CN101980460A - 单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法，该解调器有一个1×D波分解复用器和D个DQPSK解调器，波分解复用器和D个DQPSK解调器集成在同一波导基底上构成波导结构芯片。方法是将一个波分解复用器AWG及多个具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上；在波导结构芯片制作好后，通过光刻、溅射、剥离半导体工艺在构成DQPSK解调器的每个光延迟线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器，实现相位控制；在芯片基底上粘接热电致冷器来控制整个芯片的温度；分别将金属薄膜微型加热器和TEC与来自控制反馈环路的误差信号相连。本发明成本低、工艺简单，便于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种键控解调器。特别是涉及一种能够将差分正交相移键控信号转换为强度调制信号的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法。
背景技术
新型差分相移键控的调制格式是用于高速光数据传输的非常有吸引力的调制格式，正吸引着业界的高度关注。同其它主要的几种调制格式NRZ、RZ、CSRZ、ODB相比，DPSK/DQPSK在色散容限、PMD容限、非线性抵抗能力、噪声抵抗能力、传输距离以及接收灵敏度等方面具有明显的综合优越性，因此2002年3月贝尔实验室DPSK历史性的实验发表之后，越来越多的科研组织和企业投入到先进调制格式的研究之中。2002年到2010年间的OFC、ECOC会议上，每年都有关于DPSK/DQPSK的新研究成果报道，非传统强度调制技术又一次掀起了研究高潮。目前这种新型调制格式已经步入规模化商用的阶段，Alcatel-Lucent、Fujitsu、Ericsson、NEC、Mintera、Huawei、Fiberhome等国内外主流设备供应商都能相继推出了具有DPSK/DQPSK接口码型的40G传输平台。
在光DQPSK传输中，数据是通过相邻码元间光相位差的不同来传输的。为了检测DQPSK传输中包含的数据，在DQPSK系统的接收端，需要使用光解调器将相位编码信号转为强度编码信号。通常，这种光解调器都是由一对光延迟干涉仪(ODLI)构造面成，其结构原理(见图1)，主要有以下3种实现形式：全光纤型、自由空间光学型、平面光波导(PLC)型。光纤型的器件体积较大、拉制较为困难、成品率不高；自由空间光学技术采用分立的光学元件组装而成，工艺复杂、光路调整困难；而PLC技术采用单片集成，利用半导体工艺制造，适用于批量生产，成本低，性能稳定，具有较好的应用前景。
目前，在80/96通道的40G DWDM网络中，接收DPSK/DQPSK光信号需要80/96个分立的光解调器与波分复用器相连使用，这样成本、体积、稳定性、工艺复杂程度等方面都有待改进；也有专利(US 0216988 A1)提出不用多个解调器，只用一个/两个光延迟干涉仪(ODLI)来实现多波长的应用，但它需要分别控制光发送端的每个激光器的波长，使其与ODLI的波长相匹配，极大地增加了控制难度、复杂程度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过标准半导体工艺制作，将多个(如80/96个)光解调器与波分解复用器一次性集成在同一芯片上的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法。
本发明所采用的技术方案是：一种单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法，单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，包括有一个1×D波分解复用器和D个DQPSK解调器，所述的波分解复用器和D个DQPSK解调器集成在同一波导基底上构成波导结构芯片。
所述的波分解复用器的D个输出端与D个DQPSK解调器的输入端连接，每个波分解复用器连接D个DQPSK解调器。
所述的DQPSK解调器是具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器。
在每个延时线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器，所述的金属薄膜微型加热器与来自控制反馈环路的误差信号相连，用于实现相位控制。
所述的波导基底上粘接热电致冷器，所述的热电致冷器与来自控制反馈环路的误差信号相连，用于控制整个波导结构芯片的温度。
一种单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，包括有一个1×D的AWG和D个DQPSK解调器，其中每个DQPSK解调器包含有F个M×N均分耦合器和C个时延线，其中D、F、C、M、N为一切自然数。
所述的波分解复用器的输出端与多个DQPSK解调器的输入端连接，所述的DQPSK解调器是具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器。
