CN102396196B - 用于光学通信的光学芯片和器件 - Google Patents

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Abstract

公开了光学器件，其由具有光学上对称或匹配的设计和属性的光学芯片（平面光波电路）以及在所述光学器件中产生不对称性的光学组件构成。所述器件在相干和非相干光学通信系统中的检测中找到应用。

Description

用于光学通信的光学芯片和器件
相关申请数据
本申请要求于2009年2月17日提交的美国临时专利申请号61/152,992的权益，其全文通过引用被合并在本文中。
技术领域
本发明总体上涉及光学接收器，并且特别涉及用于接收利用诸如正交相移键控（QPSK）之类的相移键控调制而编码的光学信号的此类接收器。
背景技术
诸如光学差分正交相移键控（DQPSK）和偏振分割多路复用光学正交相移键控（PDM-QPSK）之类的光学调制使得能够在光学域内进行光谱高效的通信。此类调制的信号可以由发送器发送，经过光学波导传播，并且利用接收器来解调（或解码）。
图1示出了传统上已知的用于解调DQPSK信号的接收器100的功能。在104处把利用DQPSK调制的数据编码的传入光学载波信号102近似相等地分离成两个数据信号，其中一个在106处招致一定延迟，所述延迟近似等于所述调制的信号的符号周期。通过使用相位控制电极110以及可选地辅助控制电极108来调节两个光学数据信号中的光学载波的相对相位。这两个数据信号在90°光学混合桥接式混合器112（hybrid-90）中被重新组合。hybrid-90 112用以把两个信号输入组合成四个信号输出。每个输出组合输入信号的相等比例，但是分别具有0°、90°、180°和270°（但不一定以此顺序）的不同相对相位。具有0°和180°的相对相位差的两个输出携带已编码的同相数据（I通道），具有90°和270°的相对相位差的两个输出携带已编码的正交相位数据（Q通道）。通过使用波导光电二极管114和跨阻抗放大器116（TIA）的组合，hybrid-90 112的四个光学输出信号被相继转换成电流并且随后被转换成经放大的电压信号。差分地检测针对I通道和Q通道当中的每个的光学信号。这可以利用连接到两个TIA 116的两对平衡光电二极管114来实现，或者可以利用连接到两个差分输入TIA 116的四个单端光电二极管114来实现。
图2示出了传统上已知的用于解调PDM-QPSK信号的接收器200的功能。在这里，利用QPSK调制的数据的两个正交偏振态来对传入光学载波信号202进行编码。在204处将传入光学载波信号202分离成两个单独的光学分量。所述两个偏振分量当中的一个可以在206处被旋转从而具有共同的单一偏振态，以便与来自本地振荡器108（LO）的参考信号进行比较。由相应的hybrid-90 212、波导光电二极管214和TIA 216执行的对两个光学信号的检测类似于在DQPSK接收器100中所执行的检测，除了所调制的是绝对相位状态，而不是一个比特槽与下一个比特槽之间的差分相位。为了解码绝对相位状态，把所述信号与相同或类似光学频率下的LO 208参考信号进行比较。可以把相同的LO 208信号分离成两个输出或要素，以便在相应的hybrid-90 212处与QPSK数据的两个偏振分量进行比较，通过使用光电二极管214和TIA 216的组合将所述hybrid-90 212的输出相继转换成电流并且随后转换成经放大的电压信号。出于说明的目的，图2示出了PDM-QPSK解调器接收器的所有功能。但是为了方便起见，每个hybrid-90及其伴随的波导光电二极管可以处在单独的芯片上，其中例如在微光学组件中芯片外执行偏振分离、偏振旋转以及LO分离。
随着光学通信变得更快，部分地由于对成本减少的更小光学组件的需求，在芯片级别的光学组件集成得到了快速发展。例如，在授予Parsons等人的美国专利号7,259,901中公开了一种光学DQPSK解码器的设计。Parsons等人公开了将4x4多模干涉滤波器（MMI）作为光学移相器（hybrid-90）与芯片上光学延迟和芯片外检测一起使用。这种器件优选地用硅光子学来实现。
公开了类似的实现方式。例如，C R Doerr（Lucent Bell实验室）公布了光学hybrid-90的硅基二氧化硅（silica-on-silicon）实现方式（IEEE JLT 24(1)，第171页，2006年1月），其中利用了星形耦合器。C R Doerr（Lucent Bell实验室）在“Monolithic InP DQPSK 53.5-Gb/s receiver”文章（ECOC-07会议，2007年9月）中公布了一种单片InP DQPSK接收器，其中利用了2x4星形耦合器、热光和电流注入移相器、波导光电检测器以及芯片上光学延迟。M Oguma等人（NTT）给出了“Single MZI-based 1x4 DQPSK demodulator”文章（OFC-2008会议，2008年3月），其中利用了具有2x2 MMI耦合器的hybrid-90设计、通过插入半波片而实现的芯片上光学延迟以便抵制由于光学双折射不对称性而导致的损害。
然而这些传统的芯片实现方式全都具有相关联的缺陷。其遭受到不对称双折射（或双重折射）和相位控制问题的影响。特别当所述器件需要对于一个未知偏振态把一个信号或通道与另一个信号或通道进行比较时，双折射可能是成问题的。相位或视路径长度的差异可能影响器件到使其无效的程度。
半导体波导的双折射还使得难以在集成芯片上实现和控制光学延迟功能。此外，所述延迟的量值（例如1个符号延迟通常是20－50ps）需要实施相对大面积的半导体材料。
对于图2中所示的PDM-QPSK相干接收器，要求是在固定的偏振条件下在操作的波长和温度上实现hybrid-90功能和平衡检测。对于DQPSK接收器和PDM-QPSK相干接收器来说，这迫使需要波导插入损耗的对称性。
