用于对光学器件中的光束进行偏振不敏感移相的方法和装置

摘要

用于以不依赖于偏振的方式对光束的相位进行调制的装置和方法。在一个实施方案中，根据本发明的实施方案的装置包括被设置在半导体材料中的光波导的第一区域和被设置在所述半导体材料中的所述光波导的第二区域，所述第一区域具有第一传导类型，并且所述第二区域具有和第一传导类型相反的第二传导类型。所述装置还包括被设置在光波导的第一和第二区域之间的大致V形的绝缘区域，其中大致V形的绝缘区域的顶点形成基本上平行于被引导通过光波导的光束的光路的相交线。

说明书

发明背景

发明领域

本发明一般涉及光学装置，并且更具体地，本发明涉及对光束进行移相。

背景信息

随着国际互联网数据业务增长率正在超过语音业务，推动了对光通信的需求，对快速并且高效的基于光学的技术的需求正日益增加。在密集波分复用(DWDM)系统以及吉比特(GB)以太网系统中，多个光学信道在同一光纤上的传输提供使用由纤维光学提供的史无前例的容量(信号带宽)的简单方法。在系统中一般使用的光学元件包括波分复用(WDM)发射器和接收器、例如衍射光栅的光学滤波器、薄膜滤波器、光纤布拉格(bragg)光栅、阵列波导光栅、光学分插复用器、激光器以及光学开关。光学开关可以被用来对光束进行调制。两种常见类型的光学开关是机械开关器件和电-光开关器件。

机械开关器件一般包括放置在光纤之间的光路中的物理元件。移动这些元件以引起开关动作。近来微机电系统(MEMS)已经被用于小型机械开关。MEMS很流行，因为它们是基于硅的，并且使用相当常规的硅处理技术来处理。但是，因为MEMS技术一般依赖于物理部件或者元件的实际机械移动，所以MEMS一般局限于较低速度的光学应用，例如具有毫秒量级的响应时间的应用。

在电-光开关器件中，电压被施加到器件被选择的部分，以在所述器件内产生电场。电场改变所述器件内被选择材料的光学性质，并且所述电-光效应导致了开关动作。电-光器件通常利用将光学透明性(optical transparency)与电压可变光学行为组合的电-光材料。在电-光器件中使用的一种典型类型的单晶电-光材料是铌酸锂(LiNbO3)。

铌酸锂在从紫外到中红外的频率范围内是透明的材料，它表现出例如泡克尔斯效应(Pockels effect)的电-光性质。普克尔斯效应是一种光学现象，在所述光学现象中，例如铌酸锂的介质的折射率随所施加的电场而变化。铌酸锂的变化的折射率可被用来提供开关。外部控制电路提供所施加的电场给当前的电-光开关。

尽管这些类型器件的开关速度非常快，例如在纳秒量级上，但当前的电-光开关器件的一个缺点是这些器件为了切换(switch)光束一般需要相对地高的电压。结果，用来控制当前的电-光开关的外部电路通常被专门制造以生成高压，并且承受大量的功耗。另外，随着器件尺寸持续缩小以及电路密度持续增加，这些外部高压控制电路与当前的电-光开关的集成正变成日益富有挑战性的任务。

附图简要说明

在附图中，以实施例而不是限制的方式来图示说明本发明。

图1是一种光学器件的剖面图示，所述光学器件包括靠近光波导中的平面形绝缘区域的电荷调制区域，其中所述光学器件表现出强烈的偏振依赖性。

图2是一种光学器件的一个实施方案的剖面图示，所述光学器件包括靠近光波导中的大致V形的绝缘区域的电荷调制区域，其中依照本发明教导，所述光学器件表现出偏振无关性。

图3是图示依照本发明教导，被引导通过光学器件的一个实施方案的光束的横向电场(transverse electric field，TE)模(mode)的矢量模型的图，所述光学器件包括靠近光波导中的大致V形的绝缘区域的电荷调制区域。

图4是图示依照本发明教导，被引导通过光学器件的一个实施方案的光束的横向磁场(transverse magnetic field，TM)模的矢量模型的图，所述光学器件包括靠近光波导中大致V形的绝缘区域的电荷调制区域。

图5是一种系统的一个实施方案的框图图示，所述系统包括光发射器和光接收器，具有包括根据本发明的实施方案的偏振不敏感光学移相器的一个实施方案的光学器件。

图6是一种光学调制器的一个实施方案的框图图示，所述光学调制器包括具有根据本发明的实施方案的偏振不敏感光学移相器的一个实施方案的马赫-泽德干涉仪(MachZehnder Interferometer，MZI)配置。

