硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片的制作方法

本发明涉及一种高速光通信系统中使用的高速电光调制器，具体涉及一种硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片。

背景技术：

21世纪以来，人们对信息的需求前所未有的爆炸式增长。光纤通信技术的发展带动了高速率、大容量的通信网络建设，中国也于2013年提出了“宽带中国”国家战略，将高速大容量网络建设纳入国家发展计划。然而目前，世界各国已相继铺设了较为完整的基于密集波分复用技术的现行光纤通信网络。面对日益增长的信息量需求，传统密集波分复用光通信系统容量已经逐渐被消耗殆尽。因此，如何在尽可能利用现行光通信设施的基础上，最大限度的提升光传输系统容量与速率成为了光通信领域的研究热点。

随着高性能激光器，低成本的高速光电子芯片发展，基于高阶调制码型、相干检测和数字信号处理的相干光通信技术可良好解决光通信系统容量与速率的问题，成为下一代长距离大容量光通信系统的主要技术。其主要具有以下优势：频谱利用率高，接收机灵敏度高(比直接探测技术高大约20dB)，强大的数字信号处理技术良好补偿光信号的传输损伤，简化了传输链路，降低了传输成本。

相干光通信系统早在80年代就有研究，但随着90年代掺铒光纤放大器(EDFA)及波分复用技术的发明，部分满足了当时通信系统容量的需求，故而相干光通信系统停滞不前。直到2002年，OFC会议上报道了基于差分四相移键控(DQPSK)调制码型的10Gb/s实验传输系统，相干光通信技术才重新引起人们的关注。自此以后，人们相继实现了40Gb/s四相移键控(QPSK)信号3060公里传输实验；800Mbit/s QPSK光信号相干检测实验；基于偏振复用四相移键控(DP-QPSK)调制格式的40Gb/s以及100Gb/s相干光通信实验。超高速大容量的相干光通信系统逐渐浮出水面。2009年，Bell实验室报道了10×112Gb/s基于双偏振16进制正交幅度调制(DP-16QAM)调制格式的光通信系统，继而基于DP-32QAM，DP-64QAM，DP-128QAM等高阶调制码型的相干光通信系统也被报道。高阶调制码型的应用大大提升了光通信系统的频谱效率，进而提升了光纤通信系统的通信容量。

由于传统的密集波分复用光通信系统的通信速率及容量已经无法满足人们日益增长的信息需求，且传统的光调制器体积大，功耗高，通信中心基站大数据转发面临瓶颈，所以，目前急需高阶调制码型调制、稳定、低功耗、小体积的光调制器来解决这些问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了实现高速率大容量的高速光通信，满足人们日益增长的信息需求，本发明所提出的硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片，通过采用高阶调制格式、波分复用、偏振复用相结合的方式，可实现高速率大容量的电光调制。同时，本发明利用成熟的互补金属氧化物半导体工艺，在一块硅基晶圆片上按没计方案集成制备各个器件，实现了调制器小型化，集成化。

(二)技术方案

本发明提供一种硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片其特征在于，包括第一单模垂直耦合光栅(1a)、第一调制模块(1)、第二单模垂直耦合光栅(1b)、第二调制模块(2)、2×1多模干涉耦合器(7)和双模垂直耦合光栅(8)，其中：

第一单模垂直耦合光栅(1a)接收外部输入的激光光束a，将激光光束a耦合入第一调制模块(1)，第一调制模块(1)对激光光束a进行移相、强度调制和模式转换处理后输出给2×1多模干涉耦合器(7)；

第二单模垂直耦合光栅(1b)接收外部输入的激光光束b，将激光光束b耦合入第二调制模块(2)，第二调制模块(2)对激光光束b进行移相、强度调制和模式转换处理后输出给2×1多模干涉耦合器(7)；

其中激光光束a与激光光束b是两束波长不同的激光；

2×1多模干涉耦合器(7)将接收的两束激光耦合为一束激光，然后送入双模垂直耦合光栅(8)，双模垂直耦合光栅(8)将不同模式的光同时耦合入多模光纤。

其中，所述第一调制模块(1)和所述第二调制模块(2)，器件组成结构及连接关系相同，每个调制模块均包括1个1×4多模干涉耦合器，2个电光移相器，4个马赫曾德调制器，2个2×1多模干涉耦合器，以及1个模式转换耦合器；调制模块中各器件之间通过硅基横电模波导连接，其中传输横电模(TE0)。

