光学设备制造技术

在此公开了一种由多个电驱动器驱动的包括光信号路径的光学设备。电驱动器配置为优化两个相邻电驱动器之间的延迟。通过对延迟进行优化，使得光学设备中的功率损耗得以降低。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学设备
本专利技术总体上涉及光学设备，并且具体地但非排他地涉及光学调制器。
技术介绍
运行“信息技术”的骨干基础设施包括两个主要部分，即“信息处理”和“信息传递”。信息处理是通过利用无处不在的晶体管(Shockley-Bardeen-Brattain获得的1956年诺贝尔物理奖的主题)在电域中完成，所述晶体管以数百万至数百亿的数量集成在微小的集成电路中(JackKilby获得的2000年诺贝尔物理奖的主题)。这些电路通常在几十赫兹(Hz)到几十千兆赫(GHz)的范围内工作。然而，当涉及到信息传递时，电信号就表现出了较大的缺陷，而在光频率(即数百太赫兹(THz)范围内的频率)下的信号却具备明显的优势。首先，数百太赫兹下的光信号的载波频率远离黑体辐射曲线的峰值，因而几乎没有热噪声。其次，与存在固有损耗的通过金属结构来引导电信号的过程不同的是，通过介电结构引导光信号(光)的过程自身是不存在损耗的，而且，在实践中观察到的损耗主要是由制造缺陷导致的，而不是由任何基本物理现象所导致。这一事实是光通信的基础，并最终让CharlesKao获得了2009年的诺贝尔物理奖。光信号通过介质波导进行传递，与用于传递射频(RF)信号的金属基传输线的每米几十分贝(dB/m)的损耗相比，这些介质波导的损耗在每千米少量分贝(dB/km)的数量级内。不过，为了利用光通信所提供的所有独特功能，执行“信息处理”的电信号必须以某种方式传递到光域。这是光学调制领域的主题，光学调制领域研究的是将低得多的频率下的信号递送到光频率，从而利用这些极高频率所提供的所有优点。为了执行这种调制，通常是以可控的方式对光信号的某些传播特性加以修改。光信号的这种传播特性可以是以下特性中的至少一种：相位、振幅、空间分布、极化、啁啾、相位速度、群速度、传播方向、振荡频率、频谱、波矢量、电场的三个分量的大小、磁场的三个分量的大小、电场的三个分量的相位以及磁场的三个分量的相位。为了控制光信号的传播特性，需要具有可控光学特性的元件。可控光学特性可以是以下中的至少一种：有效折射率、吸收系数、群折射率、双折射率、折射率椭球以及折射率的空间分布。使用输入信号(其对元件的可控光学特性进行调整)来控制光信号的传播特性的设备被称为“光学调制器”。如果输入信号是电信号，则它还可以被称为“电光调制器”、“光电调制器”或者本领域技术人员所能理解的类似名称。如果输入信号是声学信号，则它可以被称为“声光调制器”。这种该电信号可以是自由地传播、被引导、或者是自由传播和被引导的组合。例如，在广泛使用的钛蓝宝石(Ti：Sapph)激光放大器中应用的普克尔斯盒通常是偏振调制器，所述偏振调制器在施加了适当的电信号时改变晶体的双折射率，并且由此改变自由传播光束的偏振态。另一方面，电信(telecom)级铌酸锂(LiNbO3)调制器包括相位调制部分，所述相位调制部分通过LiNbO3中离子交换形成的信道波导来改变二维导波光信号的相位。可选地，对穿过基于薄膜的平板聚合物波导的光信号进行相位调制是平板平面中自由空间传播和通过全内反射(TIR)现象而在与平板平面正交的方向上的一维波导的组合。调制器的主要性能指标是速度、成本、能效以及以多种方式量化的调制信号的质量，例如消光比。在设计光学调制器时，多个参数会影响性能指标，其中主要的参数是光信号的空间分布、电端口的结构、光端口的结构、光信号与电信号之间的相互作用性质、以及电端口相对于光信号的空间分布的相对位置。例如，在铌酸锂调制器中，光与电之间的相互作用性质是建立在场的基础上。换句话说，所施加的电信号产生穿过LiNbO3晶格的电场。这种电场使组分原子发生偏振，进而通过被俗称为“普克尔斯效应”或“线性电光效应”的过程，改变材料的折射率椭球。由于这整个现象都是借助于场来完成的，因此，直接的结论就是，光场的空间分布可以独立于产生场的电结构的构造来进行优化。因此，在工作于几十GHz频率下的电信级LiNbO3调制器中(其中光信号传播通过信道波导)，波导的设计几乎与有助于在LiNbO3晶格中产生电场的RF电极的设计无关。这种无关性通常意味着，光学结构(在该情况下是信道波导)可几乎独立于RF传输线电极来进行优化。这极大地简化了工程设计及优化工作。但是，在半导体调制器(例如硅调制器)的情况下，情况明显不同。在那种情况下，光和电的相互作用通过带电粒子完成，而带电粒子的运动由所施加的电信号控制。由于电荷传输发生在与光信号正在传播所在的材料系统相同的材料系统中，因此，光信号的空间分布的设计和优化与通过其控制带电粒子的运动的电端口之间是高度相关的。因此，针对设计和优化的工程工作经常需要在竞争的性能指标之间做出微妙的折中。