一種硅基單片集成相干光接收的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，包括一個(gè)耦合偏振分束器、一個(gè)光耦合器，一個(gè)分束器、兩個(gè)90°相移混頻器、四個(gè)平衡接收光探測器；信號光由所述耦合偏振分束器處理后分為相互垂直的第一信號光、第二信號光；本地振蕩光由所述光耦合器處理后，由所述分束器分為第一本地振蕩光、第二本地振蕩光；所述第一本地振蕩光、第一信號光均進(jìn)入一個(gè)90°相移混頻器；所述第二信號光、第二本地振蕩光均進(jìn)入另一個(gè)90°相移混頻器；由兩個(gè)所述90°相移混頻器處理后的激光分別進(jìn)入四個(gè)所述平衡接收光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。本發(fā)明具有與CMOS工藝兼容、成本低、系統(tǒng)構(gòu)成簡單、尺寸小、集成度高、測試簡便、工作穩(wěn)定、易于封裝等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種硅基單片集成相干光接收機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種硅基單片集成相干光接收機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]過去的幾年里面，由于網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)、高清晰度電視(HDTV)、視頻點(diǎn)播(VOD)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，使運(yùn)營商的骨干網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量持續(xù)增長。為了應(yīng)對大容量網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，高速傳輸技術(shù)成為光通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，隨著高帶寬新型業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展驅(qū)動，基于100Gb/S高速傳輸?shù)膽?yīng)用需求日趨明顯。典型如華為在荷蘭皇家電信(KPN)的100Gb/S部署、阿朗在法國Completel公司的lOOGb/s升級、香港新世界電信的100Gb/s部署等。國內(nèi)在第一輪測試驗(yàn)證以后，已開始建設(shè)商用網(wǎng)絡(luò)。lOOGb/s技術(shù)已開始從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向商用化。其中，中國移動已經(jīng)率先進(jìn)行了 lOOGb/s設(shè)備的大規(guī)模招標(biāo)，中國電信也在2013年年初正式啟動lOOGb/s設(shè)備的商用部署。但是關(guān)鍵的器件如lOOGb/s的調(diào)制器和接收機(jī)都需要進(jìn)口，因此lOOGb/s相干發(fā)射和接收機(jī)的研究迫在眉睫。
[0003]傳統(tǒng)的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)由于采用簡單的通斷鍵控(00K)調(diào)制格式，頻譜利用率低。近些年，采用多電平調(diào)制、多相位調(diào)制和相干光接收技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高頻譜效率和高速傳輸系統(tǒng)的一種重要技術(shù)。相干接收的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在與新型調(diào)制技術(shù)相結(jié)合上:通過與新型調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，能在同樣通信速率下降低信道速率，降低對光電子器件速率的要求，提高色散容限。這是由于與傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制格式相比，新型調(diào)制格式的光譜效率更高，一個(gè)光脈沖可以攜帶很多個(gè)比特的信息。例如在雙極性正交移相鍵控(DP-QPSK)調(diào)制格式的100Gb/s通信系統(tǒng)，其波特率僅為25G波特，因此使用DP-QPSK調(diào)制格式，既能提高色散容限，又能降低對光電子器件速率的要求。另外，相干探測還可以把光學(xué)信號的幅度、相位和偏振信息都轉(zhuǎn)化成電域的，具有高靈敏度、與數(shù)字信號處理相結(jié)合來補(bǔ)償色散帶來的光信號損傷的能力。
