CN103403590B - 具有减小的偏振相关损耗的硅基光电集成电路 - Google Patents

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Abstract

通过策略性地将光电检测器件放置得尽可能靠近光信号进到光电电路布置中的进入点，硅基光电电路被形成为表现出减小的偏振相关损耗。虽然传入光信号将包括TE和TM模式两者，通过使信号在到达光电检测器之前必须沿其传播的光波导路径的长度最小化，与TM模式信号相关联的衰减将可忽略。

Description

具有减小的偏振相关损耗的硅基光电集成电路
相关申请信息
本申请要求通过引用并入在此的2010年12月15日提交的美国临时申请61/423,432的优先权。
技术领域
本发明涉及硅基光电集成电路(silicon-based opto-electronic integratedcircuit)，更具体而言涉及具有减小的偏振相关损耗(polarizationdependent loss)的光电集成电路。
背景技术
包括光纤和光电器件的光网络是高速通信系统的一个重要方面，尤其是因为其允许在网络系统中的各种组件之间高效、准确且迅速地传输数据的能力。与大多数通信系统一样，光网络中对空间和功率的高效使用具有越来越高的重要性。另外，这种网络的设计考虑必须考虑到网络中包括的特定组件的模块化。
确实，模块化组件在光纤系统中对于减小制造系统的成本是合乎需要的，而该成本随着系统变得更定制化而增大。这是基于绝缘体上硅(SOI)的光组件正变成优选替换方案的至少一个原因，其中诸如激光器、光电二极管、有源光器件和无源光器件之类的光元件与相关联的光波导被安装在同一SOI衬底上(或集成在同一SOI衬底内)。在一些情况下，用于控制有源光器件的电集成电路(IC)与光器件一起被安装在共同的SOI衬底上/集成在共同的SOI衬底内。
模块化组件的一个示例是光接收器模块，其也可以是整个光收发器组合件(包括光发送器模块和光接收器模块两者)的一部分，或者还包括波分复用/解复用的光转换器。典型的光接收器模块包括用于光纤(或其他光传播布置)的输入端口/信道、用于检测传入的光信号的光电二极管，以及用于将光信号转换成与其他网络组件兼容的数字电信号的感测电路，其中硅基光波导被用于互连这各种组件。
虽然这种模块化组件在与分立的元件布置相比时在降低成本方面表现出巨大改善，但仍有一个问题在于模块中利用的硅基光波导遭受偏振相关损耗。也就是说，硅波导的TE(横电波)和TM(横磁波)模式的传播常数是不同的，并且沿着波导传播的混合偏振的光信号在一个偏振模式中相对于另一偏振模式将经历更大程度的衰减。
为了克服该损耗，偏振分集光器件经常被用于沿着两个分开的偏振维持波导分割光信号，其中TE模式信号被保持沿着第一波导，并且TM模式信号被重定向为沿着第二波导以与TE模式对齐。很明显，对引入偏振分集光器件的需要增加了最终组合件的成本。
从而，仍存在减小与对模块化光组件的利用相关联的偏振相关问题的需要。
发明内容
本发明通过策略性地将光电检测器件放置得尽可能靠近光信号进到光电电路布置中的进入点，解决了与光电电路布置中的光波导相关联的偏振相关损耗问题。虽然传入光信号将包括TE和TM模式两者，通过使信号在到达光电检测器件之前必须沿其传播的光波导路径的长度最小化，与TM模式信号相关联的衰减将可忽略。
在一个实施例中，本发明包括一种硅基光电电路，其形成在硅衬底上并且至少包括光接收组件，该电路包括：在硅衬底中形成的光波导，用于接收传入的光信号，该光信号表现出横电波(TE)和横磁波(TM)成分两者；以及毗邻光波导部署的光电检测器件，用于捕捉接收到的光信号并将接收到的光信号转换成电等同物，其中光波导被配置为具有短长度，使得与接收到的光信号的TM成分相关联的偏振相关损耗可忽略(例如，可能小于1dB，或者小于在维持充分的信号完好性的同时对信号变化的最大可允许系统级容限)。
在一个实施例中，混合偏振光信号沿其传播的相对短波导包括耦合方案，该耦合方案包括纳米锥耦合终端，在该处信号被引入到硅衬底。纳米锥耦合终端可被利用来改善传入信号与波导之间的耦合效率。然而，一般地，可以使用任何适当类型的耦合方案。此外，还可能从与用于形成光电检测器件的材料相同的材料制作相对短的波导，从而组合了耦合和光电检测的功能。
本发明的其他和进一步的方面和优点在以下论述的过程中通过参考附图将变得清楚。
附图说明
现在参考附图，
图1示出了现有技术的光电集成电路，包括电路的入口与光电检测器件之间的相对长的光波导信号路径；
图2是对于沿着硅光波导传播的光信号，作为长度的函数的TM和TE损耗的图；
图3是根据本发明形成的布置的顶视图，其中光电检测器件被定位来在光信号仅传播过较短长度的光波导之后拦截光信号；并且
图4是根据本发明形成的短长度光波导和光电检测器件的组合的放大视图。
具体实施方式
图1示出了示例性的现有技术光电集成电路1，其利用单个传入光波导2(有时是光纤)来在光电集成电路1和其他外部组件(未示出)之间传送光信号。在此特定配置中，波分复用器(WDM)3被用于将“传入”/接收的光信号R(以第一波长λ1工作)与“传出”/发送的光信号O(以第二波长λ2工作)分离。光电集成电路1包括基于绝缘体上硅(SOI)的电路，所述基于绝缘体上硅(SOI)的电路利用硅衬底作为其上形成各个组件的平台，以及相对薄(即，厚度小于一微米)的硅表面层，所述硅表面层内形成光波导。
以传统的方式，并且与本发明的主题不特别相关地，可调谐激光源4被用于创建CW光信号，该CW光信号在此示例中随后被应用作为调制器5的输入。电数字数据输入信号D被用于对调制器5的CW光输入进行调制并且创建经调制的光输出信号O，该光输出信号O随后经过WDM3被耦合到光波导2中。
与本发明的主题更相关的是从接收到的光信号R恢复传入的电数据信号的处理。如图1中所示，接收到的光信号R沿着波导2传播，被耦合到WDM3中，WDM3随后将与传入信号相关联的特定波长指引到光波导6中。光信号R沿着波导6传播，直到其到达光电二极管7，光电二极管7用来光信号转换成等同的电信号。以本领域中公知的传统方式，电信号(例如在跨阻抗放大器8中)被放大并被进一步处理以生成具有可接受的误比特率(BER)的相对“清洁”的电信号E。
虽然在图1的示图中没有直接示出，但如上所述一个持续的关注点是接收到的光信号R中的偏振相关损耗的存在。如果在电路1的输入处没有利用偏振维持光器件的尝试(包括对偏振维持波导2的使用)，则传入的接收信号R将具有“混合”偏振，包括TE和TM成分两者。图2是示出与沿着硅基光波导传播的光信号相关联的TE和TM损耗两者的示图。如图所示，与TE模式相关联的传播损耗基本上是可忽略的(即，小于9×10-9dB/cm)。然而，与传播TM模式相关联的损耗较大，在1.5μm的波长下具有大约250dB/cm的值，并且在1.3μm的波长下具有大约46dB/cm的值。随着两个偏振成分沿着波导6传播，TM成分将继续经历更大程度的损耗，如图2的曲线图中所示。因此，在大多数情况下，在输入处(或者在沿着波导6的某点处)使用偏振控制光器件以重定向沿着TE轴的TM偏振信号，并且最小化与传播TM模式相关联的损耗。
偏振控制光器件的添加被认为是成本相对较高的提议，增加了光电电路布置的组件和复杂度。
因此，根据本发明，提出了光电集成电路的替换拓扑，如图3中所示，其解决了现有技术的偏振相关损耗问题，而不需要添加成本高昂的偏振校正光器件。
图3是根据本发明形成的示例性光电集成电路10的顶视图。如图所示，与接收传入的光信号R并将此光信号变换成等同的电数据相关联的组件被定位得尽可能靠近传入光信号到集成电路10的进入点。在此特定实施例中，光纤12被用于向集成电路10提供光信号R(作为替代，自由空间传播的光信号R或者来自单独的组件的沿着平面光波导传播的光信号可被利用来向光电集成电路10提供光信号R)。
在图3的特定实施例中，光纤12被示为终止在透镜14处，该透镜14用来将接收到的光信号R聚焦到短光波导16中。根据本发明，光电检测器件18被示为沿着短光波导16定位以拦截光信号R并将此信号转换成电等同物。图4是短光波导16和被定位为接收光信号R的光电检测器件18的放大视图。短光波导16被形成为具有长度L，该长度L被选择来限制与TM模式的传播相关联的光信号损耗。例如，对于L＝10μm的配置，损耗在λ＝1.5μm处大约仅为0.25dB或者在λ＝1.3μm处为0.046db。10μm的值只是示例性的，并且已知其是传播光信号的波长的函数。一般地，光波导16的短长度是作为特定应用和能够容忍的偏振相关损耗的量(例如损耗限于小于1dB的值)的函数来选择的。在其他配置中，损耗的可接受水平可被定义为在维持充分的信号完好性的同时对信号变化的最大可允许系统级容限。
图4还包括短光波导16的末端区域的放大视图的插图，该末端区域在此情况下被形成为纳米锥(nanotaper)终端16-T。虽然不是必需的，但对纳米锥终端的利用将改善传播光信号到短光波导16中的耦合效率。在示例性实施例中，光波导16由与光电检测器件18相同的半导体材料形成(例如，锗可被用于波导和检测器两者-对锗的选择只是示例性的)，其中将相同材料用于波导和光电检测器两者将进一步减小与光信号的TM模式相关联的传播损耗。
已发现，通过将光电检测器件18定位得靠近接收到的光信号R进入光电集成电路10的位置，传播光信号的TM模式损耗将充分低到对于大多数商业系统设计都可忽略。也就是说，由于接收到的光信号R在到达光电检测器件之前不必沿着相对长的长度(例如数百微米)的光波导传播(像传统布置中常见的那样，如图1中所示的现有技术布置中所示)，所以最低量的偏振相关损耗可被忽略。一旦接收到的光信号已被变换成其电等同物，类似的处理就继续(例如利用跨阻抗放大器20)以恢复可接受的电数据信号。
在如图3中所示的特定布置中，可调谐激光源4和调制器5(等同于上述现有技术布置)被部署在允许创建相对紧凑的光电电路的位置。在此情况下，接收器(例如跨阻抗放大器20)和发送器(例如驱动器电路22)两者的电子器件都是在部署于光电集成电路10附近的共同电子模块中形成的。这应当仅被认为是示例性实施例，与电路的发送部分相关联的光电组件的任何其他适当的布置都可被利用，如果确实发送组件形成光电集成电路10的一部分的话。
在已参考本发明的具体实施例详细描述了本发明后，将会清楚，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，修改和变化是可能的。更具体而言，虽然本发明的一些方面在这里被确定为优选的或特别有利的，但设想到了本发明不一定限于本发明的那些优选方面。