在芯片级别的光学组件集成需要有足够的生产量以证明在芯片上的投资是合理的，并且一旦设立之后，就几乎没有为顾客提供定制解决方案的空间。与设计DQPSK解码器相关联的挑战是选择并集成功能元件，从而在一定操作波长范围（例如C波段或L波段）内、在所有偏振态下、在所需外壳温度范围内并且在解码器的寿命内保持性能。
发明内容
本发明提供一种半导体解调器芯片，例如QPSK解码器芯片，其包含90°混合桥接式结构和特别利用InP制造的光电二极管检测器，所述光电二极管检测器包含在插入损耗和双折射方面得到平衡的波导路径。插入损耗和双折射的平衡是通过一个或多个虚设（dummy）波导跨越（cross-over）或MMI跨越或者其组合来实现的。QPSK芯片的对称设计允许所述芯片在一定波长和温度的范围内操作。还可以将芯片外延迟与QPSK芯片相结合地使用，从而允许在芯片上使用对延迟周期的定制。
根据本发明的一方面，一种用于解调光学信号的QPSK芯片包括：用于接收QPSK调制的信号的输入；用于接收QPSK调制的信号并且把QPSK调制的信号混合成多个输出信号的光学混合桥接式混合器；多个光电二极管，每个检测所述多个输出信号当中对应的一个；多个输出波导，每个把所述多个光电二极管当中的一个耦合到与所述多个输出信号当中的一个相对应的所述光学混合桥接式混合器的相应输出；以及沿着所述多个输出波导当中的一个所包括的至少第一虚设波导跨越，用来在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据一个实施例，第一虚设波导跨越对由于所述多个输出波导当中的至少两个之间的第一跨越而导致的不平衡进行平衡。
根据另一个实施例，第一虚设波导跨越在与所述多个输出波导当中的至少两个之间的第一跨越相同的相交角下与所述一个输出波导相交。
根据另一个实施例，所述QPSK芯片包括沿着所述一个输出波导所包括的第二虚设波导跨越以便在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据另一个实施例，第二虚设波导跨越对由于所述多个输出波导当中的至少两个之间的第二跨越而导致的不平衡进行平衡。
根据另一个实施例，所述QPSK芯片包括沿着相应的其他输出波导所包括的第三虚设波导跨越和第四虚设波导跨越以便在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据另一个实施例，所述输入耦合到芯片外延迟单元，其分离并延迟QPSK调制的信号。
根据本发明的另一方面，一种用于解调光学信号的QPSK芯片包括：用于接收QPSK调制的信号的输入；用于接收QPSK调制的信号并且把QPSK调制的信号混合成多个输出信号的光学混合桥接式混合器；多个光电二极管，每个检测所述多个输出信号当中对应的一个；多个输出波导，每个把所述多个光电二极管当中的一个耦合到与所述多个输出信号当中的一个相对应的所述光学混合桥接式混合器的相应输出；以及沿着所述多个输出波导当中的至少两个所包括的至少第一双倍长度MMI耦合器，用来跨越所述多个输出波导当中的所述至少两个并且在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据一个实施例，所述QPSK芯片包括沿着所述多个输出波导当中的至少两个所包括的第二双倍长度MMI耦合器以便跨越所述多个输出波导当中的所述至少两个并且在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据另一个实施例，所述QPSK芯片还包括沿着所述多个输出波导当中的至少一个所包括的至少第一虚设双倍长度MMI耦合器以便在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据另一个实施例，所述QPSK芯片包括沿着所述多个输出波导当中的另一个所包括的第二虚设双倍长度MMI耦合器以便在所述多个输出波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据另一个实施例，所述输入耦合到芯片外延迟单元，其分离并延迟QPSK调制的信号。
根据本发明的另一方面，一种用于解调光学信号的QPSK芯片包括：用于接收QPSK调制的信号的输入；用于接收QPSK调制的信号并且把QPSK调制的信号混合成多个输出信号的光学混合桥接式混合器，所述光学混合桥接式混合器包括MMI耦合器的非对称网络，所述非对称网络包括1X2 MMI耦合器和第一2X2 MMI耦合器；多个光电二极管，每个检测所述多个输出信号当中对应的一个；以及多个输出波导，每个把所述多个光电二极管当中的一个耦合到与所述多个输出信号当中的一个相对应的所述光学混合桥接式混合器的相应输出。
根据一个实施例，所述1X2 MMI耦合器和2X2 MMI耦合器对QPSK调制的信号施加90°相位差。
根据另一个实施例，所述1X2 MMI耦合器包括多个输出；第一2X2 MMI耦合器包括多个输出；并且多个中间波导把所述1X2 MMI耦合器和第一2X2 MMI耦合器的相应输出耦合到第二2X2 MMI耦合器和第三2X2 MMI耦合器当中的一个。
根据另一个实施例，所述QPSK芯片包括所述多个中间波导当中的至少两个之间的跨越。
根据另一个实施例，第一2X2 MMI耦合器被设计成使得其在其输出功率中具有刻意的不平衡。
根据另一个实施例，所述光学混合桥接式混合器包括沿着所述多个中间波导当中的一个所包括的至少一个虚设波导跨越以便在所述多个中间波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个，并且第一虚设波导跨越对由于所述多个中间波导当中的至少两个之间的跨越而导致的不平衡进行平衡。
