基于多模干涉耦合器的InP基模分复用/解复用器结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于少模光通信技术领域，具体涉及一种基于多模干涉耦合器相区结构的模分复用/解复用器结构，是一种能够实现模式转换和模分复用/解复用的InP基波导器件。
【背景技术】
[0002]由于在光纤通信网络中，因特网络迅猛发展，人们对系统数据速率、数据容量需求的急剧增加对通信带宽和传输速率提出了更高的要求，扩充单个光纤的传输容量成为重中之重。为了提高光纤通信网络的信号传输容量，人们提出了波分复用技术、时分复用技术、偏振复用技术等技术并在实验上得到了验证。另外，新型的光调制格式，如OFDM，M-QAM等提高了系统的频谱效率。然而，由于光纤放大器对放大带宽的限制和光纤非线性、光纤功率容限对发射源功率的限制，对于实现更大的光纤传输容量是很困难的。因此，急切需要一项新的技术突破来进一步提高单个光纤的传输容量，以满足人们日益增长的高速通信网络需求。
[0003]人们提出了利用光纤中的多种模式进行传输来提高单个光纤的传输容量的方法，即模分复用技术，利用少模光纤中的多个模式作为信号的载体进行信息传输，尤其是和波分复用技术、时分复用技术、偏振复用技术等技术相结合，可大大提升通信系统的传输容量。在模分复用系统中，模式复用/解复用器件是一个非常关键的器件，因而得到了人们的广泛关注。
[0004]目前，用于制作模式复用/解复用器结构的器件主要包括非对称定向耦合器、级联非对称Y波导、绝热耦合器等，大部分器件都是基于SOI波导。然而，由于这些结构存在固有的本身缺陷使得采用这些结构制作的模式复用/解复用器件存在固有的不足，如基于非对称定向耦合器的模式复用/解复用器件不仅对波长敏感，而且制作工艺容差较小，大部分器件都是在SOI结构上制作的。基于级联非对称Y波导的模式复用/解复用器件则具有很大的器件尺寸。由于基于多模干涉耦合器的模式复用/解复用器结构具有较低的插入损耗和较宽的信道带宽而在近年来引起了人们广泛的兴趣。基于多模干涉耦合器的模式复用/解复用器的工作原理见图1:基模输入到基于多模干涉耦合器的模式转换分离结构I中，这个器件结构的长度为3LJI/4，因此耦合到中间的输出通道3中。而一阶模输入到基于多模干涉耦合器的模式转换分离结构I中时，一阶模转换为两个基模，其输出功率相等，相位相差π，分别从两端的输出通道2和通道4输出。/2相移区的作用是，使得分别从通道2和通道4输出的两个输出功率相等的基模的相位差从一开始的π变为π/2。这样从通道
2、通道3、通道4输出的基模，输入到长度为3L JT /2基于多模干涉耦合器结构的3dB耦合器结构中时，位于通道3的基模依然从中间的输出端口 6输出。而由于通道2和通道4的基模相位相差π/2，这两个基模親合到一侧的输出波导输出(端口 5或者端口 7)，而另一侧输出端口则没有光输出。因此，该器件不仅实现了模式解复用的功能，而且将一阶模转换为基模，其转换效率为100%。如果将器件倒置，则会实现模式复用的功能。基于多模干涉耦合器的模式复用/解复用器结构的关键在于设计一个结构紧凑、制作工艺简单、插入损耗小、且制作容差大的31/2相移区。实现模式复用/解复用器结构的/2相移差主要有两种方法，一种是改变相移区的长度，另一种是改变相移区的有效折射率。改变相移区的长度的方法主要有基于倾斜连接结的相移区结构。但是，该结构不可避免的引入额外的损耗，且由于输出波导是倾斜的，不能直接与光纤、其他器件进行耦合。
[0005]由于基于InP的模式复用/解复用器件具有与半导体激光器等有源器件单片集成的优势，因此提出并在InP材料上制作一个具有小器件尺寸、大通道带宽、低插入损耗、低通道串扰的模式复用/解复用器件显的尤为重要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出了一种基于InP材料的模式复用/解复用器结构，其31/2相移差通过改变波导芯层的厚度来实现。该器件可应用于少模光纤通信系统的应用领域，是其中的关键器件。该器件不仅可实现基模和一阶模模式复用/解复用的功能，而且一阶模可以为基模，相比于基于多模干涉親合器的50 %、66 %的模式转换器结构，该器件的模式转换效率更高，为100%，几乎没有模式损耗。该模式复用/解复用器结构具有结构紧凑、器件尺寸小、信道带宽较大、插入损耗较低、通道串扰较低的优势，且其工艺制作简单，制作容差较大，非常适合于与半导体激光器、调制器、放大器、探测器等器件的单片集成。是研宄基于模分复用技术的单片集成少模光通信收发模块的关键器件。
【附图说明】
[0007]为进一步说明本发明的具体技术特征，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明，其中:
[0008]图1为基于多模干涉耦合器的模分复用/解复用器结构示意图；
[0009]图2为器件的材料结构剖面图；
[0010]图3为图1中实施例一 A-A’线的剖面示意图；
[0011]图4为图1中实施例二 A-A’线的剖面示意图。
[0012]附图标记说明:
[0013]a为基于多模干涉親合器的模式转换分离结构；b为基于多模干涉親合器的3dB親合器结构；c为Ji /2相移结构；
[0014]①为N型InP衬底；
[0015]②为厚度为500nm的N型InP缓冲层；
[0016]③为InGaAsP波导芯层(其带隙波长为1.3 μπι，且与InP晶格匹配)；
[0017]④为1.7 μπι厚的非掺杂InP波导盖层，
【具体实施方式】
[0018]下面分别就基于增加和减少相移区的有效折射率实现/2相移差的方法的基于多模干涉耦合器的模分复用/解复用器结构进行描述。
[0019]实施例1
[0020]通过增加相移区的有效折射率实现/2相移差的基于多模干涉耦合器的模分复用/解复用器结构。
[0021]如图2和图3所示，器件的外延材料结构描述如下:首先在N型InP衬底①上一次外延N型InP缓冲层②(厚度为500nm)，300nm厚的InGaAsP波导芯层③(其带隙波长为1.3 μπι，且与InP晶格匹配)，20nm厚的非掺杂InP刻蚀停止层，和10nm厚的InGaAsP波导芯层③(其带隙波长为1.3 μ m，且其与InP晶格匹配)。接下来通过光刻和湿法选择性腐蚀工艺将除了相移区之外的其他区域的10nm厚的InGaAsP波导芯层腐蚀掉。然后二次外延1.7 μ m厚的非掺杂InP波导盖层④。
[0022]图1中模分复用/解复用器件的各个部分尺寸为:输入波导端口 I的宽度为
3.4 μπι，端口 3的宽度为3.4 μπι，输出波导端口 5和端口 7的宽度为1.7 μπι，输出波导端口6宽度为3.4 μπι，端口 2和4的宽度为1.7 μπι。模式转换分离结构(I)中的多模干涉耦合区域宽度为9 μ m，长度为178 μ m? 3dB耦合器结构(2)中的多模干涉耦合区域宽度为9 μ m，长度为356 μ m。端口 2、端口 3和端口 4的长度均为14.7 μ m，由于相移区在端口 4或者端口 2上，相移区的长度为14.7 μπι。器件采用深刻蚀脊波导结构，先采用光刻工艺将掩模板上的图形转移到基片上，接着采用电感耦合等离子体干刻技术刻蚀过InGaAsP波导芯层。完成整个模分复用/解复用器的制作