波导中的
另一条波导连接。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述光路选择器采用微环结构，当所述微环结构处于共振条件下，控制
光通过一组波导，当所述微环结构处于非共振条件下，控制光通过另一组波
导。
进一步地，上述硅基调制器还具有下面特点：
所述微环结构包括PN节结构的相位控制器或MOS电容结构的相位控制
器。
综上，本发明提供一种硅基调制器，具有高调制效率，高调制速率，高
消光比的特点，并且可以节省硅芯片的体积。
附图说明
图1为本发明实施例一的硅基调制器的示意图；
图2为本发明实施例二的硅基调制器的示意图；
图3为本发明实施例三的硅基调制器的示意图；
图4a和图4b为本发明实施例四的硅基调制器的示意图；
图5为本发明实施例五的硅基调制器的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图
对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申
请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明实施例的硅基调制器包括：光路选择器、两组波导和光耦合器，
其中，
所述光路选择器，用于接收输入光，在电信号的控制下，控制光输入到
第一组波导或者输入到第二组波导；
所述第一组波导和所述第二组波导，一端与所述光路选择器连接，另一
端连接所述光耦合器，所述第一组波导或所述第二组波导将光输出给所述光
耦合器，由所述光耦合器耦合输出，所述第一组波导和所述第二组波导的光
程不相等，且其光程差与待获得的相位差相应。
因为，相位差＝2π/波长*光程差，所以可以通过控制光程差来实现相位
的调制。
本发明提出的是一种全新的调制器设计理念，不再利用各种效应改变光
的传输相位，而是在硅基系统中设计两条不等长的波导，波导尾部通过耦合
器耦合输出，长度差为想要获得的相位差所需的长度，利用光路选择器(Optic
switch)根据所调信号使得光通过其中任一个波导，从而实现光的相位调制。
我们称这种原理实现的调制器为光路选择型调制器(Waveguide Selecting
Modulator，简称WSM)。
考虑到硅光波导制作过程中的工艺误差，两条不等长的臂可能不能完全
实现所需相位差，可以在两条臂中，或者在任一条臂中加入相位控制器(phase
shift，简称PS)来获得两臂固定的相位差。
本发明实施例的硅基调制器具有低调制电压，高消光比，高调制速率，
体积更小的优点，可以满足硅光长距离传输的要求。
以下以几个具体实施例对本发明的硅基调制器进行详细的说明。
实施例一
本实施例中，所述第一组波导为一条波导，所述第二组波导为一条波导，
所述第一组波导和所述第二组波导的长度不相等，且长度差与所述光程差对
应。
如图1所示：光经过Optic switch被分配到波导Select1或者Select2，
而后通过optic coupler(光耦合器)耦合输出。其中波导Select1和Select2
之间长度差可以精确控制，在硅基波导中，两臂的长度差为270nm时，产生
固定的π相位差。考虑到硅材料的性质，其相位差随波长和温度的变化几乎
没有变化。
实施例二
本实施例中，所述第一组波导包括一条波导，所述第二组波导包括一条
波导，所述第一组波导中接入一相位控制器，或者所述第二组波导中接入一
相位控制器，或者所述第一组波导和所述第二组波导中的分别接入一相位控
制器。
考虑到不同生产线的工艺误差，可以考虑设计等长或者不等长的两臂，
对其中一臂(或者两臂，如图2所示)加入heater(热相移器)等的相位控
制器来实现两臂的相位差，此控制是慢变的不影响调制性能，也可认为两臂
有固定相位差。
那么，当Optic switch调整光经过Select1时，获得π相位，当Optic switch
调整光经过Select2时，获得0相位。电信号控制Optic switch的光路选择，
就可以实现相位0和π的调制。
WSM的相位差是固定的(可以通过相位控制装置获得任一想要的相位
差)，调制器的速率只取决于Optic switch的快慢，由于两组波导的光耦合
输出作为信号源，两路光相位相反，所以即使Optic switch消光比不够，此
调制器也可以获得高的消光比。
实施例三
WSM的Optic switch可以采用微环结构，如图3所示，当微环满足共振
条件时，光通过微环耦合到波导Select1，获得相位π。当微环的共振条件被
破坏时，光直接通过Select2，获得相位0。
为了得到高的调制速率，微环可以采用PN节结构的相位控制器，通过
信号控制微环的折射率变化。在某波长下，信号为1时，微环处于共振条件
下(微环外部可以加入heater(热相移器)等控制装置，使得此时一直处于共振
条件下)，光通过Select2，调制相位π。信号为0时，微环共振条件被破坏，
光通过Select1，调制相位0。
根据微环的性质可以知道，微环的共振条件很容易被破坏。一般只需使
得微环内部相位变化π/10就可以获得20dB以上的消光比。在适当的微环周
长情况下，所需调制电压不会超过2V。相比与现有调制器的调制电压最少
4V，消光比最大10dB的情况要好很多。
实施例四
本实施例中，所述第一组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的
第一波导和第四波导，所述第一波导和所述第四波导组成MZ结构，
所述第二组波导包括两条长度相等且输出光场相位相同的第二波导和第
三波导，所述第二波导和所述第三波导组成MZ结构，
所述第一组波导中的波导和所述第二组波导中的波导的长度不相等，且
长度差与所述光程差对应，所述第一组波导与所述第二组波导输出光场相位
相反。当然，也可以在所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导和所述
