偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，包括模斑变换器、偏振分束器、两个分光器和多个光电探测器，模斑变换器将光纤中的光信号耦合至硅基光接收芯片内，偏振分束器将光信号偏振分离成相互正交的TM模偏振光和TE模偏振光，偏振旋转器将TM模偏振光信号转换成TE模偏振光，第一、第二分光器分别将第一、第二硅波导中光信号中波长相同的部分对应下载，每个光电探测器的两端分别与第一、第二分光器的一个输出端相对应。本发明,硅基光接收芯片上各部件的尺寸都很小且光学插损低，易于实现时域同步和光功率均衡；硅基光接收芯片上各部件的光谱响应平坦，波长相关性损耗低，实现了偏振不敏感的波分复用光接收功能。
【专利说明】 偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用于光通信领域的光器件，具体涉及偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片。
【背景技术】
[0002]偏振不敏感特性是光通信器件的一个关键性能。在以太网、PON和数据中心系统中所使用的光收发器对成本极为敏感，且管壳体积小、使用数量大、光纤通路所受的扰动随机，因此这类光收发器必须满足偏振不敏感的特性。
[0003]基于娃基光电集成技术的光器件由于其材料成本低、光电性能优异、制备工艺与CMOS兼容，因而成为下一代光通信器件的优选方案。目前，为获得激光器、调制器、探测器和无源波导器件等各部件的性能折衷，硅基光子集成芯片多基于顶部硅层厚度为200?400nm的绝缘体上的硅晶圆(SOI)上。为保证单模传输，硅波导宽度一般设计为300?600nm，波导截面多呈条型或者脊形。由于硅波导(折射率约为3.45)和S12包覆层(折射率约为1.44)之间具有很大的折射率差,且硅波导在水平和垂直方向上存在较大的尺寸差异，所以在娃波导中横电场(TE)模偏振光和横磁场(TM)模偏振光的有效折射率具有很大差别。因此，抑制甚至消除硅基光波导器件的偏振相关性一直是硅基光子学的重要研究方向之一。
[0004]一般来说，降低硅基光器件的偏振相关性有以下几种常用手段:
[0005]第一种方法是通过采用大截面波导来降低光模式的有效折射率对波导尺寸的敏感度，然而，大截面偏振无关的硅波导一般为脊型波导结构，其光学限制力很弱，导致光器件尺寸很大。
[0006]第二种方法是通过精确设计和控制硅波导的宽度和刻蚀深度来实现TE模和TM模的有效折射率匹配，但是当硅波导高度为300nm左右尺度时，± 1nm的波导宽度变化就可对两个偏振的有效折射率引入0.02的差异，这对加工工艺的精度提出了苛刻的要求。
[0007]第三种方法是利用二维光栅耦合器将光纤中两个偏振态的光直接耦合到芯片上两个相互垂直的光波导中，基于衍射机理这两路光均转变成光波导中的TE偏振态。若这两束光在波导上的光路完全相同，则可实现偏振无关化传输。这种方法可完全与薄娃SOI光子平台兼容，工艺容差相对较大，但是此类器件的可工作光谱范围受限于光栅耦合器，具有工作波段窄、波长相关损耗大的缺陷。
[0008]综上，现有偏振无关化方案对器件尺寸、工艺容忍度或工作光谱范围等性能有所牺牲，硅基光子器件的偏振敏感性问题尚未得到很好地解决。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是解决现有偏振无关化方案对器件尺寸、工艺容忍度、工作光谱范围等性能有所牺牲，无法更好的解决硅基光子器件的偏振敏感性的问题。
[0010]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其中包括:
[0011 ] 模斑变换器，将光纤中的光信号耦合至硅基光接收芯片内，
[0012]偏振分束器，所述偏振分束器的输入端与所述模斑变换器的输出端相连接，将所述光信号偏振分离成相互正交的横磁场TM模偏振光和横电场TE模偏振光，并分别将其分配到第一、第二娃波导中，
[0013]偏振旋转器，所述偏振旋转器的输入端与所述偏振分束器的第一输出端相连接，将其中的横磁场TM模偏振光信号的偏振态转换成横电场TE模偏振光,使第一、第二娃波导中的光信号的偏振态相同，
