CN107925484B - 一种单片集成相干光接收器芯片 - Google Patents

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Abstract

本专利披露了一种单体式集成相干接收机芯片，通过芯片上器件的几何布局，使相干接收模机的性能和可生产性大大提高了。该芯片适用于双偏振正交相移键控和其他相干光探测系统。该相干接收机芯片包含两个光混合器，三个光输入口和八个电输出口，其中光混合器的取向正交于光输入和电输出，光输入和电输出相距远并且共线排布，这方便了模块设计和组装。建议的几何布局用垂直电光相交替代任何光波导相交，并且采用电传输线来补偿通道间的时延差异。建议的结构附加的好处在于，由于增加了跨阻放大器之间的间隔，从而改善了模块的热管理。

Description

一种单片集成相干光接收器芯片
技术领域
本发明涉及一种单片集成相干光接收器芯片，适用于双偏振正交相移键控(DP-QPSK)调制模式或其它高阶调制模式的相干接收模块。
背景技术
相干接收模块可用于采用双偏振正交相移键控(DP-QPSK)调制模式的传输系统。每个正交的偏振传输包含2个比特符号，这种调制模式实现的传输容量是使用开关调制的四倍，同时延长了传输距离。相干接收器的功能是实现传输后信号的解调：对信号(Sig)中的正交偏振分量进行分离(SigX和SigY),然后通过本地振荡源和分离的偏振信号的混合分解出每个偏振信号的同相(I)和正交(Q)相位信息。保持SigX/SigY与本地振荡源之间固定的相位关系在接收过程中是非常重要，同时在光探测器场分量混合处，时延和场振幅的平衡也是很重要的。平衡检测可以抑制共模噪声，而失去平衡则会损害I/Q分量的信号质量。但是这也进一步增加了解调过程复杂性。而且，所有这些要求都必须在一个宽的工作波长范围，高的信号传输速率，广的温度范围内被满足。
图1所示的是常规的90°光学相位混合器结构，它将信号分解成I和Q分量。这里显示了信号振幅S(SigX或SigY)和同偏振的振荡源振幅L之间的相位关系：在输出端，有180度位相差的S-L和S+L形成I信道；S-jL和S+jL相对S-L和S+L有90度的相移，形成Q信道。SigX和SigY的I和Q信道之间的时间/相位差或时延差是有一定要求的，可是最严格时延差的控制要求是在一对产生I或Q信号的平衡探测器上，这个要求对相干接收机制造技术提出了一个严苛的要求。
90°位相混合器可以采用波导模式干涉型耦合器(如图2A)或一个4x4多模干涉型(MMI)耦合器(图2B)。前者通常用于低折射率对比度材料系统，例如二氧化硅，后者更适用于高折射率对比度材料系统，例如磷化铟(InP)或绝缘硅(SOI)。以4x4MMI耦合器为例，SigX或SigY和LO非对称地进入90°光学相位混合器(使用1，3口或2，4口)，使得4个输入光波导之间，中间一对(WG2和WG3)形成180°的相位关系，最外两个(WG1和WG4)形成另一对。最外两个输出(WG1和WG4)需要通过光波导交叉(图2B)或光电交叉(图2C)把它们并在一起。然后这两对输出分别进入跨阻放大器的差分输入端。
一个全集成的DP-QPSK接收器芯片应该包含图3所示的所有元素：
(1)两对4个高速(32G波特率)光探测器；
(2)两个90°光学相位混合器；
(3)一个光信号输入和两对4路电输出；
(4)一个1:2光分束器(BS)；
(5)一个窄线宽可调激光器(LO)；
(6)一个偏振光分束器；
(7)一个可调光衰减器(VOA)；
(8)一个监视探测器(MON)。
如图3所示，通常有两个相同的子线路其包含了(1)-(3)的器件。当(6)将接收到信号分解成两个正交偏振的SigX和SigY,同时(4)将本地振荡源(5)一分为二,两个子线路被用来将SigX和SigY分别和分离的本地振荡源混合。图中还包含了一个可调衰减器(7)和检测器(8),它们是用来调整解调前的信号条件。
