一种硅基集成相干光发射机芯片及发射的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅基集成相干光发射机芯片及发射机，所述一种硅基集成相干光发射机芯片包括光耦合器、光分束器、光合束器、硅基调制器、固定相移器以及耦合偏振合束器；所述光耦合器用于实现输入端光耦合；所述光分束器、光合束器用于实现光信号的分束、合束功能；硅基调制器为核心调制器部分，用于实现将电信号加载到光信号的功能，完成调制信号光的产生；固定相移器用于实现光信号相位的固定旋转；耦合偏振分束器用于将两路横电(TE)偏振态的信号光合束为一路横电磁(TEM)信号光。本发明适用于采用多相位调制、偏振复用的光通信系统中，具有成本低、CMOS工艺兼容、实现简单、集成度高、易于封装等优点。
【专利说明】一种娃基集成相干光发射机芯片及发射机
【技术领域】
[0001]本发明涉及相干光发射机【技术领域】，更具体涉及一种硅基集成相干光发射机芯片及发射机。
【背景技术】
[0002]光通信正朝着更高谱效率、更低能耗、更长距离、更大容量的高速光传输系统发展。目前，随着高带宽新型业务的持续发展驱动，基于100Gb/S高速传输的应用需求日趋明显。典型如华为在荷兰皇家KPN电信集团的100Gb/S部署、阿朗在法国Completel的10Gb/s升级、香港新世界电信的100G部署等。国内在第一轮测试验证以后，已开始建设商用网络。其中，中国移动已经率先进行了 100G设备的大规模招标，中国电信也在2013年年初正式启动100G设备的商用部署。其中，100G高速传输系统中的最重要设备之一是光收发器。Infonetics光首席分析师Andrew Schmitt表示“ 100G光收发器2012年已经在发力。尽管市场还处于初期，增长也将比较缓慢，但相干100G出货量已经走上轨道，2013年增长将超过I倍，2014年将再翻一倍。”在100G光收发器中，调制和相干接收光模块是基础与核心。但是现在的商用光发射/接收机都是由分立器件搭建的，效率低、成本高、无法集成，体积及功耗成为急需解决的瓶颈问题。而从光通信的历史来看，光通信的每一个里程碑式发展都依赖于基础光子器件的突破。当前光通信的一个发展趋势是，类似于电的集成电路和片上系统一样，光通信系统也将逐渐集成在单一光电子芯片上，只有集成化才能实现高密度、低成本、低能耗，满足未来信息社会环保绿色的需求。因此低成本、高度集成的硅基光电子学最近几年蓬勃发展，成为光通信、光电子领域的研究热点。日前，硅基光电子器件的部分技术指标已经达到商用器件的水平，并由于其和CMOS兼容，可以大规模集成，成本低的优点成为业界和科研机构普遍关注的100G光电子集成芯片的重要解决方案，大家也普遍认为硅基光电集成技术将会成为光通信领域的一项革命性的技术。
[0003]在国外，尤其是美国、日本的大型通信公司最近几年也积极开展硅基研究工作。日本的Fujikura(藤仓)公司实现了单个硅基调制器的封装，器件00K调制速率超过了 30Gb/s，并于2013年实现了 60Gb/s的QPSK调制。Bell Lab在2012年率先实现了基于硅基MZI调制器的单片集成112-Gb/s PDM-QPSK发射芯片，并于2013年实现了 224Gb/s的PDM-16QAM发射功能。
[0004]Bell Iab实现的PDM-QPSK发射机芯片示意图如图1所示，采用多模干涉仪(MMI)耦合器来进行光信号的分束和合束，调制器部分采用单驱动硅基调制器，由两个BPSK调制器结合热相移器产生正交相移键控(QPSK)信号，再将两个QPSK信号中其中一路信号通过偏振旋转器(PR)从TE(横电)偏振态转换为TM(横磁)偏振态,通过偏振光合束器将TE偏振态和TM偏振态的QPSK合并起来产生偏振多路复用-正交相移键控(PDM-QPSK)信号。