[0004]目前實(shí)驗(yàn)室常用的高速光纖傳輸系統(tǒng)中的相干接收機(jī)都是由分立器件搭建的:包括耦合器、偏振分束器/合束器、混頻器、探測器等。很難保證各個(gè)器件單元之間連接時(shí)的插入損耗、光程長度的精確匹配，效率低、成本高、無法集成、工作不穩(wěn)定，體積及功耗成為急需解決的瓶頸問題。
[0005]當(dāng)前光通信的一個(gè)發(fā)展趨勢是，光通信系統(tǒng)的各個(gè)分立器件也將逐漸被集成在單一接收機(jī)上，只有集成化才能實(shí)現(xiàn)高密度、低成本、低能耗，滿足未來信息社會環(huán)保綠色的需求。硅基光電集成技術(shù)由于和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容，具有集成度高、成本低、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別適合解決當(dāng)前光通信系統(tǒng)所遇到的這些瓶頸問題，成為光通信、光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0006]硅基單片集成回路(PIC)可以較容易地保證各個(gè)器件單元之間連接時(shí)的插入損耗、光程長度的精確匹配和平衡，大大減小器件的尺寸和封裝的成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。日前，硅基光電子器件的部分技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到商用器件的水平，并由于其和CMOS兼容、可以大規(guī)模集成、成本低的優(yōu)點(diǎn)成為業(yè)界和科研機(jī)構(gòu)普遍關(guān)注的100Gb/s光電子集成接收機(jī)的重要解決方案。在單個(gè)器件研制成功的基礎(chǔ)上，Bell實(shí)驗(yàn)室利用硅基光電子集成技術(shù)先后開發(fā)了高速相干接收接收機(jī)，2011年報(bào)道了世界上第一個(gè)在硅基上制備和封裝的相干光接收機(jī)，速率達(dá)112Gb/s，2013年又完成了 224Gb/s的硅基集成相干接收機(jī)。
[0007]在這些集成方案中，光接收機(jī)可以包括光耦合器，光分束器，90°光混頻器，平衡接收光探測器。光耦合器可以將光纖中的信號耦合到單片集成接收機(jī)中，光分束器可以基于偏振來分離入射光束的不同偏振分離，以便分別進(jìn)行處理。光混頻器可以將接收到的調(diào)制光載波與來自光本地振蕩器的相干光進(jìn)行光學(xué)地混合以產(chǎn)生下混頻的光信號。平衡接收光探測器可以探測這種下混頻的光信號的強(qiáng)度來解調(diào)出電信號，該電信號可通過離線數(shù)字信號處理，來恢復(fù)由接收到的調(diào)制光載波所攜帶的數(shù)據(jù)信息。但是在貝爾實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)施方案中，第一種集成接收機(jī)采用了 2X2多模干涉儀(MMI)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)混頻，需要熱相移來實(shí)現(xiàn)輸入光信號的90°的相位差，增加了系統(tǒng)的單元器件的數(shù)目和測試的復(fù)雜度。第二種集成接收機(jī)，信號光和本振光均采用端面耦合進(jìn)入平面光波導(dǎo)中，增加了對準(zhǔn)的難度；采用偏振控制器(PBS)把耦合光分成橫電(TE)和橫磁(TM)光，然后采用偏振轉(zhuǎn)換器(Polarizat1nRotator)把TM光轉(zhuǎn)成TE光,增加了單元器件的數(shù)量以及系統(tǒng)的復(fù)雜度，采用4 X 4MMI進(jìn)行光學(xué)混頻，由于混頻器輸出的從上到下的1-4路信號中，I路與4路、2路與3路的相位分別相差180°，這四路信號分別輸入對應(yīng)的硅基鍺光電探測器中。按照上述對應(yīng)的相位差的關(guān)系，將硅基鍺光電探測器與互阻放大器(TIA)進(jìn)行引線鍵合(Wire bonding)時(shí)會出現(xiàn)鍵合線的交叉，處理不當(dāng)會使得TIA的輸入出現(xiàn)錯(cuò)誤，不能正確地解調(diào)出調(diào)制光載波所攜帶的數(shù)據(jù)信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)相干光接收機(jī)在保證高集成度、體積小的情況下，保證相干光接收機(jī)穩(wěn)定的工作。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，所述一種娃基單片集成相干光接收機(jī)包括一個(gè)稱合偏振分束器、一個(gè)光稱合器，一個(gè)分束器、第一90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器以及四個(gè)平衡接收光探測器；