由于功能的复杂性和对器件性能的严苛要求，全集成方案经常是第一选择方案[US0054761 A1,2010,Y.K Chen,et al.]，然而也可见到大量的采用混合方案的开发。混合方案是指以上所列一部分元素采用集成方案，其余采用分离器件。前者赢在可靠性和小型化，但由于几个极高难度器件的集成，成品率和可生产性会受到影响；后者赢在有机会使用已经满足要求的最好性能的器件，但是由于组装过程的复杂性和高精度要求，成品率和可生产性也会受到影响。在以前实施的方案中，依赖于选择的技术和技术路线，有不同的混合集成解决方案，三个最常见分列如下：
1.一个集成芯片包含元素(2)-(4)和(6)-(7),其中(2)采用两个波导模干涉型耦合器。它和一个光探测器阵列和一个外部的LO组装在一起[S.Tsunashima,F.Nakajima,Y.Nasu,R.Kasahara,Y.Nakanishi,T.Saida,T.Yamada,K.Sano,T.Hashimoto,H.Fukuyama,H.Nosaka,and K.Murata,‘Silica-based,compact and variable-optical-attenuatorintegrated coherent receiver with stable optoelectronic coupling system’,Optics Express,Vol.20,p27174,2012]。为了满足通道内时延差和场振幅的平衡，这种方案对光学组装过程提出了非常高的要求。这是它的不足之处。
2.两个相干接收器芯片，每个包含(1)-(3),其中(2)使用4x4MMI耦合器，如图4所示，它们的输出采用光波导交叉的方式[A.Beiling,N.Ebel,A.Matiss,andG.Unterborsch,‘Fully-Integrated Polarization-Diversity Coherent ReceiverModule for 100G DP-QPSK”,OML5,OFC’2011]。这种方案将90°相位混合器和光探测器单片集成在一个相同芯片上。它解决了I和Q通道间和各探测器对之间的时延差引起的性能恶化问题，但为了降低波导交叉所带来的损耗和串扰，90°相位混合器的输入光波导需要很长，而这导致了这种方案光学损耗高和尺寸大的缺点。这种方案的另外的不足是两个芯片的安装需要同时保证在4个光输入口光学和偏振的准直，这是非常困难和不可靠的光学装配过程。另外，SigX和SigY是从分立的光学组装件中导出的，不同偏振分量间的时延差的控制也是一个需要考虑的问题。
一个相干接收器芯片，包含(1)-(4)，这里(2)光学相位混合器采用两个4x4 MMI耦合器以及电传输线和光波导垂直相交，如图5所示，(V.Houtsma,N.G.Weimann,T.Hu,etc.‘Manufactural Monolithically Integrated InP Dual-Port Coherent Receiver for100G PDM-QPSK Applications’,OML2,OFC’2011)。由于集成度高和采用垂直的光电交叉，这种结构非常紧凑，而且只需要同时准直两端口信号光输入。但是它还有三个问题:1.LO口夹在两个信号输入口中间，这使得光学组装变得复杂；2.电输出和光输入不共线，这使得模块设计变得困难；3.输入光波导路经的不平衡会导致大的信道时延差。
发明内容
本发明提出了一种单片集成相干光接收器芯片，它具有独有的结构，可以在DP-QPSK和更高阶的相干光调制方式中得到应用。本发明克服了以前技术的缺点，提供了一种适用于混合相干接收模块的集成相干芯片，它不仅可以满足所有的性能要求，而且使得组装过程更有效和更可靠。