[0014]光均衡器，包括光衰减器和光延迟线，其中，所述光延迟线的输入端与所述偏振旋转器的输出端相连接，所述光延迟线对第一娃波导中的横电场TE模偏振光进行延迟，以与所述第二硅波导中的横电场TE模偏振光适配时域同步；所述光衰减器的输入端与所述偏振分束器的第二输出端相连接，所述光衰减器对第二娃波导中的横电场TE模偏振光引入固定量的光损耗，以实现与所述第一娃波导中的横电场模TE偏振光适配功率均衡，
[0015]分光器，包括分别与所述光延迟线的输出端、所述光衰减器的输出端相连接的第一、第二分光器，所述第一、第二分光器分别将第一、第二硅波导中光信号中波长相同的部分对应下载，
[0016]多个光电探测器，每个光电探测器的两端分别与所述第一、第二分光器的一个输出端相对应，被下载的同一波长且分别来自所述第一、第二分光器中的两路光分别入射到同一光电探测器的两端，实现偏振不敏感的光探测功能。
[0017]在上述方案中，所述模斑变换器采用S12覆盖式硅倒锥耦合结构，所述模斑变换器的端面与光纤端面相接，利用光模式挤压或消逝场耦合效应将入射光纤的光信号的模斑直径逐渐减小至与所述第一、第二硅波导宽度适配。
[0018]在上述方案中，所述偏振分束器采用定向耦合器结构或者多模干涉器结构，其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0019]在上述方案中，所述偏振旋转器采用级联taper结构或者定向耦合器结构或者多模干涉器结构；其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0020]在上述方案中，所述光延迟线由一段无源光波导构成，其宽度和长度可匹配所述第一、第二硅波导两个光学通道的光程；其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0021]在上述方案中，所述光衰减器采用固定光衰减器或者可调光衰减器。
[0022]在上述方案中，所述第一、第二分光器结构相同，均采用IXN分光器，NS I ;其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0023]在上述方案中，所述第一、第二分光器采用阵列波导光栅或者刻蚀衍射光栅或者级联型马赫曾德分光器或者光学微腔型分光器。
[0024]在上述方案中，所述光电探测器采用锗硅波导型光探测器或者硅基II1-V异质集成光电探测器或者娃基石墨稀光电探测器。
[0025]本发明，采用偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，模斑变换器将光纤中的光信号稱合至娃基光接收芯片内，偏振分束器将光信号偏振分离成相互正交的两束光，并分别将其分配到第一、第二娃波导中，其中一路偏振光用偏振旋转器转换为与另一路光相同偏振的光信号，然后在光均衡器的作用下完成对两路光信号的时域同步和功率均衡，两束光再分别输入到结构完全相同的第一、第二分光器中，同一波长的两路光分别从光电探测器的两端注入，从而实现偏振不敏感的光探测功能。
[0026]本发明具有以下有益效果:
[0027](I)米用偏振旋转器将同一路娃波导中的两种偏振光转换成两路娃波导中的同一种偏振光，且原理上对硅光波导的截面尺寸没有要求；
[0028](2)硅基光接收芯片上各部件的尺寸都很小且光学插损低，易于实现时域同步和光功率均衡，对工艺精度要求不高；
[0029](3)硅基光接收芯片上各部件的光谱响应平坦，波长相关性损耗低，与CWDM和DffDM标准均兼容，便于推广使用；
[0030](4)实现偏振不敏感的波分复用光接收功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明作出详细的说明。
[0033]如图1所示，本发明提供了一种偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，包括模斑变换器1、偏振分束器2、偏振旋转器3、光均衡器、两个分光器和多个光电探测器。
[0034]模斑变换器I将光纤中的光信号耦合至硅基光接收芯片内。
[0035]偏振分束器2的输入端与模斑变换器的输出端相连接,将光信号偏振分离成相互正交的横磁场TM模偏振光和横电场TE模偏振光,并分别将其分配到第一、第二娃波导中。
[0036]偏振旋转器3的输入端与偏振分束器的第一输出端相连接,将其中的横磁场TM模偏振光信号的偏振态转换成横电场TE模偏振光,使第一、第二娃波导中的光信号的偏振态相同。