[0005]其中，单驱动硅基调制器虽然具有使用RF驱动信号通道数少的优点，但是由于单路RF信号电压需要加载到两个调制器上进行驱动，因此对单路RF信号输出幅度要求较高，目前硅基调制器半波电压普遍较大，且高频RF信号放大器输出幅度有限，采用单驱动硅基调制器很难实现较大的消光比从而得到高质量的调制信号，且单驱动调制器为实现较高调制效率，往往尺寸较大、长度较长。另外，采用在其中一路信号中通过PR进行偏振态的转换，由于PR会引入额外的损耗，因此从理论上便不能实现双偏振信号中两路不同偏振态信号功率均衡相等，同时由于完全兼容CMOS工艺的PR目前尚无突破性进展，因此Bell Iab采用的PR工艺实现较为复杂，为大规模批量生产也带来了一定的难度。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]本发明要解决的技术问题是如何建构结构简单、集成度高、体积小，同时功率高的相干光发射机。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅基集成相干光发射机芯片，包括光耦合器、光分束器、光合束器、硅基调制器、固定相移器以及耦合偏振合束器；
[0010]TE偏振光由所述光耦合器耦合进入，并由所述光分束器分为四束功率相等的光，之后分别进入一所述硅基调制器处理后依次输出第一调制信号光、第二调制信号光、第三调制信号光以及第四调制信号光；所述第一调制信号光经一所述固定相移器处理后，与所述第二调制信号光通过一所述光合束器进行合束；所述第三调制信号光经一所述固定相移器处理后，与所述第四调制信号光通过一所述光合束器进行合束；由所述光合束器射出的光进入所述耦合偏振合束器，进行偏振态转换以及光合束处理后得到相干调制信号光，并率禹合到光纤。
[0011]优选地，所述光耦合器、光分束器、光合束器、硅基调制器、固定相移器以及耦合偏振合束器之间的光路通过平面光波导形成光连接通道。
[0012]优选地，所述光耦合器耦合进的光首先经过一所述光分束器分为两束功率相等的光，所述两束功率相等的光分别经过一所述光分束器分为四束功率相等的光。
[0013]优选地，通过调节所述固定相移器实现进入所述光合束器进行合束的两束光的相移差为90度。
[0014]优选地，所述硅基调制器用于实现将电信号加载到光信号的功能，其包括调制光分束器、硅基相移器、调制固定相移器以及调制光合束器；
[0015]进入所述硅基调制器的光经所述调制光分束器分为功率相等的两束光，并且分别进入一所述硅基相移器，其中一个所述硅相移器的输出光路上设置所述调制固定相移器，另一个所述硅相移器输出的光与所述调制固定相移器输出的光均进入所述调制光合束器进行合束之后射出；
[0016]通过调节加载到所述调制固定硅相移器上的电压，使另一个所述硅相移器输出的光与所述调制固定相移器输出的光之间存在180度的相移差。
[0017]优选地，所述硅基相移器为马赫曾德干涉仪(MZI)结构；所述硅基调制器为使用槽线GS结构电极的单驱动调制器或使用共面波导GSG结构电极的双驱动调制器。
[0018]优选地,所述光稱合器为一维光栅结构的光稱合器，所述一维光栅为是全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均勻光栅，或二兀闪耀光栅。
[0019]优选地，所述光合束器为多模干涉仪的光合束器或Y分支的光合束器；所述光分束器为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器。
[0020]优选地，所述固定相移器以及调制固定相移器均用于实现光信号的固定相移。
