CN104918145A - 单片集成式多波长偏振复用/解复用器 - Google Patents

Abstract

一种单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其是由阵列波导光栅和多模干涉耦合器组成，包括：一输入波导；一第一自由光谱传输区，其输入端与输入波导连接；一阵列波导，其一端与第一自由光谱传输区的输出端连接；一第二自由光谱传输区，其输入端与阵列波导的另一端连接；多个输出波导，其一端与第二自由光谱传输区的输出端连接；多个多模干涉耦合器，其输入端与输出波导的另一端连接。本发明可实现多波长偏振的复用与解复用功能，可与半导体激光器、调制器等光器件单片集成。

Description

单片集成式多波长偏振复用/解复用器

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，是一种可以实现多波长偏振复用/解复用的无源半导体器件。其可应用于波分偏振复用系统中，倍增单纤通道容量。

背景技术

为了满足光纤通信系统中日益增长的的传输容量需求，偏分复用技术在下一代高速光通信传输系统中逐渐被认为是一种潜力巨大的技术。因为现有光网络普遍采用单模光纤，所以可以利用其中的的两个正交偏振态来实现传输容量的倍增。

目前的10G光通讯网络系统由于其采用的调制格式均为传统的强度调制(ASK)方式，在速率和容量上已无法满足用户需求而逐步被淘汰。随后的40G光通讯网络系统由于要容忍出现在长途干线网中比特速率和传输距离的增加所带来的更大的非线性的要求而采用了具有优良传输特性和3-dB增强的接收灵敏度等优点的差分相位调制(DPSK)技术。在即将进入大规模部署阶段的100G光纤通讯传输系统中，对系统的光信噪比、色散容限、非线性效应以及PMD效应又提出了更高的要求。因此为了在提升线路传输速率的同时增大线路传输容差，多种技术方案被提出，其中，基于偏分复用和正交四相位调制方式的技术方案(PM-QPSK)由于其在光谱效率和所要求信噪比之间的均衡性上的优势而逐渐成为主流。相比于其他技术方案，偏振复用技术利用两个偏振态来传输比特信息，可将单通道比特速率降低50％，利用四相位调制技术又可将单通道比特速率降低50％。因此，对于单通道传输速率为100Gb/s的比特速率而言，经过PM-QPSK编码后，比特速率可以降至25Gb/s，这样即可用于50GHz间隔的DWDM系统，在降低运营商成本的同时实现带宽速率的平滑过渡。

实现两个偏振态的方法有很多，其中利用光子集成技术实现TE/TM偏振的产生和复用成为目前光通讯领域研究的热点之一。光子器件的单片集成作为主流发展趋势，可将分立器件诸如半导体激光器，调制器，波分复用器等集成在同一芯片衬底上，既实现了器件小型化，多功能化，也无需再进行光纤耦合、校准等耗时工艺，受环境影响小，寿命长。这样不仅提高了封装效率，又可大规模批量生产，降低成本。美国英飞朗公司于2011年发布了利用光子集成技术在InP衬底上实现的多波长偏振复用四相位调制芯片，实现了1.12Tb/s的高速传输速率，单通道传输速率达112Gb/s。然而，此芯片的TE/TM模式复用是在片外实现，需要额外的分立器件——偏振转换器和偏振和束器，这就增加了封装难度，降低了耦合效率，增加成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其可实现多波长偏振的复用与解复用功能，可与半导体激光器、调制器等光器件单片集成。

为达到上述目的，本发明提出了一种单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其是由阵列波导光栅和多模干涉耦合器组成，包括：

一输入波导；

一第一自由光谱传输区，其输入端与输入波导连接；

一阵列波导，其一端与第一自由光谱传输区的输出端连接；

一第二自由光谱传输区，其输入端与阵列波导的另一端连接；

多个输出波导，其一端与第二自由光谱传输区的输出端连接；

多个多模干涉耦合器，其输入端与输出波导的另一端连接。

本发明提供的可实现多波长偏振(解)复用的无源器件具有以下优势：(1)制作工艺简单，通过一步半导体干法刻蚀工艺即可完成(2)采用单片集成概念，消除了分立器件之间的耦合损耗，具有体积小，易于批量生产等特点，也易于与其它半导体激光器、调制器集成；(3)TE/TM消光比高，增强抗串扰特性。

