CN105068189A - InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片 - Google Patents

Abstract

一种InP基波分一模分复用少模光通信光子集成发射芯片，包括多个不同波长的单模半导体激光器作为光源；多个不同功能的多模干涉耦合器(MMI)用于实现光功率分配、模式转换以及多波长多模式复用；多个可以对基模信号进行调制的调制器结构，各器件之间使用直波导或者弯曲波导连接。多模干涉耦合器具有较大的设计和工艺容差，较大的光学带宽，偏振不敏感以及尺寸较小等优良特性。本发明首次提出利用多模干涉耦合器作为多波长多模耦合器，将波分复用与模分复用技术相结合，从而进一步提高光纤传输容量。

Description

InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片

技术领域

本申请涉及少模光通信技术领域，特别涉及一种InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，主要应用于长距离干线的少模光纤通信系统中。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，对于传输容量的要求越来越高，在过去的大约十年中，传输容量的需求增加了100倍，使得目前的光通信传输技术面临着一个巨大的挑战。由于香农极限的限制，目前基于单模传输的通信网络的极限在100Tb/s，这一传输容量极限也得到了实验的证实。按照目前对光通信传输容量增长的需求，大约到2020年单模光纤传输系统将面临着容量危机。目前的复用技术已经使用了光的时间、幅度、频率、相位、偏振等几个维度来提高单模光纤的传输容量和频谱效率，要想对传输容量进一步提升需要寻找新的参数维度。光纤中的空间维度，包括多个模式、多芯光纤等是目前尚未被利用的维度参数。如果对光纤的空间维度加以有效的利用，那对于光纤的传输容量来讲将是一个数量级的提升。对于一根光纤中传输多个模式的研究早已证实多模光纤会受到传输距离等各项因素的限制，如果只是利用其中少数模式(例如6到7个模式)进行传输，则可以避开其受传输距离的困扰。

少模光通信技术不但增加了传输容量，并且不同的信道属于不同的模式，因此在相同的传输容量下其非线性效应较小。另外，传输光纤的集成化，为有源器件的集成创造了条件，并且也降低的了能量的损耗。

在少模光通信技术中，实现波分复用与模分复用技术结合，将会成倍提升通信容量。本申请通过对不同波长的光源利用多模干涉耦合器分束后分别调制，再利用多模干涉耦合器实现模式转换和模式复用功能，最后利用多模干涉耦合器实现不同波长、不同模式的双重复用，最终得到InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片。

发明内容

本发明提出了一种InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其主要应用于少模光通信系统的发射端。本发明首次提出了使用MMI作为多波长多模耦合器，同时实现波分复用和模分复用功能。此发明将波分复用与模分复用技术结合起来，能进一步提升光纤传输容量。

本发明提出的一种InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，主要包含五个部分：

1)多个波长不同并可以产生基模信号的单纵模半导体激光器；

2)多个用于实现分束的MMI；

3)多个可以对基模信号进行调制的调制器结构；

4)多个用于实现模式转换的MMI；

5)多个用于实现不同波长、不同模式信号合束的MMI。

上文1)到5)中的多个是指两个或者两个以上。各个器件之间使用直波导或者弯曲波导相连接。

本发明中的半导体激光器可以为DFB激光器也可以为DBR激光器。

本发明的核心内容在于设计一种可以实现多波长、多模式合束的MMI，使不同波长的基模与一阶模的混合模式同时从MMI不同端口输入后，从同一端口输出。在本发明之前，曾有单波长无源模式转换-复用器的报道，但是对于多波长多模式同时复用的技术在此之前还未曾有人提出。多波长、多模复用的MMI结构设计与传统单模合束用MMI的不同点在于需对MMI输入输出波导的位置与宽度以及多模干涉区的长度做特殊设计，即其输入输出波导的位置与多模干涉区的长度需满足高阶模形成的自镜像条件，输入输出波导的宽度需支持所需的高阶模式。

本发明中的调制器结构为电吸收调制器或者马赫曾德调制器。

本发明中所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中的模式转换、模式复用以及多波长多模耦合都是利用对波长不敏感的多模干涉耦合器来实现。由于多模干涉耦合器具有较大的设计和工艺容差，较大的光学带宽，偏振不敏感以及尺寸较小等优良特性，使得本发明具有较大的应用前景。

本发明中所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，利用MMI将波分复用与模分复用技术相结合，成倍的提高了光纤传输容量，在下一代光通信系统中具有极大的优势。

附图说明

为详细说明本发明的各项具体技术特征，特附以下示意图，对本发明的各部分结构进行详细说明，其中：

图1为InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片整体示意图；

图2为实现功率分配功能的多模干涉耦合器示意图；

图3为实现模式转换和模式复用功能的多模干涉耦合器示意图；

图4为实现多波长多模耦合功能的多模干涉耦合器示意图；

图5为3×1多波长多模干涉耦合器的仿真示意图；

图6为有源区多量子阱示意图；

图7为无源区“三明治”结构示意图；

图8为无源区倏逝波导结构示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其工作结构及原理为：

发射芯片的整体设计如图1所示，其中图1(a)为单模半导体激光器部分，图1(b)为基于MMI的分束器部分，图1(c)为调制器部分，图1(d)为基于MMI的模式转换器和模式复用器部分，图1(e)为本发明的设计重点，即基于MMI的多波长多模耦合器。