在每个延时线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器，所述的金属薄膜微型加热器与来自控制反馈环路的误差信号相连，用于实现相位控制；所述的波导基底上粘接热电致冷器，所述的热电致冷器与来自控制反馈环路的误差信号相连，用于控制整个波导结构芯片的温度。
一种单片集成的多波长差分正交相移键控解调器的制作方法，包括：将一个波分解复用器AWG及多个具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上；在波导结构芯片制作好后，通过光刻、溅射、剥离半导体工艺在构成DQPSK解调器的每个光延迟线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器，实现相位控制；在芯片基底上粘接热电致冷器来控制整个芯片的温度；分别将金属薄膜微型加热器和TEC与来自控制反馈环路的误差信号相连。
所述的将一个波分解复用器AWG及多个具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上，是在波导基底上依次通过热氧化、下包层沉积、波导芯层沉积、光刻、刻蚀和上包层沉积、表面钝化、退火工艺制作出单片集成AWG及多个OLDI的多波长光学DQPSK解调器的波导结构。
所用的波导材料包括硅、二氧化硅、铌酸铌、聚合物及III-V材料中的一种。
本发明的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法，具有如下特点：
1、一个器件能同时实现多个波长的解调制。
2、单片集成，一个芯片上包含有一个AWG及多个OLDI。
3、本发明采用局部加热的相位微调技术，即利用薄膜加热器的局部加热使波导折射率发生变化，从而控制输出光的相位。即用金属薄膜加热器5来加热MZDI中两臂之一的波导，实现±π/4的相移。
5、本发明采用PLC技术，是一种单片集成的多波长光学DQPSK解调器，具有成本低、工艺简单，便于批量生产的优点。
附图说明
图1是DQPSK解调器原理结构示意图；
图2是DQPSK解调器的传输谱线；
图3是PLC单片集成的光学DQPSK解调器结构示意图；
图4是AWG原理结构示意图；
图5是本发明的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器原理结构示意图。
其中：
1-偏振无关3dB耦合器；2-马赫-泽得时延干涉仪；3-定向耦合器；4-单片集成的光学PLC DQPSK解调器芯片；5、6-金属薄膜加热器；7-TEC；20-来自控制反馈环路的误差信号；41、42、43、44-DQPSK解调器的4个输出端口；411、412、413-PLC型3dB耦合器；414、415-定向耦合器；11-输入波导；12-输入平板波导；13-阵列波导；14-输出平板波导；15-输出波导；41-1I、42-1I、43-1Q、44-1Q分别表示第1通道I、Q支路的两个输出端口；41-2I、42-2I、43-2Q、44-2Q分别表示第2通道I、Q支路的两个输出端口；41-(n-1)I、42-(n-1)I、43-(n-1)Q、44-(n-1)Q分别表示第(n-1)通道I、Q支路的两个输出端口；41-nI、42-nI、43-nQ、44-nQ分别表示第n通道I、Q支路的两个输出端口；A-波分解复用器；B-DQPSK解调器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器及其制作方法做出详细说明。
如图1所示，DQPSK解调器包括两个延时线干涉仪(OLDI)2和一个偏振无关的3dB耦合器1。任意偏振态入射的DQPSK光信号首先被3dB耦合器分成功率相等的两个支路，这两个支路(也可以称为“I”与“Q”支路)被分别送入两个OLDI中，干涉仪两臂之间的时延τ为一个波特周期，由于延时了一个波特的原因，携带信息的两相邻码元的光信号在定向耦合器处相遇，从而发生干涉(同一个光源，满足相干条件，属于分振幅干涉)。如果携带信息的两相邻码元的光载波发生相长干涉，那么光功率从干涉仪的其中一个端口输出；反之，如果光载波发生相消干涉，那么光功率从干涉仪的另一个端口输出。因此，干涉的结果使得干涉仪两个输出端口携带了功率相同，但逻辑上相反的光信号，从而实现了相位调制到幅度调制的转换，即解调制。这两个OLDI之间分别有±π/4的相位差，在传输谱线上表现为：I支路的两路互补的输出光谱(I1与I2)与Q支路的两路互补的输出光谱(Q1与Q2)在频域上错开1/4FSR，见图2。
在图3中，差分相移键控信号从输入端口40输入后被3dB耦合器411分成功率相等的I、Q两个支路。I支路的光信号再由3dB耦合器412分成功率相等的两部分，分别进入延时线干涉仪的上、下臂，这两个上下臂之间有一个波特周期的时延τ，这样携带信息的两相邻码元的DQPSK光信号在定向耦合器414处相遇发生干涉，满足相长干涉条件的光波从端口41输出，满足相消干涉条件的光波从端口42输出。同样，Q支路的光信号再由3dB耦合器413分成功率相等的两部分，分别进入延时线干涉仪的上、下臂，这两个上下臂之间有一个波特周期的时延τ，这样携带信息的两相邻码元的DQPSK光信号在定向耦合器415处相遇发生干涉，满足相长干涉条件的光波从端口43输出，满足相消干涉条件的光波从端口44输出。另外，I、Q支路中的两个MZDI之间分别通过金属薄膜加热器5、6来实现相位控制，进行精确频率跟踪，在传输谱线上表现为：I支路的两路互补的输出光谱(I1与I2)与Q支路的两路互补的输出光谱(Q1与Q2)在频域上错开1/4FSR，见图2。
