基于二維光柵耦合的硅基QPSK光調(diào)制器制造技術(shù)

一種基于二維光柵耦合的硅基QPSK光調(diào)制器，包括：一個(gè)二維光柵耦合器，作為垂直光耦合接口以及四通道功率均分器將耦合光平均分束到四個(gè)通道波導(dǎo)中；四個(gè)模式轉(zhuǎn)換器，用以二維光柵與單模波導(dǎo)之間的模式轉(zhuǎn)換和絕熱光傳輸；單模波導(dǎo)，用以光信號(hào)的低損耗單模傳輸；一個(gè)光學(xué)交叉，用于兩個(gè)波導(dǎo)之間無串?dāng)_低損耗的光交叉?zhèn)鬏?；四個(gè)射頻相移器，用于同相路數(shù)據(jù)DATAI和正交路數(shù)據(jù)DATAQ的電信號(hào)加載，實(shí)現(xiàn)兩路BPSK光相位調(diào)制。三個(gè)MMI合束器，其中兩個(gè)用于同相路和正交路中兩個(gè)支路的光合束，另外一個(gè)用于同相路和正交路的光合束。兩個(gè)熱光相移器，用以直流調(diào)節(jié)同相路和正交路之中的光波相位差，使之滿足π/2，從而使得同相路和正交路的光信號(hào)合成為QPSK調(diào)制信號(hào)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】一種基于二維光柵耦合的硅基QPSK光調(diào)制器，包括：一個(gè)二維光柵耦合器，作為垂直光耦合接口以及四通道功率均分器將耦合光平均分束到四個(gè)通道波導(dǎo)中；四個(gè)模式轉(zhuǎn)換器，用以二維光柵與單模波導(dǎo)之間的模式轉(zhuǎn)換和絕熱光傳輸；單模波導(dǎo)，用以光信號(hào)的低損耗單模傳輸；一個(gè)光學(xué)交叉，用于兩個(gè)波導(dǎo)之間無串?dāng)_低損耗的光交叉?zhèn)鬏?；四個(gè)射頻相移器，用于同相路數(shù)據(jù)DATAI和正交路數(shù)據(jù)DATAQ的電信號(hào)加載，實(shí)現(xiàn)兩路BPSK光相位調(diào)制。三個(gè)MMI合束器，其中兩個(gè)用于同相路和正交路中兩個(gè)支路的光合束，另外一個(gè)用于同相路和正交路的光合束。兩個(gè)熱光相移器，用以直流調(diào)節(jié)同相路和正交路之中的光波相位差，使之滿足π/2，從而使得同相路和正交路的光信號(hào)合成為QPSK調(diào)制信號(hào)?！緦＠f明】基于二維光柵耦合的硅基QPSK光調(diào)制器
本專利技術(shù)涉及到硅基光子學(xué)及芯片級(jí)光互連技術(shù)，尤其涉及一種基于二維光柵耦合 的硅基QPSK光調(diào)制器。
技術(shù)介紹
在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，大量的信息和數(shù)據(jù)交換需要一個(gè)高速、寬帶 的通信系統(tǒng)。理論計(jì)算表明：增加載波頻率可以增加頻帶寬度從而擴(kuò)大通信系統(tǒng)容量。當(dāng) 電信號(hào)在導(dǎo)體上傳輸時(shí)，導(dǎo)體的阻抗以及寄生電容會(huì)隨著頻率增加而增加使得電信號(hào)迅速 衰減。即使采用高頻損耗較小的同軸電纜，在100MHz頻率下其損耗也已達(dá)到了5dB/Km。因 此電纜只適合于短距離和低頻下使用，而無法滿足高速長距離通信需要。相反光具有極高 的頻率（幾百THz)，因此可以提供寬帶高速的傳輸系統(tǒng)。通常傳輸光信號(hào)的媒質(zhì)都有一個(gè) 對(duì)特定波長呈透明的窗口，光在透明窗口中傳輸?shù)膿p耗極小。這些窗口位于可見光和近紅 外區(qū)域，相應(yīng)的頻率為150THz?800THz，是電信號(hào)傳輸頻率的106倍！以高頻光波為載體 的光纖通信具有頻帶寬、損耗低、體積小、免電磁干擾、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，使它成為現(xiàn)有的各 種通信手段中最有發(fā)展前途的通信方式之一，成為人類邁入信息社會(huì)的基石。 在長距離超高速骨干網(wǎng)通信方面，雖然光通信取得了前所未有的成功。但是其光 收發(fā)模塊使用的均是價(jià)格昂貴的III-V族材料，例如GaAs和InP-InGaAs。這些III-V族材 料光電子器件雖然價(jià)格昂貴，但是其光電特性非常好，可以輕易地達(dá)到40Gbit/s的調(diào)制和 探測速率。對(duì)于通信骨干網(wǎng)，人們追求的是性能卓越的寬帶通信系統(tǒng)，并且由于有多個(gè)用戶 分?jǐn)傎M(fèi)用，價(jià)格通常不是制約因素。然而在短距離通信中，例如局域網(wǎng)中由于沒有用戶分?jǐn)?費(fèi)用，價(jià)格就成了制約因素。價(jià)格不菲的III-V族材料光電子器件限制了其在局域網(wǎng)中的 廣泛使用，人們只能望"光"興嘆。