亞電壓驅動的100兆赫帶寬的電光調制器的制造方法
【技術領域】
[0001] 版權和商品外觀聲明：
[0002] 本專利文件中包含的部分內容受到版權保護。該專利文件可能展示了和/或描述 了屬于或者將屬于權利人的商品外觀。版權和商品外觀的權利人不反對任何人在專利公開 范圍內的臨摹復制，因為其公開在專利商標局的專利文件或記錄中。除此之外，在任何情況 下，權利人保留所有的版權和商品外觀權利。
[0003] 相關申請信息：
[0004] 本專利申請要求2013年6月13號提交的公開號為No. 61/834,788,發明名稱為 "亞電壓驅動的100兆赫帶寬的電光調制器"的美國臨時專利申請的優先權，臨時申請案中 的全部內容將引入本申請中。
[0005] 聯邦政府在申請中的權利：
[0006] 本發明是在批準號為08ST1-0221的政府支持下完成，該批準號由國防部高級研 究計劃局-小型商業技術轉移計劃署批準授予。聯邦政府在本發明中擁有一定權利。
[0007] 本發明涉及一種光調制器，應用于光纖通信系統或其他光電系統中。
【背景技術】
[0008] 光調制器是光纖通信，射頻光子學，儀器儀表以及光學信號處理應用中的主要部 件。要求光調制器具備的特性是：在保持盡可能低的驅動電壓的情況下，具有足夠高的調制 帶寬。要實現這兩個屬性通常會造成設計規則集的沖突。例如，可利用去除了波導（SURE) 的基板實現超低電壓驅動（JaeHyuk Shin，Yu-Chia Chang和Nadir Dagli在應用物理快報 中發表的題為"0. 3V電壓驅動砷化鎵/砷化鋁鎵移除基板馬赫-曾德爾強度調制器"的文 章，參見應用物理快報2008年第92期），確定（SURE)波導形成于半導體外延層中，半導體 外延層從原基底層移除。外延層的兩側均可被處理以形成新穎的設計。這種亞微米厚的波 導具有非常高的垂直指數對比度，并可在約幾分貝/厘米的極低損耗下引導光波（JaeHyuk Shin，Yu-Chia Chang和Nadir Dagli在光學快報中發表的題為"關于緊湊砷化鎵/砷化 鋁鎵基板移除波導的傳播損耗研究"的文章，參見光學快報2009年第171期）。然而，在這 種波導上，金屬電極將無法使用，這是因為帶有金屬的光模重疊通常會導致過大的光學傳 播損耗。使用表面覆蓋有摻雜半導體層的電極繞開了上述問題。因此，波導中帶有光模并 充分重疊的強電場得以產生，實現超低電壓驅動。但是，摻雜半導體層的有限薄層電阻造成 過大的電阻和過多的電極損耗，這反過來將調制器的帶寬限制到約30兆赫茲（參見Selim Dogru，JaeHyuk Shin和Nadir Dagli的題為"超低電壓基板移除的光電馬赫曾德爾強度調 制器的帶寬設計"的文章，參見集成光子學與納米光子學研究學術會議論文集，2009年7月 12-17 日，夏威夷檀香山，論文 IWA6 ;以及 Selim Dogru，Jae Hyuk Shin 和 Nadir Dagli 的 題為"行波電極的基片上除去埋設有摻雜半導體電極的電光調制器"的文章，參見電氣與電 子工程師協會量子電子期刊，2013年7月第49期第7號第599-606頁）。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明的電光調制器的平面結構示意圖；
[0010] 圖2為電光調制器中的一個光波導的橫截面圖；
[0011] 圖3A為電光調制器的局部結構示意圖；
[0012] 圖3B為電光調制器的橫截面示意圖；
[0013] 圖4A，4B，4C和4D為電光調制器中的一個光波導的橫截面圖，圖中示出了常規的 制造過程；
[0014] 圖5為共平面波導的等效電路模型；
[0015] 圖6為電光調制器中的一個光波導的橫截面示意圖，圖中示出了等效的電路元 件；
[0016] 圖7為電光調制器的局部結構的等效電路模型；
[0017] 圖8A，8B和8C為電光調制器的模擬性能圖。
[0018] 在整個描述中，各組件由三位數字組成的附圖標記表示，其中第一位數與圖號一 致，其余后兩位指代具體的元件。未結合附圖一起描述的元件假定與先前描述的有相同附 圖標記的元件具有相同的作用和特點。
【具體實施方式】 [0019] 本設備的描述
[0020] 本發明提出了一種新型的超寬帶寬低壓驅動調制器100。在該設計中，結合了由摻 雜半導體制成的埋置電極和具有很強介電常數色散的電介質。通過該方法繞過了由于過量 電極損耗造成的帶寬限制的問題，而過量電極損耗源自微波頻率下的埋置電極，由于埋置 電極之間的較小電極間距，從而允許非常低的驅動電壓。由此，具有〇. 4伏或更小工作電壓 和超過IOOGHz帶寬的調制器成為可能。
[0021] 現在參見圖1，超寬帶寬極低驅動電壓調制器100包括設置在基板105上的馬赫 曾德爾干涉儀110。馬赫曾德爾干涉儀是已知的波導器件，其包括輸入光波導112,分路器 113,兩個分支光波導114,合路器115和輸出光波導116。光波導組件112-116如圖1中的 虛線所示，所有光波導112-116支持單一方向的傳播模式。耦合到輸入光波導112的光線 通過Y型分路器113在兩個分支光波導114之間分離，分路器113也可以是定向耦合器或 者多模干涉耦合器。穿過這兩個分支光波導114后，光線通過Y型合路器115重新結合并 被引導到輸出光波導116,合路器115也可以是定向耦合器或者多模干涉耦合器。在沿兩 個分支光波導114傳播過程中，光線被延遲或者光線的相位發生移動。當分別在兩個分支 光波導114中傳播的光線發生相同相位移動時，被引導到輸出光波導116中的光線量最大 (即，全部消除了任何固有的波導損耗）。當分別在兩個分支光波導114中傳播的光線相位 移動相差180度時，從兩個分支光波導114中出來的光線在合路器115中干涉，只有少量的 光線被引導到輸出光波導116中。
[0022] 馬赫曾德爾干涉儀可組合到電光材料上，當施加電場時，電光材料的折射率發生 改變。馬赫曾德爾干涉儀可用作調制器，例如本發明中的馬赫曾德爾干涉儀110。施加時變 電場到兩個分支光波導中的一個或兩個上，以改變分支光波導的折射率。在不同的折射率 下，沿光波導傳播的光線的相位移動不同，由此調節耦合到輸出光波導的光線量。
[0023] 在本發明的超寬帶寬低壓驅動調制器100中，通過共面傳輸線120向兩個分支光 波導114施加電場，共面傳輸線120布置在馬赫曾德爾干涉儀表面上，共面傳輸線120包括 位于兩條接地跡線122,126(G)之間的信號跟蹤器124(S)。在共面傳輸線120 -端引入的 微波信號將沿著波導傳播至共面傳輸線120的另一端。通常，該微波信號隨后在負載中被 消耗（圖中未示出），負載的阻抗與共面波導的阻抗相匹配。此外，也可用共面帶來替代共 面傳輸線。
[0024] 在一些例子中，本發明的超寬帶寬低壓驅動調制器100常被稱作行波調制器，這 是因為當電波向下傳播至共面傳輸線時，該電波可調制從馬赫曾德爾干涉儀中出來的光 線。為了實現對光線的最大調制，微波信號在共面傳輸線120中的傳播速度需