[0012]信號光由所述稱合偏振分束器處理后分為相互垂直的第一信號光、第二信號光；本地振蕩光由所述光I禹合器處理后，由所述分束器分為與所述第一信號光同向的第一本地振蕩光、與所述第二信號光同向的第二本地振蕩光；所述第一本地振蕩光、第一信號光均進(jìn)入所述第一 90°相移混頻器；所述第二信號光、第二本地振蕩光均進(jìn)入所述第二 90°相移混頻器；由所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器處理后的激光分別進(jìn)入四個(gè)所述平衡接收光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0013]優(yōu)選地，所述耦合偏振分束器、光耦合器，分束器、第一 90°相移混頻器、第二90°相移混頻器以及平衡接收光探測器之間通過平面光波導(dǎo)建立光連接通道。
[0014]優(yōu)選地，所述平面光波導(dǎo)與傳輸?shù)墓庑盘柕哪Ｊ綄?yīng)。
[0015]優(yōu)選地，所述耦合偏振分束器將所述信號光由單模光纖耦合進(jìn)入二維光柵，由所述二維光柵完成信號光的偏振轉(zhuǎn)換，并將偏振轉(zhuǎn)換后的信號光分為傳播方向相互垂直的兩束光射出。
[0016]優(yōu)選地，所述二維光柵可通過在絕緣襯底上的硅片上刻蝕周期性的二維光子晶體獲得。
[0017]優(yōu)選地，所述光耦合器通過單模光纖將所述本地振蕩光耦合進(jìn)入一維光柵，之后傳送給所述分束器。
[0018]優(yōu)選地，所述一維光柵為在絕緣襯底上的硅片上刻蝕周期性光柵形成，具體為全刻蝕光柵，或淺刻蝕光柵，或均勻光柵，或二兀閃耀光柵。
[0019]優(yōu)選地，所述分束器為將所述本地振蕩光分為功率相等的兩束光，采用1X2的多模干涉儀分束器。
[0020]優(yōu)選地，所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器均將光波的相位偏移90°，并實(shí)現(xiàn)光波的混頻。
[0021]優(yōu)選地，所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器均由單個(gè)2X4的多模干涉儀實(shí)現(xiàn)，或是由2X4的多模干涉儀I與2X2的多模干涉儀級聯(lián)實(shí)現(xiàn)；
[0022]由所述第一 90°相移混頻器或第二 90°相移混頻器分別輸出1-4路混頻光，其中I路混頻光與2路混頻光的相位相差180°，且進(jìn)入同一個(gè)所述平衡接收光探測器；3路混頻光與4路混頻光的相位相差180°，且進(jìn)入另一個(gè)所述平衡接收光探測器，避免了波導(dǎo)的交叉。
[0023]優(yōu)選地，所述平衡接收光探測器由兩個(gè)光電探測器串聯(lián)形成，串聯(lián)節(jié)點(diǎn)輸出解調(diào)出的電信號。
[0024]優(yōu)選地，所述光電探測器是波導(dǎo)集成的探測器。
[0025]優(yōu)選地，所述光電探測器全鍺光電探測器或者硅基鍺光電探測器。
[0026]優(yōu)選地，所述一種硅基單片集成相干光接收機(jī)表面覆蓋保護(hù)材料。
[0027](三)有益效果
[0028]本發(fā)明提供了一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0029]本發(fā)明的所有元件均采用硅基材料實(shí)現(xiàn)，與CMOS工藝兼容，成本低；
[0030]與傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)由分立器件搭建起來不同，本發(fā)明在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)了相干光接收機(jī)所有單元器件的集成，克服了傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)受分立器件工作穩(wěn)定性及器件間連接穩(wěn)定性的影響，因而確保了工作穩(wěn)定。同時(shí)，本發(fā)明中，將傳統(tǒng)耦合器、偏振轉(zhuǎn)換器、分束器分別用一個(gè)光柵來實(shí)現(xiàn)，將90°相移器和混頻器用一個(gè)2X4MMI和2X2麗I級聯(lián)實(shí)現(xiàn)；信號光一旦耦合進(jìn)相干光接收機(jī)芯片，所有的光成了 TE偏振態(tài)，因此不需要采用偏振轉(zhuǎn)換器(Polarizat1n Rotator),減少了單元器件數(shù)量,進(jìn)一步提高了工作穩(wěn)定性；
