CN101868758A - 单片dqpsk接收机 - Google Patents

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CN101868758A CN200880106570A CN200880106570A CN101868758A CN 101868758 A CN101868758 A CN 101868758A CN 200880106570 A CN200880106570 A CN 200880106570A CN 200880106570 A CN200880106570 A CN 200880106570A CN 101868758 A CN101868758 A CN 101868758A
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Abstract

一种展示出低极化灵敏度的单片磷化铟(InP)差分相移键控(DPSK)或差分正交相移键控(DQPSK)接收机。

Description

单片DQPSK接收机
技术领域
本发明总体涉及光通信领域，具体涉及由InP或其他半导体材料制造的单片差分相移键控(QPSK)或差分正交相移键控(DQPSK)接收机，并展示了低极化灵敏度。
背景技术
光差分相移键控(DPSK)是一种光信号格式，其中每一个符号是“1”或“-1”。其被称为差分是因为信息被编码成相邻比特之间的相位差。差分正交相移键控(DQPSK)是一种光信号格式，其中每一个符号是“1+j”、“1-j”、“-1+j”或“-1-j”。DQPSK具有原点周围等距离的四个点的星座图，并且是允许使用仅约为N/2GHz光带宽来传输N Gb/s且允许仅在N/2Gb/s处操作的电子装置的多级格式[参见R.A.Griffinet al，“10Gb/s Optical differential quadrature phase shift key(DQPSK)transmission using GaAs/AlGaAs Integration，”Optical FiberCommunication Conference，paper FD6，2002]。尽管有这种期望的属性，然而，DPSK和DQPSK传输需要相对复杂的接收机。
具体地，传统的DQPSK接收机需要两个Mach-Zehnder延迟干涉计(DI)和两对光电探测器(PD)，并且将组件进行连接的路径长度必须精确。将Mach-Zehnder延迟干涉计的数目减少到一个提供了一些简化，而将光电探测器与该延迟干涉计进行集成产生了甚至进一步的简化。单片集成到半导体材料上可能提供甚至进一步的简化并极大地减小接收机的足迹(footprint)。然而，已经证明了产生这种也对极化不敏感的单片集成接收机对本领域来说是难以理解的
发明内容
根据本发明的原理在本领域中取得进步，从而将单片DQPSK接收机集成在磷化铟(InP)中，同时展示了低极化灵敏度。根据本发明的一方面，接收机包括光解调器，该光解调器包括在其两个臂的任一端具有多模干涉(MMI)耦合器和星形耦合器的Mach-Zehnder延迟干涉计(MZDI)。MZDI包括一个或多个极化相关移相器。
根据本发明的另一方面，当MZDI臂中的一个包括波导环时实现进一步的极化无关，电流注入移相器位于该波导环中，同时该环位于紧贴热光移相器处。当在星形耦合器的特定输出端口上采用监控光电探测器时，构造了反馈控制系统，从而自动调整MZDI中的移相器。
附图说明
通过参照附图，可以实现对本发明的更完整理解，在附图中：
图1是根据本发明的InP DPSK接收机的布局的示意图；
图2是根据本发明的InP DQPSK接收机中的布局的示意图；
图3是根据本发明的InP DQPSK接收机芯片的波导布局；
图4是图3的InP DQPSK接收机芯片的波导布局，示出了长移相器和加热器块；
图5示出了输入和输出测试波导之间测量到的光纤对光纤的频谱响应，该频谱响应是以(图5A)ips＝0mA和(图5B)ips＝5.1mA在所有的极化上测量到的；
图6是针对TE和TM极化示出了测量到的MZDI峰值谱位置相对于进入内臂上的长移相器中的移相器电流的变化的曲线图，MZDI峰值谱位置被归一化为DFSR；