同時(shí)隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于光信息存儲(chǔ)、光數(shù)據(jù) 傳輸?shù)葢?yīng)用，需要有低成本的光電子收發(fā)模塊。由此有必要研制價(jià)格低廉的光收發(fā)模塊以 彌補(bǔ)這些III-V族材料光電子器件的不足，使光通信進(jìn)入到千家萬戶，以延伸干線網(wǎng)超高 速的"最后一公里"，實(shí)現(xiàn)光纖入戶。 于是人們將目光投向了硅基光電子器件。利用成熟廉價(jià)的硅基集成電路工藝技 術(shù)，全世界的科研人員們開展了硅基光器件的廣泛研究，取得了一系列有代表性的成果，硅 基電光調(diào)制器、鍺波導(dǎo)探測器、硅基混合激光器、波分復(fù)用器件等相繼問世，性能指標(biāo)日趨 完善，工藝日趨成熟，似乎預(yù)示著一個(gè)硅光子的通信時(shí)代即將到來。 娃基電光調(diào)制器是光互連和光通信的關(guān)鍵器件，作為高速電調(diào)制信號(hào)與光載波的 接口，電光調(diào)制器的性能對(duì)于互連系統(tǒng)的通信容量、鏈路預(yù)算、通信質(zhì)量等至關(guān)重要。近些 年來，為了提高調(diào)制器的調(diào)制速率和減小調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓，全世界的研究人員做了很多 的研究工作，也取得了不錯(cuò)的成果。目前，MZI型電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓已經(jīng)降到了IV左 右，調(diào)制速率最高可達(dá)60Gb/s。盡管如此，由于硅基調(diào)制采用的等離子色散較弱的電光效 應(yīng)，硅基調(diào)制器的性能還是普遍劣于商用的鈮酸鋰調(diào)制器。因此，目前國際上報(bào)導(dǎo)的大部 分調(diào)制器都是基于開關(guān)相移鍵控（00K)的調(diào)制方式，主要的應(yīng)用前景為對(duì)于消光比和線性 要求并不苛刻的短距離通信。相比〇〇K，正交相位調(diào)制方式（QPSK)具有更高的光譜利用效 率、對(duì)色散和光纖的非線性效應(yīng)較為不敏感、較低的信噪比要求等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是長距 離光通信領(lǐng)域的更優(yōu)選擇。目前硅基QPSK調(diào)制器主要是基于嵌套MZI結(jié)構(gòu)，然而該結(jié)構(gòu)需 要三個(gè)分束器兩級(jí)級(jí)聯(lián)，大大增加了線路的復(fù)雜性以及插損，本專利技術(shù)通過采用二維光柵既 作為QPSK調(diào)制器芯片與激光器或者單模光纖的垂直光學(xué)接口，同時(shí)又作為四通道光學(xué)功 率均分器，可以說兼具了偏振無關(guān)耦合器以及四通道分束器的功能。采用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的 QPSK調(diào)制器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以實(shí)現(xiàn)與光纖完全垂直的光學(xué)耦合，使得光源的封裝更加 具有成本優(yōu)勢更有吸引力，同時(shí)如果能夠?qū)⑷遄寮す馄鞯寡b焊與光柵混合集成，無疑是 一個(gè)非常好的光源解決方案；二是可以實(shí)現(xiàn)偏振多樣性的耦合，即能夠?qū)⒐饫w中兩種簡并 且相互垂直的偏振態(tài)模式均耦合進(jìn)入芯片，從而不僅使得在芯片線路中同時(shí)處理光纖中兩 種偏振態(tài)模式成為可能，也避免了片上TE/TM轉(zhuǎn)換的需要。綜上所述，我們的這項(xiàng)專利技術(shù)具有 潛在的應(yīng)用前景和實(shí)際價(jià)值，有望在未來光通信網(wǎng)絡(luò)中取得重要應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于二維光柵稱合的娃基QPSK光調(diào)制器，其具有完 全垂直光學(xué)接口、偏振多樣性等優(yōu)點(diǎn)，另外其制作工藝與CMOS工藝兼容。 