附图说明

为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：

图1是本发明提供的一种单片集成式多波长偏振复用/解复用器的结构示意图；

图2是本发明实施例中多波长偏振复用/解复用器的波导结构简图；

图3是本发明实施例中阵列波导光栅单通道TE/TM模式传输示意图；

图4是本发明实施例中阵列波导光栅四通道TE/TM模式传输示意图。

图5是本发明实施例中级联式多模干涉耦合器结构简图和对应的TE/TM模式传输示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明提供一种单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其是由阵列波导光栅和多模干涉耦合器6组成，所述的阵列波导光栅的中心通道波长为1310nm或1550nm，输出通道数目用户自定义，典型值为4-16个，所述的多模干涉耦合器为级联式多模干涉耦合器6，其数目与阵列波导光栅30的输出通道数目相同，集成器件具体包括：

一输入波导1；

一第一自由光谱传输区2，其输入端与输入波导1连接；

一阵列波导3，其一端与第一自由光谱传输区2的输出端连接，

一第二自由光谱传输区4，其输入端与阵列波导3的另一端连接；

多个输出波导5，其一端与第二自由光谱传输区4的输出端连接；

多个多模干涉耦合器6，其输入端与输出波导5的另一端连接。

上述所述的器件波导结构采用脊型波导结构，波导的宽度典型值为3.0-3.5μm，脊型波导结构具体包括：

一衬底21，所述衬底21的材料为InP；

一缓冲层22，其制作在衬底21上，所述缓冲层22的材料为InP；

一波导层23，其制作在缓冲层22上，所述波导层23的材料为InGaAsP，厚度为0.3-0.6μm；以及

一上盖层24，其制作在波导层23上，所述上盖层24的材料为InP，厚度典型值为1.5-2.0μm。

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1、2、3、4、5，对本发明做进一步详细说明。

本发明实施例提出的是一种工作于1550nm通讯波段的单片集成式多波长偏振复用/解复用器。附图1是本发明实现单片集成式多波长偏振复用与解复用功能的器件整体结构示意图。它包括一个波导结构经过参数优化(使得相同波长的TE/TM偏振态在波导中传输时满足一定的折射率差，对应的不同偏振态在第二自由光谱传输区聚焦位置的偏移间隔等于阵列波导光栅的输出波导间隔)的阵列波导光栅1和一组级联式多模干涉耦合器2。附图2是此器件采用的具体波导结构示意图，它为浅脊波导结构，包括InP衬底层3、InP缓冲层4、InGaAsP波导层5和InP上盖层6。阵列波导光栅和级联式多模干涉耦合器通过标准半导体工艺集成在同一InP衬底上。具体制作过程包括：材料结构生长(由金属有机化合物化学气相沉淀方法实现)，二氧化硅掩膜生长(由等离子体增强化学气相沉积法实现)，阵列波导光栅和级联式多模干涉耦合器光刻图形转移(光刻步骤)，电感耦合等离子体二氧化硅掩膜刻蚀，基片去油清洗，电感耦合等离子体刻蚀波导图形，最后解理，完成制作。

本发明提出的多波长偏振复用/解复用器还可以工作于有别于实施例的其他波长范围，比如1310nm通讯波段，但是相应的器件结构参数需要进行重新设计和优化，但是基本工作原理相同。

在本实施例中的阵列波导光栅1，其主要结构有输入波导、输出波导、自由光谱传输区和阵列波导区，具体参见附图1。为了简单起见，输入波导数目设为一通道输入，输出波导数目设为四通道输出。其具体工作原理如下：当一束包含有相同偏振态的工作波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄的光束从图示左侧的输入波导进入，经过第一自由光谱传输区、阵列波导后，由于阵列波导具有固定的长度差，因此对于不同的波长会带来的不同的光程差，这就会使得不同的工作波长λ₁，λ₂，λ₃，λ₄聚焦到第二自由光谱传输区的不同输出位置，从而由右侧的四根输出波导分别将相同偏振态的工作波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄的光束分为四路输出，每一路仅包含一个工作波长，此过程称为解复用过程。由于光路可逆原理，从右侧的四根输出波导分别输入相同偏振态的工作波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄的四路单频光束，经过第二自由光谱传输区、阵列波导后，同样由于阵列波导所引入的光程差，不同工作波长λ₁，λ₂，λ₃，λ₄的四路光束会在第一自由光谱传输区聚焦到相同位置，从而可由左侧的输入波导合波输出，此过程称为复用过程。对于相同工作波长的不同偏振态，比如λ_1，TE和λ_1，TM，由于其在波导中传输时所对应的有效折射率(n_1，TE与n_1，TM)不同，因此会在阵列波导区域引入不同的光程差，从而聚焦到第二自由光谱传输区的不同位置，从而可以实现相同波长不同偏振态的解复用过程。