[0021]优选地，所述耦合偏振分束器为通过在绝缘体上的硅片上刻蚀周期性二维光子晶体结构形成，其将一路TE偏振态信号光转换为TM偏振态信号光,之后进行光合束。
[0022]—种娃基集成相干光发射机，包括上述所述的一种娃基集成相干光发射机芯片。
[0023](三)有益效果
[0024]本发明提供了一种硅基集成相干光发射机芯片以及发射机，具有如下优点:
[0025]通过采用双驱动硅基调制器，实现较大的调制深度，从而产生信噪比较高的高质量调制信号，并且在保证信号质量的前提下，可以有效缩短调制器长度，从而实现尺寸小、降低集成成本的目的；
[0026]采用二维光栅的耦合偏振合束器实现TE偏振态向TM偏振态的转换，可以实现两路不同偏振态信号光的功率均衡相等，二维光栅工艺完全兼容CMOS工艺，加工简单，同时，避免了采用偏振转换器，减少了单元器件数量，利于集成，且达到了降低集成成本的目的；
[0027]本发明的所有单元器件均用硅基材料实现，硅材料来源丰富成本低廉，且所采用的加工工艺和现有微电子加工工艺兼容，便于批量生产；
[0028]本发明构成简单，集成度高，在一块芯片上实现了光发射机所有单元器件的集成，克服了传统光通信系统中分立器件工作稳定性和器件间连接稳定性的影响，保证了工作的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为贝尔实验室所制备的PDM-QPSK发射机芯片结构示意图；
[0031]图2为本发明的一种硅基集成相干光发射机芯片的结构示意图；
[0032]图3为本发明的一种硅基集成相干光发射机芯片的硅基调制器结构示意图；
[0033]图4为本发明的一种娃基集成相干光发射机芯片的光稱合器结构不意图；
[0034]图5为本发明的一种娃基集成相干光发射机芯片的光合束器或光分束器的结构示意图；
[0035]图6为本发明的一种娃基集成相干光发射机芯片的稱合偏振分束器结构不意图；
[0036]图7为本发明的一种硅基集成相干光发射机芯片的平面光波导结构示意图；
[0037]图8为本发明的一种硅基集成相干光发射机芯片的调制固定相移器以及固定相移器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0039]本发明公开了一种硅基集成相干光发射机芯片，如图2所示，其包括光耦合器1、光分束器2、光合束器5、娃基调制器3、固定相移器4以及稱合偏振合束器6 ；
[0040]TE偏振光由所述光耦合器I耦合进入平面光波导，并由所述光分束器2分为四束功率相等的光，之后分别进入一所述硅基调制器3处理后依次输出第一调制信号光、第二调制信号光、第三调制信号光以及第四调制信号光；所述第一调制信号光经一所述固定相移器4处理后，与所述第二调制信号光通过一所述光合束5器进行合束；所述第三调制信号光经一所述固定相移器4处理后，与所述第四调制信号光通过一所述光合束器5进行合束；由所述光合束器射出的光进入所述I禹合偏振合束器6，进行偏振态转换以及光合束处理后得到相干调制信号光，并耦合到光纤。所述光耦合器1、光分束器2、光合束器5、硅基调制器
3、固定相移器4以及耦合偏振合束器6之间的光路通过平面光波导形成光连接通道，本发明中采用TE光平面光波导形成光连接通道。
[0041]所述光耦合器耦合进的光首先经过一所述光分束器2分为两束功率相等的光，所述两束功率相等的光分别经过一所述光分束器2分为四束功率相等的光。通过调节所述固定相移器4实现进入所述光合束器进行合束的两束光的相移差为90度。
[0042]所述光耦合器用于实现输入端光耦合，可以达到提高光耦合效率、减小发射机芯片整体损耗的目的；光分束器、光合束器用于实现光信号分束、合束功能；四个硅基调制器为核心调制器部分用于实现电光转换，完成调制光信号的产生；固定相移器用于实现光信号相位的固定旋转；稱合偏振分束器用于将两路TE偏振态的信号光合束为一路TEM偏振态的信号光，实现方法为将其中一路TE偏振态信号转换为TM偏振态,从而实现双偏振信号光转换的功能，并实现信号光耦合到光纤的功能。