Claims (9)

1.一种硅基光电电路，形成在硅衬底上，该电路包括：
预定长度的光波导，所述光波导在所述硅衬底中形成并被配置为在所述光波导的输入处接收光信号，所述光信号表现出横电波(TE)和横磁波(TM)成分两者，并且所述光信号的传播方向与所述光波导的输入和所述光波导的输出对齐；以及
毗邻所述光波导部署的光电检测器件，用于捕捉离开所述光波导的输出的所述光信号并将所捕捉的所述光信号转换成电等同物，其中所述光波导的所述预定长度被选择成使得与所述接收光信号的TM成分相关联的偏振相关损耗可忽略。
2.如权利要求1中限定的硅基光电电路，其中，所述光波导包括硅纳米锥光波导。
3.如权利要求1中限定的硅基光电电路，其中，所述光电电路还包括部署在所述光波导的输入处的透镜状元件。
4.如权利要求1中限定的硅基光电电路，还包括用于支持所述光信号的传播的光纤，所述光纤的输出耦合到所述光波导的输入。
5.如权利要求1中限定的硅基光电电路，还包括用于支持所述光信号的传播的平面光波导，所述平面光波导的输出耦合到所述光波导的输入。
6.如权利要求1中限定的硅基光电电路，其中，所述光波导的所述预定长度被选择为将TM模式损耗限制到小于1分贝的值。
7.如权利要求1中限定的硅基光电电路，其中，所述光波导的所述预定长度被选择为将TM模式损耗限制到使对信号变化的可允许系统级容限最大化的水平。
8.如权利要求1中限定的硅基光电电路，其中，所述光波导和所述光电检测器件由相同材料形成。
9.如权利要求8中限定的硅基光电电路，其中，所述光波导和所述光电检测器件包括锗。
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