CN104330905A

CN104330905A - 基于二维光栅耦合的硅基qpsk光调制器

Info

Publication number: CN104330905A
Application number: CN201410653955.7A
Authority: CN
Inventors: 张赞允; 刘宏伟; 李鸿强; 陈力颖
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Suzhou Low Light Level Electronic Fusion Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: CN104330905B

Abstract

一种基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，包括：一个二维光栅耦合器，作为垂直光耦合接口以及四通道功率均分器将耦合光平均分束到四个通道波导中；四个模式转换器，用以二维光栅与单模波导之间的模式转换和绝热光传输；单模波导，用以光信号的低损耗单模传输；一个光学交叉，用于两个波导之间无串扰低损耗的光交叉传输；四个射频相移器，用于同相路数据DATA_I和正交路数据DATA_Q的电信号加载，实现两路BPSK光相位调制。三个MMI合束器，其中两个用于同相路和正交路中两个支路的光合束，另外一个用于同相路和正交路的光合束。两个热光相移器，用以直流调节同相路和正交路之中的光波相位差，使之满足π/2，从而使得同相路和正交路的光信号合成为QPSK调制信号。

Description

基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器

技术领域

本发明涉及到硅基光子学及芯片级光互连技术，尤其涉及一种基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器。

背景技术

在科学技术迅猛发展的现代社会中，大量的信息和数据交换需要一个高速、宽带的通信系统。理论计算表明：增加载波频率可以增加频带宽度从而扩大通信系统容量。当电信号在导体上传输时，导体的阻抗以及寄生电容会随着频率增加而增加使得电信号迅速衰减。即使采用高频损耗较小的同轴电缆，在100MHz频率下其损耗也已达到了5dB/Km。因此电缆只适合于短距离和低频下使用，而无法满足高速长距离通信需要。相反光具有极高的频率(几百THz)，因此可以提供宽带高速的传输系统。通常传输光信号的媒质都有一个对特定波长呈透明的窗口，光在透明窗口中传输的损耗极小。这些窗口位于可见光和近红外区域，相应的频率为150THz～800THz，是电信号传输频率的106倍！以高频光波为载体的光纤通信具有频带宽、损耗低、体积小、免电磁干扰、高可靠性等优点，使它成为现有的各种通信手段中最有发展前途的通信方式之一，成为人类迈入信息社会的基石。

在长距离超高速骨干网通信方面，虽然光通信取得了前所未有的成功。但是其光收发模块使用的均是价格昂贵的III-V族材料，例如GaAs和InP-InGaAs。这些III-V族材料光电子器件虽然价格昂贵，但是其光电特性非常好，可以轻易地达到40Gbit/s的调制和探测速率。对于通信骨干网，人们追求的是性能卓越的宽带通信系统，并且由于有多个用户分摊费用，价格通常不是制约因素。然而在短距离通信中，例如局域网中由于没有用户分摊费用，价格就成了制约因素。价格不菲的III-V族材料光电子器件限制了其在局域网中的广泛使用，人们只能望“光”兴叹。同时随着信息技术的不断进步，对于光信息存储、光数据传输等应用，需要有低成本的光电子收发模块。由此有必要研制价格低廉的光收发模块以弥补这些III-V族材料光电子器件的不足，使光通信进入到千家万户，以延伸干线网超高速的“最后一公里”，实现光纤入户。

于是人们将目光投向了硅基光电子器件。利用成熟廉价的硅基集成电路工艺技术，全世界的科研人员们开展了硅基光器件的广泛研究，取得了一系列有代表性的成果，硅基电光调制器、锗波导探测器、硅基混合激光器、波分复用器件等相继问世，性能指标日趋完善，工艺日趋成熟，似乎预示着一个硅光子的通信时代即将到来。

硅基电光调制器是光互连和光通信的关键器件，作为高速电调制信号与光载波的接口，电光调制器的性能对于互连系统的通信容量、链路预算、通信质量等至关重要。近些年来，为了提高调制器的调制速率和减小调制器的驱动电压，全世界的研究人员做了很多的研究工作，也取得了不错的成果。目前，MZI型电光调制器的驱动电压已经降到了1V左右，调制速率最高可达60Gb/s。尽管如此，由于硅基调制采用的等离子色散较弱的电光效应，硅基调制器的性能还是普遍劣于商用的铌酸锂调制器。因此，目前国际上报导的大部分调制器都是基于开关相移键控(OOK)的调制方式，主要的应用前景为对于消光比和线性要求并不苛刻的短距离通信。相比OOK，正交相位调制方式(QPSK)具有更高的光谱利用效率、对色散和光纤的非线性效应较为不敏感、较低的信噪比要求等优点，因此被认为是长距离光通信领域的更优选择。目前硅基QPSK调制器主要是基于嵌套MZI结构，然而该结构需要三个分束器两级级联，大大增加了线路的复杂性以及插损，本发明通过采用二维光栅既作为QPSK调制器芯片与激光器或者单模光纤的垂直光学接口，同时又作为四通道光学功率均分器，可以说兼具了偏振无关耦合器以及四通道分束器的功能。采用这种结构实现的QPSK调制器有两个优点：一是可以实现与光纤完全垂直的光学耦合，使得光源的封装更加具有成本优势更有吸引力，同时如果能够将三五族激光器倒装焊与光栅混合集成，无疑是一个非常好的光源解决方案；二是可以实现偏振多样性的耦合，即能够将光纤中两种简并且相互垂直的偏振态模式均耦合进入芯片，从而不仅使得在芯片线路中同时处理光纤中两种偏振态模式成为可能，也避免了片上TE/TM转换的需要。综上所述，我们的这项发明具有潜在的应用前景和实际价值，有望在未来光通信网络中取得重要应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其具有完全垂直光学接口、偏振多样性等优点，另外其制作工艺与CMOS工艺兼容。