图7是一种光学调制器的一个实施方案的框图图示，所述光学调制器包括具有根据本发明的实施方案的偏振不敏感光学移相器的一个实施方案的法布里-珀罗腔(Fabry-Perotcavity)配置。

详细描述

公开了用于以光学器件对光束进行偏振不敏感移相的方法和装置。在下面的描述中，阐述了很多具体细节，以提供对本发明的完整理解。但是，本领域中的普通技术人员将会清楚，实践本发明无需采用这些具体细节。此外，没有详细地描述公知的材料或者方法以免模糊本发明。

在整个说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”意味着关于该实施方案描述的特定特征、结构或者特性被包括在本发明至少一个实施方案中。因此，短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”在整个说明书中不同地方的出现不一定全是指同一实施方案。而且，所述特定特征、结构或者特性可以在一个或更多个实施方案中以任何适当的方式组合。另外可以理解，这里提供的图是用于向本领域中的普通技术人员说明的目的，并且这些图不一定按比例绘制。

在本发明的一个实施方案中，以单个集成电路芯片上的全集成解决方案提供基于半导体的光学器件。当前描述的光学器件的一个实施方案包括基于半导体的波导，所述波导具有适于响应于信号对光束进行移相的互补金属氧化物半导体(CMOS)电容器型结构。所公开的光学器件的实施方案可以在多种高带宽应用中使用，所述高带宽应用包括多处理器、电信、网络以及诸如光学延迟线、开关、调制器、分插复用器(add/drop)等的其他的高速光学应用。

在一个实施方案中，CMOS电容器型结构适合于靠近波导中的大致V形的绝缘区域调制带电区域(charged region)。光束被引导通过波导并且通过靠近大致V形的绝缘区域的电荷调制区域，以对光束进行移相。根据本发明的实施方案，利用通过光波导的大致V形的绝缘区域，实现了偏振无关的相位效率(phase efficiency)。如将要讨论的，根据本发明的实施方案，在大致V形的绝缘区域平面之间的基本上正交的关系导致被任意地偏振的光束基本偏振不敏感的移相，因为光束的横向电场(TE)和横向磁场(TM)模分量相对彼此成直角地传播通过光波导。

为了图示说明，图1是剖面，一般地图示包括靠近光波导中的平面形绝缘区域的电荷调制区域的光学器件。如图1中所示，光学器件101包括具有第一传导类型的半导体材料103的第一区域和具有第二传导类型的半导体材料105的第二区域。平面绝缘区域111被设置在半导体材料区域103和105之间。如图1中所图示，光学器件101在绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)晶片上被制造，并且因此包括掩埋绝缘层107和半导体材料层109。光学器件101中包括光波导127，光束121沿着光路被引导通过所述光波导127。沿着其光束121被引导的光路沿着这样的轴线，即所述轴线平行于光学器件101的光波导的轴线。因此，光路以及因而光束121被示为沿着穿过页面，或者进入并且离开页面的方向传播。如图1中所示，半导体材料区域105接地，并且半导体材料区域103被耦合成通过接触体(contact)113和115接收V_SIGNAL。

在工作中，光束121沿着通过电荷调制区域133的光路被引导通过光波导127。将V_SIGNAL施加到光波导127，以靠近平面绝缘区域111或者在绝缘区域111与半导体材料区域103和105之间的界面处调制电荷调制区域133中的自由电荷载流子浓度。所施加的来自V_SIGNAL的电压改变电荷调制区域133中的自由电荷载流子密度，所述改变导致光波导127中半导体材料的折射率的改变。

在工作中，光束121沿着通过电荷调制区域133的光路被引导通过光波导127。将V_SIGNAL施加到光波导127，以在绝缘区域111与半导体材料区域103和105之间的界面处调制电荷调制区域133中的自由电荷载流子浓度。所施加的来自V_SIGNAL的电压改变电荷调制区域133中的自由电荷载流子密度，所述改变导致光波导127中半导体材料的折射率的改变。

图1的光学器件101表现出强烈的相位效率偏振依赖性。例如，当光束121的偏振平行于平面绝缘区域111，或者平行于绝缘区域111与半导体材料区域103和105之间的界面时，相位效率显著较大，例如是光束121的偏振垂直于平面绝缘区域111时的相位效率的大约7倍(7x)。结果，光学器件101在对光束121进行移相上的效率依赖于被引导通过光波导127的光束121的偏振。