本專利技術(shù)提供一種基于二維光柵稱合的娃基QPSK光調(diào)制器，包括： -個(gè)四通道二維光柵耦合器1，作為硅基QPSK調(diào)制器芯片與外部激光器8或者單 模光纖的垂直耦合接口，同時(shí)作為四通道功率均分器將耦合進(jìn)入光柵的光平均的分束到四 個(gè)通道波導(dǎo)中去； 四個(gè)模式轉(zhuǎn)換器2,作為二維光柵1與單模脊形波導(dǎo)3之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)無損 耗的模式轉(zhuǎn)換和光學(xué)傳輸； 單模脊形波導(dǎo)3,作為光波傳輸?shù)闹饕浇椋靡詫?shí)現(xiàn)器件內(nèi)部光信號(hào)的低損耗和 單模傳輸； 一個(gè)光學(xué)交叉4,用于實(shí)現(xiàn)二維光柵1兩個(gè)通道單模脊形波導(dǎo)3之間無串?dāng)_低損耗 的光交叉?zhèn)鬏敚? 四個(gè)射頻相移器5,分別位于二維光柵1的四個(gè)通道內(nèi)，是由單模脊型波導(dǎo)3和嵌 入到其中的電學(xué)相移結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)同相路數(shù)據(jù)DATA和正交路數(shù)據(jù)DATAQ的電信號(hào)加 載。 三個(gè)MMI耦合器6,作為功率合成器使用，分別用于同相路和正交路中兩個(gè)分支波 導(dǎo)的功率合成以及同相路和正交路的功率合成。 兩個(gè)熱光相移器7,分別位于同相路和正交路，是由單模脊型波導(dǎo)3和嵌入到其中 的熱電阻相移結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用以直流電壓調(diào)節(jié)同相路和正交路之中的光波相位差，使之滿足 31/2。 由上面的分析可知，該器件具有偏振多樣性耦合光學(xué)接口，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高速 QPSK光調(diào)制，在輸出端通過相干接收機(jī)解調(diào)，就能夠?qū)崿F(xiàn)高通信容量的光通信，可以在未來 的長距離光通信領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。 【專利附圖】【附圖說明】 為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中： 圖1是本專利技術(shù)的具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)及原理示意圖； 圖2是本專利技術(shù)的具體實(shí)施例中的二維光柵結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本專利技術(shù)的具體實(shí)施例中射頻相移器截面示意圖； 圖4是本專利技術(shù)的具體實(shí)施例中熱光相移器截面示意圖；本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于二維光柵耦合的硅基QPSK光調(diào)制器，包括：一個(gè)四通道二維光柵耦合器1，作為硅基QPSK調(diào)制器芯片與外部激光器8或者單模光纖的垂直耦合接口，同時(shí)作為四通道功率均分器將耦合進(jìn)入光柵的光平均的分束到四個(gè)通道波導(dǎo)中去；四個(gè)模式轉(zhuǎn)換器2，作為二維光柵1與單模脊形波導(dǎo)3之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)無損耗的模式轉(zhuǎn)換和光學(xué)傳輸；單模脊形波導(dǎo)3，作為光波傳輸?shù)闹饕浇椋靡詫?shí)現(xiàn)器件內(nèi)部光信號(hào)的低損耗和單模傳輸；一個(gè)光學(xué)交叉4，用于實(shí)現(xiàn)二維光柵1兩個(gè)通道單模脊形波導(dǎo)3之間無串?dāng)_低損耗的光交叉?zhèn)鬏敚凰膫€(gè)射頻相移器5，分別位于二維光柵1的四個(gè)通道內(nèi)，是由單模脊型波導(dǎo)3和嵌入到其中的電學(xué)相移結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)同相路數(shù)據(jù)DATAI和正交路數(shù)據(jù)DATAQ的電信號(hào)加載；三個(gè)MMI耦合器6，作為功率合成器使用，分別用于同相路和正交路中兩個(gè)分支波導(dǎo)的功率合成以及同相路和正交路的功率合成；兩個(gè)熱光相移器7，分別位于同相路和正交路，是由單模脊型波導(dǎo)3和嵌入到其中的熱電阻相移結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用以直流電壓調(diào)節(jié)同相路和正交路之中的光波相位差，使之滿足π/2。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張贊允，劉宏偉，李鴻強(qiáng)，陳力穎，
申請(專利權(quán))人：天津工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12