本专利提出的结构的第一种实施方案是一个相干接收器芯片，如图6所示，集成了(1)-(4)。这个接收器芯片的核心是一个光子集成芯片(PIC)，它包含两个光学相位混合器，8个高速波导型光探测器(WPD)，并集成了偏压回路。这个结构的几何布局中，其90°相位混合器的光轴平行于输入光端面。这种布局的好处有三方面：
第一是芯片的展宽使得有空间调整三个输入光口的位置，可以很容易调整SigX和SigY的分离距离去匹配PBS的要求。而且在芯片端面上LO可以在远离一对信号输入光口的地方，然后被导到SigX和SigY之间，一分为二后分别进入两个相位混合器。这种布局将LO和信号的光学组装过程分离，大大提高了输入光耦合的效率和质量，也使得模块制造可靠性和合格率大大提到。
本专利提出的结构的第二个好处是：由于90°相位混合器的光轴平行于输入端面，混合器的输入光波导可以不经任何波导相交而被导至对应的电输出口的位置，同时保持光输入和电输出的共线结构。这里光学相位混合器的输出光波导和芯片电输出口的连接是通过光波导和电传输线以垂直集成方式的光电交叉来实现，而不是采用光波导交叉，这样既降低芯片尺寸又减少传输损耗。这种结构还增加了在光学延迟和电气延迟之间进行平衡的灵活性，从而使I和Q通道之间以及光电检测器对之间的净总延迟差最小化，形成延迟线。此外，对两偏振信号(SigX和SigY)之间的时延差补偿可以通过调整光混合器的输入光波导位置从而使两偏振态的光混合器输入光波导和电输出口之间的连接形成镜像对称的关系来实现。
本专利提出的结构的第三个优势是这样安排也可以允许电输出口之间有大的间距，这有利于模块的热管理以及方便电连接。另外，这个结构可以允许可变的芯片纵横比，即缩短长度来增加芯片宽度，以适应不同的封装需求。
在本专利提出的芯片结构的另一个实施方案中，光的交叉可以被完全避免。如图7所示，LO光波导绕过90°混合器的输出和光探测器，从电传输线下方经过，到达混合器的输入。在图7所示的方案中，90°混合器光轴也可以垂直于输入端面，同时保持波导型光探测器与输入端面平行或成一不超过15度的角度。这样的结构可以使得4个X-偏振的电输出和4个Y-偏振的电输出之间的相对位置更加灵活，包括并排的结构和与4路集成的跨阻放大器匹配。
在本专利提出的芯片结构的另外一个实施方案中，VOA和MONs被集成到芯片上，它们位于外置微光学PBS之后，如图8所示。在这个结构中，每一个偏振有其独立的VOA和MON以便VOA和MON是单偏振操作。然后这两个VOAs被连在一起使用一个单一控制源，两个MONs输出也被合并在一起来对总功率进行监控。因此VOA的偏振相关损耗(PDL)和探测器的跟踪误差只受到VOA的差异的影响，此差异仅来源于制造工艺引入的变化。由于它们在芯片上非常靠近这个差异是小的。这个方法为相干接收芯片的信号控制提供了一种低PDL和小跟踪误差的解决方案。
在另一个芯片结构实施方案中，芯片的小型化和功能通过集成两个或两个以上相干接收器在一个芯片上形成阵列的方法得到进一步提高，所有的接收器可以共享一个LO。图9给出了这样器件结构的一个例子，其中两个相干接收器集成在一个芯片上。由于可以同时接收两个独立的信号，相干接收机芯片的信息处理容量被加倍了。
所提出的结构也可以用于高阶调制模式器件，而且也可以用于磷化铟，硅，氮化硅，硅锗和二氧化硅材料系统，或者前面提到的任何材料的组合。
附图说明
本发明之目的，特性和优点等等可以参考以下的附图描述得到最好的理解，其中
图1给出了带有两输入和四输出的常规90°相位混合器的示意图；
图2A给出了波导模式干涉耦合器型90°相位混合器的示意图；
图2B给出了4x4MMI耦合器型90°相位混合器的示意图。I和Q信道平衡探测器组合是用光波导交叉的方式实现的；
图2C给出了4x4MMI耦合器型90°相位混合器的示意图。I和Q信道平衡探测器组合是由电传输线和光波导的垂直交叉(电光交叉)来实现；
图3给出了全集成DP-QPSK接收机芯片的示意图；
图4显示了采用已有技术的DP-QPSK接收器，它包含两个ICR芯片和一系列的体光学器件；
