CN101578544B - 分段光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种光调制器，构成为包括用于动态调整调制器内的光信号路径的有效长度的可调驱动装置。每个调制器臂被分割为多段，每段耦合到单独的电信号驱动器。因此，在任意时刻对于每个调制器臂而言，每个臂的有效长度将是被启动的驱动器数量的函数。反馈装置可与多个驱动器一同使用，通过测量作为光功率函数的消光比，并相应地“开启”或“关闭”单独的驱动器，来动态调整调制器的操作。

Description

分段光调制器
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年10月7日提交的美国申请第60/849,894号的权益。
技术领域
本发明是关于光调制器，且更具体地，关于包括用于动态调整调制器内的光信号路径的有效长度的可调驱动装置的光调制器。
发明背景
光传输***通常基于两种光信号调制方法中的一种，即，直接调制或外部调制。在这些方法的第一种方法中，调制直接应用到激光器的偏置电流，激光器“开启”和“关闭”。这个方法的缺点是，当需要更快的开关速度时，激光器自身的半导体材料的动态表现引入失真，主要以啁啾的形式。通过将电调制信号应用到来自激光源的连续波(CW)输出来完成光信号的外部调制。因为这种装置产生的已调制的光输出信号的啁啾显著减少，因此，外部调制器变得优选用于高速应用。特别地，电光调制器，例如Mach Zehnder干涉仪(MZI)，典型用于高速应用。
多年以来，已经用电光材料，例如铌酸锂来制造外部调制器。光波导在电光材料里形成，且金属接触区域布置在每个波导臂的表面上。电压应用到金属接触区将改变在接触区下面的波导区域的折射率，从而改变沿波导的传播速度。通过应用在两臂之间产生π相移的电压，形成非线性(数字)Mach-Zehnder调制器。特别地，光信号进入波导，I/O电数字信号应用到接触区(使用如以上提到的适当的电压电平)。然后“调制”CW光输入信号来生成光I/O输出信号。对于线性(模拟)光输出信号，相似的结果是可能的。
尽管已经证明这种类型的外部调制器非常有用，但是越来越期望在基于硅的平台上形成各种光学部件、子***和***。进一步期望使与这样的***(例如，电光调制器的输入电子数据驱动电路)关联的各种电子部件与光学部件集成在在相同的硅衬底上。明显地，在这样情况下，基于铌酸锂的光学器件的使用不在选择之列。各种其它的传统电光器件是不直接与硅平台兼容的相似的材料(例如III-V化合物)。
已经有了新发展，即，基于自由载流子调制而在硅平台内形成光学器件(例如以上描述的调制器)的能力。以这种结构，形成调制器臂的相移元件采用沿硅波导形成的MOS电容器的形式。所施加的电压导致电荷在电容器的栅极电介质附近积聚，这又改变了波导的折射率分布且最终改变了通过波导的光的光相位。例如，见转让给本申请受让人的美国专利6,845,198和7,065,301。
当设计外部调制器的电驱动部分时，为了使设计的光学参数和电子参数都最优化，应考虑调制器自身的物理参数。由于功率耗散的原因，例如，期望设计一种能以光消光比换取功率的调制器驱动器。调整大多数驱动器的输出振幅来完成这个目标是有问题的：经常导致边缘速率的变化，以及依赖于驱动器布局，可能不减少功率耗散。
发明内容
本领域中所保留的需要由本发明解决，本发明涉及光调制器，以及更具体地，涉及包括用于动态调整调制器内的光信号路径的可调驱动装置的光调制器。
已经实现了光调制器的消光比基于在调制器的两个臂之间的相移。因此，代替调整驱动器的振幅来改变消光比(如现有技术所教授的)，本发明所针对的是，动态调整结构的调制部分的有效长度，同时维持来自驱动器的恒定电输入电压摆动。
依照本发明，每个驱动器臂分割为多段，每段耦合到单独的驱动器。因此，在任意时刻对于每个调制器臂而言，每个臂的有效长度将是被启动的驱动器数量的函数。反馈装置可与多个驱动器一同使用，通过测量作为光功率函数的消光比，相应地“开启”或“关闭”单独的驱动器，来动态调整调制器的操作。
本发明的一个方面是，单独的驱动器被独立地启用/禁用。当驱动器被启用时，关联的驱动器段将对传播的光信号的相移做出贡献。当驱动器被禁用时，调制器的那部分将不影响信号的相位，并将对调制器的“有效长度”没有贡献。由于每段具有它自己的驱动器，所以，当挑选的段被禁用时，驱动器那段的功率耗散是可忽略的。
在以下讨论的过程期间并参考附图，本发明的其它以及进一步方面和实施方式将变得明显。
附图简述
现在参考附图，
图1以简化的形式示出典型的现有技术电光调制器；
图2示出依照本发明形成的示例性的分段的电光调制器；