图2是一种光学器件的一个实施方案的剖面图示，所述光学器件包括靠近光波导中的大致V形的绝缘区域的电荷调制区域。根据本发明的实施方案，图2的光学器件表现出偏振无关性。如图2中所示，光学器件201包括具有第一传导类型的半导体材料203的第一区域和具有第二传导类型的半导体材料205的第二区域。在一个实施方案中，半导体材料203包括具有P型掺杂物的硅，并且半导体材料205包括具有n型掺杂物的硅。可以理解，为了说明目的提供了掺杂物的极性，并且依照本发明的教导，可以反转掺杂物的极性和相应的电压。在一个实施方案中，大致V形的绝缘区域211被设置在半导体材料区域203和205之间。如图2中所图示，光学器件201的一个实施方案在绝缘体上硅(SOI)晶片上被制造，并且因此包括掩埋绝缘层207和半导体材料层209。

在一个实施方案中，光学器件201中包括光波导227，光束221沿着光路被引导通过所述光波导227。在图2中图示的实施方案中，波导227是脊形波导，包括脊形区域229和平板区域231。在一个实施方案中，光束221包括红外或近红外光。例如，在一个实施方案中，光束221具有接近大约1.3微米或1.55微米的波长。在图2中图示的实施方案中，沿着其光束221被引导的光路沿着这样的轴线，即所述轴线平行于光学器件201的光波导的轴线。在图2中所示的实施例中，光路以及因而光束221被示为沿着穿过页面，或者进入并且离开页面的方向传播。在图2的实施方案中，大致V形的绝缘区域221的“V”的顶点形成也基本上平行于光路的相交线，光束221沿着所述光路被引导通过光波导227。

如图2的实施方案中所示，半导体材料区域205接地，并且半导体材料区域203被耦合成通过接触体213和215接收V_SIGNAL。在一个实施方案中，接触体213和215是在光束221的光路以外的位置被耦合到半导体材料区域205的金属接触体。如图2中所示，将V_SIGNAL施加到光波导，导致电荷调制区域233中的自由电荷载流子的调制，所述电荷调制区域233靠近大致V形的绝缘区域211，并且光束221被引导通过所述电荷调制区域233。从本公开获益的本领域技术人员能够理解，根据本发明的实施方案，因此提供了CMOS电容器型结构，其中大致V形的绝缘区域211的相对面上的高度带电的区域代表CMOS电容器型结构的极板。

在一个实施方案中，依照本发明的教导，在光学器件201中还包括绝缘材料223的缓冲区和绝缘材料225的缓冲区。如图2中所示，缓冲区223被设置在接触体213和光束221的光路之间。缓冲区225被设置在接触体215和光束221的光路之间。在一个实施方案中，缓冲区223和225由具有比波导227的核心的折射率低的折射率的材料制成。结果，缓冲区223和225充当包层，以便帮助限制光束221保持在波导227内。在图2中图示的实施方案中，掩埋绝缘层207也充当包层，以便帮助限制光束221保持在波导227内。在一个实施方案中，缓冲区223和225还充当电气隔离器，以便在电气上将耦合到波导227的接触体与从光束221引导来的光电场隔离。

在工作中，光束221沿着通过电荷调制区域233的光路被引导通过光波导227。将V_SIGNAL施加到光波导227，以在大致V形的绝缘区域211与半导体材料区域203和205之间的界面处调制电荷调制区域233中的自由电荷载流子浓度。所施加的来自V_SIGNAL的电压改变电荷调制区域233中的自由电荷载流子密度，所述改变导致光波导227中半导体材料的折射率的改变。在一个实施方案中，电荷调制区域233中的自由电荷载流子可以包括例如电子、空穴或它们的组合。

在一个实施方案中，响应于V_SIGNAL，被传递通过电荷调制区域233的光束221的相位被调制。在一个实施方案中，由于等离子体光学效应，传递通过波导227中的电荷调制区域233中的自由电荷载流子或者不存在自由电荷载流子时的光束221的相位被调制。由于光电场矢量和光波导227中沿着光束221的光路可能出现的自由电荷载流子之间的交互，出现了等离子体光学效应。光束221的电场使自由电荷载流子极化，并且这实际上扰动介质的局部介电常数。这又导致光波传播速度以及因而光的折射率的扰动，因为折射率就是真空中的光速和介质中的光速之比。因此，响应于电荷调制区域233中的自由电荷载流子的调制，光学器件201的光波导227中的折射率被调制。光学器件201的波导中被调制的折射率相应地对通过光学器件201的光波导227传播的光束221的相位进行调制。另外，电荷调制区域233中的自由电荷载流子被场加速，并且在光能用尽时导致光场的吸收。一般折射率扰动是复数，其中实部是引起速度改变的部分，并且虚部与自由电荷载流子吸收有关。利用光波长λ、折射率变化Δn和交互长度L，相移量φ近似地由

                     φ＝(2π/λ)ΔnL  (式1)

给出。在硅中的等离子体光学效应的情况下，由电子(ΔN_e)和空穴(ΔN_h)浓度变化所产生的折射率变化Δn由