[0037]经过偏振旋转器的转换作用后，第一、第二娃波导中光信号的偏振都是横电场TE模偏振光，若要实现偏振无关化光探测，还需要两种偏振的光信号在相同的时间以相同的功率入射到光探测器的两端，即需要进行时域同步和光功率均衡。
[0038]光均衡器包括光衰减器4和光延迟线5，其中，时域同步由光延迟线来完成，一般的，TM模偏振光较TE偏振光的有效折射率要低，因此选择将光延迟线放置于偏振分离时TM模偏振光所被分配的通道。光延迟线5的输入端与偏振旋转器的输出端相连接，光延迟线对第一娃波导中的TE模偏振光进行延迟，以与第二娃波导中的横电场模偏振光TE适配时域同步。
[0039]光功率均衡由光衰减器4来完成。一般的，TE模偏振光较TM模偏振光的稱合损耗和传输损耗要低，因此选择将光衰减器放置于偏振分离时TE模偏振光所被分配的通道。光衰减器4的输入端与偏振分束器的第二输出端相连接，光衰减器对第二硅波导中的TE模偏振光引入固定量的光损耗，以实现与第一娃波导中的TE模偏振光适配功率均衡。
[0040]分光器包括分别与光延迟线的输出端、光衰减器的输出端相连接的第一、第二分光器6、7，第一、第二分光器分别将第一、第二硅波导中光信号中波长相同的部分对应下载。
[0041]每个光电探测器的两端分别与第一、第二分光器的一个输出端相对应，被下载的同一波长且分别来自第一、第二分光器中的两路光分别入射到同一光电探测器的两端，由于此时入射光信号均为TE模偏振光,且光电探测器两端结构对称，因而对两路光的响应完全一致，由此完成偏振不敏感的波分复用光接收功能。
[0042]模斑变换器采用S12覆盖式硅倒锥耦合结构，该结构可保证宽谱且低损耗的光耦合，模斑变换器的端面与光纤端面相接，利用光模式挤压或消逝场耦合效应将入射光纤的光信号的模斑直径逐渐减小至与第一、第二硅波导宽度适配。
[0043]偏振分束器采用定向耦合器结构或者多模干涉器结构，有效保证宽谱且低损耗的偏振分离，其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0044]偏振旋转器采用级联taper结构或者定向耦合器结构或者多模干涉器结构，有效保证宽谱且低损耗的偏振旋转；其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0045]光延迟线由一段无源光波导构成，其宽度和长度可匹配第一、第二硅波导两个光学通道的光程；其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0046]光衰减器采用固定光衰减器或者可调光衰减器。在本实施例中，光衰减器由一段带有掺杂的光波导构成。由于掺杂的光波导会比无源波导损耗高，通过对掺杂类型、浓度和能量的选择，可以精确控制掺杂引入的光损耗，从而实现两路光的功率均衡。
[0047]第一、第二分光器结构相同，均米用IXN分光器，N彡I ;其材料米用娃或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。第一、第二分光器采用阵列波导光栅或者刻蚀衍射光栅或者级联型马赫曾德分光器或者光学微腔型分光器。
[0048]光电探测器采用锗硅波导型光探测器或者硅基II1-V异质集成光电探测器或者娃基石墨稀光电探测器。
[0049]第一、第二硅波导结构相同，均可以采用条形波导，也可以采用脊型波导；其波导宽度和高度为0.2?3 μ m ;其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
[0050]本发明，采用偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，模斑变换器将光纤中的光信号稱合至娃基光接收芯片内，偏振分束器将光信号偏振分离成相互正交的两束光，并分别将其分配到第一、第二娃波导中，其中一路偏振光用偏振旋转器转换为与另一路光相同偏振的光信号，然后在光均衡器的作用下完成对两路光信号的时域同步和功率均衡，两束光再分别输入到结构完全相同的第一、第二分光器中，同一波长的两路光分别从光电探测器的两端注入，从而实现偏振不敏感的光探测功能。
[0051]本发明具有以下有益效果:
[0052](I)米用偏振旋转器将同一路娃波导中的两种偏振光转换成两路娃波导中的同一种偏振光，且原理上对硅光波导的截面尺寸没有要求；
[0053](2)硅基光接收芯片上各部件的尺寸都很小且光学插损低，易于实现时域同步和光功率均衡，对工艺精度要求不高；
