CN105158933A - Dp-16qam硅基光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基材料的在两个垂直偏振态上可同时实现DP-16QAM调制格式的集成光学调制器，它包括硅基波导分束器与合束器、4个Mach-Zehnder强度调制器、2个90度移相器、光偏振合束器和高速电路。本发明利用硅基光子学技术实现光功率分束与合束、光幅度多阶调制和相位调制、光偏振旋转与合束和光移相器等先进光调制单元，采用CMOS(互补金属氧化物半导体器件及相应工艺)工艺平台将上述功能单元集成到原型芯片中，并通过高速封装技术与电磁兼容设计集合光学与电学功能单元，最终实现满足400Gb/s下一代光通信系统要求的双偏振16QAM(DP-16QAM)(双偏振16进制正交振幅调制)光调制器模块。

Description

DP-16QAM硅基光调制器
技术领域
本发明涉及光通信和光子信息处理领域，尤其涉及一种光通信中用来将待传输电信号加载到光载波上的硅基光调制器。
背景技术
自上世纪80年代以来，光纤通信系统就一直是不断扩容的全球通信系统的基石。随着移动互联网、虚拟现实、电子商务、社交网络等新兴应用的蓬勃兴起，骨干或核心通信系统与网络对容量的需求长期处于强劲态势，这种通信容量的强劲增长又直接推动光通信系统与网络向高速、大容量方向发展。
目前，10Gb/s与40Gb/s波分复用(WDM)光通信系统已经广泛用于骨干与核心通信网络。最近，100Gb/s光通信系统已经完成标准化进程，相关模块和系统逐渐成熟并开始商用，如果规模部署，通信总容量可预期提升10倍以上。
相干光通信与DSP数字信号处理技术的结合让我们可以灵活采用更高阶的复杂调制格式，利用不同的偏振态，以及开发先进的电域信号损伤补偿技术，从而提高频谱效率并最终提高光纤通信总容量。为了延续这一发展趋势并持续降低每比特通信成本，下一代光通信系统设计不仅要考虑单信道速率的提升，还要同时考虑频谱效率的增强。从平衡实现复杂度与频谱效率的角度来看，DP-16QAM(中文含义)双偏振16进制正交幅度调制格式将成为400G光通信系统的热门候选。因此，研究基于DP-16QAM调制格式的400G下一代相干光通信系统中的关键光电子器件对于未来光通信系统的设计具有重要意义。由于光调制器直接决定了发送机产生的信号质量，DP-16QAM调制器是所需光电子器件的重中之重。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于硅基结构的DP-16QAM光调制器，使得它非常适合用来实现先进调制格式光调制器的各个光学功能单元，并集成电学控制与数据传输单元形成光调制器集成模块。
为达到上述目的，本发明提出一种基于硅基材料的波导结构调制器，实现对光载波在两个垂直偏振态上分别进行16QAM调制，该硅基调制器包括：
1)硅基微纳波导结构的光功率分束器，用来把输入的光载波分为两束输出；
2)硅基Mach-Zehnder干涉仪结构的强度调制器以及相匹配的高速电路，实现把电信号加载到光载波上，对光载波的幅度和相位进行调制；
3)硅基微纳波导结构的偏振选择器，实现对输入光信号偏振态的旋转；
4)硅基微纳波导结构的移相器，用来对所在支路的光信号实现相位的调节；
5)硅基微纳波导结构的光功率合束器，用来把多路光信号耦合到一路中输出。
激光器输出的光首先耦合进入硅基微纳波导分束器，分束器的功能是将输入光载波分为功率相等的两束光波，且这两束光中的一束经过偏振旋转器时可以调整该束光的偏振态，从而调整后使得这两束光的偏振态互相垂直。每一个偏振态上的光分别经过十六进制正交幅度调制器。当输入光经过调制器的硅基波导臂时，如果在射频输入端口加载待传输的电信号，那么这些电数据信号就可对输入光载波进行十六进制正交振幅调制，且通过特殊设计与硅基调制器相匹配的高速调制电路可以使得该调制器调制速率达到几十Gb/s。这是其中一个偏振态上电数据信号对光载波的调制过程，另一个偏振态上的数据调制过程与此类似。调制完后的光信号再经过合束器将这两垂直偏振态的光合为一束后耦合到光纤或其它光传输介质进行传输。
本发明还提出了该基于DP-16QAM硅基光调制器的制备方法，采用CMOS(互补金属氧化物半导体器件及相应工艺)工艺平台将所述功能单元集成到原型芯片中，并通过高速封装技术与电磁兼容设计集合光学与电学功能单元，利用光刻工艺进行加工，首先利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所衬底上。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明最显著的创新点在于利用硅基材料与工艺平台实现高性能的集成光学调制芯片，并与高频电路驱动与高速数据传输单元封装成模块，有望大大降低传统实现方式的体积与损耗，并提高其稳定度。由于利用光刻工艺进行加工，光刻工艺是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所衬底上。这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、蓝宝石，传输与处理光信号的硅基微纳波导结构及传输高频电信号的电极结构均可进行与硅基波导结构尺度相匹配的精加工，之后再将这些电极在微尺度下用相应的工具进行定位放置，保证了集成化光调制器的功能接近设计目标，减小了设计、加工与优化周期。
2、本发明所提出的双偏振的16QAM调制器可以对光载波实现电信号数据调制，提高通信系统容量。
附图说明
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，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是本发明提供的基于硅基材料的DP-16QAM调制器结构示意图；
图2是Mach-Zehnder强度调制器光功率和光电场传输函数曲线示意图。
具体实施方式
图1是本发明提供的基于硅基材料的DP-16QAM调制器结构示意图。如图所示，该调制器主要包括：光功率分束器1(1-a、1-b、1-c)、光偏振旋转器2、Mach-Zehnder结构强度调制器3(3-a、3-b、3-c、3-d)、90度移相器4(4-a、4-b)和光功率合束器5(5-a、5-b、5-c)。
其中光功率分束器1-a用来把输入光信号分为两路，其中一路光经后面的偏振旋转器后实现两路光的偏振态互相垂直；
偏振旋转器2用来将其中一路光的偏振态相对另一路旋转90度，这样经前面的光功率分束器1-a和该偏振旋转器2后两束光具有互相垂直的偏振态；
光功率分束器1-b和1-c分别把其中一个偏振态上的光分两路后再分别输入到两个Mach-Zehnder干涉仪结构的强度调制器。
Mach-Zehnder强度调制器3用来进行对光载波进行强度和相位调制。其中Mach-Zehnder调制器3-a和3-b分别在一个偏振态上(如x偏振方向)进行调制幅度和相位调制。当对硅基Mach-Zehnder干涉仪的一个臂加电压时，所在臂的波导中的折射率就会发生变化，这样光在其中传播时就会发生额外的由外加电压引起的相移。如果这两臂又构成了Mach-Zehnder干涉仪结构，则输出光强度就会随外加电压而变化。利用Mach-Zehnder调制器进行幅度和相位调制的原理可用图2所示的Mach-Zehnder调制器的光功率和光电场传输曲线来说明。
图2实线描绘的是Mach-Zehnder调制器输出光功率随外加偏置电压的变化曲线，由此实线可以看出，当给调制器加不同偏置电压时其输出光功率会发生变化，如当外加偏置电压为零时输出光功率最大，而当外加偏置电压为Vπ时输出光功率为最小，即光载波幅度随外加偏置电压变化而变化；这样当输入电信号的高低电平在0和Vπ之间变化时就实现了光波的幅度调制；图2的虚线所示是输出光信号的光电场随外加偏置电压的变化曲线，由图示曲线可见，当外加偏置电压变化时，输出光电场的会产生不同的相移：偏置电压为0和2Vπ时，这两个偏置电压下输出的光电场相位恰好相差180度，这就是利用Mach-Zehnder结构强度调制器实现相位调制的原理。当然利用这个原理不仅可以实现180度相移，事实上可以实现任意角度的相移。相比于相位调制器，利用Mach-Zehnder强度调制器实现相位调制的主要优势在于实现相位调制时无频率啁啾，可以实现完美的180度相移。
光移相器4用来将该支路的光相对另一支路移相90度。移相功能主要是通过增加硅基波导结构的长度来实现的，当然也可以在该段掺入杂质改变波导折射率实现90度相移。
光功率合束器5用来将经过调制器和移相器的光以及两个垂直偏振态上的光合为一路，以便于经过调制的光信号能耦合到光纤或其它光传输介质中去，实现光信号的传输。
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，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 (6)