半导体激光器Laser1产生单纵模基横模的光，经无源波导进入MMI1，MMI1示意图如图2所示，此时MMI1会将输入光分成两路并分别经过调制器加载调制信号以后从两输出波导同时输出；

经MMI1输出的两路基模同时经MMI2的两个输入端口输入，MMI2示意图如图3所示，其中一路经MMI2后转换为一阶模，另一路保持基模不变，最后基模与一阶模同时从输出端口输出；

经MMI2输出的光为基模与一阶模的混合模式，然后经过弯曲波导和直波导进入MMI3，MMI3示意图如图4所示；

如图1所示，不同波长的光的基模与一阶模的混合模式同时耦合进MMI3中，通过MMI3实现波分复用与模分复用。

本发明的核心技术包括：

利用MMI实现不同波长信号的基模与高阶模的多模耦合，如图4所示。其中4(a)所示为基于普通干涉机制的N×NMMI，MMI的长度为

$L_N^M=\frac{M}{N}\·3L_c,L_c=\frac{4n_{eff}{W}_{eq}^2}{3\mathrm{\λ}},$

其中N指输入输出端的个数，M指MMI最小长度的整数倍，Lc为基模与一阶模的拍频长度，neff为材料的有效折射率，Weq为MMI的等效宽度，λ为光在真空中的波长。此类型的MMI可以实现任意多路任意阶模式的耦合；图4(b)所示为基于对称干涉机制的1×KMMI，其可以实现奇数路任意阶模式的耦合，其长度为L＝3L_c/2K。其中3×1多波长多模干涉耦合器的仿真示意图如图5所示，其中图5(a)表示为三路基模分别从三个不同端口输入，最后同时从同一输出端口输出，图5(b)表示为三路一阶模分别从三个不同端口输入，最后同时从同一输出端口输出。由于MMI对波长不敏感，从而利用MMI可以实现了多波长多模耦合。

提出了利用MMI实现波分复用与模分复用结合的思路。

本发明中有源无源的集成技术可以为对接生长技术、选取外延技术、量子阱混杂技术、偏移量子阱技术、双叠层量子阱技术、非对称双波导集成技术等。

下面以对接生长技术为例来阐明制作工艺：

首先在N-InP衬底上生长多量子阱结构，如图5所示；

使用干法刻蚀刻掉激光器与调制器区域；

然后使用MOCVD二次外延，生长无源结构，如图6所示的“三明治”结构或者如图8所示的倏逝波导结构；

最后经过光刻、减薄以及生长正负电极等工艺步骤得到如图1所示的结构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案以及有益效果进行了详细说明，但是上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、改进以及等同替换均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，包括以下五个部分：

1)多个波长不同并可以产生基模信号的单纵模半导体激光器；

2)多个用于实现分束的MMI，将半导体激光器输出的光按照一定的比例分成若干路；

3)多个可以对基模信号进行调制的调制器结构；

4)多个用于实现模式转换的MMI，将输入的基模转换成一阶模；

5)多个用于实现不同波长、不同模式信号合束的MMI，将各路不同波长的基模与一阶模的混合模式进行耦合，并从同一输出端口输出，各个器件之间使用直波导或者弯曲波导相连接。

2.根据权利要求1所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中所述的半导体激光器可以为多个单波长的分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)或者是多个波长可调谐的分布式布拉格反射激光器(DBR-LD)。

3.根据权利要求1所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中进行功率分配的多模干涉耦合器，是采用N×N，1×K标准结构的MMI。

4.根据权利要求1所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中用于模式转换的MMI，是采用模式转化效率为50％，66％或100％的MMI。

5.根据权利要求1所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中用于实现不同波长、不同模式信号合束的MMI，根据多模干涉类型分为两种类型：

一种是普通N×N的MMI，是将任意多路基模与一阶模的混合模式耦合进MMI并从同一输出端口输出；

一种是对称干涉K×1的MMI，是将奇数路基模与一阶模的混合模式耦合进MMI并从同一输出端口输出。

6.根据权利要求1所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中的调制器结构为电吸收调制器或者马赫曾德调制器。

7.根据权利要求1所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其外延结构包括有源区和无源区：对于半导体激光器与调制器需要在多量子阱有源区上制作，对于用于模式转换、模式复用以及多模耦合的MMI在有源区上制作，或在无源区上制作。

8.根据权利要求7中所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其中有源区为多量子阱结构；所述的无源区，其结构为普通的“三明治”结构或者倏逝波导结构。

9.根据权利要求7所述的InP基波分-模分复用少模光通信光子集成发射芯片，其有源与无源的集成技术为对接生长技术、选取外延技术、量子阱混杂技术、偏移量子阱技术、双叠层量子阱技术或者非对称双波导集成技术。