其中，所述第一调制模块(1)包括第一1×4多模干涉耦合器(2a)、第一电光移相器(3a)、第二电光移相器(3b)、第一马赫曾德尔调制器(4a)、第二马赫曾德尔调制器(4b)、第三马赫曾德尔调制器(4c)、第四马赫曾德尔调制器(4d)、第一2×1多模干涉耦合器(5a)、第二2×1多模干涉耦合器(5b)和第一模式转换耦合器(6a)，其中：

第一1×4多模干涉耦合器(2a)接收第一单模垂直耦合光栅(1a)输出的激光光束a，第一1×4多模干涉耦合器(2a)将一个波导中的光平分到四个波导，则一束激光光束分为四束激光光束；

四束激光光束中的第一束激光，进入第一马赫曾德尔调制器(4a)，第一马赫曾德尔调制器(4a)将电学数字信号调制到光学载波上，进入第一2×1多模干涉耦合器(5a)；

四束激光光束中的第二束激光经第一电光移相器(3a)进行移相后进入第二马赫曾德尔调制器(4b)，第二马赫曾德尔调制器(4b)将电学数字信号调制到光学载波上，进入第一2×1多模干涉耦合器(5a)；

第一2×1多模干涉耦合器(5a)将两个波导中的两束激光耦合入一个波导，然后进入第一模式转换耦合器(6a)；

四束激光光束中的第三束激光，进入第三马赫曾德尔调制器(4c)，第三马赫曾德尔调制器(4c)将电学数字信号调制到光学载波上，进入第二2×1多模干涉耦合器(5b)；

四束激光光束中的第四束激光经第二电光移相器(3b)进行移相后进入第四马赫曾德尔调制器(4d)，第四马赫曾德尔调制器(4d)将电学数字信号调制到光学载波上，进入第二2×1多模干涉耦合器(5b)；

第二2×1多模干涉耦合器(5b)将两个波导中的两束激光耦合入一个波导，然后进入第一模式转换耦合器(6a)；

第一模式转换耦合器(6a)将两束相同模式的激光耦合入一个波导，在此过程中其中一束激光模式发生转换，另一束激光光束模式保持不变；

第一模式转换耦合器(6a)输出的激光光束进入2×1多模干涉耦合器(7)。

其中，所述1×4多模干涉耦合器由三个1×2多模干涉耦合器级联而成，一束激光经过第一1×2多模干涉耦合器2-1后分为两束激光，其中一束激光进入第二1×2多模干涉耦合器2-2后再次分为两束激光，相同地，另一束激光进入第三1×2多模干涉耦合器2-3后也再次分为两束激光，由此，一束激光经过1×4多模干涉耦合器后变为四束激光。

其中，所述电光移相器采用参杂注入的PIN结构，用于通过改变偏压来控制光相移量。

其中，所述马赫曾德调制器采用微环调制器或微环增强马赫曾德调制器。

其中，所述模式转换耦合器接收与之相连接的2个2×1多模干涉耦合器的光信号；模式转换耦合器对其中一个2×1多模干涉耦合器的光信号输入的横电模(TE0)光信号保持模式不变，以横电模(TE0)由尾端多模波导输出；对另一个2×1多模干涉耦合器的光信号输入的横电模(TE0)光信号，通过波导耦合转换，变为横磁模(TM0)由尾端多模波导输出。

其中，所述双模垂直耦合光栅(8)为二维光栅，用于同时将两个模式的光耦合入对准光纤。

其中，所述第一单模垂直耦合光栅(1a)和第二单模垂直耦合光栅(1b)，分别由一个窄线宽激光器来替换。

(三)有益效果

本发明提供的硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片与现有的技术相比具有的积极效果在于：

(1)本发明高速双载波双偏振调制器集成芯片当中，利用双偏振态，双波长，高阶格式调制(如DP-16QAM调制，DP-32QAM调制等)，使得该调制器的调制速率高达数百吉比特每秒，从而满足下一代光通信网络的需求。

(2)本发明采用硅基集成技术，与CMOS工艺兼容，利用电子束曝光工艺，可大批量生产该调制器，并保证芯片的成品率。从而发挥集成器件优势，使得该调制器实现低成本，低功耗，小体积。同时，配合CMOS工艺线当中成熟的高频微带线铺设，以及后期的金丝跳线，耦合封装等工艺可实现器件的进一步优化与简单化操作。

(3)本发明利用在双载波，双偏振态上分别调制，在保证总体调制速率与容量的前提下，大大降低了对单个调制器调制速率的要求，从而使得该芯片的制造难度大大降低，提高成品率，降低成本。

