阅读说明：本技术 平衡半导体光波导中的损耗 (Balancing losses in semiconductor optical waveguides ) 是由 S·法维尔 于 2018-12-21 设计创作，主要内容包括：一种在所需工作波长下均衡光电子器件中的波导段中的光损耗的方法,所述光电子器件包括第一半导体波导段和第二半导体波导段,所述方法包括：确定具有所需工作波长的信号通过所述第一波导段的第一光损耗(1301)；确定所述信号通过所述第二波导段的第二光损耗(1302)；确定所述第一光损耗和所述第二光损耗之间的损耗差(1303)；基于所述损耗差和所述工作波长来确定第一偏压,使得所述损耗差减小(1304)；以及将所述偏压施加到所述第一波导段(1305)。(A method of equalizing optical loss in a waveguide segment in an optoelectronic device at a desired operating wavelength, the optoelectronic device including a first semiconductor waveguide segment and a second semiconductor waveguide segment, the method comprising: determining a first optical loss (1301) of a signal having a desired operating wavelength through the first waveguide segment; determining a second optical loss of the signal through the second waveguide segment (1302); determining a loss difference (1303) between the first optical loss and the second optical loss; determining a first bias voltage based on the loss difference and the operating wavelength such that the loss difference is reduced (1304); and applying the bias to the first waveguide segment (1305).)

平衡半导体光波导中的损耗

技术领域

本技术领域是平衡半导体光波导中的损耗。

背景技术

随着对带宽的需求增加，光学系统中的相干检测越来越受到关注。与测量光信号功率的强度调制和直接检测(IMDD)系统相比，相干检测使得能够使用信号的幅度、频率和相位。图1是典型相干探测器100的示意图。图1示出了用于接收的信号的输入101，其使用光耦合器103与本地振荡器102组合，其中组合信号由光电二极管104检测。典型地，诸如图1的探测器使用平衡的探测器，其包括一对光电二极管，每个光电二极管都连接到耦合器的输出。平衡的探测器能够从信号中去除任何DC分量。

更复杂的设备能够使用偏振和相位调制。图2是用于光学系统的使用相位和偏振调制的探测器200的示意图。在图2的设备中，提供了接收的信号201和本地振荡器202。信号被馈送到偏振分离器203，然后其将第一偏振(X)传递到第一90°混合耦合器204，并且将第二偏振(Y)经由相位旋转器205传递到第二90°混合耦合器206。来自本地振荡器202的信号被分束器207分离，该分束器在两个混合耦合器之间对信号进行分离。提供一组四个平衡的耦合器208、209、210、211，每个平衡的耦合器包括一对光电探测器。四个平衡的探测器的输出信号分别对应于X偏振同相分量XI 212、X偏振正交分量XQ 213、Y偏振同相分量YI 214和Y偏振正交分量YQ 215。与图2类似的装置可用于QPSK、QAM的检测以及其他组合振幅、相位和偏振的调制方案。

在所有这些设备中，平衡的探测器的使用使得能够消除信号的DC分量。为了实现这一点，耦合器的每个分支中的损耗必须尽可能地相同。分支之间损耗的差异将导致两个光电探测器中有效光敏感度的不同。图3是相干光电探测器300的示意图，其具有两个分支，左分支301和右分支302。提供四个光电探测器P1 303、P2 304、P3 305和P4 306。P1和P2被配对作为第一平衡的光电探测器307，P3和P4被配对作为第二平衡的光电探测器308。

图4是曲线图400，其上绘出了对于根据图3的典型设备的光电二极管的响应度401相对于波长402的实验结果，这些结果是对于探测器中的四个光电二极管获得的。对于理想的设备，四个探测器的结果将是相同的。然而，可以清楚地看出，由于不同分支的不同路径损耗，光电探测器的响应度不同。关键的差别是构成平衡的探测器中的光电二极管对的光电二极管之间的差别，即，PD1和PD2 403之间的差别以及PD3和PD4 404之间的差别。

图5是示出了相同探测器的第二分支的结果的曲线图500。如图4所示，该图是相对于波长502绘制的光电二极管响应度501的曲线图。这两个图一起给出了通过耦合器的光损耗的变化类型的例子。

这类设备的一个重要设计参数是共模抑制比(CMRR)，其可以使用等式1来计算：

通常用于这类探测器的重要器件是多模干涉(MMI)耦合器。图6是典型的多模干涉耦合器600的示意图。它包括两个或多个单模输入601、两个或多个单模输出602和宽多模部分603。操作的基本原理依赖于在多模部分中产生的干涉图案。这种器件通常是低损耗并且很大程度上与波长无关。然而，制造缺陷可能导致不完美的功率分配比率。在诸如图2或图3的相干探测器中，这将导致每个光电探测器具有略微不同的响应度。

已有通过电调谐来改变MMI耦合器的分支之间的分束比的方法。MMI中分束比的调节是通过以下事实实现的：MMI中的输入场是在沿传播方向的周期性间隔处的单个或多个图像中再现的。在一个间隔处的自映象的干涉图样导致在下一个间隔处形成新的自映象，最终导致输出图象。因此，通过改变在MMI间隔内出现自映象点处的折射率，可以修改输出图象。这将改变在发生改变的点处的自映象和在随后的间隔处的自映象之间的相位关系。

这种调谐被应用于MMI耦合器的多模部分。图7是这种装置700的示意图，示出了输入701、输出702、宽多模部分703和调谐电极704。干涉图样705通过由调谐电极施加的偏压而改变。这种电调谐被应用于设备的多模部分。

发明内容

因此，本公开试图通过向输出施加负偏置而不是向耦合器的主体施加调谐偏置来改善耦合器臂之间的光损耗平衡。

根据第一方面，提供了一种在所需工作波长下均衡光电子器件中的波导段中的光损耗的方法，所述光电子器件包括第一半导体波导段和第二半导体波导段，所述方法包括：确定具有所需工作波长的信号通过第一半导体波导段的第一光损耗；确定所述信号通过第二半导体波导段的第二光损耗；确定所述第一光损耗和所述第二光损耗之间的损耗差；基于所述损耗差和所述工作波长来确定第一偏压，使得所述损耗差减小；以及将所述第一偏压施加到所述第一半导体波导段。

在实施例中，基于所述损耗差、所述工作波长和所述第一偏压确定第二偏压；以及将所述第二偏压施加到所述第二半导体波导段。

在实施例中，所述第一偏压和所述第二偏压中的至少一者被选择以相应地减少所述第一光损耗和所述第二光损耗中的至少一者。

在实施例中，确定所述第一偏压的步骤包括：确定负偏压的范围，对于该范围，当负偏压被施加到所述第一半导体波导段时，所述第一半导体波导段在所述所需工作波长下的光损耗低于当零偏压被施加到所述第一半导体波导段针对所述工作波长的光损耗；以及在所述范围内选择偏压。

在实施例中，该方法还包括确定第二偏压；以及将所述第二偏压施加至所述第二半导体波导段，其中所述确定所述第二偏压包括：基于所述第一偏压、所述损耗差和所述工作波长来确定偏压，使得所述损耗差减小。

在实施例中，所述光电子器件是光耦合器，并且所述第一半导体波导段和所述第二半导体波导段分别光学连接到所述光耦合器的第一输出和所述光耦合器的第二输出。

在实施例中，所述光耦合器是多模干涉耦合器。

在实施例中，所述光耦合器用于平衡光探测器中。

在实施例中，所述光耦合器用于相干光探测器中。

根据第二方面，提供了一种光电子器件，包括：具有第一光损耗的第一波导段；具有第二光损耗的第二波导段；以及偏置装置，用于在所述第一波导段上提供负偏压，其中，所述负偏压被选择为使得当施加到所述第一波导段时，所述第一光损耗和所述第二光损耗之间的损耗差被减小。

在实施例中，所述光电子器件还包括第二偏置装置，用于在所述第二波导段上提供负偏压。

附图说明

现在将参考以下附图仅通过示例的方式描述本发明的上述和其他方面：

图1是根据现有技术的具有平衡的光电探测器的相干探测器的示意图；

图2是根据现有技术的相干探测器的示意图，该相干探测器具有与外部信号和本地振荡器链接的多个平衡的光电探测器，用于检测偏振和相位调制；

图3是用于获得图4和5中绘制的实验数据的相干探测器的示意图；

图4是在相干探测器的臂上测量的相对于波长绘制的光电二极管响应度的实验结果的曲线图；

图5是示出在同一探测器的第二分支上测量的相对于波长绘制的光电二极管响应度的实验结果的曲线图；

图6是根据现有技术的多模干涉耦合器的示意图；

图7是根据现有技术的调谐MMI耦合器的示意图；

图8是由Franz-Keldysh效应引起的吸收系数相对于偏压的曲线图；

图9是热化的载流子密度相对于偏压的曲线图；

图10是总吸收系数相对于偏压的曲线图；

图11是根据实施例的包括两个半导体波导段的装置的示意图，其中该装置具有用于提供损耗平衡偏压的装置；

图12是在实施例中使用的波导的截面图；

图13是示出根据实施例的平衡波导损耗的方法的流程图；

图14是示出根据另一实施例的平衡波导损耗的方法的流程图；

图15是示出根据又一实施例的平衡波导损耗的方法的流程图；以及

图16是示出了半导体波导的光损耗相对于偏压的变化的曲线图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例是可能的。相反，以下实施例是通过示例的方式提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。

为了克服上述光损耗不平衡的问题，本发明提供了一种向光电子器件的波导段施加偏压的方法。通常，这种设备将包括光耦合器。通常，耦合器是多模干涉耦合器。本公开的技术的使用与上述可调分束比的方法之间的区别在于，在本公开中，偏压被施加到多模耦合器的一个或多个输出。本公开还提供一种用于可调分束比MMI设备的微调机构，或者一种克服无源MMI耦合器中光损耗不平衡的方法。

存在两种通过施加负偏压来改变半导体的光损耗的机制。第一种是自由载流子效应，第二种是Franz-Keldysh效应。两者都可以用于平衡光耦合器的支路之间的光损耗。

大多数半导体波导器件的带隙能量大于被引导的光的带隙能量。这确保了大的带间吸收损耗被最小化。对于这种配置，主要的吸收机制变为自由载流子等离子体效应(FCPE)和价带间吸收(IVBA)。这两种机制都需要分别在导带和价带中的电子和空穴的数量，并且它们的强度与该数量大小成正比。由于直接带间吸收是不可能的，所以这些电荷载流子可以通过热激发、电流注入和通过低密度的局域化能态(所谓的Urbach尾部)的弱得多的带间吸收来产生。

当电场施加到半导体波导时，存在两个竞争效应发生。这些是由于Franz-Keldysh效应引起的增加的光吸收和由于自由载流子等离子体效应(FCPE)和价带间吸收(IVBA)引起的光吸收的减少。

Franz-Keldysh效应是由于施加的电场而引起的半导体的强带间吸收边缘的偏移。这将材料的吸收边缘加宽并移动到较低的光子能量或较长的波长，因此增加了在固定波长或能量下光子的强带间吸收效应。由于是带间吸收，所以当光能被转换成电能时伴随有光电流，并且光电流与光强度成比例。

半导体中的竞争效应已被建模，以示出对于每个单独效应和总体结果，吸收系数如何随偏压变化。图8是由于Franz-Keldysh效应引起的归一化吸收系数801相对于偏压802的曲线图800。结果是吸收系数随着偏压的增加而增加。

由于FCPE和IVBA(Alpha_FCP)的吸收系数强度的公开的分析表达式表明，它与波导载流子密度N成正比，该结载流子密度将随着偏压的增加而减小。随着施加的负偏置的增加，结电场增加，这促使通过弱带间Urbach尾部吸收过程产生的电荷载流子以小光电流的形式逸出。结果是结内稳态载流子密度的降低和FCPE和IVBA过程的减少。在足够高的偏压下，结完全耗尽电荷载流子，并且FCPE和IVBA过程消失。图9是热化的载流子密度901相对于偏压902的曲线图900，其示出了这种效应。

FCPE/IVBA和Franz-Keldysh效应的组合效应已经被建模。图10是归一化的总吸收系数1001相对于偏压1002的曲线图1000，其示出了两种过程的组合效果。该曲线图示出了在低偏压下电荷载流子的去除的初始主导1003，其中吸收系数降至最小值1004。然后，随着偏压进一步增加，Franz-Keldysh效应开始主导吸收1005。

通过施加适当选择的负偏压，这些结果可以用于减少半导体光波导中的光损耗。存在一定的偏压范围使光损耗低于无偏置的情况下的光损耗。这通常取决于入射光的波长。在实施例中，选择工作波长或波长范围，确定光损耗低于无偏置时的光损耗的偏置范围，并且选择该范围内的负偏置并将其施加到波导。

图11是根据实施例的包括两个波导段的装置的示意图。该装置包括第一波导1101和第二波导1102。本发明的目的是尽可能紧密地匹配第一波导段和第二波导段中的光损耗。这包括平衡耦合器中的任何分束比缺陷。典型地，光损耗的匹配将确保来自单个源的信号在两个波导段之间被划分，该信号通过两个波导段遭受相同的损耗。在实施例中，提供耦合器1103以在两个波导段1101、1102之间划分信号。信号可以源自耦合器的单个输入，或者可以源自提供给每个耦合器输入的信号的组合。尽管单个信号的划分是典型的，但是可能存在为什么需要平衡两个无关联波导之间的损耗的其他原因，并且本领域技术人员将理解，这种情况将落入本发明的范围内。为了实现波导损耗的平衡，在实施例中，提供了偏置装置1104，其包括电极1105、1106，用于向第一波导段1101施加第一偏压。在实施例中，提供了第二偏置装置1109，其包括电极1108、1107，用于向第二波导段施加第二偏压。

图12是适用于调制器和探测器的强引导波导1200的截面图。这里，侧壁1207的存在使得波导能够弯曲，这对于调制器和探测器的结构是必要的。图12示出了波导的p掺杂1201层、本征1202层和n掺杂1203层，用于施加负偏置的金属电极1204、1205以及介电层1206。

图13是示出根据实施例的平衡两个波导段之间的光损耗的方法的步骤的流程图。这种损耗通常是波长相关的，因此通常对工作波长或波长段进行损耗测量。然而，波长依赖性的程度可能因设备而异。本领域技术人员将理解，在一些情况下，可以对使用器件的整个波长范围使用单组测量和偏压校正，而在其它情况下，将需要不同的测量和/或校正。根据实施例的方法的步骤包括：确定具有所需工作波长的信号通过第一波导段的第一光损耗1301，确定所述信号通过第二波导段的第二光损耗1302，确定第一光损耗和第二光损耗之间的损耗差1303，基于损耗差和工作波长确定第一偏压，使得损耗差减小1304，以及将偏压施加到第一波导段1305。

确定施加的电压包括确定偏压，当将该偏压施加到波导之一时，将平衡两个波导之间的损耗。所施加的偏压可能具有增加或减少其所施加的波导段中的光损耗的效果。主要目的是降低共模抑制比。

在实施例中，偏压被施加到两个波导段。在实施例中，选择这些偏压以便改善至少一个波导段中的光损耗。图14是示出该实施例的步骤的流程图。该实施例需要图11的第二可选偏置装置1107，该方法包括根据图13的方法的步骤，以及确定第二偏压1401和将第二偏压施加到第二波导段1402的附加步骤。在实施例中，选择第一偏压和第二偏压中的至少一者，以便相应地减小第一光损耗和第二光损耗中的至少一者。

图15是根据另一实施例的方法的流程图。在该实施例中，确定第一偏压的步骤包括：确定负偏压范围1501，对于该范围，当负偏置被施加到第一波导段时，在所需工作波长处波导段内的光损耗低于当零偏置被施加到第一波导段时针对该工作波长的光损耗；以及选择所述范围内的偏压1502。在实施例中，该方法还包括：基于第一偏压、损耗差和工作波长确定第二偏压，使得光损耗差减小1503；以及将第二偏压施加到第二波导段1504。在实施例中，选择第一或第二电压以相应地最小化第一或第二波导段中的损耗。在另一实施例中，选择偏压以便最小化两个波导的组合光损耗。

确定负偏压范围的步骤1501包括确定其中自由载流子吸收的减少比Franz-Keldysh效应占优势的偏压区域，对于所述负偏压范围，当负偏置被施加到第一波导段时，在所需工作波长处波导段内的光损耗低于当施加零偏置时的光损耗。图16是示出该偏压区域的曲线图。它示出了相对于辅助偏压绘制的从半导体波导馈送的光电二极管的响应度的典型测量，该半导体波导包含其中可以施加辅助偏压的部分，从而有效地示出随电压变化的波导的损耗。该图是光响应度1601相对于偏压1602的曲线图。存在阈值1603，其对应于在零偏压下实现的光响应度。曲线图中有两个区域，即光响应度高于零偏置时的光响应度的第一区域1604和光响应度低于零偏置时的光响应度的的第二区域1605。在第一区域中，自由载流子吸收减少占主导地位，而在第二区域中，Franz-Keldysh效应占主导地位。确定负偏压范围的步骤包括确定范围1603，在该范围内，自由载流子吸收的减少占主导地位，其中针对所述负偏压范围，当负偏压被施加到第一波导段时，在所需工作波长下该波导段中的光损耗低于当零偏压被施加到第一波导段时的光损耗。在该区域中选择一个电压确保可以实现第一波导中的光损耗的减少。再根据第一选择的电压和损耗差，为第二波导段选择第二偏压。

根据上述实施例的方法可以应用于其中需要平衡两个半导体波导段中的损耗的任何设备。它可以被施加到光耦合器的输出。光耦合器可以是平衡的光电探测器的一部分，并且损耗的平衡可以确保探测器做出尽可能准确的读取。探测器可以是相干探测器。

在实施例中，该方法用于处理由多模干涉仪(MMI)的功率分束比的缺陷引起的相干接收器的分支中的不同波导损耗。连同波导弯曲和交叉，这些缺陷可能导致相干接收器中的光电探测器具有不同的有效响应度。在实施例中，有源电极被放置在一个或多个输出波导上，并且被用于根据所施加的负偏压来修整，即增加或降低响应度。这允许光电二极管响应度的匹配的改进。在实施例中，负偏置用于改善具有较低响应度的探测器中的响应度，以使它们与具有较高响应度的探测器更好地匹配。在实施例中，增加损耗值以实现平衡。在实施例中，MMI耦合器是4×4MMI耦合器。具有弯曲和波导交叉损耗的组合MMI CMRR通常是波长相关的。在某些情况下，存在复杂的波长相关的制造误差。这些可能不能通过根据上述技术施加偏压来补偿，根据上述技术施加偏压通常仅略微依赖于波长，因此可能被本领域技术人员认为是不够的。然而，本公开认识到，该技术可用于以在一对探测器的响应度中的偏移与波长无关而制造的设备的许多实例中校正误差，并且在误差是波长相关的实例中提供改进。

以上主要参照几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施例之外的其他实施例同样可能在如所附权利要求限定的本公开的范围内。