图5给出了采用已有技术的DP-QPSK接收器的示意图，其中，LO输入位于SigX和SigY之间，光输入和电输出处于互相垂直的方向；
图6给出了本发明的第一种实施方案的示意图；
图7给出了本发明的另一个消除了波导交叉的实施方案；
图8给出了本发明另外一种包含VOA和检测功能的实施方案；
图9给出了本发明另外一种实施方案，两个相干接收器集成在一个芯片上，共享一个LO输入。
具体实施方式
本发明提出的实施方案，从对已有技术的一个回顾开始，按照图S.1-9描述如下。
图1给出了带有两输入的常规90°相位混合器的示意图。信号S 101和本地振荡源L102入射进入混合器110，在这里它们进行干涉，从MMI的输出端输出同相分量S+L 121和S-L122,以及正交分量S+jL 123和S-jL 124。
图2A说明了波导模式干涉型相位混合器。它包含4个3dB耦合器210，211，213，214和一个90°相移部件212。光信号221，224从混合器输出端输出，进入光探测器231，234，在这里它们被检测转化为电信号241，244，然后输入到TIA251，254。其中，S(signal)201通过3dB耦合器210入射至3dB耦合器213和3dB耦合器214，L(LO-local oscillator)202通过3dB耦合器211入射至3dB耦合器213，以及经过90°相移部件212入射至3dB耦合器214。
图2B给出了由4x4 MMI耦合器110组成的混合器，但只有两个输入端301，302被使用了。在混合器的输出端口，在中间两个波导中是光信号S+jL 323和S-jL 324，而在最外面的两个波导中是光信号S+L 321和S-L 322。由于光信号S+L 321和S-L 322必须连接到光探测器331和332以便其输出电信号(341和342)进入同一个TIA 351，而波导322无法直接连接到光探测器332。按图2B所示，这个困难的解决方案是引入两个波导交叉，波导322交叉穿过波导323和324，连接到光探测器333和334以便其输出电信号(343和344)进入同一个TIA354，这导致了芯片尺寸的变大和额外的光损耗。
图2C给出了由4x4 MMI耦合器110组成的相位混合器，但只有两个输入端401，402被使用了。在混合器的输出端口，在中间两个波导中是光信号S+jL 323和S-jL 324，而最外面的两个波导中是光信号S+L 321和S-L 322。这给连接光电探测器431和432到TIA 451造成了困难。这个困难的解决方案是将电传输线442以垂直交叉的方式跨过光波导423和424。
图3给出了全集成DP-QPSK接收器芯片的示意图。这里信号3001耦合进芯片，传输到功率探测器3002，VOA3003和偏振分束器(PBS)3004。同时LO信号3005被分束器3006分束后进入相位混合器3007和3008，并和同时进入混合器的偏振信号光混合，在光探测器阵列3010进行光电转换后，其电信号被导至电输出阵列3011；其中，所述的光输入端口都包含集成在芯片上的光斑转换器，使得输入端面的光模斑尺寸和单模光纤的模斑相匹配。
图4介绍了A.Beiling,N.Ebel,A.Matiss,and G.Unterborsch的相干接收器，可参考文献‘Fully-Integrated Polarization-Diversity Coherent Receiver Module for100G DP-QPSK,OML5,OFC’2011。”这里使用了体光学器件，例如准直器(C,4003),两个半波片(HWP,4004和4008)，PBS立方体4005,时延差补偿器(SC,4006)和两个微透镜阵列(L,4007和4009)，通过它们，光信号3001和3002分别被准直后耦合进2个独立的InP基的芯片4010和4020。