例如，通常较大的载流子浓度导致较强的光学效应，而通过自由载流子吸收机制，较大的浓度就意味着较大的光信号衰减。作为这种相关性的另一种表现形式，可以注意到，较大的掺杂浓度意味着半导体内部的电阻率较小，从而促进了自由载流子的移动，并最终实现较快的操作速度。另一方面，较大的掺杂浓度对驱动电端口的RF信号的衰减造成了不利影响，充当对操作速度的限制因素。在过去四十年间，为提高光学调制器的操作速度而广泛采用的技术是速度匹配[1]。此概念在于：采用经过合理设计的传输线，大致上将传播光信号的速度(光的群速度)与RF信号的传播速度相匹配。这种应用于铌酸锂平台的技术使用长度在5cm量级内的调制器，这种调制器充当了长程光学电信链路的中坚力量。不过，该技术的最大缺点在于：它的能效较差。US7,039,258B2[2]描述了一种光电器件。该现有技术仅解决了速度(带宽)的问题。该现有技术的目的不在于获得能效或功率效率。图1是US7,039,258中公开的现有技术光学调制器。显然，通过使用延迟元件(D-1至D-(K-1))，连续的调制器元件(M-1至M-k)的输入电端口处的电信号经历不同的延迟。因此，如果采用更多的调制器元件，则需要更多的延迟元件，这样做既增加了复杂性也增加了能耗。正如将在后面详细解释的，本专利技术的目标是同时提高作为光学调制系统的两个关键指标的能效和速度(带宽)。我们的专利技术根据特定架构来对设备加以配置，由此消除了现有技术的所有上述限制，并且这样做能够明显提高设备的能效，同时还实现极高的速度(带宽)。在US7,515,778B2[26]中，独立权利要求1陈述了“每个驱动信号源单独地通电/断电，以控制相移”。在说明书中，第3栏陈述了“出于功率耗散的原因，期望设计出一种能够以牺牲光学消光比来换取功率的调制器驱动器。通过对大多数驱动器的输出幅度进行调整来实现这一目标会带来问题；它通常会导致边沿速率(即，光学“1”与光学“0”之间的转换时间)的改变，并且取决于驱动器拓扑结构，可能不能降低功耗。通过调整驱动器的幅度来调整消光比的一种替代方案是实现：消光比基于MZI的两个臂之间的相移。因此，已经发现的是，通过动态地调整调制器结构的调制分部的有效长度，可以调整输出光信号的消光比(同时保持驱动电压的恒定的电摆动)。”再次，所有驱动器必须“单独(separately)”地通电/断电这一要求是该现有技术的最大局限性所在，并且如稍后解释的那样，我们将消除此限制，极大地减少能量耗散。在US7,515,77本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备，包括：多个电驱动器；至少一个光信号路径，所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；并且其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.12 GB 1600590.21.一种设备，包括：多个电驱动器；至少一个光信号路径，所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种；并且其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的电信号之间的延迟基本上最小化。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光信号路径进一步包括至少一个组，所述组包括所述多个部分中的至少两个。3.根据权利要求1或2所述的设备，还包括电路，所述电路包括所述多个电驱动器。4.根据权利要求3所述的设备，其中所述电路包括至少一个电信号输入端口和多个电信号输出端口。5.根据权利要求4所述的设备，其中电信号输出端口的数量等于或大于各自包括所述光信号路径的光学调制元件在内的子部分的数量。6.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述至少一个电信号输入端口配置为向所述光信号路径的所述至少一个组内的光学调制元件供应电信号。7.根据权利要求4、5或6所述的设备，其中为所述光信号路径的不同的组提供单独的电信号输入端口。8.根据任一前述权利要求所述的设备，还包括在驱动所述光信号路径的至少两个部分的相应的耦合的调制元件的驱动器之间的至少一个延迟元件。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述延迟元件配置为控制由驱动所述光信号路径的两个相邻部分的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号之间的延迟。10.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述延迟元件配置为使得由驱动所述光信号路径的至少一个部分内的相应的耦合的光学调制元件的驱动器所产生的所述电信号中的至少两个之间的延迟基本上最小化。