因此对于多波长偏振解复用过程，为了实现相同波长的TE/TM偏振态在第二自由光谱传输区聚焦位置的偏移间隔等于阵列波导光栅的输出通道间隔(输入输出波导结构简图具体参见附图2)，两个偏振态TE偏振光和TM偏振光在波导中传输时的折射率差(n_TE与n_TM)要满足一定值，因此输入输出波导和阵列波导结构参数需要进行相应的优化。具体优化方向包括阵列波导光栅的中心工作波长，衍射级数，输出通道波长间隔，输出通道位置间隔，波导层厚度，波导宽度等。对于已经完成参数优化的阵列波导光栅，相同波长的不同偏振态TE偏振和TM偏振在其中传输时会在第二自由光谱传输区中聚焦到相邻的两根输出波导中，也就意味着相同的输出通道所对应的不同偏振态的波长不同，即初步实现相同波长偏振态的解复用。假设中心工作波长为1550nm，衍射级为m的阵列波导光栅有-N，-N+1，...，0，...，N-1，N共2N+1根输出波导，在此衍射级下所对应的TE模式输出波长分别为λ_-N，TE，λ_-N+1，TE，...，0，...，λ_N-1，TE，λ_N，TE，相应的TM模式输出波长为λ_-N-1，TM，λ_-N，TM，...，0，...，λ_N-2，TM，λ_N-1，TM，即第N根输出波导所对应的TE波长为λ_N，TE，所对应的TM波长为λ_N-1，TM。具体例子如本发明实施例中的四通道阵列波导光栅设计中心波长为1550nm(TE偏振态)，输出通道波长间隔为1.6nm(200GHz1550nm)。在TE偏振态传输下，输出通道1对应波长为1547.6nm，输出通道2对应波长为1549.2nm，输出通道3对应波长为1550.8nm，输出通道4对应波长为1552.4nm。通过优化波导宽度，使得相同波长的TE/TM偏振态实现固定的折射率差，实现某一输出通道TE/TM偏振态间的波长偏移间隔1.6nm。从而得到在TM偏振态传输下，输出通道1对应波长为1546nm，输出通道2对应波长为1547.6nm，输出通道3对应波长为1549.2nm，输出通道4对应波长为1550.8nm。初步实现多波长解复用。具体传输光谱特性如附图3和附图4所示。

相同输出通道N的两个不同波长的不同偏振态λ_N，TE和λ_N-1，TM通过连接波导进入随后的级联式多模干涉耦合器。级联式多模干涉耦合器由三个MMI采用级联方式组合在一起，如图5(a)所示。同样由于不同波长的不同偏振态在波导中传输时具有不同的折射率，导致传输光场在多模干涉耦合器中的自成像点F_λ，TE与F_λ，TM不同，从而可以在不同的自成像点设计输出波导将不同波长的不同偏振态引出，实现完全的多波长偏振解复用。采用级联式多模干涉耦合器的目的是进一步提高TE/TM偏振态消光比，增强抗串扰特性。相同波长的不同偏振态-TE偏振态和TM偏振态-在其中的传输示意图如附图5(b)和(c)所示。

由于光路可逆，从附图1中左侧单通道多个波长同时输入，右侧多通道输出实现多波长偏振解复用过程；反之，从右侧多通道输入，左侧单通道合波输出则实现多波长偏振复用过程。

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，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 (9)

1.一种单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其是由阵列波导光栅和多模干涉耦合器组成，包括：

一输入波导；

一第一自由光谱传输区，其输入端与输入波导连接；

一阵列波导，其一端与第一自由光谱传输区的输出端连接；

一第二自由光谱传输区，其输入端与阵列波导的另一端连接；

多个输出波导，其一端与第二自由光谱传输区的输出端连接；

多个多模干涉耦合器，其输入端与输出波导的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述的阵列波导光栅的中心通道波长为1310nm或1550nm，输出通道数目用户自定义，典型值为4-16个。

3.根据权利要求1所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述的多模干涉耦合器为级联式多模干涉耦合器，其数目与阵列波导光栅的输出通道数目相同。

4.根据权利要求1所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述的波导结构采用脊型波导结构，波导的宽度为3.0-3.5μm。

5.根据权利要求4所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述的脊型波导结构包括：

一衬底；

一缓冲层，其制作在衬底上；

一波导层，其制作在缓冲层上；以及

一上盖层，其制作在波导层上。

6.根据权利要求5所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述衬底的材料为InP。

7.根据权利要求5所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述缓冲层的材料为InP。

8.根据权利要求5所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述波导层的材料为InGaAsP，厚度为0.30.6μm。

9.根据权利要求5所述的单片集成式多波长偏振复用/解复用器，其中所述上盖层的材料为InP，厚度为1.52.0μm。