CN104503023B - 基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片，涉及少模光通信领域，该芯片包括：单纵模激光器单元、多模干涉器模式复用器组合单元、调制器阵列和光波导单元，其中：单纵模激光器单元用于产生基模光信号；多模干涉器模式复用器组合单元用于将单纵模激光器单元产生的基模光信号转化为基模信号和高阶模信号；光波导单元用于将基模信号和高阶模信号传输至调制器阵列；调制器阵列包括多个调制器，分别对于接收到的基模信号和高阶模信号并进行。本发明结构紧凑，器件体积减小，相对于分立器件，缩小了电互连距离，稳定性好，为进一步提高通信容量打下了基础。
Description
技术领域
本发明涉及光少模光通信技术领域，特别是一种基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片。
背景技术
为了满足不断攀升的通信容量和带宽需求，目前多以单模光纤为主要承载介质，以密集波分复用(WDM)、光时分复用(OTDM)、偏振复用(PDM)以及新型高阶调制格式手段的光纤通信系统已经可以支持约百THz的传输容量，逼近单模光纤的传输带宽极限。
为了进一步提升通信系统的容量，模分复用技术应运而生，模分复用技术是一种通过对光的模式进行复用来提高整个通信系统容量的自由度的技术。基于少模光纤的模式复用技术，利用少模光纤中有限的正交模式作为独立的信道进行信息传输，能够提升系统的容量。目前，基于少模光纤的通信系统，其发射模块主要是通过模式转换器以及模式复用器，将基模光转换到高阶模，并将各高阶模复用到一根少模光纤中，然后进行光信号的传播。这种方式需由模式转换器，模式复用器以及多个产生基模光信号的单纵模激光器共同完成。在该系统中，各个器件的稳定性，器件之间的插入损耗，器件的可集成性等方面都存在问题，其复杂的系统构成使得实现实用化较为困难。在实际的通信系统中，各个器件必须有更高的稳定性和更好的集成度，更少的损耗，才能使系统更加的稳固，才有可能实用化。
发明内容
针对上述现有技术中模分复用系统发射端存在的问题，本发明的目的在于提出一种应用于少模光通信系统的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片。该芯片基于多模干涉器(MMI)模分复用器和单纵模激光器，以及光电调制器阵列的单片集成来实现，其通过平面波导模分复用器将基模光信号转换成所需高阶模，各阶模式在调制器阵列端完成信号光加载。
本发明提出的一种基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片包括：单纵模激光器单元、多模干涉器模式复用器组合单元、调制器阵列和光波导单元，其中：
所述单纵模激光器单元用于产生基模光信号；
所述多模干涉器模式复用器组合单元用于将所述单纵模激光器单元产生的基模光信号转化为基模信号和高阶模信号；
所述光波导单元用于将所述基模信号和高阶模信号传输至调制器阵列；
所述调制器阵列包括多个调制器，分别用于对接收到的基模信号和高阶模信号进行调制。
本发明结构紧凑，器件体积减小，相对于分立器件，缩小了电互连距离，稳定性好，为进一步提高通信容量打下了基础。
附图说明
图1是本发明基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片的结构示意图；
图2为对接生长技术示意图；
图3为非对称双波导集成技术示意图；
图4为量子阱混杂集成技术示意图；
图5为偏移量子阱集成技术示意图。
图6为叠层量子阱集成技术示意图；
图7为选区生长集成技术示意图；
图8为本发明利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片的俯视图；
图9为利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中衬底上生长n-InP缓冲层后的结构示意图；
图10为利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中逝波耦合波导层结构制作示意图；
图11为利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中有源与无源的波导耦合结构示意图；
图12利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中在逝波耦合波导层结构上制作激光器及调制器阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片的结构示意图，如图1所示，所述基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片包括单纵模激光器单元1、多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2、调制器阵列3和光波导单元4，其中：
所述多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2和单纵模激光器单元1，以及调制器阵列3之间的集成可选用以下技术：