根据另一个实施例，所述光学混合桥接式混合器包括沿着所述多个中间波导当中的至少两个所包括的双倍长度MMI耦合器以便跨越所述多个中间波导当中的所述至少两个并且在所述多个中间波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
根据另一个实施例，所述输入耦合到芯片外延迟单元，其分离并延迟QPSK调制的信号。
在下文中参照附图更加详细地描述本发明的前述和其他特征。
附图说明
图1是用于解调DQPSK信号的接收器的功能的示意图。
图2是用于解调PDM-QPSK信号的接收器的功能的示意图。
图3是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到4x4 MMI耦合器的对称输入、用以重新排序输出的波导跨越、虚设波导跨越以及单端波导PIN光电二极管。
图4是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到4x4 MMI耦合器的对称输入、用以重新排序输出的双倍长度2x2 MMI耦合器以及单端波导PIN光电二极管。
图5是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到4x4 MMI耦合器的对称输入、用以重新排序输出的波导跨越、虚设波导跨越以及用于在芯片上进行差分检测的平衡波导PIN光电二极管。
图6是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和波导跨越的2x2 MMI耦合器的网络的对称输入、虚设波导跨越以及单端波导PIN光电二极管。
图7是根据本发明的示例性DQPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和双倍长度2x2 MMI耦合器的2x2 MMI耦合器的网络的对称输入以及单端波导PIN光电二极管。
图8是根据本发明的示例性DQPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和双倍长度2x2 MMI耦合器的2x2 MMI耦合器的网络的对称输入、虚设双倍长度2x2 MMI耦合器以及单端波导PIN光电二极管。
图9是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和波导跨越的1x2和2x2 MMI耦合器的非对称网络的对称输入以及单端波导PIN光电二极管。
图10是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和波导跨越的1x2和2x2 MMI耦合器的网络的对称输入、虚设波导跨越以及单端波导PIN光电二极管。
图11是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和波导跨越的2x2 MMI耦合器的网络的对称输入、虚设波导跨越以及用于在芯片上进行差分检测的平衡波导PIN光电二极管。
图12是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到具有相位控制和双倍长度2x2 MMI耦合器的2x2 MMI耦合器的网络的对称输入以及用于在芯片上进行差分检测的平衡波导PIN光电二极管。
图13是根据本发明的示例性QPSK芯片的示意图，其包括进入到4x4 MMI耦合器的对称输入、用以重新排序输出的波导跨越以及布置在芯片的不同侧的单端波导PIN光电二极管以便于耦合到两个单独的TIA。
图14是根据本发明的用于相干检测的示例性PDM-QPSK芯片的示意图，其包括用于本地振荡器（LO）的光学输入以及对应于已编码数据信号的两个偏振分量的两个光学输入，其中所述偏振分量被旋转到与LO的偏振态相同的共同偏振态。
图15是根据本发明的光学延迟系统的操作原理的示意图。
图16是根据本发明的合并热可调谐延迟的光学块延迟的第一实施例的示意图。
图17是根据本发明的合并热可调谐延迟的光学块延迟的第二实施例的示意图。
图18是根据本发明的偏振分束器的示意图，其可以被用来当光学信号被PDM-QPSK编码时向芯片提供光学输入。
具体实施方式
本发明的原理对用于解调DQPSK和PDM-QPSK信号的芯片具有特别应用，因此下面将主要在这一情境下进行描述。当然将认识到并且还理解的是，本发明的原理可以用于其他应用，特别包括用于解调其他光学调制的芯片和光学感测应用并且更一般地是其中通过光学芯片来解调光学信号的应用。
在以下的描述中为相似的组件给出相同的附图标记，而不管其是否是在不同实施例中示出的。为了以清楚且简洁的方式说明本发明的（一个或多个）实施例，附图可能不一定是按比例绘制的并且某些特征可能是以略微示意性的形式而示出的。关于一个实施例描述和/或说明的特征可以按照相同方式或按照类似方式被用在一个或多个其他实施例中和/或与其他实施例的特征组合使用或者取代其他实施例的特征被使用。
QPSK芯片
现在详细参照附图并且首先参照图3和4，在10处总体上示出示例性QPSK芯片的示意图。
芯片衬底12可以由InP构造。然而要理解的是，还可以由适于在紧凑器件内提供光学波导、光学耦合器、光学相位控制和高速检测的集成的任何半导体材料（例如InGaAs、InGaAsP）构造芯片衬底12。