本发明提供一种基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，包括：

一个四通道二维光栅耦合器1，作为硅基QPSK调制器芯片与外部激光器8或者单模光纤的垂直耦合接口，同时作为四通道功率均分器将耦合进入光栅的光平均的分束到四个通道波导中去；

四个模式转换器2，作为二维光栅1与单模脊形波导3之间的连接，用以实现无损耗的模式转换和光学传输；

单模脊形波导3，作为光波传输的主要媒介，用以实现器件内部光信号的低损耗和单模传输；

一个光学交叉4，用于实现二维光栅1两个通道单模脊形波导3之间无串扰低损耗的光交叉传输；

四个射频相移器5，分别位于二维光栅1的四个通道内，是由单模脊型波导3和嵌入到其中的电学相移结构构成，用于实现同相路数据DATA_I和正交路数据DATA_Q的电信号加载。

三个MMI耦合器6，作为功率合成器使用，分别用于同相路和正交路中两个分支波导的功率合成以及同相路和正交路的功率合成。

两个热光相移器7，分别位于同相路和正交路，是由单模脊型波导3和嵌入到其中的热电阻相移结构构成，用以直流电压调节同相路和正交路之中的光波相位差，使之满足π/2。

由上面的分析可知，该器件具有偏振多样性耦合光学接口，同时能够实现高速QPSK光调制，在输出端通过相干接收机解调，就能够实现高通信容量的光通信，可以在未来的长距离光通信领域获得重要应用。

附图说明

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进一步详细说明，其中：

图1是本发明的具体实施例结构及原理示意图；

图2是本发明的具体实施例中的二维光栅结构图；

图3是本发明的具体实施例中射频相移器截面示意图；

图4是本发明的具体实施例中热光相移器截面示意图；

图5是本发明的具体实施例的等效原理示意图

具体实施方式

由于本发明是基于SOI衬底材料设计的硅基QPSK光调制器，对于不同的埋氧层厚度以及顶层硅厚度，为达到功能要求相应的最佳设计也不同，因此为了方便进行叙述，本发明衬底材料默认为具体实施参数，即埋氧层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm。

请参阅图1，本发明提供一种基于二维光栅的硅基QPSK光调制器，包括：

所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用二维光栅1作为激光器8或者单模光纤与硅基QPSK光调制器的光学接口，该二维光栅在两个维度上均匀对称，即在两个维度上具有均匀的周期和相同的占空比。由于对称性，当激光器或者单模光纤的入射光完全垂直于光栅且处于光栅正中心时，该二维光栅可以实现四通道均匀分束，且将入射的随机偏振态的光偏振分束并旋转实现偏振多样性耦合。

所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用一个光交叉作为二维光栅1两个通道中单模波导处的交叉元件，用以实现两个波导中的光无串扰低插损交叉通行，从而保证器件功能的正确性。

所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用两个MMI耦合器作为光学合束器将二维光栅1的四个光波导通道两两合成为两个主通道，从而与二维光栅1组合形成两个类MZI结构，两个类MZI结构分别位于QPSK调制器的同相路和正交路。

所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用四个射频相移器5，分别位于二维光栅1的四个通道中，也即同相路和正交路中两个类MZI结构的四个光学臂中。同相路中类MZI结构由同相路电数据DATA_I和其反相数据分别对其中两个光学臂进行差分调制，从而实现类MZI结构合成后的光信号相位在O和π之间翻转，即实现了BPSK调制功能。同理，正交路类MZI结构由正交路数据DATA_Q及其反相数据进行差分调制，也完成BPSK调制功能。

所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用两个热光相移器7，分别位于同相路和正交路的主通道波导内，由单模脊型波导3和嵌入其中的热电阻相移结构组成。热光相移器的作用在于通过加直流电压进行光的热调谐，从而控制同相路和正交路之中光波的相位差，使之精确为π/2。

所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用一个MMI耦合器作为光合成器将经过射频信号调制和热光调谐的同相路和正交路中的光信号合成为一束，从而将两路BPSK信号转化为QPSK信号输出。