[0031]本發(fā)明的相干光接收機(jī)包含的單元器件數(shù)量較少，從而減小了整體的尺寸，采用的90°相移混頻器是由一個(gè)楔形2X4MMI和2X2MMI級聯(lián)而成的，是目前所報(bào)道的90°相移混頻器中長度最短的器件；采用的波導(dǎo)集成的硅基鍺光電探測器的長度只有ΙΟμπι，進(jìn)一步減小了集成接收機(jī)的尺寸，本發(fā)明整體接收機(jī)的面積僅為貝爾實(shí)驗(yàn)室最新報(bào)道的接收機(jī)面積的一半；本發(fā)明分別米用一個(gè)二維光柵和一個(gè)一維光柵來將信號光和本振光稱合進(jìn)波導(dǎo)中，避免了波導(dǎo)端面耦合的復(fù)雜操作和光纖對準(zhǔn)時(shí)光信號的不穩(wěn)定性，使得測試簡便、對準(zhǔn)時(shí)光信號穩(wěn)定性好；同時(shí)由于90°相移混頻器的特殊設(shè)計(jì)使得輸出的從上到下的1-4路混頻光中，I路與2路、3路與4路的相位分別相差180°，與平衡接收光探測器相連時(shí)避免了波導(dǎo)的交叉，易于后期平衡接收光探測器與商用TIA的鍵合封裝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1為本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的原理框圖；
[0034]圖2為本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的耦合偏振分束器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3為本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的光耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的分束器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖5本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的90°相移混頻器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖6為本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的平衡接收光探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖7(a)、7(b)是本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的波導(dǎo)集成的硅基鍺光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖、橫截面圖；
[0040]圖8(a)、8(b)為本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)的兩種平面光波導(dǎo)的橫截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0042]本發(fā)明公開了一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，如圖1所示，所述一種硅基單片集成相干光接收機(jī)包括一個(gè)稱合偏振分束器、一個(gè)光稱合器，一個(gè)分束器、第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器以及四個(gè)平衡接收光探測器；信號光由所述耦合偏振分束器處理后分為相互垂直的第一信號光Sx、第二信號光Sy ;本地振蕩光由所述光I禹合器處理后，由所述分束器分為與所述第一信號光同向的第一本地振蕩光Lx、與所述第二信號光同向的第二本地振蕩光Ly ;所述本地振蕩光僅包含TE分量；所述第一本地振蕩光Lx、第一信號光Sx均進(jìn)入所述第一 90°相移混頻器；所述第二信號光Sy、第二本地振蕩光Ly均進(jìn)入所述第二90°相移混頻器；由所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器處理后的激光分別進(jìn)入四個(gè)所述平衡接收光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其中所述耦合偏振分束器、光耦合器，分束器、第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器以及平衡接收光探測器之間通過平面光波導(dǎo)建立光連接通道；所述平面光波導(dǎo)與傳輸?shù)墓庑盘柕哪Ｊ綄?yīng)，本發(fā)明中為TE平面光波導(dǎo)。
[0043]本發(fā)明的所有器件，包括耦合偏振分束器、光耦合器，分束器、第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器以及四個(gè)平衡接收光探測器均為絕緣體上的硅材料，或體硅材料或者是硅襯底上的化合物半導(dǎo)體材料。