在本实施例中，利用4x4 MMI耦合器14将hybrid-90实施在芯片上。本文中所公开的4x4 MMI耦合器14和其他MMI耦合器具有标准设计并且在本领域中已知的现有工艺设计规则内被实施。例如在以下文献中讨论了在hybrid-90实现方式中使用MMI耦合器：Lucas B. Soldano和Erik C. M. Pennings的“Optical Multi-Mode Interference Device Based on Self-Imaging”（IEEE JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL. 13，NO. 4，1995年4月，p615）；Matthias Seimetz和Carl-Michael Weinert的“Options, Feasibility, and Availability of 2 x 4 90° Hybrids for Coherent Optical Systems”（IEEE JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL. 24，NO. 3，2006年3月，p1317）；以及E. C. M. Pennings、R. J. Deri、R. Bhat、T. R. Hayes和N. C. Andreadakis的“Ultracompact, All-Passive Optical 90°-Hybrid on InP Using Self-Imaging”（IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL. 5，NO. 6，1993年6月，p701）。
芯片10包括输入端口16和18。更特别地，可以把QPSK编码的信号输入到输入端口16和18当中的至少一个并且可以由其接收。在差分QPSK接收器应用中，输入到相应的输入端口16和18的已编码数据信号可以代表直接信号和时间延迟的信号。在相干接收器应用中，输入到相应输入端口16和18当中的任一个的已编码信号可以代表QPSK编码的数据信号，并且在另一个输入端口处可以输入处在非常靠近信号通道的载波频率下的来自LO（未示出）的参考信号。
芯片10包括多个波导20和22（即输入波导或光学通道），其把信号输入端口16和18当中的相应端口耦合到4x4 MMI耦合器14。波导是用于引导波的结构——在该情况中是光波（信号）。光学信号可以经过相应的波导20和22到达4x4 MMI耦合器14。波导20和22在芯片10上可以用硬壁围起（hard-walled），从而以低光学损耗支持急弯（tight bend）。例如，可以通过外延生长和半导体蚀刻的公知方法来制造公知的脊形引导的波导设计，以便提供受控材料组成和厚度的一组半导体层，从而形成较高折射率的一层或多层的波导核心以及上方和下方的、较低折射率的一个或多个包覆层。上包覆、波导核心以及下包覆的一部分被蚀刻掉从而定义波导的宽度。
在一个实施例中，波导20和22在双折射和路径长度方面是光学等效的。在这里，这样的光学等效波导被称作“对称”。除非另行声明，否则术语“对称”应当被理解成意味着在光学双折射和光学路径长度方面是等效的。描述针对两个等效波导的设计的另一种方式将是“匹配对”设计。在其中芯片10被用于任何偏振态的应用中，波导20和22被设计成在从信号输入直到4x4 MMI耦合器14的输入的长度和宽度方面是完全匹配或接近完全匹配的。这是为了确保波导中的任何双折射都是匹配的。
两个波导20和22耦合到4x4 MMI耦合器14的单独的特定输入24以用于90°相位混合器功能。也就是说，4x4 MMI耦合器14包括四个输入24a－d，并且两个输入24分别耦合到波导20和22以用于接收输入信号，而另外两个输入24未被使用。波导20和22可以按照任何这些特定可能布置（24a和24b，24a和24c，24c和24d，以及24b和24d）耦合到输入24。
沿着波导20和22还可以包括相位和辅助控制。具体地，沿着波导20和22可以包括一个或多个相位电极，以便使得能够调节信号的相对光学相位。脊形波导顶部上的电阻性加热器被用来提供对波导核心的局部化加热，这导致用以调节光学相位的模态折射率改变。这一折射率改变基本上与偏振无关，因此这一相位改变不会在单独调节相位电极26a和26b时引入任何显著的非对称双折射。与此相对，注入到半导体核心层中的正向偏置电流对光学传播的相位引入可能与偏振有关的改变。这取决于光学模式受到波导的约束随着光学模式的偏振而变化的程度。
此外，沿着波导20和22可以包括一个或多个辅助电极28，以便控制信号的相对光学相位的对准和附加调节。正如所公知的那样，这些辅助电极连接到被掺杂以便形成电PIN二极管结构的波导区域。在这种情况下，一个实例将是利用受主和施主对一个或多个上和下包覆层进行掺杂或部分掺杂，以便分别提供P或N型导电性，并且波导核心层为部分或全部未掺杂，以便形成本征层。具体地，如果辅助电极28被偏置，则其可以被部署为正向偏置以便将载流子注入到波导光学核心中并且因此修改其光学属性；或者被部署为反向偏置以便提供对波导光学核心的光学属性的与电场有关的修改。在包括正向偏置操作的实施例中，辅助电极28引入可变双折射，其可以被用来抵消否则将在DQPSK解调器的性能中导致不合期望的与偏振有关的频率偏移（PDFS）的任何其他双折射源，正如C R Doerr在ECOC-07上所给出的文章中所教导的那样。在包括反向偏置操作的实施例中，辅助电极28可以：以相对低的反向偏置被使用以便调节相位并且部分地衰减光学信号，从而校正两个输入之间的耦合中的任何不平衡（这一校正也是与偏振有关的）；或者以增加水平的反向偏置被使用以便强烈衰减输入光并且检测所得到的光电流，从而在器件的设立期间监视所耦合的光学功率。在这种情况下，波导PIN结构将被设计成具有一个或多个半导体核心层，其具有一定带隙能量，从而使得在反向偏置下的带隙吸收边沿与光学信号的光子能量具有某种程度的重叠。
虽然没有示出，但是在芯片10的每个输入端口16和18处另外可以有可选的光斑尺寸转换器以易于制造过程中的光学对准。在每个波导20和22内还可以有靠近输入端口16和18的可选的光学功率监视器（未示出），以用于输入对准以及用于操作中的诊断目的。
芯片10包括高速波导光电二极管30、32、34和36（检测器），其具有足够的带宽以在给定比特率下检测QPSK调制的信号。在一个实施例中，波导光电二极管30、32、34和36包括P掺杂、本征（未掺杂）和N掺杂半导体层的组合，从而在波导的已定义长度内形成PIN二极管结构，其中所述本征层包括InGaAs的吸收层（其成分通常为In(0.53)Ga(0.47)As）。接收器的操作波长（例如1550nm）下的光学信号在沿着波导PIN二极管的长度的该InGaAs层内被部分或全部吸收，并且在半导体中生成电子和空穴电荷载流子，在施加反向偏置下可以在分别连接到P掺杂和N掺杂层的阳极电极和阴极电极处收集所述电荷载流子作为光电流。波导光电二极管的设计是公知的。在M G Boudreau等人的文章“An Integrated Waveguide Detector for Power Control in an InP Mach-Zehnder Modulator Based 10 Gb/s Transmitter”（在2006年举办的Proceedings of the Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM)中）中示出了可能实现方式的一个实例。波导检测器的设计宽度和长度被选择成在由其电容施加于检测器结面积的约束内提供最大响应度。本征掺杂层（包括InGaAs吸收层）的厚度被选择成使得能够把光生载流子快速输送到P和N掺杂区，以便满足针对所述应用的检测器的所需操作速度。这些波导光电二极管30、32、34和36被设计成具有基本上相等的响应度（光学功率到电流的转换）和电带宽。
还可以可选地包括芯片上解耦电容器（未示出）以便减轻来自外部焊线（wirebond）的电感的影响，所述焊线连接到波导光电二极管30、32、34和36的阴极并且向其提供DC反向偏置。所述解耦电容器可以被构造成金属－绝缘体－金属（MIM）或金属－绝缘体－半导体（MIS）电容器，正如本领域技术人员所公知的那样。
波导光电二极管30、32、34和36可以被构造成分别耦合到4x4 MMI耦合器14的四个输出46a－d当中的每个的单端检测器并且在TIA（未示出）处具有芯片外差分检测，或者被构造成两对平衡二极管以用于对4x4 MMI耦合器14的I通道和Q通道输出对进行芯片上差分检测。例如在图3和4中示出了单端实施例。下面例如参照图5更加详细地讨论平衡实施例。
波导38、40、42和44（即输出波导或光学通道）把4x4 MMI耦合器14的输出端口46耦合到相应的波导光电二极管30、32、34和36。光学信号可以经过相应的波导38、44、40和42到达相应的波导光电二极管30、32、34和36。具体地，波导38、40、42和44被布置成两对。波导对38和44在一端分别耦合到输出端口46a和46d（具有相对相位偏移量0°和180°的I通道输出），并且在另一端分别耦合到光电二极管30和32。波导对40和42在一端分别耦合到输出端口46b和46c（具有相对相位偏移量90o和270o的Q通道输出），并且在另一端分别耦合到光电二极管34和36。来自4x4 MMI耦合器14的信号输出可以包含两个输入信号16和18的相等混合，但是具有前面提到的不同相对相位偏移量（即0o、90o、180°和270°）。
4x4 MMI耦合器14的输出与光电二极管30、32、34和36之间的波导38、40、42和44被设计成为完全相同或接近完全相同的长度。这是为了确保在操作中I通道与Q通道之间的数据偏斜在可允许的上限内（例如小于数据比特周期的5%）。当与对称波导20和22的长度组合来看时，从光学输入端口16和18到四个光电二极管30、32、34和36的总波导路径长度被设计成基本上相等。
将4x4 MMI耦合器14的输出耦合到相应的光电二极管30、32、34和36的波导38、40、42和44被重新排序作为针对光电二极管处的适当I、Q通道的平衡检测的前驱。结果，波导38或44跨越波导40和42。例如可以通过使用RF共面波导跨越（未示出）来重新排序波导38、40、42和44。然而正如下面详细地描述的那样，可以通过使用一个或多个虚设波导跨越或MMI跨越或者其组合来重新排序波导38、40、42和44。
特别参照图3，可以通过使用光学波导跨越48来重新排序耦合到4x4 MMI耦合器14的输出端口46的波导38、40、42和44。波导跨越48是两个波导的相交。如图3中所示，波导跨越48a存在于波导44与波导42的相交处。类似地，波导跨越48b存在于波导44与波导40的相交处。优选的是跨越48具有高相交角以防止从一个波导到另一个波导的光学信号串扰。在一个实施例中，所述相交角是大约90°。在另一个实施例中，所述相交角大于60°。此外，虽然可能有来自跨越48的散射损耗，但是这通过对波导宽度的适当选择而被最小化。例如，在光学核心厚度通常处于大约0.25到0.50微米的范围内的脊形引导的波导的情况下，波导宽度可以处于大约1.0到2.5微米的范围内。
到达光电二极管30、32、34和36的光学信号经受波导38、40、42和44中的光学损耗和/或双折射，并且重要的是匹配（或平衡）针对每个波导输出的光学损耗。来自波导跨越48的光学损耗可能对波导中的光学损耗有所贡献。可以通过在波导38中包括“虚设”跨越50以匹配波导44中的波导跨越48，来平衡波导38和44之间的损耗。虚设跨越50可以利用“虚设”波导来制造，所述“虚设”波导在与跨越48相同或类似的相交角下与实际波导相交从而确保相同的损耗。所述虚设波导在两端终结，并且可以具有与实际波导相同或类似的脊宽。如图所示，波导38包括虚设波导50a和50b。
类似地，虚设跨越50可以被添加到每个波导40和42，以便平衡Q通道与I通道中的平均信号功率和/或双折射。如图所示，波导40包括虚设跨越50d，并且波导42包括虚设跨越50c。在某些情况下，I通道与Q通道中的平均功率不一定要匹配，因此波导40和42中的虚设跨越40是可选的。通过合并（一个或多个）虚设跨越50，可以在相应的波导38、40、42和44之间实现功能上的光学对称性。