对接生长技术(butt-joint growth)，如图2所示，该技术中，先在衬底上生长波导结构材料，在该结构上制备SiO2或SiNx薄膜保护该区域，通过干法或湿法腐蚀去除无介质薄膜保护区的外延结构，再次生长有源结构的外延结构，然后去除介质薄膜，用这种方法实现单纵模激光器单元1与多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2的对接，以及与调制器阵列3的对接；
非对称双波导集成技术(asymmetric-twin guide)，如图3所示，该技术中，制作楔形渐变波导来改变两种器件之间光的传播路径，用这种方法实现单纵模激光器单元1与多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2的集成，也可以用这种方法实现单纵模激光器单元1与调制器阵列3的集成，并分别进行优化；
量子阱混杂技术(quantum well intermixing，QWI)，如图4所示，该技术需要一次外延，通过引入晶格缺陷，促使阱垒交界处材料组分原子互相扩散，达到材料增益峰蓝移的效果，通过这种方法实现产生基模光信号的单纵模激光器单元1与多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2的集成，以及与调制器阵列3的集成。
偏移量子阱技术(offset-MQW)，如图5所示，该技术只通过一次外延来得到两种器件材料结构，将量子阱材料生长在材料波导层上，作为单纵模激光器单元1的结构材料，在不需要量子阱的区域，干法或湿法腐蚀掉量子阱层，留下体材料波导层用于调制器阵列3的结构制作。
双叠层量子阱技术(double-MQW)，如图6所示，该技术在偏移量子阱技术上做了改进，将体材料波导层换成增益峰波长较短的多量子阱层，成为波导量子阱层，上移的偏移量子阱用于提供单纵模激光器单元1的增益，在调制器阵列3区，去除上层偏移量子阱，下层波导量子阱用于调制器阵列3的制作。
选择区域生长技术(selective area growth)，如图7所示，该技术可以实现一次外延得到不同带隙量子阱，通过这种方法实现产生基模光信号的单纵模激光器1与多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2的集成，以及与调制器阵列3的集成。
所述单纵模激光器单元1用于产生基模光信号；
其中，所述单纵模激光器单元1中包括一个单纵模激光器，所述单纵模激光器为分布式反馈激光器(DFB)、基于分布式反馈激光器的半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器(DBR)或基于分布布拉格反射镜激光器的可调节激光器。
所述多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2将所述单纵模激光器单元1产生的基模光信号转化为基模信号和高阶模信号，其中，所述高阶模信号为一阶模信号、三阶模信号和/或其他高阶模信号；
其中，所述多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2为无源波导层结构，其包括一个或多个级联的MMI。所述多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2具有一个输入端和若干个输出端，其中，输入端为基模光信号入射端，输出端分别输出基模信号和高阶模信号，所述输出端对多模干涉器(MMI)涉及的多种模式进行分离，从而完成对混合模式的复用功能，即基于输入的基模信号产生并输出高阶模式信号，为光传输后端的信号调制做准备。
所述光波导单元4用于将所述基模信号和高阶模信号传输至调制器阵列3；
其中，所述光波导单元4为无源波导层结构，其包括多个分支波导，用于使各束信号光在传播一定距离后在空间上发生分离，以避免信号光在被调制时的串扰。所述光波导单元4中的分支波导数量与所述多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2中的输出端的数量一致，其中，所述分支波导可以为S形、弧形或者两段直波导。
所述调制器阵列3包括与光波导单元4中分支波导数量相同的调制器，分别对于接收到的基模信号和高阶模信号进行调制，比如如果所述高阶模信号包括一阶模信号和三阶模信号，则所述调制器阵列3包括三个调制器：第一调制器、第二调制器和第三调制器，分别用于对于接收到的基模信号、三阶模信号和一阶模信号进行调制。
其中，所述调制器可以是有源结构，利用电注入进行光的调制工作，比如，可选用电吸收调制器。所述调制器也可以是无源结构，利用电光效应对调制器材料结构的折射率进行调制。如马赫-曾德干涉仪型调制器(MZI)，用于对光信号进行强度调制，或利用单波导型无源相位区，实现对光信号的相位调制。
图8为本发明利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片的俯视图，如图8所示，所述的利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片还包括模式耦合单元5，其中：