11.根据权利要求8、9或10所述的设备，其中所述延迟元件配置为在由驱动所述光信号路径的每个部分内的相应的耦合的光学调制元件的电驱动器所产生的所述电信号之间提供基本上恒定的延迟。12.根据权利要求8、9或10所述的设备，其中所述延迟元件配置为在由驱动所述光路径的每个部分内的相应的耦合的光学调制元件的电驱动器所产生的所述电信号之间提供可控延迟。13.根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中所述延迟元件包括电子延迟电路。14.根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中所述延迟元件是无源延迟元件，所述无源延迟元件包括传输线。15.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光学调制元件各自包括可控光学特性。16.根据权利要求15所述的设备，其中所述可控光学特性包括以下特性中的至少一种：折射率、吸收系数、折射率椭球、折射率和吸收系数的组合以及折射率椭球和吸收系数的组合。17.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光信号路径包括光波导。18.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中传播通过所述光信号路径的光信号不是导波。19.根据任一前述权利要求所述的设备，其中与所述光信号路径的所述至少一个部分内的至少两个子部分耦合的电驱动器彼此同步。20.根据权利要求3至19中任一项所述的设备，其中所述电路包括电网络，所述电网络选自包括以下的组：菊花链网络、线路网络、总线网络、树形网络和星形网络。21.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光学调制元件包括半导体材料。22.根据权利要求21所述的设备，其中所述半导体材料包括以下材料中的至少一种：硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟和氮化镓。23.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括铁电晶体材料。24.根据权利要求23所述的设备，其中所述铁电晶体材料包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡和磷酸钛氧钾。25.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括包含电光聚合物的材料。26.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光信号路径包括蜿蜒形状。27.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述电驱动器形成在电芯片上并且所述光学调制元件形成在光芯片上。28.根据权利要求27所述的设备，其中所述电芯片和光学调制元件使用以下技术中的至少一种连接：铜柱技术、倒装芯片接合技术、硅通孔TSV技术以及扇出晶片级封装FOWLP技术。29.根据权利要求27或28所述的设备，其中所述光芯片包括至少一个无源电元件，所述无源电元件包括至少一根电传输线。30.根据权利要求1至26中任一项所述的设备，其中所述电驱动器和所述光学调制元件形成在同一芯片上。31.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光学调制元件包括包含电信号端口的p-n半导体结构。32.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括包含电信号端口的p-i-n半导体结构，其中所述p-i-n结构包括夹在p区与n区之间的本征层。33.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少四个半导体区域，第一半导体区域与第二半导体区域相邻，而第三半导体区域与第四半导体区域相邻。34.根据权利要求33所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括n型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括p型半导体。35.根据权利要求33所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括p型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括n型半导体。36.根据权利要求33、34或35所述的设备，进一步包括两个光信号路径，其中第一光信号路径包括所述第一半导体区域和所述第二半导体区域，并且第二光信号路径包括所述第三半导体区域和所述第四半导体区域。