图7是以下四种不同条件下来自PD#1的一个正交的一系列测量到的21.5Gbaud眼图：图7A没有极化加扰，移相器电流1.6mA；图7B有极化加扰，相移电流1.6mA；图7C没有极化加扰，移相器电流5.7mA状态；以及图7D有极化加扰，相移电流5.7mA；
图8是根据本发明的备选InP DQPSK接收机(图8(A))及其布局(图8(B))的示意图；
图9是根据本发明的在InP DQPSK接收机芯片中使用的波导和光电探测器的横截面视图；
图10针对所有输入极化处的四个星形耦合器输出示出了测量到的透射率相对于经过图9的Mach-Zehnder延迟干涉计(MZDI)的波长的变化，其中，图10(A)是没有对电流注入移相器的偏置的情况，图10(B)是对电流注入移相器的18mA电流的情况；
图11是以下四种不同条件下来自PD#1的一个正交的一系列测量到的26.75Gbaud眼图：图11A没有极化加扰，移相器电流1.6mA；图11B有极化加扰，移相器电流1.6mA；图11C没有极化加扰，移相器电流5.7mA；以及图11D有极化加扰，移相器电流5.7mA；以及
图12示出了包括两个附加光电探测器的本发明备选实施例的示意图图12A和布局图12B。
具体实施方式
以下仅示意了本发明的原理。因此，应当意识到，本领域技术人员将能够设计出体现本发明原理且包含在本发明精神和范围内的各种布置，尽管这里并未明确描述或示出这些布置。
此外，此处记载的所有示例和条件性语言主要意在明确地仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理以及发明人对促进本领域发展贡献的构思，这些示例和条件性语言应理解为不限于这种具体记载的示例和条件。
此外，这里记载了本发明的原理、方面和实施例的所有陈述及其具体示例意在包含其结构性和功能性的等同物。此外，这种等同物意在包括当前已知的等同物以及未来开发的等同物，即，被开发为不论结构如何都执行相同功能的任何元件。
因此，例如，本领域技术人员应当意识到，这里的图表示体现了本发明原理的示意性结构的构思视图。
首先参照图1，示出了根据本发明的具有移相器的DPSKMach-Zehnder延迟干涉计的布局示意图。如图1所示，器件包括衬底芯片110，在该优选实施例中，衬底芯片110是磷化铟(InP)。将包括一对不等长度的波导臂130、140的MZDI布置在芯片110上，波导臂130、140是通过波导耦合器120、125而在其每一端连接的。在优选实施例中，130和140之间的路径长度差通常被设计为大致是输入数据信号的一个符号长度。还示出了两个输出波导150、155，其一端连接至耦合器125，而另一端被引导至光电探测器160、165中。不等长度的波导臂130、140中的每一个包括移相器135、145。在该总体结构处于适当位置的情况下，对于本领域技术人员来说显而易见，在输入波导115处接收到的光信号通过1×2波导耦合器的影响而分裂，并被引导至两个不等长度的波导臂130、140中。然后，其由2×2输出耦合器所接收并被引导至输出波导150、155中，然后分别被引导至光电探测器160、165中。
然而，MZDI典型地展示了由于波导中的双折射而引起的极化相关波长(PDW)移位。在半导体材料(如，InP)中，PDW移位可以特别大，这是因为在半导体材料中难以制造具有方形横截面的波导。
本发明的一个方面在于MZDI是极化无关的。根据本发明的一方面，将正向注入移相器布置在MZDI的臂之一中。波导中有p-n结，并且由于载流子密度改变，使得电流注入导致相移。
由于这种正向注入移相器提供了极化相关的相移(因为横电(TE)模和横模(TM)与p-n结具有不同模式交叠)，移相器的适当调整可以导致MZDI对极化不敏感。当以这种方式布置时，可以对MZDI中的PDW移位进行测量。如果PDW移位太大，那么可以将移相器中的一个驱动至使PDW移位实质上等于零的量。
为了后续调谐MZDI的波长以匹配信号波长，可以对整个芯片温度进行调整，或优选地可以将热光移相器安置在MZDI臂之一中。本领域技术人员可以容易地意识到，热效应具有非常低的极化相关性并从而对于在不影响极化相关的情况下调整波长来说是非常适用的。因为电流注入移相器已经直接处于MZDI臂的上面(以实现极化无关性)，所以热光移相器必须稍微偏移至波导的边上。