特别参照图4，可以通过使用双倍长度2x2 MMI 3dB耦合器52来重新排序耦合到4x4 MMI耦合器14的输出端口46的波导38、40、42和44，该双倍长度2x2 MMI 3dB耦合器52充当光学跨越，正如例如（前面所引用的）L B Soldano所教导的那样。如果标准的2x2（成对干涉）MMI 3dB耦合器在长度上加倍从而具有等于MMI波导内的两个最低阶模式之间的拍长的长度，则其充当交叉耦合器，即把信号发送到作为该信号被输入到的输入端口的交叉端口的输出端口。下面也将把该2x2 MMI交叉耦合器称作双倍长度2x2 MMI耦合器和双倍长度2X2 MMI跨越。
如图所示，波导38直接耦合到光电二极管30。正如图4的实施例中所利用的那样，两个双倍长度2X2 MMI耦合器52执行把波导44跨越波导40和42的功能。具体地，波导44a的第一端耦合到4x4 MMI耦合器14的输出端口46d，而波导44a的第二端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52a的输入端口。波导44b的第一端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52a的交叉端口输出端口，而波导44b的第二端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52b的输入端口。波导44c的第一端耦合到MMI耦合器52b的交叉端口输出端口，而波导44c的第二端耦合到光电二极管32。
波导42通过双倍长度2X2 MMI耦合器52a耦合到光电二极管36。也就是说，波导42a的第一端耦合到4x4 MMI耦合器14的输出端口46c，而波导42a的第二端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52a的第二输入端口。波导42b的第一端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52a的交叉端口输出端口，而波导42b的第二端耦合到光电二极管36。
波导40通过双倍长度2X2 MMI耦合器52b耦合到光电二极管34。也就是说，波导40a的第一端耦合到4x4 MMI耦合器14的输出端口46b，而波导40a的第二端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52b的第二输入端口。波导40b的第一端耦合到双倍长度2X2 MMI耦合器52b的交叉端口输出端口，而波导40b的第二端耦合到光电二极管34。
在该光学混合桥接式芯片内把双倍长度2X2 MMI耦合器52用作跨越的优点在于，所述双倍长度2X2 MMI耦合器在横向上紧凑，从而把波导保持靠近在一起。双倍长度2X2 MMI耦合器的尺度也被选择成在目标操作波长和温度下给出最优转移性能。因此，通过使用双倍长度2X2 MMI耦合器52实现了插入损耗和双折射的平衡，并且这样的双倍长度2X2 MMI耦合器52的使用还实现了相应的波导38、40、42和44之间的功能上的光学对称性。
正如对于MMI耦合器所公知的那样，该最优性能在一定波长范围内有一定程度的容差，但是对于较大的波长改变，在插入损耗和串扰水平方面可能有恶化。出于这种原因，可以按照与图3的虚设跨越50类似的方式在其他波导上引入虚设双倍长度2X2 MMI交叉耦合器（未示出），以便平衡所有波导上的任何过多损耗和双折射，从而进一步帮助保持所述功能上的光学对称性。具体地，可以沿着波导38引入两个虚设双倍长度2X2 MMI交叉耦合器。此外，可以沿着波导40引入虚设双倍长度2X2 MMI交叉耦合器，并且可以沿着波导42引入虚设双倍长度2X2 MMI交叉耦合器。在每一种情况下，波导都被输入到虚设双倍长度2X2 MMI耦合器的输入端口，并且从虚设双倍长度2X2 MMI耦合器的交叉端口输出端口输出。
可以利用芯片上的两对单端光电二极管（如图3和4中所示）来实现平衡（或差分）检测，其中每一对的输出连接到差分输入TIA。备选地，如图5中所示，可以利用芯片10上的两对平衡光电二极管31和35而直接在芯片10上实现平衡（或差分）检测。例如，在其中光电二极管30和32操作为对31并且光电二极管34和36操作为对35的实施例中，检测30与32之间的光电流差（I30-I32），并且检测34与36之间的光电流差（I34-I36）。
正如所公知的那样，平衡光电二极管对31和35是通过把一个光电二极管的阳极连接到另一个的阴极并且在该点处监视两个光电二极管的净信号而构造的，其中所述两个光电二极管具有匹配的响应度和电带宽。对于平衡光电二极管布置，在两个光电二极管的P掺杂半导体区（其连接到各个阳极）之间以及两个光电二极管的N掺杂半导体层（其连接到各个阴极）之间提供电隔离。在单端PIN光电二极管对构造的情况下，提供两个光电二极管的P掺杂半导体区之间的隔离，其N掺杂区相连接（共同阴极）；或者提供两个光电二极管的N掺杂半导体区之间的隔离，其P掺杂区相连接（共同阳极）。备选地，P掺杂和N掺杂互连层在光电二极管之间可以电隔离。
hybrid-90可以被实施为QPSK芯片上的对称2X2 MMI耦合器54、56、58、60的网络，而不是为前面所描述的4X4 MMI耦合器14。图6－8示出了包括这种网络的本发明的QPSK芯片10的实例，其中在网络的四个输出当中的每个上有单端波导光电二极管30、32、34和36。芯片10被设计成使得波导20和22分别把芯片10的输入端口16和18耦合到2X2 MMI耦合器54和56。两个波导20和22耦合到相应的2X2 MMI耦合器54和56的单独的特定输入。也就是说，2X2 MMI耦合器54和56每个包括两个输入，并且每个2X2 MMI耦合器54和56的输入之一分别耦合到波导20和22中的一个，而另一个输入未被使用。
波导62、64、66和68（即中间波导或光学通道）分别把2X2 MMI耦合器54和56耦合到2X2 MMI耦合器58和60。将MMI 54和56互连到MMI 58和60的四条单独的光学路径的长度是匹配的。MMI和波导的这一网络还包括I通道与Q通道之间的光学波导跨越48。如图6中所示，所述光学波导跨越可以被实施为类似于关于图3所讨论的跨越48的简单波导跨越48。在该实施例中，沿着每个波导62和68的路径设置虚设跨越。如图7和8中所示，所述光学波导跨越可以被实施为双倍长度2X2 MMI耦合器70，其充当类似于关于图4所讨论的双倍长度2X2 MMI耦合器52的跨越。如图8中具体所示，还可以沿着波导62和68引入虚设双倍长度2x2 MMI耦合器67a和67b，以便确保在所有波导上匹配任何过多损耗，从而保持所述功能上的光学对称性。
除了输入相位电极26a和26b以及辅助电极28之外，可以沿着波导62和68引入网络相位电极26c和26d。可以调节这些网络相位电极26c和26d，以便在I通道与Q通道之间引入90°相位改变。
可以修改这一2X2 MMI耦合器网络以便包括1X2（对称干涉）MMI耦合器，其执行前面提到的90°相位改变功能。具体地，图9示出了使用1X2 MMI耦合器72替代2X2 MMI耦合器54。1x2 MMI耦合器72用来在网络中的I通道与Q通道之间引入所述90o相位改变。当然，仍然可以包括网络相位电极26c和26d以便对相位做出微小校正（与满90°相位改变不同）。如图所示，可以通过调节波导20的长度以便给出与到2x2 MMI耦合器56的输入波导的光学路径长度相等的光学路径长度，来校正2x2 MMI耦合器56和1x2 MMI耦合器72的长度的不对称性。网络中的所述不对称性可能影响输出波导38、40、42、44中的光学功率的平衡。例如，1x2 MMI耦合器72的插入损耗可能不同于2x2 MMI耦合器56的插入损耗。出于这种原因，虚设波导50a和50b当中的一个或两个可能是不需要的，因此是可选的。此外，2x2 MMI耦合器56可以被设计成使得其在其进入到波导66和68的输出功率中具有刻意的不平衡以便补偿这种不对称性。当然，与图7和8的实施例类似，光学波导跨越48（和虚设跨越50）可以被替换地实施为双倍长度2X2 MMI耦合器70（和虚设双倍长度2X2 MMI耦合器67）。
引入90°相位偏移量的传统方法包括把网络波导之一的长度调节ΔZ。这导致相位改变ΔΦ=2πnΔZ/λ弧度（其中n是在自由空间内的波长为λ的光学信号的波导传播模态折射率）。长度ΔZ被设计成使得在特定操作波长下ΔΦ=π/2弧度。这种方法的困难在于，这一相位改变将随着波长而改变，这既是由于直接的反波长相关性又是因为模态传播折射率中的任何色散效应而导致的。此外，模态传播折射率具有一定的温度相关性，特别在半导体波导的情况下尤其如此。因此，所述相位偏移量将也随着操作温度而改变。
引入90°相位偏移量的另一种传统方法包括修整网络波导之一的传播折射率（例如通过调节波导宽度或材料属性）或者通过修整波导材料属性然后ΔΦ=2πΔnZ/λ。然而仍然有波长相关性，并且可能有调节Δn的波长和温度相关性。
引入90°相位偏移量的又一种传统方法包括向一个或多个网络波导添加相位控制电极。然而这一相位控制的设定可能需要在波长和温度上是固定的，这难以实现。一种常用方法是在波导上或者靠近波导使用电阻性加热器来把其温度局部增加受控数量ΔT。这通过其温度相关性而修改波导模态传播折射率n，从而可以实现折射率改变Δn=n(T+ΔT)-n(T)（其中T是网络中的其他波导的温度）。一个缺陷在于，Δn的数值可能具有波长相关性，这是由于被用来构造波导的材料的光学属性的温度相关性的差异而导致的。其次，如果需要光学混合桥接在温度T的一定范围内运作，则需要根据操作温度T来适配相位控制。原因在于，n(T)一般将不会具有关于温度的纯线性相关性，并且更加重要的是，在波导中实现的局部加热ΔT取决于电阻器中耗散的功率以及构成波导的材料的热导率。随着操作温度改变，这些属性的任何温度相关性都将导致不同的加热效果ΔT。其他方法包括通过施加正向偏置（以便向波导核心中引入受控密度的载流子）或反向偏置（以便向波导核心中引入受控电场）来修改波导核心的折射率。这种方法具有与操作波长相关的相位相关性。
在图9的实施例中，1x2 MMI耦合器72和2x2 MMI耦合器56的输入与输出端口的相位关系由其设计固定。此外，存在MMI设计在其内容许波长和温度的改变的操作范围。通过利用1x2和2x2 MMI耦合器的固有输入/输出相位关系的差异而不是修改波导网络内的相位，在波长和温度操作状况的更广范围内实现了改进的性能稳定性。此外，图9的网络具有如下优点：使与网络相位控制26c和26d当中的任一个或两个相关联的任何偏振相关性的影响最小化。
如图10中所示，前面讨论的2X2 MMI耦合器54、56、58和60的网络还可以被修改成使得用1X2 MMI耦合器69和71来替代2X2 MMI耦合器54和56。这样修改的网络可以提供改进的分光比处理容差的优点。
图11和12示出了基于2X2 MMI 54、56、58和60的网络的本发明的QPSK芯片10的实例，所述2X2 MMI按照类似于关于图7和8所讨论的方式充当3dB耦合器，所述芯片具有虚设波导跨越以及两对平衡波导光电二极管31和35。
图13示出了本发明的QPSK芯片10的实例，其中所述芯片的配置被设计成满足为耦合到两个单独TIA（未示出）的要求。波导38、40、42和44包括类似于关于图3所讨论的那些的跨越。光电二极管对30和32、34和36位于芯片10的相邻两侧，而不是位于同一侧。当然，其他配置也是可能的（例如全部位于芯片的同一侧、位于芯片的相对侧等等）。