AWG复用/解复用器的结构如图4所示，由输入波导11、输入平板波导(自由传播区域)12、波导阵列13、输出平板波导(自由传播区域)14和输出波导15组成，集成在同一衬底上。输入/输出波导位于罗兰圆圆周上，对称地分布在器件的两端，相邻阵列波导间有一个固定长度差，从而产生一定的相位差，可对入射光的相位进行周期性地调制。当含有λ1，λ2，…，λn波长的复用光信号进入输入波导时，在罗兰圆周上，复用的光信号将在聚焦的输入平板波导内产生衍射的高斯束，衍射的高斯束投射到阵列波导输入口；再经过阵列波导的色散作用，引起波前倾斜，从阵列波导输出口出来的、具有不同相位的同波长光束将在输出平板波导的同一聚焦面上干涉聚焦，不同波长的光束由于相位差异，将聚焦于输出平板波导不同的位置，从不同的输出波导输出，完成解复用功能。反之，可将不同输入波导中的具有不同波长的光信号汇集到同一根输出波导中，完成复用功能。
通常使用的波导材料，如硅(硅隔离体SOI)、二氧化硅、铌酸铌、聚合物、III-V材料(InGaAsP、GaAs)等，都有一定的热光效应，但是在本发明中的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器包含的两大部分(AWG和ODLI)都要求温度稳定，所以我们必须解决波导器件的温度敏感性问题。DQPSK解调器OLDI两臂之间的差分光学相位要求精确地设置为±π/4，否则，将造成过度的OSNR恶化。由相位误差而造成的中心频率失配的容限小于0.5GHz，而硅基二氧化硅波导的温度系数为1.375GHz/℃，因此需要精确控制ODLI的温度，维持在0.36℃的误差范围以内。
如图5所示，本发明的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，包括有一个1×D波分解复用器A和D个(如80/96个)DQPSK解调器B，所述的波分解复用器A和D个DQPSK解调器B集成在同一波导基底C上构成波导结构芯片，能同时实现多个复用DQPSK光信号的解调制。其中，所述的波分解复用器A的输出端与D个DQPSK解调器B的输入端连接，每个波分解复用器A连接D个DQPSK解调器B。所述的DQPSK解调器B是具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器。
在每个延时线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器5，所述的金属薄膜微型加热器5与来自控制反馈环路的误差信号20相连，用于实现相位控制。
所述的波导基底C上粘接TEC(热电致冷器)7，所述的TEC7与来自控制反馈环路的误差信号20相连，用于控制整个波导结构芯片的温度。
来自控制反馈环路的误差信号分别控制施加到TEC、金属薄膜加热器的电压，从而保证器件的中心波长及±π/4的相位差在允许的容限范围之内。改变温度的方法不局限于TEC、金属薄膜加热器，包括一切能够实现温度改变的方法。
本发明的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器还可以是：包括有一个1×D的AWG和D个DQPSK解调器，其中每个DQPSK解调器包含有F个M×N均分耦合器和C个时延线，其中D、F、C、M、N为一切自然数。所述的波分解复用器A的D个输出端与D个DQPSK解调器B的输入端连接，所述的DQPSK解调器B是具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器。在每个延时线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器5，所述的金属薄膜微型加热器5与来自控制反馈环路的误差信号20相连，用于实现相位控制；所述的波导基底C上粘接TEC(热电致冷器)7，所述的TEC7与来自控制反馈环路的误差信号20相连，用于控制整个波导结构芯片的温度。
本发明的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器的制作方法，是利用半导体工艺将AWG及多个OLDI集成制作在同一波导基底之上，并通过微相位控制技术进行频率跟踪，能实现多波长应用的光学DQPSK解调器。具体包括：将一个波分解复用器AWG及多个(如80/96个)具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上；在波导结构芯片制作好后，通过光刻、溅射、剥离半导体工艺在构成DQPSK解调器的每个OLDI(光延迟线干涉仪)的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器5，实现相位控制；在芯片基底上粘接TEC7(热电致冷器)来控制整个芯片的温度；分别将金属薄膜微型加热器5和TEC7与来自控制反馈环路的误差信号20相连。TEC7用于控制AWG的中心波长满足ITU-T波长，及粗调OLDI梳状谱的中心波长，金属薄膜加热器5用于精确控制OLDI两臂间±π/4的相位差。来自控制反馈环路的误差信号20分别控制输入到TEC 7及每个OLDI上的金属薄膜加热器5的电流，从而保证器件的中心波长及±π/4的相位差在允许的容限范围之内。