37.根据权利要求33至36中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少两个电信号端口。38.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少六个半导体区域，第五半导体区域夹在第一半导体区域与第二半导体区域之间，而第六半导体区域夹在第三半导体区域与第四半导体区域之间。39.根据权利要求38所述的设备，其中所述第五区域和所述第六区域包括本征半导体。40.根据权利要求38或39所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括n型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括p型半导体。41.根据权利要求38或39所述的设备，其中所述第一区域和所述第四区域包括p型半导体，而所述第二区域和所述第三区域包括n型半导体。42.根据权利要求38至41中任一项所述的设备，进一步包括两个光信号路径，其中第一光信号路径包括所述第一半导体区域、所述第二半导体区域和所述第五半导体区域，而第二光信号路径包括所述第三半导体区域、所述第四半导体区域和所述第六半导体区域。43.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括至少两个半导体区域以及在所述两个半导体区域之间形成的沟槽区域。44.根据权利要求43所述的设备，其中所述沟槽区域至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。45.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中所述光学调制元件包括彼此横向相邻的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域，并且其中第一沟槽区域形成在所述第一半导体区域与所述第二半导体区域之间，而第二沟槽区域形成在所述第二半导体区域与所述第三半导体区域之间。46.根据权利要求45所述的设备，其中所述第一沟槽区域和所述第二沟槽区域至少部分地填充有具有普克尔斯效应的聚合物材料。47.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述光信号路径包括第一分部和第二蜿蜒分部，其中所述第一分部包括所述多个光学调制元件中的至少一些，每个光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口，并且所述第二蜿蜒分部包括所述多个光学调制元件中的其他光学调制元件，每个其他光学调制元件包括第一电输入端口和第二电输入端口。48.根据权利要求47所述的设备，其中所述第二蜿蜒分部相对于所述第一分部弯曲约180°。49.根据权利要求47或48所述的设备，其中位于所述光信号路径的所述第一分部内的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性与所述光信号路径的所述第二蜿蜒分部的第一电输入端口和第二电输入端口的信号极性相反。50.根据权利要求49所述的设备，其中所述光学调制元件包括铁电晶体材料。51.根据权利要求50所述的设备，其中所述铁电晶体材料包括以下材料中的至少一种：铌酸锂、钛酸钡和磷酸钛氧钾。52.一种包含根据任一前述权利要求所述的设备的光学调制器。53.一种光学调制系统，包括：信号处理器；根据权利要求52所述的光学调制器；其中所述信号处理器和所述光学调制器彼此耦合。54.一种光学调制系统，包括：多个电驱动器；至少一个光学调制器，所述光学调制器包括至少一个光信号路径，所述至少一个光信号路径包括多个部分，其中至少一个部分包括多个子部分，其中所述多个子部分中的至少一些各自包括光学调制元件，其中所述光学调制元件中的至少一些各自与所述多个电驱动器中的至少一个电耦合；其中每个耦合的所述电驱动器配置为产生至少一个电信号，用于调制通过所述至少一个光信号路径的光信号的传播特性中的至少一种，其中所述电驱动器配置为使得由与所述至少一个光信号路径的所述至少一个部分内的相应子部分的相应光学调制元件耦合的至少两个电驱动器所产生的所述电信号之间的延迟基本上最小化；以及信号处理器。55.根据权利要求54所述的光学调制系统，其中所述信号处理器和所述电驱动器中的至少一些形成在同一芯片上。56.一种用于产生调制光信号的设备，包括：多个电驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃米尔·侯赛因·内贾德马里里，
申请(专利权)人：福莱通有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB