一种5G通信用光信号发射装置
技术领域
本发明涉及半导体集成电路器件技术领域，更具体的说是涉及一种5G通信用光信号发射装置。
背景技术
目前，随着5G移动通信的逐渐部署，光信号收发芯片的需求量将是4G移动通信的3到6倍。
但是，实现5G业务的前传和中回传功能，其中各层设备之间主要依赖于光信号发射装置，该装置存在着调制臂较长、尺寸较大、能耗较大且集成度较低的问题。
因此，如何提供一种能够解决上述问题的5G通信用光信号发射装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种5G通信用光信号发射装置，可以有效的应用于城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线这三大场景，解决在大批量应用光信号发射芯片的情况下所面临的成本、能耗、集成度等问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种5G通信用光信号发射装置，包括：
光耦合器，所述光耦合器用于将输入的连续光进行分束，并将输出的连续光合束；
上调制臂，所述上调制臂与所述光耦合器连接，所述上调制臂用于调控折返的输入光的相位；
下调制臂，所述下调制臂与所述光耦合器连接，所述下调制臂用于调控折返的输入光的相位；
控制单元，所述控制单元与所述上调制臂及所述下调制臂电性连接，所述控制单元用于对所述上调制臂及所述下调制臂施加偏置电压；
上光分束器，所述上光分束器与所述上调制臂连接，所述光分束器用于对光进行分束；
下光分束器，所述下光分束器与所述下调制臂连接，所述下光分束器用于对光进行分束。
优选的，所述控制单元包括：第一二极管、第二二极管、第一电容、第一电感、第二电感、电信号加载部及静态偏置电压加载部，所述第一二极管的正极与所述第一电容的一端及所述第一电感的一端连接，所述第一二极管的负极与所述第二电感的一端及所述第二二极管的负极连接，所述第二二极管的正极接地且与所述第一电感的另一端、所述电信号加载部的一端及所述静态偏置电压加载部的负极连接，所述电信号加载部的另一端与所述第一电感的另一端连接，所述静态偏置电压加载部的正极与所述第二电感的另一端连接。
优选的，还包括：上圆环，所述上圆环与所述上光分束器连接。
优选的，还包括：下圆环，所述下圆环与所述下光分束器连接。
采用圆环的效果为：光可以通过该上圆环及下圆环折返回上调制臂及下调制臂，减小调制臂长度，缩小器件尺寸。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种5G通信用光信号发射装置，在每个调制臂中采用了迈克尔逊结构，即光可以两次的通过调制臂，这样可以将调制臂的长度缩短一半，减小了器件的尺寸，增大集成度；且光学波导内部采用了特殊设计的等离子掺杂结构，因此在调制效率、调制能耗上具有一定优势。因此，可以满足在5G移动通信中，对大量光信号发射装置进行部署时所面临的尺寸、成本、能耗上的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种5G通信用光信号发射装置的结构原理示意图；
图2附图为本发明提供的控制单元的电路原理图；
在图1-图2中：
1-光耦合器，2-上调制臂，3-下调制臂，4-控制单元，5-上光分束器，6-下光分束器，7-上圆环，8-下圆环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种5G通信用光信号发射装置，包括：
光耦合器1，光耦合器1用于将输入的连续光进行分束，并将输出的连续光合束；
其中，光耦合器为1:1的DC耦合器，结构为两根靠近的硅基光波导，用于将连续光进行分束或者合束，分别进入两个光学波导中。
上调制臂2，上调制臂2与光耦合器1连接，上调制臂2用于调控折返的输入光的相位；
下调制臂3，下调制臂3与光耦合器1连接，下调制臂3用于调控折返的输入光的相位；
其中，上调制臂2及下调制臂3可以采用迈克尔逊结构，为现有结构。
控制单元4，控制单元4与上调制臂2及下调制臂3电性连接，控制单元4用于对上调制臂2及下调制臂3施加偏置电压；
上光分束器5，上光分束器5与上调制臂2连接，光分束器5用于对光进行分束；
下光分束器6，下光分束器6与下调制臂3连接，下光分束器6用于对光进行分束。
其中，光耦合器1将输入的连续光分成两束光，上调制臂2、上光分束器5均设置在其中一个光路上，下调制臂3、下光分束器6均设置另一个光路上。
具体的，在光耦合器1的前部还可以包含有一个连续光输入端口和一个输出端口，用于将外部的连续光导入/导出从而进入光耦合器1，整个导入/导出过程可以利用光栅耦合、端面耦合等结构实现。
参见附图2所示，控制单元4包括：第一二极管、第二二极管、第一电容、第一电感、第二电感、电信号加载部及静态偏置电压加载部，第一二极管的正极与第一电容的一端及第一电感的一端连接，第一二极管的负极与第二电感的一端及第二二极管的负极连接，第二二极管的正极接地且与第一电感的另一端、电信号加载部的一端及静态偏置电压加载部的负极连接，电信号加载部的另一端与第一电感的另一端连接，静态偏置电压加载部的正极与第二电感的另一端连接。
在一个具体的实施例中，上调制臂2及下调制臂3内部包含有一PN掺杂结构，该掺杂结构可以用控制单元4进行控制，能够使得波导内的光场相位增大，建立反偏电压和波导内光场相位的关系。
具体的，控制单元4具体的工作原理为：设外界加载的电信号的幅度为VRF，这个幅度VRF携带着需要发射的信息，静态偏置电压为VB；当加载电信号的信息为“1”码时，上臂所获得的总反偏电压为VB-0.5*VRF，下臂所获得的总反偏电压为VB+0.5*VRF；当加载电信号的信息为“0”码时，上臂所获得的总反偏电压为VB+0.5*VRF，下臂所获得的总反偏电压为VB-0.5*VRF；且由于需要反偏，因此要求VB-0.5*|VRF|>0，即|VRF|<2*VB。
在一个具体的实施例中，还包括：上圆环7，上圆环7与上光分束器5连接，即上圆环7均设置在光线输入方向上。
在一个具体的实施例中，还包括：下圆环8，下圆环8与下光分束器6连接，即下圆环8设置在光线输出方向上。
本装置具体的工作原理为：通过光输入方向输入连续光，连续光首先通过光耦合器1分成两束光分布进入上、下两个调制臂，调制臂中可以采用麦克尔逊干涉结构，光可以通过尾部的上圆环、下圆环折返回调制臂，这样在获得相同的光学相位变化量时，所需的调制臂的长度将是传统光学调制臂的一半。调制臂内采用等离子体色散效应对硅基光波导的折射率进行调控，从而改变光的相位。上、下两个调制臂的光折返回光耦合器1并进行干涉，根据两路光的相位差的不同，将有不同的干涉效果，干涉后的光从光输出端口耦合输出。
实施例2
一种实施例1中任一项涉及的5G通信用光信号发射装置具体的制作过程如下：基于微电子工艺平台(CMOS工艺)，加工所用的材料为CMSO工艺中常用的SOI晶圆，一般选用的晶圆中顶层硅的厚度是220nm，埋氧层厚度是3μm。
首先对220nm厚的顶层单晶硅进行各向异性的干法刻蚀，制备整个光发射系统中所需的光波导、光耦合器、光分束器等无源器件；为了减小无源器件的损耗，刻蚀后要将刻蚀后的硅波导进行氢退火处理；
其次，上调制臂及下调制臂的制备过程如下：利用160nm刻蚀工艺制备脊型波导，随后进行电子、空穴的离子注入工艺，需要热生长氧化层对脊型波导作为保护层，防止在非设计区域进行不必要的掺杂；通过刻蚀掺杂孔确定掺杂的区域，离子将从该掺杂孔注射进入脊型硅波导，在特定位置进行掺杂；其中，浓度较低的N、P掺杂位于脊型硅波导的中心，用于形成PN结,浓度较高的N+、P+掺杂位于脊型硅波导的两侧，用于形成电学欧姆接触，与外界的电学驱动设备相连。其中，浓度较低的N、P掺杂浓度分别为1×1018/cm3、5×1017/cm3，浓度较高的N+、P+掺杂浓度为1×1020/cm3
最终再根据附图1所示，按照光路的传播要求及路径，形成整体的5G通信用光信号发射装置。
本发明的整个制备过程基于CMOS工艺平台，因此在尺寸、成本上具有先天的优势。本发明具有上、下两个调制臂，当两个调制臂的光学相位差为0时，两臂产生光学相干相长，此时输出光的强度最大，相当于“1”码；当两个调制臂的光学相位差为π时，两臂产生光学相干相消，此时输出光的强度最小，相当于“0”码；两个调制臂的光学相位差可以利用电压进行控制，在每个调制臂中采用了迈克尔逊结构，即光可以两次的通过调制臂，这样可以将上调制臂及下调制臂的长度缩短一半，减小了器件的尺寸，增大集成度；且上调制臂及下调制臂的内部采用了特殊设计的等离子掺杂结构，因此在调制效率、调制能耗上具有一定优势。因此，可以满足在5G移动通信中，对大量光信号发射装置进行部署时所面临的尺寸、成本、能耗上的需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