图3包含图2的调制器的一部分，特别显示用于在调制器的邻接调制部分之间提供隔离的示例性结构；
图4示出本发明的可替换的实施方式，显示交替的RF调制和DC偏压部分；
图5是图4的实施方式的另一排列；以及
图6示出本发明的可替换的实施方式，包括在已调制的光输出信号和电驱动器输入信号之间的反馈回路。
具体描述
图1示出示例性的现有技术Mach-Zehnder调制器，可重新配置为如下面显示的，利用本发明的分段驱动装置。如显示的，现有技术调制器包括输入波导部分1和输出波导部分2。一对波导调制器臂3和4显示并形成在一种实施方式，以包括类似电容器的结构。
在操作中，来自激光源(未显示)的进入的连续波(CW)光信号耦合到输入波导部分1里。CW信号耦合到波导臂3和4里，其中将电驱动信号应用到这些臂，将提供期望的相移以调制光信号，沿着输出波导2形成已调制的光输出信号。示出一对电极5与调制器臂4关联，并用来将电驱动信号提供到臂4。相似的一对电极可与臂3关联，从而同样将延迟引入到传播的光信号上。
由于功率耗散的原因，期望设计一种能以光消光比换取功率的调制器驱动器。调整大多数驱动器的输出振幅来完成这个目标是有问题的；这经常导致边缘速率(也就是，在光学“1”和光学“0”之间的转变时间)的改变，并且依赖于驱动器布局，可能不减少功率耗散。调整驱动器的振幅来调整消光比的替换方式是，实现消光比是基于在MZI的两个臂之间的相移。因此，已经发现，能够通过动态调整调制器结构的调制部分的有效长度来调整输出光信号的消光比(同时在驱动电压上维持恒定的电摆动)。
依照本发明完成这种动态调整的一种方法是，将调制器的布局分割为多个毗连的段，多个单独的驱动器以一对一的关系耦合到调制器段。图2示出本发明示例性的实施方式，显示被分割以形成多个调制段121-124的分段驱动器10，每个调制段12由多个电信号驱动器141-144的中的单独的驱动器来控制。应理解，分割的数量和排列任凭设计者处理，图4和图5示出的替换的实施方式将在以下详细讨论。
再次参考图2，进入的CW光波信号用作沿着输入波导部分1(与以上图1描述的现有技术装置一样)的输入，然后光信号沿波导臂3和4分离。一个或更多RF信号到调制段12的应用将在沿臂3和4传播的光信号之间引起预先确定的相移，形成沿输出波导部分2的已调制的输出信号。依照本发明，驱动器141-144的单独的驱动器被启用/禁用，以控制引入到传播的光信号里的相移的量。就是说，如果禁用驱动器144，同时启用剩余的驱动器141-143，则只有调制段121-123将贡献相移到传播的光信号。如果其后确定要求附加量的相移来改进消光比，那么能“开启”驱动器144，将它的调制分量贡献给相移。
由于单个驱动器不使用时就被禁用，因此没有与那个驱动器或与调制器结构的那部分的操作相关联的功率耗散。这被认为是对现有技术装置的改进，现有技术装置利用需要总是在“开启”并消耗功率的单个驱动器。此外，通过将调制分割为多段，在设计调制器之前，不再需要知道调制器每伏的相移。改为，多个驱动器14可沿调制器10的毗连的段12串联，提供期望的性能所需的驱动器14的特定的数量可以基于个案分析来确定。此外，在调制器10的使用寿命期间，可通过选择性地启用/禁用驱动器14中的不同驱动器来适应与使用年限、环境条件等变化相关联的性能变化。本发明的这个反馈方面在下面将关联图6更加全面描述。
虽然图2的排列显示每个驱动器14耦合到它的关联的调制段12的臂3和4，但是各种其它的“单臂”驱动实施方式也是可能的。
重要地，每个调制段12需要保持与它的邻接的段电隔离。参考图2，参考数字16用来标识沿调制器臂3和4的每个隔离位置。因为形成波导臂3和4的材料是导电的，隔离位置16是必要的，以防止低阻抗路径在相邻的段12之间形成，这样的低阻抗路径的出现将阻止禁用挑选的驱动器14。提供这种隔离的简单的方法是对每段利用物理上分开的元件。可选地，电介质材料区域可在相邻的调制器段之间形成，并用来在其间提供电隔离。
图3示出图2的“物理上分开的元件”实施方式的示例性的替换方式，图3的装置通过控制在光波导里的掺杂浓度，来提供本发明的调制器结构里的期望的段间隔离。有利地，这个实施方式允许使用波导材料的单个连续的层来形成调制器臂3和4，为优选的替换方式。具体地，图3示出包括调制段122和123的调制器臂3的一部分，且隔离位置16在其间形成。在这种情形，通过与在段122和123里的掺杂浓度相比而言改变位置16里的掺杂浓度来提供隔离。调制段12要求相对重的掺杂(n型或p型)来提供与相移变化(作为驱动器14所应用的电压的函数)相关联的折射率的变化。因此，不同于允许调制器臂的全部长度重度掺杂，轻度掺杂的隔离区域16在每个重度掺杂的调制部分12之间形成，形成“多样化”结构。