[0043]本发明的所有器件包括均采用硅基材料，所述硅基材料指绝缘体上的硅(SOI)材料，或体硅材料，或硅衬底上的化合物半导体材料。
[0044]所述硅基调制器用于实现将电信号加载到光信号的功能，其包括调制光分束器7、硅基相移器8、调制固定相移器9以及调制光合束器10，如图3所示；进入所述硅基调制器的光经所述调制光分束器7分为功率相等的两束光，并且分别进入一所述硅基相移器8，其中一个所述硅相移器8的输出光路上设置所述调制固定相移器9，另一个所述硅相移器8输出的光与所述调制固定相移器9输出的光均进入所述调制光合束器进行合束之后射出；通过调节加载到所述调制固定硅相移器上的电压，使另一个所述硅相移器输出的光与所述调制固定相移器输出的光之间存在180度的相移差。所述硅基相移器为马赫曾德干涉仪(MZI)结构；所述硅基调制器为使用槽线(GS)结构电极的单驱动调制器或使用共面波导(GSG)结构电极的双驱动调制器。所述硅基调制器通过硅波导11实现个器件之间的光路连接。上述固定相移器4以及调制固定相移器9均可采用注入式相移器、热相移器等所有可实现光信号固定相移的方式实现。
[0045]本发明中采用四个硅基调制器，其中两两为一对，分别用于产生两路TE偏振态的相干光调制信号。每一路TE偏振态的相干光调制信号均由两个硅基调制器分别产生同相和正交两路信号合束组成。
[0046]所述光稱合器为一维光栅结构的光稱合器，如图4所不,为一种在SOI上制备的一维光栅，最底层为硅衬底，硅衬底上层为二氧化硅绝缘层，顶层硅通过周期性刻蚀形成光栅结构，通过所述一维光栅实现光耦合，所述一维光栅为是全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅，或二元闪耀光栅。实际加工时，可以通过控制刻蚀深度、光栅周期、光栅占空比等参数来控制一维光栅的耦合效率和光谱宽度等参数。
[0047]所述光合束器为多模干涉仪的光合束器或Y分支的光合束器，所述光分束器为多模干涉仪的光合束器或Y分支的光合束器，如图5所示，光分束器采用1X2MMI实现，实际加工时通过改变1χ2ΜΜΙ的结构来实现将一路光均匀分成两路的功能。
[0048]所述硅基调制器中的硅基相移器采用等离子色散效应实现，其截面示意图如图8所示，硅基相移器的实现基于在SOI上制备的硅波导，通过在波导区域进行离子注入来实现等离子色散效应，波导上层的二氧化硅作为保护层，金属用于制备电极，并与掺杂区域导通。波导区域采用PN/PIN掺杂结构，两侧P+、N+掺杂区域采用高离子掺杂浓度，从而达到与金属电极形成欧姆接触的目的。实际加工时，可以通过改变波导区域P掺杂区域大小、N掺杂区域大小以及中心本征区大小等参数来控制相移器的调制效率、损耗等参数。通过改变顶层金属电极之间的间距以及金属电极的宽度等参数来实现更好的高频调制效果。
[0049]所述耦合偏振分束器为通过在绝缘体上的硅片上刻蚀周期性二维光子晶体结构形成，其将一路TE偏振态信号光转换为TM偏振态信号光,之后进行光合束,形成TEM偏振态的信号光，如图6所示，晶格周期等于硅波导中TE模式的波长，实际加工时可以通过控制光子晶体的刻蚀深度等参数来控制二维光栅的耦合效率和分数比等参数。
[0050]图7为本发明的一种硅基集成相干光发射机芯片的平面光波导结构示意图，采用SOI材料制备，通过对顶层硅进行局部刻蚀形成波导。实际加工时可以通过改变波导宽度、刻蚀深度等参数来控制波导对不同偏振态光信号的限制，从而达到降低波导损耗等目的。