图14示出了本发明的芯片10的实例，其集成有平衡波导光电二极管31和35以用于PDM-QPSK解调器。在这种情况下，输入信号对于两个不同的正交偏振态处于QPSK格式。如图所示，输入信号在芯片外被分离成两个单独的偏振分量，并且这些当中的一个被旋转到用在芯片上的共同单一偏振态。因此，所述芯片具有两个光学信号输入端口16和18以及还具有针对LO信号的输入端口17，所述LO信号提供用于对编码在两个QPSK信号上的相移数据进行解码的参考相位。输入端口17耦合到1X2 MMI耦合器13，其又耦合到4X4 MMI耦合器14a和14b并且提供了虚设波导跨越。当然，可以备选地使用任何前述芯片设计和/或利用单端光电二极管30、32、34和36来设计图13中所示的芯片。
光学延迟
可以与本发明的QPSK芯片10相结合地使用QPSK信号的光学延迟，并且使用低双折射和高热稳定性光学玻璃来执行所述光学延迟。具体地，所述光学延迟可以被构造为光学块，其把光学输入信号分离成两个信号，并且把两个分离信号之一延迟一个比特周期或者延迟一个周期加上或减去比特周期的分数。来自光学延迟的经延迟和未经延迟的输出信号可以被分别耦合到本发明的QPSK芯片10的输入。此外，该延迟的长度可以是可变的。可以通过调节所述光学块来调节光学延迟。
在芯片外执行光学延迟会克服与具有对芯片上光学延迟的有限控制数量相关联的缺陷，同时提供对延迟周期的相对容易的定制以适合各个要求。根据本发明，相同的QPSK芯片可以被用于多个芯片外光学延迟当中的任一个，反之亦然。
图15示出了光学延迟系统74的操作原理。输入光束76在S1处入射到光学块78上并且被折射到点S2，在该处它被分离。具体地，光束76的大约50%被透射，并且光束76的大约50%被反射。透射光束76沿着路径1继续经过一个或多个透镜80、82到达芯片上的输入端口（未示出）。在S2处反射的光束76在S3处进一步反射，并且在S4处离开所述块，它从此沿着路径2继续经过一个或多个透镜84和86到达芯片上的单独的输入端口。透镜沿着路径1和2引导光束进入到芯片上的相应波导。光学路径差（其确定光学延迟）以及两个光束的分离将与块78的厚度和输入光束76的入射角相关。所述延迟和分离还将与光学块78的折射率相关。通过在S1和S4处施加抗反射（AR）涂层、在S2处施加50%反射涂层并且在S3处施加100%反射涂层来确定所述块的端面的反射属性。
根据本发明的光学块系统还可以包括可调谐延迟88。可调谐延迟88可以由诸如硅之类的材料制成，其在以受控方式加热时可以在比特周期的分数内修整光学路径。
图16示出了光学延迟系统的实施例，其在光学块78和芯片之间的输出光学路径之一中合并热可调谐延迟88。
图17示出了光学延迟系统的实施例，其在光学块78上（例如在S4处）合并热可调谐延迟88，而不是如图16中那样合并到透镜。
图18示出了可以在期望偏振分集时使用的光学元件90。它包括两个偏振分束器92（PBS）和半波片94，PBS立方体的尺度被用来实现光束分离。所述器件取得输入光束77（包括TE和TM偏振），将其分离成TE和TM偏振，并且把TM转换成TE，从而把两个TE光束施加到光学接收器芯片。备选地，可以类似地产生两个TM光束并且把其施加到光学接收器芯片。
虽然关于一个或多个特定实施例示出并描述了本发明，但是显而易见的是，通过阅读并理解本说明书和附图，本领域技术人员将会想到等效改动和修改。特别关于由前面描述的元件（组件、套件、器件、成分等等）所执行的各种功能，除非另行声明，否则被用来描述这种元件的术语（包括对“装置”的引用）意图对应于执行所描述的元件的指定功能的任何元件（即其在功能上等效），尽管结构上不等效于在本文中说明的本发明的一个或多个示例性实施例中执行所述功能的所公开结构。此外，虽然本发明的特定特征可能前面关于几个所示实施例当中的仅仅一个或多个来描述，但是这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征相组合，正如对于任何给定或特定应用所期望和有利的那样。

Claims (8)

1.一种用于解调光学信号的QPSK芯片，包括：
用于接收QPSK调制的信号的输入；
用于接收QPSK调制的信号并且把QPSK调制的信号混合成多个输出信号的光学混合桥接式混合器，所述光学混合桥接式混合器包括MMI耦合器的非对称网络，所述非对称网络包括：
1X2MMI耦合器；和
第一2X2MMI耦合器；
多个光电二极管，每个检测所述多个输出信号当中对应的一个；以及
多个输出波导，每个把所述多个光电二极管当中的一个耦合到与所述多个输出信号当中的一个相对应的所述光学混合桥接式混合器的相应输出。
2.根据权利要求1的QPSK芯片，其中所述1X2MMI耦合器和2X2MMI耦合器对QPSK调制的信号施加90°相位差。
3.根据权利要求1的QPSK芯片，其中
所述1X2MMI耦合器包括多个输出；
第一2X2MMI耦合器包括多个输出；并且
多个中间波导把所述1X2MMI耦合器和第一2X2MMI耦合器的相应输出耦合到第二2X2MMI耦合器和第三2X2MMI耦合器当中的一个。
4.根据权利要求3的QPSK芯片，还包括所述多个中间波导当中的至少两个之间的跨越。
5.根据权利要求1的QPSK芯片，其中第一2X2MMI耦合器被设计成使得其在其输出功率中具有刻意的不平衡。
6.根据权利要求4的QPSK芯片，其中所述光学混合桥接式混合器包括沿着所述多个中间波导当中的一个所包括的至少一个虚设波导跨越以便在所述多个中间波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个，并且第一虚设波导跨越对由于所述多个中间波导当中的至少两个之间的跨越而导致的不平衡进行平衡。
7.根据权利要求4的QPSK芯片，其中所述光学混合桥接式混合器包括沿着所述多个中间波导当中的至少两个所包括的MMI交叉耦合器以便跨越所述多个中间波导当中的所述至少两个并且在所述多个中间波导之间平衡插入损耗和双折射当中的至少一个。
8.根据权利要求1的QPSK芯片，其中所述输入耦合到芯片外延迟单元，所述芯片外延迟单元分离并延迟QPSK调制的信号。
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