1.一种基于DP-16QAM硅基光调制器，该硅基光调制器包括：
1)硅基微纳波导结构的光功率分束器，用来把输入的光载波分为两束输出；
2)硅基Mach-Zehnder干涉仪结构的强度调制器以及相匹配的高速电路，实现把电信号加载到光载波上，对光载波的幅度和相位进行调制；
3)硅基微纳波导结构的偏振选择器，实现对输入光信号偏振态的旋转；
4)硅基微纳波导结构的移相器，用来对所在支路的光信号实现相位的调节；
5)硅基微纳波导结构的光功率合束器，用来把多路光信号耦合到一路中输出。
2.根据权利要求1所述的基于DP-16QAM硅基光调制器，其特征在于，其中基于硅基微纳波导结构的光功率分束器将从一端输入的光分成功率相同的两束输出，其中一束经过偏振旋转器时可以调整该束光的偏振态，从而调整后使得这两束光的偏振态互相垂直。
3.根据权利要求2所述的基于DP-16QAM硅基光调制器，其特征在于，其中在两个垂直偏振态上分别构成两个Mach-Zehnder干涉仪结构的强度调制器。
4.根据权利要求3所述的基于DP-16QAM硅基光调制器，其特征在于，其中基于硅基微纳波导结构的光功率合束器，它用来所述的两束垂直偏振态的光合为一路，也将所述的Mach-Zehnder干涉仪结构的两路光合为一路。
5.根据权利要求4所述的基于DP-16QAM硅基光调制器，其特征在于，其中基于硅基微纳波导结构的移相器对两路偏振态中的其中一个Mach-Zehnder干涉仪结构的强度调制器输出信号进行90度移相。
6.根据权利要求1所述的基于DP-16QAM硅基光调制器的制备方法，采用CMOS工艺平台将所述功能单元集成到原型芯片中，并通过高速封装技术与电磁兼容设计集合光学与电学功能单元，利用光刻工艺进行加工，首先利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所衬底上。
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