附图说明

图1是本发明提供的硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片结构示意图；

图2是本发明提供的硅基级联1×4多模干涉耦合器结构示意图；

图3是本发明提供的模式转换耦合器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片，包括2个单模垂直耦合光栅，2个调制模块，1个2×1多模干涉耦合器，以及1个双模垂直耦合光栅。其中2个单模垂直耦合光栅与2个调制模块之间采用硅基横电模(TE0)波导连接，其中传输横电模；所述调制模块与2×1多模干涉耦合器之间，以及2×1多模干涉耦合器与双模垂直耦合光栅之间通过多模波导连接，其中同时传输横电模(TE0)与横磁模(TM0)。

第一激光光束通过第一单模垂直耦合光栅耦合进入该硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片，从第一单模垂直耦合光栅输出的激光进入第一调制模块，第一调制模块对第一激光光束进行移相、强度调制和模式转换处理，第二激光光束通过第二单模垂直耦合光栅耦合进入该硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片，从第二单模垂直耦合光栅输出的激光进入第二调制模块，第二调制模块对第一激光光束进行移相、强度调制和模式转换处理，第一调制模块和第二调制模块输出的两束激光光束，经过2×1多模干涉耦合器干涉耦合为一束，最后进入双模垂直耦合光栅。该硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片为双波长工作器件，通过耦合光栅，实现芯片与光纤的光连接，同时，该集成芯片有相位调制器，马赫-曾德电光强度调制器可实现振幅与相位联合键控，进行高阶数字信号格式调制。

如图1所示，图1是本发明提供的硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片的结构示意图，该硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片包括第一单模垂直耦合光栅1a、第一调制模块1、第二单模垂直耦合光栅1b、第二调制模块2、2×1多模干涉耦合器7和双模垂直耦合光栅8，其中，第一单模垂直耦合光栅1a接收外部输入的激光光束a，将激光光束a耦合入第一调制模块1，第一调制模块1对激光光束a进行移相、强度调制和模式转换处理后输出给2×1多模干涉耦合器7；第二单模垂直耦合光栅1b接收外部输入的激光光束b，将激光光束b耦合入第二调制模块2，第二调制模块2对激光光束b进行移相、强度调制和模式转换处理后输出给2×1多模干涉耦合器7；其中激光光束a与激光光束b是两束波长不同的激光；2×1多模干涉耦合器7将接收的两束激光耦合为一束激光，然后送入双模垂直耦合光栅8，双模垂直耦合光栅8将不同模式的光同时耦合入多模光纤。

在该芯片中，两个单模垂直耦合光栅，即第一单模垂直耦合光栅1a和第二单模垂直耦合光栅1b，可被替换为两个窄线宽激光器混合集成于该调制器集成芯片上，从而实现光通信系统中光发射模块的进一步小型化。

两个调制模块，即第一调制模块1和第二调制模块2，器件组成结构及连接关系相同，每个调制模块均包括1个1×4多模干涉耦合器，2个电光移相器，4个马赫曾德尔调制器，2个2×1多模干涉耦合器，以及1个模式转换耦合器；调制模块中各器件之间通过硅基横电模波导连接，其中传输横电模(TE0)。

第一调制模块1包括第一1×4多模干涉耦合器2a、第一电光移相器3a、第二电光移相器3b、第一马赫曾德尔调制器4a、第二马赫曾德尔调制器4b、第三马赫曾德尔调制器4c、第四马赫曾德尔调制器4d、第一2×1多模干涉耦合器5a、第二2×1多模干涉耦合器5b和第一模式转换耦合器6a。

其中，第一调制模块1的第一1×4多模干涉耦合器2a接收第一单模垂直耦合光栅1a输出的激光光束a，第一1×4多模干涉耦合器2a将一个波导中的光平分到四个波导，则一束激光光束分为四束激光光束；四束激光光束中的第一束激光，进入第一马赫曾德尔调制器4a，第一马赫曾德尔调制器4a将电学数字信号调制到光学载波上，进入第一2×1多模干涉耦合器5a；四束激光光束中的第二束激光经第一电光移相器3a进行移相后进入第二马赫曾德尔调制器4b，第二马赫曾德尔调制器4b将电学数字信号调制到光学载波上，进入第一2×1多模干涉耦合器5a；第一2×1多模干涉耦合器5a将两个波导中的两束激光耦合入一个波导，然后进入第一模式转换耦合器6a。四束激光光束中的第三束激光，进入第三马赫曾德尔调制器4c，第三马赫曾德尔调制器4c将电学数字信号调制到光学载波上，进入第二2×1多模干涉耦合器5b；四束激光光束中的第四束激光经第二电光移相器3b进行移相后进入第四马赫曾德尔调制器4d，第四马赫曾德尔调制器4d将电学数字信号调制到光学载波上，进入第二2×1多模干涉耦合器5b；第二2×1多模干涉耦合器5b将两个波导中的两束激光耦合入一个波导，然后进入第一模式转换耦合器6a；第一模式转换耦合器6a将两束相同模式的激光耦合入一个波导，在此过程中其中一束激光模式发生转换，另一束激光光束模式保持不变。第一模式转换耦合器6a输出的激光光束进入2×1多模干涉耦合器7。

激光光束在进入第二调制模块2后进行与第一调制模块1相同的处理。

图2所示为调制模块中1×4多模干涉耦合器的结构示意图，该1×4多模干涉耦合器由三个1×2多模干涉耦合器级联而成。1×4多模干涉耦合器具体的工作原理如图2所示，一束激光经过第一1×2多模干涉耦合器2-1后分为两束激光，其中一束激光进入第二1×2多模干涉耦合器2-2后再次分为两束激光，相同地，另一束激光进入第三1×2多模干涉耦合器2-3后也再次分为两束激光，由此，一束激光经过1×4多模干涉耦合器后变为四束激光。

在两个调制模块中，电光移相器一般采用参杂注入的PIN结构，用于通过改变偏压来控制光相移量。马赫曾德调制当中调制的数字信号可以变为2ASK，4ASK甚至更高阶的数字信号格式调制，且该马赫曾德调制器也可采用更适宜数字格式调制的微环调制器以及微环增强马赫曾德调制器。

在两个调制模块中，模式转换耦合器接收与之相连接的2个2×1多模干涉耦合器的光信号；模式转换耦合器对其中一个2×1多模干涉耦合器的光信号输入的横电模(TE0)光信号保持模式不变，以横电模(TE0)由尾端多模波导输出；对另一个2×1多模干涉耦合器的光信号输入的横电模(TE0)光信号，通过波导耦合转换，变为横磁模(TM0)由尾端多模波导输出。

图3所示为调制模块中模式转换耦合器的工作原理示意图，其通过波导形状改变与耦合间距改变来改变其中传输的光场模式。第一模式转换耦合器6a及第二模式转换耦合器6b具体的工作原理如图3所示。在图3的区域1中，由下支路输入的横电模(TE0)信号光由于传输波导边界条件变化，转化为高阶横电模(TE1模)。此时，上支路光信号模式不变。在图3的区域2中，上支路波导变为多模波导，上支路传输的横电模(TE0)信号光模式保持不变。下支路的高阶横电模(TE1模)在耦合进入上支路多模波导时，由于该多模波导只能传输基态模式，故而由高阶横电模(TE1)转换为基态横磁模(TM0)传输耦合进入上支路多模波导。在图3的区域3，横电模(TE0)与横磁模(TM0)共同向前传输。

本发明硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片具体的工作流程如下：波长为1550.000nm的激光通过第一垂直耦合光栅1a耦合进入该调制器集成芯片，保持横电模(TE0)在光波导中传输，经过第一1×4多模干涉耦合器2a分为四路，其中两支路分别经过第一电光移相器3a和第二电光移相器3b进行相位调节以使其与另外两支路的相位相差90°，之后分部进入第二马赫-曾德调制器4b和第四马赫曾德尔调制器4d进行电光强度调制，另外两支路直接进入第一马赫曾德调制器4a和第三马赫曾德尔调制器4c进行电光强度调制。经过调制的光信号分别经过第一2×1多模干涉耦合器5a和第二2×1多模干涉耦合器5b变为两支路。此时，这两条支路中传输的均为携带有数字信号的横电模(TE0)光信号。两支路进入第一模式转换耦合器6a，该第一模式转换耦合器6a对来自第一2×1多模干涉耦合器5a输入的横电模(TE0)光信号保持模式不变，以横电模(TE0)由尾端多模波导输出；第一模式转换耦合器6a该对来自第二2×1多模干涉耦合器5b输入的横电模(TE0)，将通过波导耦合转换，变为横磁模(TM0)由尾端多模波导输出。这样在这只尾端多模波导当中传输的两个模式的光电场相互正交，避免了携带有不同数据光信号相互干涉导致的信号损伤。波长为1550.400nm的激光通过第二垂直耦合光栅1b耦合进入该调制器集成芯片，经过相同的处理后，与该波长光通过2×1多模耦合器7耦合入一个多模波导当中，经过双模垂直耦合光栅8耦合进入光纤中进行远距离传输。

至此，本发明的硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片就实现了双波长、双偏振态工作，并且将偏振复用与波分复用相结合，实现了复杂格式调制，提高了数据调制速率。同时，该硅基高速双载波双偏振调制器集成芯片也可实现双偏振16进制正交幅度调制，满足下一代光通信系统要求的高阶格式调制，调制速率可达到甚至超过400Gbit/s。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。