[0044]所述耦合偏振分束器將所述信號光由單模光纖耦合進(jìn)入二維光柵，由所述二維光柵完成信號光的偏振轉(zhuǎn)換，并將偏振轉(zhuǎn)換后的信號光分為傳播方向相互垂直的兩束光(X方向和Y方向上的兩束光)射入平面光波導(dǎo)，如圖2所不。信號光中含有TE光和TM光分量，一旦稱合進(jìn)所述稱合偏振分束器，所有的模態(tài)的光都成了 TE偏振態(tài)。
[0045]所述二維光柵是通過在絕緣襯底上的硅片上SOI刻蝕周期性的二維光子晶體獲得。晶格周期等于硅波導(dǎo)中TE模式的波長，光子晶體的刻蝕深度為d，實(shí)際加工時(shí)，可以通過控制d等參數(shù)控制二維光柵的耦合效率和分束比等參數(shù)。
[0046]所述光耦合器將所述本地振蕩光耦合進(jìn)入一維光柵；所述一維光柵為在絕緣襯底SOI上的硅片上刻蝕周期性光柵形成，具體為全刻蝕光柵，或淺刻蝕光柵，或均勻光柵，或二元閃耀光柵。其中SOI硅片頂層硅厚度為a，埋氧層厚度為h，光柵周期為T(T = g+Y)，其中g(shù)為頂層硅的刻蝕寬度，Y為脊寬度。光柵占空比為x(占空比定義為每個(gè)光柵周期內(nèi)被刻蝕區(qū)域與光柵周期的比值，即X = g/T = g/(g+r))，光柵刻蝕深度為d，光纖的入射角度是Φ。實(shí)際加工時(shí)，可以通過控制T、x、d等參數(shù)控制光柵的耦合效率和光譜寬度等參數(shù)，如圖3所示。
[0047]所述分束器采用1X2的多模干涉儀形成，將所述本地振蕩光分為50/50的兩路光，如圖5所示。
[0048]所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器均將光波的相位偏移90ο，并實(shí)現(xiàn)光波的混頻。所述第一90°相移混頻器、第二90°相移混頻器均由單個(gè)2X4的多模干涉儀(MMI)實(shí)現(xiàn)，或是由2X4的多模干涉儀與2X2的多模干涉儀級聯(lián)實(shí)現(xiàn)，不需要級聯(lián)相移器；由所述第一 90°相移混頻器或第二 90°相移混頻器分別輸出1-4路混頻光，其中I路混頻光與2路混頻光的相位相差180°，且進(jìn)入同一個(gè)所述平衡接收光探測器；3路混頻光與4路混頻光的相位相差180°，且進(jìn)入另一個(gè)所述平衡接收光探測器，與所述平衡接收光探測器相連時(shí)避免了波導(dǎo)的交叉。所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器均為TE光的90°相移混頻器。對于所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器，可通過縮小2X4MMI輸入端的寬度，減小激發(fā)的模式數(shù)，同時(shí)也可以有效地消除高階模間很大的相位偏差。實(shí)際設(shè)計(jì)加工時(shí)，通過改變2X4MMI輸入端的寬度Wa、輸出端的寬度Wb、2X4MMI的長度L2_4以及2X2麗I的長度L2_2來控制消光比、共模擬制比、相位偏差等參數(shù)，如圖5所示。
[0049]所述平衡接收光探測器由兩個(gè)光電探測器串聯(lián)形成，如圖6所示，串聯(lián)節(jié)點(diǎn)S輸出解調(diào)出的電信號；所述光電探測器是波導(dǎo)集成的探測器。所述光電探測器全鍺光電探測器或者娃基錯(cuò)光電探測器。
[0050]具體連接時(shí)，第一光電探測器的PN結(jié)的N極與第二光電探測器的PN結(jié)的P極相連，并在所述第一光電探測器的P極連接負(fù)偏壓，在所述第二光電探測器的N極連接正偏壓，在S端輸出差分后的電信號；同時(shí)，為了使交流信號的G能連到光電探測器上，同時(shí)保證高頻信號的輸出和直流偏置分離開，本發(fā)明設(shè)計(jì)了接收機(jī)上(on-chip)電容Cl、C2來確保光電探測器的高頻等效回路的正確性，從而可以避免因采用接收機(jī)外(off-chip)電容而帶來的測試的復(fù)雜性。
[0051]如圖7(a)、7(b)所示，是本發(fā)明中波導(dǎo)集成的硅基鍺光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖和橫截面圖。其中鍺層是生長在P型摻雜的硅波導(dǎo)上的，通過對鍺頂部摻雜來獲得N型鍺，從而形成垂直的PIN結(jié)構(gòu)。光電探測器的陽極和陰極分別是在N型重?fù)诫s的鍺材料和P型重?fù)诫s的娃材料上形成的。通過米用波導(dǎo)集成的結(jié)構(gòu)，由于光的傳播方向、吸收方向和光生載流子的收集方向是相互垂直的，因此可以克服垂直入射的光電探測器的量子效率和帶寬之間的制約關(guān)系，在獲得高帶寬的同時(shí)，保證了高的量子效率。采用PIN結(jié)構(gòu)，使得加工工藝簡單，器件偏置電壓小。實(shí)際設(shè)計(jì)加工時(shí)，可通過優(yōu)化鍺的生長的工藝條件，以及器件的表面鈍化等方式來控制器件的暗電流。通過控制鍺層的寬度W、高度H、長度L來控制器件的響應(yīng)度、帶寬等參數(shù)。