根据以上所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其能够完成将两路射频微波电调制信号(同相路和正交路)加载到光波上分别对光波相位进行BPSK调制，此后经过正交路光载波进行九十度移相，再将同相路和正交路光信号进行合成之后便得到正交相位调制信号(QPSK)。

图2显示的所述的硅基QPSK调制器中的二维光栅顶视图。如图示，单模光纤与二维光栅平面完全垂直，且处于二维光栅的正中心，随机偏振态或者双偏振态的光通过单模光纤入射到光栅表面，散射进入二维光栅四侧的波导。对于光纤中的两种偏振模式P₁、P₂而言，二维光栅就相当于偏振分束器兼偏振旋转器，将两种偏振态分束分别进入竖直和水平方向上的波导，并且对于每个波导而言，耦合进入波导内的模式均为TE模式。此外，由于光栅的对称性以及光纤位置处于光栅中心，光栅的四个通道波导内的光功率应该是彼此均衡的，也即光栅实现了四通道均匀功率分束。

图3所示的是图1中所述的射频相移器5的具体实施例截面示意图。如图示，本实施例中射频相移器采用PN结反向相移器，由于反向载流子抽取效应是一个非常快速的效应，因此，该调制器的调制带宽和速率将非常高。由于空穴浓度的变化对于折射率的改变较为明显，因此为了提高相移效率，我们将脊波导中P区设计的较宽。同时为了提高器件的电学带宽，金属电极可以考虑采用共面波导行波电极设计。

图4显示的是图1中所述的热光相移器7的具体实施例截面示意图。如图所示，本实施例中热光相移器采用一个P型掺杂的电阻，利用电阻的热效应为波导加热，从而对波导的有效折射率进行热调谐，实现光波的相位调制。在这里，我们通过对同相路和正交路中的热光相移器进行直流偏置，从而将两路中的光载波相位差精确控制在90度。

图5所示的是所述的硅基QPSK光调制器的等效原理示意图。实际上，该硅基QPSK光调制器等效于一个偏振多样性的基于嵌套MZI结构的硅基QPSK光调制器。如图示，芯片中的二维光栅可以看做一个垂直耦合光学接口兼四路分束器，光纤中双偏振态的光被光栅分束旋转分成两束进入两个MZI结构，MZI结构采用非等臂结构，这样通过对MZI的两个光学臂进行差分调制，因为通过马赫曾德功率传输谱的下陷时光场的相位会变换符号。通过在两个相邻的强度传输峰之间转换，光波的相位会在O和π之间转变，即完成了BPSK的调制工作。两个子MZI的输出波导分别为同相路和正交路，在正交路中引入90度相移，然后两个子MZI合成为一个母MZI，最终两路BPSK信号被合成为QPSK信号。

Claims

1.一种基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，包括：

四个射频相移器5，分别位于二维光栅1的四个通道内，是由单模脊型波导3和嵌入到其中的电学相移结构构成，用于实现同相路数据DATA_I和正交路数据DATA_Q的电信号加载；

三个MMI耦合器6，作为功率合成器使用，分别用于同相路和正交路中两个分支波导的功率合成以及同相路和正交路的功率合成；

2.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用二维光栅1作为激光器8或者单模光纤与硅基QPSK光调制器的光学接口，该二维光栅在两个维度上均匀对称，即在两个维度上具有均匀的周期和相同的占空比；由于对称性，当激光器或者单模光纤的入射光完全垂直于光栅且处于光栅正中心时，该二维光栅可以实现四通道均匀分束，且将入射的随机偏振态的光偏振分束并旋转实现偏振多样性耦合。

3.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用一个光交叉作为二维光栅1两个通道中单模波导处的交叉元件，用以实现两个波导中的光无串扰低插损交叉通行，从而保证器件功能的正确性。

4.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用两个MMI耦合器作为光学合束器将二维光栅1的四个光波导通道两两合成为两个主通道，从而与二维光栅1组合形成两个类MZI结构，两个类MZI结构分别位于QPSK调制器的同相路和正交路。

5.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用四个射频相移器5，分别位于二维光栅1的四个通道中，也即同相路和正交路中两个类MZI结构的四个光学臂中；同相路中类MZI结构由同相路电数据DATA_I和其反相数据分别对其中两个光学臂进行差分调制，从而实现类MZI结构合成后的光信号相位在0和π之间翻转，即实现了BPSK调制功能；同理，正交路类MZI结构由正交路数据DATA_Q及其反相数据进行差分调制，也完成BPSK调制功能。

6.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用两个热光相移器7，分别位于同相路和正交路的主通道波导内，由单模脊型波导3和嵌入其中的热电阻相移结构组成；热光相移器的作用在于通过加直流电压进行光的热调谐，从而控制同相路和正交路之中光波的相位差，使之精确为π/2。

7.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的硅基QPSK光调制器，其中采用一个MMI耦合器作为光合成器将经过射频信号调制和热光调谐的同相路和正交路中的光信号合成为一束，从而将两路BPSK信号转化为QPSK信号输出。