所述模式耦合单元5为无源波导结构，该结构存在于单纵模激光器单元1和多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2之间，用于实现将光场从单纵模激光器单元1中耦合到多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2的输入波导中。
所述模式耦合单元5中的倏逝波导耦合层结构8分为两部分，沿着光传播方向首先是一段短的多模耦合波导，在短的多模耦合波导之后沿着光传播方向为宽度线性渐变结构，所述模式耦合单元5中的有源与无源的耦合波导结构9为楔形波导结构。
所述模式耦合单元5引入无源波导，以避免入射光直接照射到有源区，从而减小了有源波导端面的峰值吸收引起的饱和，并且使得光场从单纵模激光器单元1中耦合到多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2的输入波导中，使得信号光在有源区和无源区之间进行转移。
图8为本发明利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片的俯视图；图9为利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中衬底上生长n-InP缓冲层后的结构示意图；图10为基于利用非对称双波导集成技术实现的多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中逝波耦合波导层结构制作示意图；图11为利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中有源与无源的波导耦合结构示意图；图12为利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中在逝波耦合波导层结构上制作激光器及调制器阵列示意图。
如图8-12所示，所述基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中的单纵模激光器单元1由下至上依次包括：衬底6、缓冲层7、倏逝波耦合波导层结构8、有源与无源的耦合波导结构9和激光器结构11，其中：
所述缓冲层7制作在所述衬底6上；
所述倏逝波耦合波导层结构8制作在所述缓冲层7上；
所述有源与无源的耦合波导结构9制作在所述倏逝波耦合波导结构层8的末端上；
所述激光器结构11制作在所述有源与无源的耦合波导结构9的末端上。
如图8-12所示，所述基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中的多模干涉器(MMI)模式复用器组合单元2和光波导单元4由下至上依次包括：衬底6、缓冲层7和倏逝波耦合波导层结构8，其中：
所述缓冲层7制作在所述衬底6上；
所述倏逝波耦合波导层结构8制作在所述缓冲层7上。
如图8-12所示，所述基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中的调制器阵列3由下至上依次包括：衬底6、缓冲层7、倏逝波耦合波导层结构8、有源与无源的耦合波导结构9和量子阱结构调制器阵列结构10，其中：
所述缓冲层7制作在所述衬底6上；
所述倏逝波耦合波导层结构8制作在所述缓冲层7上；
所述有源与无源的耦合波导结构9制作在所述倏逝波耦合波导结构层8的末端上；
所述量子阱结构调制器阵列结构10制作在所述调制器阵列单元2中所述有源与无源的耦合波导结构9的末端上。
如图8-12所示，所述基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片中的模式耦合单元5由下至上依次包括：衬底6、缓冲层7、倏逝波耦合波导层结构8和有源与无源的耦合波导结构9，其中：
所述缓冲层7制作在所述衬底6上；
所述倏逝波耦合波导层结构8制作在所述缓冲层7上；
所述有源与无源的耦合波导结构9制作在所述倏逝波耦合波导结构层8的末端上。
如图8-12所示，其中，所述衬底6的制作材料可以为半绝缘InP。
其中，所述缓冲层7的制作材料可以为n-InP。
其中，所述倏逝波耦合波导层结构8包括若干个周期非掺杂的1.2Q(带隙波长为1.2μm的四元化合物InGaAsP)和InP交叠结构，进一步地，所述倏逝波耦合波导层结构8为多横模波导，以提高光的侧向耦合效率。
其中，所述有源与无源的耦合波导结构9包括：InP材料、1.2Q材料(带隙波长为1.2μm的四元化合物InGaAsP)和/或带隙波长范围在1.2-1.4μm的四元化合物InGaAsP材料，其中，1.2Q材料(带隙波长为1.2μm的四元化合物InGaAsP)和带隙波长范围在1.2-1.4μm的四元化合物InGaAsP材料为n型掺杂。所述有源与无源的耦合波导层结构9为楔形波导结构，使光从低折射率逐渐耦合到高折射率层，实现了光从倏逝波耦合波导层结构8到量子阱结构调制器阵列结构10之间的过渡传播，其包括的几种材料起到了折射率渐变的作用，从而减小了折射率突变带来的反射损耗，同时该层中存在的附加模式耦合到倏逝波耦合波导层结构8和量子阱结构调制器阵列结构10中并产生拍频干涉效应，导致光场在无源波导和吸收层中呈周期振荡的分布；