此外，为了获得高的消光比，还可以将另一元件安置在MZDI臂中以用于臂损耗(arm-loss)平衡。该元件可以是充当电吸收衰减器的反向偏置移相器。通过调整该衰减器以及正向偏置移相器之一，可以同时获得更高的消光比和低的极化相关性。优选地，衰减器应当使用具有低极化相关性的拉伸应变材料。
有利地，本发明的原理可扩展至如图2所示的DQPSK接收机。如一般实现的，这种DQPSK接收机包括InP芯片210，在InP芯片210上集成了具有两个不等长度臂230、240的MZDI和两个耦合器220、225，第一个耦合器是2×2耦合器，第二个耦合器是2×4耦合器。2×4耦合器充当90度混合耦合器。用于对DQPSK进行解调的这种2×4耦合器在以下美国专利申请中进一步解释：No.20050286911，Doerr和Gill的标题为“Apparatus and method for receiving a quadrature differential phase shift key modulated optical pulsetrain”，该申请被转让给本发明的当前受让人。
将移相器235、245和衰减器237、247集成到臂中。如上所述，优选地，根据展现出低极化相关性的拉伸应变材料来对该衰减器进行构造。
最后，将2×4耦合器225的输出引导至可被多个光电探测器260、265、267、269探测到的多个输出波导250、255、257、259中。
现在转至图3，图3示出了根据本发明的示例性InP DQPSK接收机芯片300的波导布局。如图3所示，将1×2多模干涉(MMI)耦合器315、具有实质上为18.7ps的差分延迟的两个波导312、314、2×4星形耦合器320、以及4个输出波导325、326、327、327集成到InP衬底310上，其中，本领域技术人员将会把18.7ps视为针对107-Gb/sDQPSK的、一个符号的延迟。
如所实现的，将被优选地布置为两对(331和332，333和334)的四个波导光电探测器331、332、333和334安置为与星形耦合器320等距。从图3可以观察到，光电探测器波导继续作为输出波导325、326、327、327并在InP衬底芯片310的边缘面上终止，从而提供用于测量频谱响应的方便的测量点。本领域技术人员可以意识到，可以有利地从生产器件上除去将光导出芯片的输出波导。
在优选的测试实施例中，波导是含有苯并环丁烯(BCB)上部覆层的2.1μm高的脊，并具有实质上相同的结构，该结构包括n掺杂层、被10nm分离的限制层围绕的8个拉伸应变的量子势阱(QW)、250nm的无掺杂InP层、以及p掺杂层。QW频带边沿处于约1600nm处。当然，本领域技术人员将认识到，可以在调制器中采用这种结构。
现在转至图4，图4示出了根据本发明的InP DQPSK接收机芯片的布局。更具体地，芯片410包括展现出实质上为18.7ps的延迟的延迟干涉计(DI)420。MZDI 420包括通过电流注入而操作的多个长移相器425(约1.5mm)。
可以意识到，移相器425是极化相关的并在期望的波长处零输出(null-out)MZDI 420的净极化相关波长(PDW)移位。通过使用一个或多个芯片加热器430(有利地，可以置于芯片之下)来调整总体芯片温度，结合对移相器425的相对较小的调整，可以实现MZDI 420的相位调整以将该MZDI 420对准所应用的数据信号。
在对根据本发明的InP DQPSK接收机进行评估的过程中，将芯片焊接至置于热电冷却器上的铜块。经由有透镜的光纤来光接入了该芯片。没有应用抗反射的涂层。
图5A示出了测量到的、从输入波导至四个输出测试波导中每一个的光纤对光纤透射率。频谱响应中的填充区域表示透射率在所有极化上的程度。极化相关损耗约为1.5dB，PDW移位约为25GHz。
随后，将电流注入DI的较短臂上的长移相器ips中。图6的曲线图示出了波长中的频谱位置作为注入电流的函数，其中，波长中的频谱位置被归一化为针对输出#3的两个极化的峰值的MZDI自由频谱范围(FSR)。TM极化移位的速率是TE情况下的速率的0.75。该值类似于针对不包含量子势阱的电流注入移相器而发现的0.80值。