图3进一步示出这样掺杂的示意性结果，显示为与驱动器142和143(也就是，重度掺杂的调制段122和123)关联的低阻抗20以及与隔离位置16(也就是轻度掺杂)关联的高阻抗22。
由于事实上沿调制器臂3和4的各种调制段12的长度和布置能通过类似地控制/限定沿臂3、4的掺杂浓度来控制/限定，因此，在许多不同替换方式中，用传统CMOS处理工艺改变掺杂模式是可能的。实际上，重度掺杂区域和轻度掺杂区域的适当布置能用来最优化各种调制段12以及可用于其它应用的多个低速/DC段的位置。特别地，因为隔离位置16和低速部分可表现高阻抗，因此，任何必需的低速部分也可散布在以上描述的高速调制部分之间。
图4示出配置为包括交替的调制段12和DC/隔离段32的示例性调制器30的一部分。如以前，每个调制段12耦合到单独的驱动器14，每个驱动器14可单独启用/禁用，来控制调制器30的有效长度。每个DC/隔离段32进一步显示为耦合到单独的DC驱动器34，DC驱动器可用来提供DC偏压信号，或可选地，提供低速调制信号。因此，如图4所示的排列允许形成能够将高速和低速输入驱动信号提供到相同的调制结构的一体化的调制结构。
如以上提到的，沿调制器臂的各种段的排序是设计选择问题。图5显示图4的实施方式的可替换的排列，在这种情形，DC段32位于调制器臂3、4的输入和输出，RF段12沿中心区域布置。如以上讨论的，仍然有需要在毗连的RF段之间提供某种类型的电隔离，在这个实施方式中，由隔离位置16显示。
图6示出图2的实施方式的替换方式，在这种情况，在已调制的光输出信号和多个电驱动器14的输入之间建立反馈路径。至少依照本发明，使用反馈信号来控制被启用以用于调制器10的操作的段12的数量。参考图6，分接波导(tap waveguide)40耦合到输出波导2，以移除已调制的输出信号的一部分。此分接出的部分然后用作光电探测器42的输入，将光信号转换到电当量。电信号然后作为到分析器单元44的输入提供，分析器单元44例如可基于转换的电信号的值确定光输出信号的功率。所确定的功率值然后可与已知的、期望值比较，这个所确定的结果用来控制关闭/开启(也就是，启用/禁用)多个驱动器14中的不同驱动器，以产生最优化光输出功率所需的消光比。如以上提到的，所测量的功率可随着时间作为操作条件的各种变化的函数而变化。因此，反馈路径的元件可用来连续测量光输出功率和连续调整每个驱动器的操作状态。
以上描述的本发明的实施方式旨在只是示例性的。因此本发明的范围旨在仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (6)

1.一种外部调制器，其用于光输入源来生成已调制的光输出信号，所述外部调制器包括
输入波导部分，其用于接收连续波CW光输入信号；
输入分光器，其耦合到所述输入波导部分的输出，用于将所述CW光输入信号划分成一对CW光输入信号；
一对光波导，其耦合到所述输入分光器的输出，所述一对光波导形成用于支持光信号传播的一对调制器臂，每个调制器臂分割为数量为N的多个调制器段，所述数量为N的多个调制器段具有在相邻的调制器段之间布置的分开的隔离区域；
多个调制器电极，其布置成邻近所述数量为N的多个调制器段的每个调制器段；
数量为N的多个单独的电驱动信号源，每个源通过调制器电极耦合到所述数量为N的多个调制器段的单独调制器段，每个驱动信号源能够被单独启用/禁用来控制出现在沿所述一对调制器臂的每个臂传播的光信号之间的相移以便动态地调整消光比，从而在所述一对调制器臂的输出提供一对已调制的光信号；
输出光组合器，其用于将所述一对已调制的光信号组合为已调制的光输出信号；以及
输出波导部分，其耦合到所述输出光组合器的输出，用于支持所述已调制的光输出信号的传播。
2.如权利要求1所述的外部调制器，其中每个隔离区域包括布置在相邻的调制器电极之间的电介质材料，以在相邻的调制器段之间提供隔离。
3.如权利要求1所述的外部调制器，其中每个隔离区域包括轻度掺杂的光波导部分，每个调制器段包括重度掺杂的光波导部分。
4.如权利要求1所述的外部调制器，其中每个隔离区域耦合到DC偏压源。
5.如权利要求1所述的外部调制器，其中每个隔离区域耦合到低频电信号源。
6.如权利要求1所述的外部调制器，其中所述外部调制器进一步包括在所述输出波导部分和所述数量为N的多个电驱动信号源之间的反馈路径，所测得的输出光功率被用来控制启用哪个信号源和禁用哪个信号源，以实时地动态地调整所述已调制的光输出信号的消光比。
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