第四波导中的一条或多条波导上接入一相位控制器来控制光程差。
本发明实施例的双臂的硅基调制器如图4a和图4b所示，图4a中，两组
波导中的四条波导连接入一个4*1耦合器，图4b中，第一组波导中的两条波
导接入一个2*1耦合器，第二组波导中的波导接入另一个2*1耦合器，然后
这两个2*1耦合器的输出端接入一2*1耦合器。
此WSM组成的MZ结构通过对长度差的有效控制，使得MZ上下两臂
的Select1之间同相、Select2之间同相。而Select1和Select2之间反相，那
么Optic switch选择Select1通路后，上线两臂的Select1组成的MZ结构处于
相干相长状态，相位为0，Optic switch选择Select2通路后，上线两臂的Select2
组成的MZ结构同样处于相干相长状态，相位为π，此结构可以提高消光比。
同时，双臂的WSM可以消除电信号的上升下降时引起的相位不准确。
实施例五
本实施例中，在实施例四的基础上，所述光路选择器包括第一微环结构
和第二微环结构，所述第一微环结构的一端与所述第一组波导中的一条波导
连接，所述第一微环结构的另一端与所述第二组波导中的一条波导连接，所
述第二微环结构的一端与所述第一组波导中另一条波导连接，所述第二微环
结构的另一端与所述第二组波导中的另一条波导连接。
同样，双臂的WSM的Optic switch也可以采用微环结构。如图5所示，
考虑到微环结构的上下行路功率是不平衡的，仅仅单臂的新型调制器组成的
相位调制系统，不同相位信息的输出功率后有起伏。而此微环结构的新型调
制器MZ结构输出功率为一个微环的上行路和另一个微环的下行路的叠加，
所以输出功率平衡稳定，并且会提高消光比。
同时，微环的through(上行)和drop(下行)路的相位差会随着波长
的变化而变化。但是，考虑的每次MZ结构输出都是一个微环的through路
和另一个微环的drop路相叠加，双臂的WSM即使有相位差的出现，只是会
使得相长不太充分，输出的两个相位信息依然是相反的。与MZ调制器中，
调制电压往往小于Vπ的情况是一样的，0相位和π相位依然会存在。
如图5所示，光经过器件1：2的coupler 101，把光分为两路，分别进入
微环102和微环103，上臂的光与微环102的through端相连，同时与波导
106相连，下臂的光与微环103的through端相连，同时与波导108相连，微
环102的drop端与波导105相连，微环103的drop端与波导107相连。波
导105、106、107和108经过4*1的耦合器104耦合输出。
通过设计，波导105和波导107等长，输出相位同相。波导106和波导
108等长，输出相位同相，Select1和Select2的长度不相等，长度差决定了相
位差，对于使用此调制器用作QPSK信号调制，需要使得其相位差为π，那
么长度差其中，λ为传播的光波长，n为波导的有效折射率。在
硅基波导中，尺寸为500*220nm的strip(矩形)型波导的有效折射率n＝2.443，
λ＝1550nm，则△L＝317.2nm可以延时相位π，且在C波段变化很小。
图5仅是一个示例，在实际应用中，上下微环的输入端可以任意组合，
例如，光可以同时输入上微环和下微环的through端，也可以同时输入上微
环的through端和下微环的drop端，也可以同时输入上微环的drop端和下微
环的through端，还可以同时输入上微环和下微环的drop端。
微环102和微环103可以采用PN节结构或者MOS电容结构已达到较快
的调制速率。以PN节结构为例，偏置电压可以设置为-2V，信号电压为
这样对于PN节的状态就是0V和-4V两种。
两个微环的电信号采用差分信号，即：上下微环调制分别2V和-2V时，
微环102调制0V电压时，其处于共振条件，光经过微环的drop端及波导105，
微环103调制-4V，微环103的共振条件被破坏，光经过微环的through端及
波导108，即Select1被选中，调制相位为π；上下微环调制分别-2V和2V
时，微环102调制-4V电压，其共振条件被破坏，光经过微环的through端及
波导106，微环103调制0V，微环103处于共振条件，光经过微环的drop
端及波导107，即Select2被选中，调制相位为0。
由于调制信号在统计来说，调制2V和-2V的概率一样的，那么在微环
的drop端输出功率最大时，微环被控制在共振条件。同样微环的through端
分出一部分光进行检测，当检测光平均功率最小时，微环偏置于共振条件(某
电平信号时，处于共振，另一信号是非共振)。选择through端进行检测反
馈是合理的，因为微环本身through端的光功率要比drop端大，对through
端分光既能做到光电检测又能是的两端口输出光功率平衡。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序
来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读
存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用
一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用
硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任
何特定形式的硬件和软件的结合。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，
在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本
发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明
所附的权利要求的保护范围。