本领域技术人员可以意识到，不期望电流注入移相器展示出极化灵敏度，然而，因为TE模比TM模更宽且更短，并且载流子注入的本征区域宽且短，所以与TM相比，TE的与载流子注入区域的模式交叠更大。此外，本领域技术人员将认识到，这与硅石中的热光移相器的情况不同，在硅石中的热光移相器中，TM移位的速率是TE情况下的速率的约1.04并且TM很大程度上是由于应变而不是振型(modeshape)而引起的。
在约5mA的电流处，TE和TM的频谱响应在1500nm处交叠。图5B示出了在这些条件下测量到的频谱响应。PDW移位被显著地降低至3.2GHz。注意，PDW移位必须小于约1GHz，以对107Gb/s的DQPSK信号进行解调。
不管移相器调整如何，PDW移位都不会降至3.2GHz之下，这是因为作为TE和TM的组合的极化状态展示出频谱移位。因此，在DI中的某处存在极化串扰，已知该极化串扰限制了对硅石波导DI中的PDW的消除。已在InP弯曲中观察到极化串扰。
总相移相对于电流的斜率随着电流的增加而减小，并最终饱和。这是移相器需要相对较长以避免在达到零PDW条件之前饱和的一个原因。有利地，在若干芯片上发现了该技术可以在达到饱和之前将PDW移位降至1-3GHz。
为了测试接收机，将1550nm处的43Gb/s的不归零(NRZ)DQPSK信号发射到芯片中。在该速率处，MZDI具有仅0.4个符号的延迟。部分符号的MZDI可以容忍比单位符号的DI更大的PDW移位，然而灵敏度总体降低。当至MZDI较短臂上的长移相器的驱动电流接近零并且对极化进行优化以产生最佳眼图时，图7A示出了来自一个PD(使用单端探测)的解调后的正交之一的测量眼图。此外，如图7B所示，由于高的极化相关性，使得在接收机之前插入的极化加扰器使眼闭合。然后，将移相器调整至低PDW条件并在没有极化加扰器和有极化加扰器的情况下测量了移相器，如图7C和7D所示，示出了低极化相关性。
MZDI对DQPSK信号的两个正交都进行了解调，但必须稍微再调整相位以优化每一个正交，从而指示了2×4星形耦合器中的相位差并不精确地是90°的整数倍。当然，针对期望的波长，可以在备选的布置中调整这些相位。
现在转至图8A和8(B)，示出了根据本发明的单片InP DQPSK接收机的备选布置的波导布局。如图所示，InP芯片810包括光解调器820，光解调器820包括在一端具有多模干涉(MMI)耦合器830且在另一端具有2×4星形耦合器850(充当90度混合耦合器)的MZDI825。在该示例性实施例中，MZDI路径长度时间差是18.7ps。
从图8(A)和图8(B)可以观察到，MZDI 825的长臂包括紧贴热光移相器842的环840以及电流注入移相器844。虽然没有在图8(A)或图8(B)中具体示出，但热光移相器有效地围绕环840。如前所解释的，电流注入移相器用于减小PDW移位，热光移相器用于调整MZDI相位。此外，也没有在该图8(A)或图8(B)中具体示出，为了补偿增大的总传播损耗以及干涉计的长臂中的波导交叉，对MMI的输入稍微进行偏移。
有利地，通过针对MZDI延迟使用弯曲半径例如为240μm的小环，可以构造小得多的器件。有利地，现在参照图9，经由传统方法来制造在根据本发明的DQPSK接收机中采用的结构。图9以横截面示出了无源波导(图9(A))和波导光电探测器(图9(B))。如图所述，采用了分层结构，并且在n掺杂晶片衬底910上长出缓冲层920、引导的1.4μm的带隙InGaAsP层930以及p掺杂实质上为经过路线的三分之一的InGaAs吸收体层940。随后，将InGaAs从PD移除。在吸收体层940上长出InP层950，开始是实质上120nm的无掺杂的阻挡层(set back layer)，然后是p掺杂逐渐增加的约1μm的InP。通过添加接触层960，并通过用苯并环丁烯(BCB)进行平坦化和BCB蚀刻955以及金属接触物970的金属沉积，来完成该结构。如图9(A)和图9(B)所示，在两个结构中不是所有的层都被构造。
图10示出了从输入至四个输出波导的传输谱。更具体地，图10示出了在对电流注入移相器844的驱动为0mA(图10(A))和18mA(图10(B))的情况下测量到的谱。18mA是提供最小PDW移位的电流。
从图10中画出的这些谱可以观察到，电流注入移相器的极化相关性有利地减小了PDW移位。然而，PDW移位没有到达零，很可能部分由于耦合器和/或弯曲中的极化串扰所致。