[0052]本發(fā)明中的四對光電探測器形成四個(gè)平衡接收光探測器，分別解調(diào)輸出一路(X方向)TE光的I路信息、Q路信息和另外一路(Y方向)TE光的I路信息、Q路信息，其中I代表解調(diào)后的同相分量，Q代表解調(diào)輸出的正交分量，具體為:所述第一 90°相移混頻器輸出的I路混頻光SfL5^P 2路混頻光Sx-Lx進(jìn)入一平衡接收光探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后輸出TE光X方向的I路信息Ix ;所述第一 90°相移混頻器輸出的3路混頻光Sx+jLx和4路混頻光Sx-jLx進(jìn)入另一衡接收光探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后輸出TE光X方向的Q路信息Qx ;所述第二 90°相移混頻器輸出的I路混頻光SY+LY和2路混頻光Sy-Ly進(jìn)入一平衡接收光探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后輸出TE光Y方向的I路信息Iy ;所述第二 90°相移混頻器輸出的3路混頻光SY+jLY和4路混頻光SY-jLY進(jìn)入另一衡接收光探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后輸出TE光Y方向的Q路信息Qy。
[0053]圖8(a)、8(b)是本發(fā)明的平面光波導(dǎo)的兩種實(shí)施實(shí)例的橫截面圖，圖8 (a)為條形波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度是W，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是將絕緣體上硅(SOI)材料的頂層硅(厚度是H)全部刻蝕而形成的，其中t是二氧化硅埋氧層的厚度。圖8(b)為脊型波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度是W，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是將SOI材料的頂層硅部分刻蝕(刻蝕深度是D)而形成的。通過控制波導(dǎo)的W、H、t、D等參數(shù)，可以控制波導(dǎo)的特性，設(shè)計(jì)適合傳TE光的波導(dǎo)。
[0054]本發(fā)明的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)表面可以覆蓋其他保護(hù)材料，也可以不覆蓋其他保護(hù)材料。優(yōu)選地，所述保護(hù)材料是S12材料，采用化學(xué)氣相沉積的方法在器件表面長了一層S12，用來保護(hù)器件表面。
[0055]本發(fā)明提供的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其所有元件均采用硅基材料實(shí)現(xiàn)，與CMOS工藝兼容，成本低；與傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)由分立器件搭建起來不同，本發(fā)明在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)了相干光接收機(jī)所有單元器件的集成，克服了傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)受分立器件工作穩(wěn)定性及器件間連接穩(wěn)定性的影響，因而確保了工作穩(wěn)定。同時(shí)，本發(fā)明中，將傳統(tǒng)耦合器、偏振轉(zhuǎn)換器、分束器分別用一個(gè)光柵來實(shí)現(xiàn)，將90°相移器和混頻器用一個(gè)2X4MMI和2X2MMI級聯(lián)實(shí)現(xiàn)；信號光一旦耦合進(jìn)相干光接收機(jī)芯片，所有的光成了 TE偏振態(tài)，因此不需要采用偏振轉(zhuǎn)換器(Polarizat1n Rotator),減少了單元器件數(shù)量,進(jìn)一步提高了工作穩(wěn)定性。本發(fā)明的相干光接收機(jī)包含的單元器件數(shù)量較少，從而減小了整體的尺寸，采用的90°相移混頻器是由一個(gè)楔形2X4MMI和2X2MMI級聯(lián)而成的，是目前所報(bào)道的90°相移混頻器中長度最短的器件；采用的波導(dǎo)集成的硅基鍺光電探測器的長度只有ΙΟμπι，進(jìn)一步減小了集成接收機(jī)的尺寸，本發(fā)明整體接收機(jī)的面積僅為貝爾實(shí)驗(yàn)室最新報(bào)道的接收機(jī)面積的一半；本發(fā)明分別米用一個(gè)二維光柵和一個(gè)一維光柵來將信號光和本振光稱合進(jìn)波導(dǎo)中，避免了波導(dǎo)端面耦合的復(fù)雜操作和光纖對準(zhǔn)時(shí)光信號的不穩(wěn)定性，使得測試簡便、對準(zhǔn)時(shí)光信號穩(wěn)定性好；同時(shí)由于90°相移混頻器的特殊設(shè)計(jì)使得輸出的從上到下的1-4路混頻光中，I路與2路、3路與4路的相位分別相差180°，與平衡接收光探測器相連時(shí)避免了波導(dǎo)的交叉，易于后期平衡接收光探測器與商用TIA的鍵合封裝。
