Электроабсорбционный модулятор с широкой оптической полосой и способ модуляции оптического сигнала
Изобретение относится к способам модуляции оптических сигналов. Электроабсорбционный модулятор содержит волноводную структуру, включающую множество секций, при этом каждая секция имеет различную запрещенную зону и, по меньшей мере, один электрод для приложения к секции электрического смещения. В способе оптический сигнал, проходящий через волноводную структуру, модулируется с использованием множества секций, выполненных с возможностью отдельной адресации, путем подачи сигнала модуляции в одну или более секций и электрического смещения одной или более секций с помощью напряжения смещения. При этом обеспечивается заданный уровень одного или более параметров, таких как внутриимпульсная частотная модуляция, глубина модуляции и вносимые потери. Технический результат - расширение рабочего диапазона длин волн при обеспечении компактного выполнения устройства. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
Данное изобретение относится к электроабсорбционным модуляторам.
Волноводные электроабсорбционные модуляторы являются очень компактными устройствами, подходящими для модулирования света со скоростью передачи данных 10 Гб/с и выше. Они используются в оптических сетях связи с типичной дальностью действия в настоящее время 50 км с вероятным увеличением до 100-120 км в ближайшем будущем. Оптимизированные устройства можно применять в системах с еще большей дальностью действия.
Их компактные размеры (обычно длина волновода составляет несколько сотен микрон), низкое напряжение возбуждения (обычно менее 5 В) и совместимость с полупроводниковыми лазерами относительно размера мод делает их идеальными для использования в качестве внешних модуляторов. Их можно предпочтительно размещать внутри того же модуля, что и полупроводниковый лазер, или интегрировать на одном кристалле с полупроводниковым лазером.
Принцип работы электроабсорбционных модуляторов основывается на эффекте Штарка квантовой локализации в полупроводниковых устройствах с использованием квантовых ям. В структуре с квантовой ямой эффективная запрещенная зона определяется запрещенной зоной основного материала квантовой ямы и энергиями квантования электронного и дырочного уровней. Когда на устройство воздействует электрическое поле перпендикулярно яме, то эффективная запрещенная зона уменьшается и изменяется спектр поглощения. Это позволяет модулировать амплитуду света, излучаемого устройством. Когда изменяется спектр поглощения, это сопровождается изменением показателя преломления структуры (соотношение Крамера-Крëнига). Изменение показателя преломления вызывает изменение длины оптического пути, что в свою очередь вызывает динамические изменения длины волны излучаемого света. Эти изменения длины излучаемого оптического импульса известны как внутриимпульсная частотная модуляция. Внутриимпульсная частотная модуляция влияет на дальность передачи данных по оптическому волокну, зависящей от дисперсии волокна.
Компромисс между внутриимпульсной частотной модуляцией, вносимыми потерями и глубиной модуляции ограничивает диапазон рабочих длин волн.
Возбуждение электроабсорбционных модуляторов согласно уровню техники связано с единственной запрещенной зоной. Это ограничивает диапазон длин волн, в котором может работать устройство. В электрооптических модуляторах отражательного типа используются изменения показателя преломления в волноводной секции, вызываемые прилагаемыми напряжениями, и они работают в широком диапазоне длин волн. Эти устройства могут принимать форму интегрированных интерферометров (например, Маха-Цендера) или конфигурации направленных ответвителей, изготовленных в материалах, включающих ниобат лития, или полупроводниках, включающих структуры на основе GaAs и InP. Такие устройства являются очень длинными - несколько сантиметров в длину, что является существенным недостатком в системах связи, где пространство является ограниченным.
Целью данного изобретения является создание электроабсорбционного модулятора, который позволяет устранить, по меньшей мере, некоторые недостатки, присущие устройствам согласно уровню техники.
Согласно одному аспекту данное изобретение обеспечивает создание электроабсорбционного модулятора с несколькими запрещенными зонами, способного перекрывать широкий диапазон оптических волн (более 40 нм) с низкой внутриимпульсной частотной модуляцией, небольшими вносимыми потерями и большой глубиной модуляции (более 10 дБ).
Согласно другому аспекту данное изобретение обеспечивает создание способа модуляции оптического сигнала, проходящего через волновод, для обеспечения желаемых уровней внутриимпульсной частотной модуляции, глубины модуляции и вносимых потерь.
Предлагаемый электроабсорбционный модулятор имеет широкий рабочий диапазон волн, однако является компактным по сравнению с электромодулятором отражательного типа.
Электроабсорбционный модулятор согласно изобретению можно интегрировать в виде единого целого с лазерным источником света.
Согласно одному аспекту данное изобретение предлагает электроабсорбционный модулятор поглощательного типа, содержащий волноводную структуру, включающую множество секций, при этом каждая секция имеет разную запрещенную зону и по меньшей мере один электрод для приложения электрического смещения к секции.
Согласно другому аспекту данное изобретение предлагает способ модуляции оптического сигнала, проходящего через волноводную структуру, имеющую адресуемые по отдельности секции, при этом каждая секция образована из полупроводниковой среды, имеющей заданную запрещенную зону, и электрода для электрического смещения указанной среды, при этом способ содержит стадии:
электрического смещения одной или более указанных секций с помощью напряжения смещения, так чтобы обеспечить заданный уровень любого или нескольких параметров, включая внутриимпульсную частотную модуляцию, глубину модуляции и вносимые потери.