所述的将一个波分解复用器AWG及多个(如80/96个)具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上，是在波导基底上依次通过热氧化、下包层沉积、波导芯层沉积、光刻、刻蚀和上包层沉积、表面钝化、退火工艺制作出单片集成AWG及多个OLDI的多波长光学DQPSK解调器的波导结构。
所用的波导材料包括硅(如硅隔离体SOI)、二氧化硅、铌酸铌、聚合物及III-V材料(如InGaAsP、GaAs)中的一种。
含有波长为λ1，λ2，…，λn的DQPSK光信号10进入AWG的输入波导11，经过AWG的解复用及TEC的温度控制，在输出波导15的每个通道输出符合ITU-T的单波长；然后，每个只有单波长的DQPSK光信号分别输入到DQPSK解调器，实现从相位调制到强度调制的转换；最后从每个解调器输出的I、Q支路分别光电平衡探测器实现数据信息的恢复。
Claims (11)
1.一种单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，包括有一个1×D波分解复用器(A)和D个DQPSK解调器(B)，其特征在于，所述的波分解复用器(A)和D个DQPSK解调器(B)集成在同一波导基底(C)上构成波导结构芯片。
2.根据权利要求1所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，所述的波分解复用器(A)的D个输出端与D个DQPSK解调器(B)的输入端连接，每个波分解复用器(A)连接D个DQPSK解调器(B)。
3.根据权利要求1所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，所述的DQPSK解调器(B)是具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器。
4.根据权利要求3所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，在每个延时线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器(5)，所述的金属薄膜微型加热器(5)与来自控制反馈环路的误差信号(20)相连，用于实现相位控制。
5.根据权利要求1所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，所述的波导基底(C)上粘接热电致冷器(7)，所述的热电致冷器(7)与来自控制反馈环路的误差信号(20)相连，用于控制整个波导结构芯片的温度。
6.一种单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，包括有一个1×D的AWG和D个DQPSK解调器，其中每个DQPSK解调器包含有F个M×N均分耦合器和C个时延线，其中D、F、C、M、N为一切自然数。
7.根据权利要求6所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，所述的波分解复用器(A)的输出端与多个DQPSK解调器(B)的输入端连接，所述的DQPSK解调器(B)是具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器。
8.根据权利要求6所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器，其特征在于，在每个延时线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器(5)，所述的金属薄膜微型加热器(5)与来自控制反馈环路的误差信号(20)相连，用于实现相位控制；所述的波导基底(C)上粘接热电致冷器(7)，所述的热电致冷器(7)与来自控制反馈环路的误差信号(20)相连，用于控制整个波导结构芯片的温度。
9.一种权利要求1所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器的制作方法，其特征在于，包括：将一个波分解复用器AWG及多个具有延时线干涉仪的多波长光学DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上；在波导结构芯片制作好后，通过光刻、溅射、剥离半导体工艺在构成DQPSK解调器的每个光延迟线干涉仪的两臂之一上制作金属薄膜微型加热器(5)，实现相位控制；在芯片基底上粘接热电致冷器(7)来控制整个芯片的温度；分别将金属薄膜微型加热器(5)和TEC(7)与来自控制反馈环路的误差信号(20)相连。
10.根据权利要求8所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器的制作方法，其特征在于，所述的将一个波分解复用器AWG及多个具有延时线干涉仪的多波长光学 DQPSK解调器采用平面光波导技术单片集成在同一波导基底上，是在波导基底上依次通过热氧化、下包层沉积、波导芯层沉积、光刻、刻蚀和上包层沉积、表面钝化、退火工艺制作出单片集成AWG及多个OLDI的多波长光学DQPSK解调器的波导结构。
11.根据权利要求8所述的单片集成的多波长差分正交相移键控解调器的制作方法，其特征在于，所用的波导材料包括硅、二氧化硅、铌酸铌、聚合物及III-V材料中的一种。
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