为了收集PD光电流，使用了具有内部50ohm端接的高速地-信号-地探头。PD需要-4V的偏置。为了评估该器件，将1550nm处的53.3Gb/s归零(RZ)DQPSK信号发射到芯片中。发射功率是+17dBm并且极化加扰器被置于输入处以检查芯片的极化相关性。图11示出了使用一个PD的正交之一的一系列眼图。在对电流注入移相器的偏置低的情况下，PHW移位大，因此如图11(B)所示，当极化加扰开启时，眼图闭合。当针对最小PDW移位调整移相器偏置时，如图11(D)所示，在极化加扰期间，眼保持张开。
最后，图12示出了本发明的备选实施例。同时参照图12(A)和图12(B)，可以观察到，接收机结构包括至少两个附加光电探测器875，可方便地称为“监控光电探测器”。这些监控光电探测器875在连接至星形耦合器的两个最远端的臂时，可以有利地用于确保将光解调器适当地锁定在发射机波长上。
在优选实施例中且如已经注意到的，监控光电探测器875连接至星形耦合器的两个最远端的臂。例如，如果连接至高速光电探测器的星形耦合器的输出端口被标识为端口1、2、3和4，那么两个监控光电探测器连接至端口0和5(与恰处于输出端口臂之外的臂相对应)。还要注意，这些监控器端口臂处于中央Brillouin区域之外。
在典型的实施例中，监控光电探测器875与控制系统876进行通信，控制系统876进而调整热光移相器、芯片温度或另一种调整干涉计的波长的方法(单独地或组合地)。以这种有利的方式，控制系统可以通过对监控光电探测器的输出进行监控并相应地调整波长，来提供对波长的实时调整。通常，控制系统将使两个监控光电探测器信号彼此相减，并使用该差信号来对热光移相器、芯片温度等进行调整。例如，如果差信号是正的，则应当提高热光移相器电压，而如果差信号是负的，则应当降低热光移相器电压。
在这一点上来说，虽然使用一些具体示例讨论并描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，教导不限于此。例如，可以使用除InP外的半导体材料(例如硅或GaAs)来构建该器件。相应地，本发明应当仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (10)

1.一种单片接收机，包括：
半导体衬底芯片；
集成在衬底上的延迟干涉计(DI)，所述MZDI包括：
具有输入端口和2个输出端口的第一光耦合器；
具有至少2个输入端口和至少两个输出端口的第二光耦合器；
一个或多个光电探测器，与所述第二光耦合器的一个或多个输出端口相连接；
两个不等长度的波导臂，将所述第一光耦合器的输出端口和所述第二光耦合器的两个输出端口相连接；以及
布置在波导臂中的至少一个极化相关的移相器，
其特征在于：
调整所述极化相关的移相器以减小所述DI的极化相关波长移位。
2.根据权利要求1所述的接收机芯片，其中，所述单片接收机用作具有低极化灵敏度的DPSK接收机。
3.根据权利要求1所述的接收机芯片，其中，所述单片接收机用作具有低极化灵敏度的DQPSK接收机。
4.根据权利要求1所述的接收机芯片，其中，所述极化相关的移相器是电流注入移相器。
5.根据权利要求1所述的接收机芯片，其中，所述第一光耦合器是多模干涉耦合器。
6.根据权利要求1所述的接收机芯片，其中，所述第二光耦合器是具有至少2个输入端口和至少4个输出端口的星形耦合器。
7.根据权利要求6所述的接收机芯片，其中，所述MZDI臂连接至星形耦合器中央的2个输入端口，四个输出波导连接至星形耦合器中央的4个输出端口。
8.根据权利要求1所述的接收机芯片，其中，所述光电探测器中的一个或多个是高速的光电二极管。
9.根据权利要求7所述的接收机芯片，还包括两个监控光电探测器构成的组，其中每一个监控光电探测器都连接至与所述星形耦合器中央的所述四个输出端口相邻的、所述星形耦合器的输出端口。
10.根据权利要求9所述的接收机芯片，还包括控制系统，所述控制系统与所述监控光电探测器进行通信，以便控制MZDI的波长，从而保持所述两个监控光电探测器中的光功率相等。
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