Ниже приводится описание вариантов выполнения данного изобретения в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1(а), 1(b) и 1(с) - графики, иллюстрирующие принцип эффекта Штарка квантовой локализации;
фиг.2 - разрез вдоль осевой линии волновода устройства согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.3 - разрез устройства в плоскости, перпендикулярной оси волновода, согласно фиг.2; и
фиг.4(а) и 4(b) - последовательная и параллельная конфигурации электроабсорбционного модулятора согласно данному изобретению на виде сверху.
Ниже приводится описание электроабсорбционного модулятора, разделенного на секции, каждая из которых имеет различную запрещенную зону, и в котором каждая секция запрещенной зоны адресуется с помощью отдельного электрода. Каждая секция запрещенной зоны обеспечивает оптимальную работу относительно внутриимпульсной частотной модуляции и глубины модуляции в диапазоне длин волн.
Один или более электрических сигналов модуляции, представляющих данные, подаются в одну или более секций устройства для переноса данных на оптический сигнал, создаваемый модулятором. Дополнительно к электрической модуляции на одну или более секций, к которым прикладываются электрические сигналы модуляции, можно подавать предварительное смещение в виде электрического напряжения постоянного тока.
Остальные секции устройства, к которым сигналы модуляции не прикладываются, можно также электрически смещать с помощью одного или более напряжений постоянного тока.
Напряжение или напряжения смещения постоянного тока могут включать обратное смещение, нулевое смещение или прямое смещение. Приложение прямого смещения к конкретной секции уменьшает оптические потери, связанные с этой секцией, или же может приводить к тому, что эта секция становится оптически прозрачной или что секция имеет оптическое усиление. Наряду с определением чистых потерь или усиления устройства условия смещения секций, через которые проходит свет с модуляцией данными, могут также оказывать влияние на внутриимпульсную частотную модуляцию кодированных импульсов. Уровни смещения оптимированы для каждой рабочей длины волны, так что глубину модуляции, внутриимпульсную частотную модуляцию и вносимые потери устройства можно регулировать для соответствия требованиям применения.
Когда к конкретной секции устройства не прикладывается напряжение смещения или модулирующий сигнал, то электрод этой секции может быть плавающим без приложения нулевого или другого заземляющего потенциала.
Изобретение включает в себя случай, когда две или более параллельных ветвей, содержащих волноводные модуляторы, используются для оптимизации параметров. В этом случае свет разделяется на несколько параллельных волноводов, при этом каждый волновод содержит более одной секции с различной запрещенной зоной. Затем свет из каждого волновода снова объединяют.
Запрещенные зоны в различных секциях устройства предпочтительно создаются за счет смешивания квантовых ям. Это обеспечивает отличное согласование оптических мод в различных волноводных секциях в месте стыка между секциями и пренебрежительно малую величину оптических отражений в местах стыка.
Устройство может предпочтительно иметь на входе и выходе волноводы с малыми потерями. Среди прочих преимуществ эти волноводы улучшают оптический доступ к устройству за счет обеспечения нависания устройства над любой опорой, на которую оно помещается. Эти волноводы могут содержать модовые переходы и/или оптические усилители.
Различные секции устройства, к которым прикладывается напряжение, могут быть предпочтительно разделены отрезками пассивного волновода с малыми потерями. Эти пассивные волноводы улучшают электрическую изоляцию между различными электрически возбуждаемыми секциями.
Различные секции устройства, к которым прикладываются напряжения, могут быть предпочтительно профилированы по запрещенной зоне вдоль длины волновода.
Понятно, что устройство можно изготавливать на полупроводниковой подложке для улучшения высокочастотной характеристики модуляторов. Понятно также, что модуляторы могут быть устройствами бегущей волны, которые согласовывают скорости электрических и оптических волн.
Фиг.1 иллюстрирует принцип эффекта Штарка квантовой локализации. Для целей иллюстрации предполагается, что квантовая яма состоит из InGaAs и барьеров из InGaAsP. В структуре квантовой ямы эффективная запрещенная зона задается запрещенной зоной основного материала квантовой ямы и энергиями квантования электронных и дырочных уровней. Эффективная запрещенная зона EgI показана на фиг.1(а). Когда к устройству прикладывается электрическое поле перпендикулярно яме (смотри фиг.1(b)), то эффективная запрещенная зона уменьшается до Eg2 и изменяется спектр поглощения (смотри фиг.1(с)). Изменение поглощения вызывает изменение спектра показателя отражения.
На фиг.2 показан разрез по длине оси волновода устройства. Электроабсорбционный модулятор разделен на секции 201, 202, 203, 204, 205, каждая из которых имеет различную запрещенную зону, и при этом предусмотрена адресация каждой секции запрещенной зоны с помощью отдельного электрода. На своем входе и выходе устройство может предпочтительно иметь волноводы 211, 212 с малыми потерями. Различные секции устройства, к которым прикладываются напряжения, могут быть предпочтительно разделены отрезками пассивного волновода 220 с малыми потерями.