[0051]本发明的一种硅基集成相干光发射机芯片表面可以覆盖其他保护材料，也可以不覆盖其他保护材料。
[0052]本发明还公开一种硅基集成相干光发射机，其包括上述的一种硅基集成相干光发射机芯片。
[0053]以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种娃基集成相干光发射机芯片，其特征在于，包括光稱合器、光分束器、光合束器、硅基调制器、固定相移器以及耦合偏振合束器； TE偏振光由所述光耦合器耦合进入，并由所述光分束器分为四束功率相等的光，之后分别进入一所述硅基调制器处理后依次输出第一调制信号光、第二调制信号光、第三调制信号光以及第四调制信号光；所述第一调制信号光经一所述固定相移器处理后，与所述第二调制信号光通过一所述光合束器进行合束；所述第三调制信号光经一所述固定相移器处理后，与所述第四调制信号光通过一所述光合束器进行合束；由所述光合束器射出的光进入所述耦合偏振合束器，进行偏振态转换以及光合束处理后得到相干调制信号光，并耦合到光纤。
2.根据权利要求1所述的一种娃基集成相干光发射机芯片，其特征在于，所述光I禹合器、光分束器、光合束器、硅基调制器、固定相移器以及耦合偏振合束器之间的光路通过平面光波导形成光连接通道。
3.根据权利要求1或2所述的一种娃基集成相干光发射机芯片,其特征在于,所述光率禹合器耦合进的光首先经过一所述光分束器分为两束功率相等的光，所述两束功率相等的光分别经过一所述光分束器分为四束功率相等的光。
4.根据权利要求3所述的一种硅基集成相干光发射机芯片，其特征在于，所述硅基调制器用于实现将电信号加载到光信号的功能，其包括调制光分束器、硅基相移器、调制固定相移器以及调制光合束器； 进入所述硅基调制器的光经所述调制光分束器分为功率相等的两束光，并且分别进入一所述硅基相移器，其中一个所述硅基相移器的输出光路上设置所述调制固定相移器，另一个所述硅相移器输出的光与所述调制固定相移器输出的光均进入所述调制光合束器进打合束之后射出； 通过调节加载到所述调制固定硅相移器上的电压，使另一个所述硅相移器输出的光与所述调制固定相移器输出的光之间存在180度的相移差。
5.根据权利要求4所述的一种娃基集成相干光发射机芯片,其特征在于,所述娃基相移器为马赫曾德干涉仪结构；所述硅基调制器为使用槽线GS结构电极的单驱动调制器或使用共面波导GSG结构电极的双驱动调制器。
6.根据权利要求4所述的一种娃基集成相干光发射机芯片,其特征在于,所述光I禹合器为一维光栅结构的光耦合器，所述一维光栅为全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅，或二兀闪耀光栅。
7.根据权利要求4所述的一种娃基集成相干光发射机芯片,其特征在于,所述光合束器为多模干涉仪的光合束器或Y分支的光合束器；所述光分束器为多模干涉仪的光分束器或Y分支的光分束器。
8.根据权利要求4所述的一种硅基集成相干光发射机芯片，其特征在于，所述固定相移器以及调制固定相移器均用于实现光信号的固定相移。
9.根据权利要求4所述的一种硅基集成相干光发射机芯片，其特征在于，所述耦合偏振分束器为通过在绝缘体上的硅片上刻蚀周期性二维光子晶体结构形成，其将一路TE偏振态信号光转换为TM偏振态信号光,之后进行光合束。
10.一种娃基集成相干光发射机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的一种 硅基集成相干光发射机芯片。
【文档编号】H04B10/50GK104301041SQ201410539951
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】周治平, 王兴军, 张俊龙, 李田甜, 余丽, 苏昭棠 申请人:北京大学