其中，所述量子阱结构调制器阵列结构10由下至上依次包括：非故意掺杂1.2Q下限制层、非故意掺杂多量子阱结构、非故意掺杂1.2Q上限制层、p型掺杂InP盖层和p型掺杂InGaAs接触层。其中，所述非故意掺杂1.2Q下限制层的厚度为80-120nm；非故意掺杂多量子阱结构由多个阱和垒组成，厚度为80-100nm；非故意掺杂1.2Q上限制层的厚度为80-120nm；p型掺杂InP盖层的厚度为1600-1800nm；p型掺杂InGaAs接触层的厚度为200-300nm。其中，非故意掺杂多量子阱结构的吸收峰波长为：1520-1530nm。
其中，所述激光器结构11由下至上依次包括：非故意掺杂1.2Q下限制层、非故意掺杂多量子阱结构、非故意掺杂1.2Q上限制层、p型掺杂InP盖层和p型掺杂InGaAs接触层。其中，所述非故意掺杂1.2Q下限制层的厚度为80-120nm；非故意掺杂多量子阱结构由多个阱和垒组成，厚度为80-100nm；非故意掺杂1.2Q上限制层的厚度为80-120nm；p型掺杂InP盖层的厚度为1600-1800nm；p型掺杂InGaAs接触层的厚度为200-300nm。其中，非故意掺杂多量子阱结构的吸收峰波长为：1540nm。
以上结构共同构成了本发明利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片的外延结构。
以上以利用非对称双波导集成技术实现的基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片为例对于本发明进行了解释和说明，本领域技术人员可以了解，对于其他几种集成技术，各个部件的外延层组成以及制作材料会有所差异，但对于本领域技术人员来说，上述差异是可以预知和掌握的，因此，在本发明中不作赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片，其特征在于，该芯片包括：单纵模激光器单元、多模干涉器模式复用器组合单元、调制器阵列和光波导单元，其中：
所述单纵模激光器单元用于产生基模光信号；
所述多模干涉器模式复用器组合单元用于将所述单纵模激光器单元产生的基模光信号转化为基模信号和高阶模信号；
所述光波导单元用于将所述基模信号和高阶模信号传输至调制器阵列；
所述调制器阵列包括多个调制器，分别用于对接收到的基模信号和高阶模信号进行调制；
所述单纵模激光器单元、多模干涉器模式复用器组合单元、调制器阵列和光波导单元均包括：衬底、缓冲层、倏逝波耦合波导层结构；所述单纵模激光器单元还包括：有源与无源的耦合波导结构和激光器结构；所述调制器阵列还包括：有源与无源的耦合波导结构和量子阱结构调制器阵列结构；
所述衬底和缓冲层的材料均包括InP；所述倏逝波耦合波导层结构和有源与无源的耦合波导结构的材料均包括InP和InGaAsP；所述量子阱结构调制器阵列结构和激光器结构的材料均包括InP、InGaAs和InGaAsP。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述单纵模激光器单元中包括一个单纵模激光器，所述单纵模激光器为分布式反馈激光器、基于分布式反馈激光器的半导体激光器、分布布拉格反射镜激光器或基于分布布拉格反射镜激光器的可调节激光器。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述高阶模信号包括一阶模信号和/或更高阶模信号。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述多模干涉器模式复用器组合单元为无源波导层结构，其包括一个或多个级联的多模干涉器，所述多模干涉器模式复用器组合单元包括一个输入端和多个输出端，所述基模光信号由输入端输入，基模信号和高阶模信号由输出端输出。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述调制器阵列包括与多模干涉器模式复用器组合单元输出端相同数量的调制器。
6.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述调制器阵列是有源结构，利用电注入进行光的调制工作。
7.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述调制器阵列是无源结构，利用电光效应对调制器材料结构的折射率进行调制。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光波导单元为无源波导层结构，其包括与多模干涉器模式复用器组合单元输出端相同数量的分支波导，各分支波导用于使各束信号光在传播一定距离后在空间上发生分离。
9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述分支波导为S形、弧形或者两段直波导，所述分支波导与多模干涉器模式复用器组合单元连接段的波导宽度是随长度线性渐变的。
10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述多模干涉器模式复用器组合单元和单纵模激光器单元，以及调制器阵列之间的集成采用对接生长技术、非对称双波导集成技术、量子阱混杂技术、偏移量子阱技术、双叠层量子阱技术、或选择区域生长技术。
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