[0054](3)硅基光接收芯片上各部件的光谱响应平坦，波长相关性损耗低，与CWDM和DffDM标准均兼容，便于推广使用；
[0055](4)实现偏振不敏感的波分复用光接收功能。
[0056]本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，其中包括: 模斑变换器，将光纤中的光信号耦合至硅基光接收芯片内， 偏振分束器，所述偏振分束器的输入端与所述模斑变换器的输出端相连接，将所述光信号偏振分离成相互正交的横磁场TM模偏振光和横电场TE模偏振光,并分别将其分配到第一、第二娃波导中， 偏振旋转器，所述偏振旋转器的输入端与所述偏振分束器的第一输出端相连接，将其中的横磁场TM模偏振光光信号的偏振态转换成横电场TE模偏振光,使第一、第二娃波导中的光信号的偏振态相同， 光均衡器，包括光衰减器和光延迟线，其中，所述光延迟线的输入端与所述偏振旋转器的输出端相连接，所述光延迟线对第一娃波导中的横电场TE模偏振光进行延迟，以与所述第二娃波导中的横电场TE模偏振光适配时域同步；所述光衰减器的输入端与所述偏振分束器的第二输出端相连接，所述光衰减器对第二娃波导中的横电场TE模偏振光引入固定量的光损耗，以实现与所述第一娃波导中的横电场TE模偏振光适配功率均衡， 分光器，包括分别与所述光延迟线的输出端、所述光衰减器的输出端相连接的第一、第二分光器，所述第一、第二分光器分别将第一、第二硅波导中光信号中波长相同的部分对应下载， 多个光电探测器，每个光电探测器的两端分别与所述第一、第二分光器的一个输出端相对应，被下载的同一波长且分别来自所述第一、第二分光器中的两路光分别入射到同一光电探测器的两端，实现偏振不敏感的光探测功能。
2.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述模斑变换器采用S12覆盖式硅倒锥耦合结构，所述模斑变换器的端面与光纤端面相接，利用光模式挤压或消逝场耦合效应将入射光纤的光信号的模斑直径逐渐减小至与所述第一、第二硅波导宽度适配。
3.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述偏振分束器采用定向耦合器结构或者多模干涉器结构，其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
4.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述偏振旋转器采用级联taper结构或者定向耦合器结构或者多模干涉器结构；其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
5.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述光延迟线由一段无源光波导构成，其宽度和长度可匹配所述第一、第二硅波导两个光学通道的光程；其材料采用硅或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
6.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述光衰减器采用固定光衰减器或者可调光衰减器。
7.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述第一、第二分光器结构相同，均米用I XN分光器,N彡I ;其材料米用娃或者Si3N4或者S1xNy或者硅、Si3N4和S1xNy的复合材料。
8.如权利要求7所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述第一、第二分光器采用阵列波导光栅或者刻蚀衍射光栅或者级联型马赫曾德分光器或者光学微腔型分光器。
9.如权利要求1所述的偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其特征在于，所述光电探测器采用锗硅波导型光探测器或者硅基II1-V异质集成光电探测器或者硅基石墨烯光电探测器。
【文档编号】G02B6/122GK104459881SQ201410851705
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】肖希, 陈代高, 王磊, 李淼峰, 邱英, 杨奇 申请人:武汉邮电科学研究院