На фиг.3 показан разрез устройства перпендикулярно волноводу. Слоистая структура локализует свет в вертикальном направлении. На фиг.3 показан гребенчатый элемент, используемый для локализации света в боковом направлении, однако понятно, что можно использовать другие способы обеспечения локализации света, включая скрытые гетероструктуры или антирезонансные поперечные волноводы.
На фиг.4 показана на виде сверху схема размещения устройства (для ясности контакты не изображены). На фиг.4(а) показано устройство с последовательно расположенными областями с различными запрещенными зонами, образованными последовательно вдоль единственного волновода. На фиг.4(b) показаны две параллельные ветви, содержащие волноводные модуляторы. В этом случае свет разделяется в два параллельных волновода, при этом каждый волновод содержит более одной секции с различной запрещенной зоной. Затем свет из каждого волновода снова объединяется.
Другие варианты выполнения преднамеренно входят в объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Электроабсорбционный модулятор, содержащий волноводную структуру, включающую множество секций, при этом каждая секция, образованная из полупроводниковой среды, имеет различную запрещенную зону и, по меньшей мере, один отдельный электрод для приложения к секции независимого электрического смещения, а множество секций указанной волноводной структуры расположены в последовательной конфигурации.
2. Электроабсорбционный модулятор по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительную волноводную структуру, включающую множество секций, при этом дополнительная волноводная структура расположена в параллельной конфигурации.
3. Электроабсорбционный модулятор по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые из множества секций указанной волноводной структуры разделены отрезками пассивного волновода.
4. Электроабсорбционный модулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит на своем входе и/или выходе волновод с малыми потерями.
5. Электроабсорбционный модулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, одно дополнительное оптическое активное устройство, включенное в волноводную структуру.
6. Электроабсорбционный модулятор по п.5, отличающийся тем, что дополнительное оптическое активное устройство в указанной волноводной структуре содержит оптический усилитель.
7. Электроабсорбционный модулятор по п.3, отличающийся тем, что отрезки пассивного волновода образованы с использованием технологий смешивания квантовых ям.
8. Электроабсорбционный модулятор по п.1, отличающийся тем, что множество секций указанной волноводной структуры профилированы по запрещенной зоне вдоль длины волновода.
9. Способ модуляции оптического сигнала, проходящего через волноводную структуру, содержащую множество секций, расположенных в последовательной конфигурации и выполненных с возможностью отдельной адресации, при этом каждая секция образована из полупроводниковой среды, имеющей заданную запрещенную зону, и электрода для приложения к секции независимого электрического смещения указанной среды, содержащий стадии: подачи одного или более электрических сигналов в одну или более секций, электрического смещения указанной среды в одной или более указанных секциях с помощью напряжения смещения, при этом уровни смещения оптимизированы для каждой рабочей длины волны с возможностью получения заданного уровня любого одного или более параметров, таких как внутриимпульсная частотная модуляция, глубина модуляции и вносимые потери.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно содержит стадию электрического смещения указанной среды в двух или более указанных секциях с помощью напряжения смещения с получением заданного уровня любого одного или более параметров, таких как внутриимпульсная частотная модуляция, глубина модуляции и вносимые потери.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно содержит стадию электрического смещения указанной среды во всех указанных секциях с помощью напряжения смещения с получением заданного уровня любого одного или более параметров, таких как внутриимпульсная частотная модуляция, глубина модуляции и вносимые потери.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что приложенное электрическое смещение к каждой из указанных электрически смещаемых секций является напряжением обратного смещения, напряжением нулевого смещения или напряжением прямого смещения.
13. Способ по п.10, отличающийся тем, что приложенное электрическое смещение к каждой из указанных электрически смещаемых секций является напряжением обратного смещения, напряжением нулевого смещения или напряжением прямого смещения.
14. Способ по п.11, отличающийся тем, что приложенное электрическое смещение к каждой из указанных электрически смещаемых секций является напряжением обратного смещения, напряжением нулевого смещения или напряжением прямого смещения.
15. Способ по п.9, отличающийся тем, что электрическое смещение, приложенное к каждой из указанных секций, определено с целью минимизации внутриимпульсной частотной модуляции.
16. Способ по п.10, отличающийся тем, что электрическое смещение, приложенное к каждой из указанных секций, определено с целью минимизации внутриимпульсной частотной модуляции.
17. Способ по п.11, отличающийся тем, что электрическое смещение, приложенное к каждой из указанных секций, определено с целью минимизации внутриимпульсной частотной модуляции.
18. Способ по любому из пп.9-17, отличающийся тем, что дополнительно содержит стадию подачи сигнала модуляции, по меньшей мере, в одну из указанных секций.
19. Способ по любому из пп.9-17, отличающийся тем, что дополнительно содержит стадию подачи сигнала модуляции, по меньшей мере, в две или более указанных секций.
20. Способ по любому из пп.9-17, отличающийся тем, что дополнительно содержит стадию подачи сигнала модуляции в одну из указанных секций с приложенным электрическим смещением.