[0056]以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述一種硅基單片集成相干光接收機(jī)包括一個(gè)稱合偏振分束器、一個(gè)光稱合器，一個(gè)分束器、第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器以及四個(gè)平衡接收光探測器； 信號光由所述耦合偏振分束器處理后分為相互垂直的第一信號光、第二信號光；本地振蕩光由所述光I禹合器處理后，由所述分束器分為與所述第一信號光同向的第一本地振蕩光、與所述第二信號光同向的第二本地振蕩光；所述第一本地振蕩光、第一信號光均進(jìn)入所述第一 90°相移混頻器；所述第二信號光、第二本地振蕩光均進(jìn)入所述第二 90°相移混頻器；由所述第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器處理后的激光分別進(jìn)入四個(gè)所述平衡接收光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述耦合偏振分束器、光耦合器，分束器、第一 90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器以及平衡接收光探測器之間通過平面光波導(dǎo)建立光連接通道；所述平面光波導(dǎo)與傳輸?shù)墓庑盘柕哪Ｊ綄?yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述耦合偏振分束器將所述信號光由單模光纖耦合進(jìn)入二維光柵，由所述二維光柵完成信號光的偏振轉(zhuǎn)換，并將偏振轉(zhuǎn)換后的信號光分為傳播方向相互垂直的兩束光輸出；所述二維光柵是通過在絕緣襯底上的硅片上刻蝕周期性的二維光子晶體獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述光耦合器通過單模光纖將所述本地振蕩光耦合進(jìn)入一維光柵，之后傳送給所述分束器；所述一維光柵為在絕緣襯底上的硅片上刻蝕周期性光柵形成，具體為全刻蝕光柵，或淺刻蝕光柵，或均勻光柵，或二元閃耀光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述分束器為將所述本地振蕩光分為均等的兩束，采用1X2的多模干涉儀分束器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述第一90°相移混頻器、第二 90°相移混頻器均將光波的相位偏移90°，并實(shí)現(xiàn)光波的混頻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述第一90°相移混頻器、第二90°相移混頻器均由單個(gè)2X4的多模干涉儀實(shí)現(xiàn)，或是由2X4的多模干涉儀與2X2的多模干涉儀級聯(lián)實(shí)現(xiàn)； 由所述第一 90°相移混頻器或第二 90°相移混頻器分別輸出1-4路混頻光，其中I路混頻光與2路混頻光的相位相差180°，且進(jìn)入同一個(gè)所述平衡接收光探測器；3路混頻光與4路混頻光的相位相差180°，且進(jìn)入另一個(gè)所述平衡接收光探測器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述平衡接收光探測器由兩個(gè)光電探測器串聯(lián)形成，串聯(lián)節(jié)點(diǎn)輸出解調(diào)出的電信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述光電探測器是波導(dǎo)集成的全鍺光電探測器或者硅基鍺光電探測器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的一種硅基單片集成相干光接收機(jī)，其特征在于，所述一種硅基單片集成相干光接收機(jī)表面覆蓋保護(hù)材料。
【文檔編號】H04B10/07GK104467981SQ201410539976
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】周治平, 涂芝娟, 王興軍, 龔攀, 楊威, 余麗 申請人:北京大學(xué)