图5介绍了另外一种采用已有技术的相干接收器，它使用一个全集成芯片完成两个偏振信号的处理[V.Houtsma,N.G.Weimann,T.Hu,et al,‘ManufacturalMonolithically Integrated InP Dual-Port Coherent Receiver for 100G PDM-QPSKApplications’,OML2,OFC’2011。]这个方法与众不同的特点是：(i)LO的输入3005位于SigX 5001和SigY 5003之间；(2)光输入的方向5004和电输出的方向5005，5006互相垂直。正是这些特点造成芯片封装的困难。
图6给出了本发明的主要实施方案的示意图。这种芯片具体的特点是:(i)LO输入3005远离两个相邻的信号输入5001和5003，这样易于光纤安装；(ii)光输入信号方向5004平行于电信号输出5005和5006；(iii)90°相位混合器的光轴6007和6008垂直于光输入信号方向5004；(iv)电信号交叉跨过光波导6009，6010将8个光探测器列阵的输出信号接到TIA阵列3011；(v)电传输线6015，6016被用来进行光的时延差补偿；优选地，光学相位混合器的光轴旋转至平行于输入端面，并使二个相应的光学相位混合器具有反向对称性且其输入光波导相对靠近而其输出光波导向外分开；或者，所述的光学相位混合器的光轴垂直于输入端面，输出光波导经过弯折和相应的波导型光探测器的方向相匹配，所述波导型光探测器的光轴平行于芯片输入端面或和芯片输入端面有小于15度的角度。
图7给出了本发明的另一个实施方案，它包含图6所示的全部特点，但去除了所有信号光5001和本振光LO 3005波导之间的交叉。LO波导3005绕过90°相位混合器110和光探测器7004，从电传输线7005下方经过，被LO分束器7006分束后，连接到到混合器110的输入。
图8给出了本发明另外一种实施方案。除了图6所示的全部特点，加入了更多的功能器件:有两个分路检测器包括分光器80018004和光监测器80028005，每一个后跟一可变光衰减器VOA 80038006，分别位于光信号线路上的输入端面和光学相位混合器的输入光波导之间。和图3所示的通用方案相比较，这个方案的优点是两个偏振通道可以得到更好的平衡和监测。
图9给出了本发明另外一种实施方案。两个和图6完全一样的相干接收器9001和9002被集成在一个芯片上，通过一个1x2分束器9004共享一个LO源9003。这个方案由于可以同时解调两个独立的信道9005和9006，相干接收器的信息处理容量被加倍了。

Claims (11)

1.一种单片集成相干光接收器芯片包含：
在芯片输入端面上的三个光输入端口，其中第一光输入端口提供本地振荡源的，第二输入端口提供X-偏振光信号的接入，第三输入端口提供Y-偏振光信号的接入；
该芯片还包括两个90°光学相位混合器，其在芯片上分别放置在适合接收X-偏振光信号或Y-偏振光信号的地方，此两个90°光学相位混合器各有两个输入光波导和四个输出光波导；
所述的二组四个输出光波导分别连接到相应的二组四个波导型光探测器；
所述波导型光探测器的光轴平行于芯片输入端面或和芯片输入端面有小于15度的角度；
从所述波导型光探测器产生的电信号经两组四路传输线传输到相应的沿着芯片输出端面排列的8个电输出口，此输出端面与输入端面分别位于芯片的相对的两侧；
所述的光学相位混合器的两组四个输出光波导和相应的两组四路传输线形成了从相应的两个光学相位混合器的输出到所述相干光接收器芯片两组四个电输出口的两对四路延迟线；
这8条延迟线之间的净延迟差达到最小化；
所述的光输入端口都包含集成在芯片上的光斑转换器，使得输入端面的光模斑尺寸和单模光纤的模斑相匹配；
所述的光输入端口之间的距离设计成一对信号光波导之间的距离和外部偏振分束器相匹配，同时本地振荡光输入端口的位置远离信号光输入端口，以便于模块组装。
2.根据权利要求1所述的单片集成相干光接收器芯片，其中所述的光学相位混合器的光轴旋转至平行于输入端面，并使二个相应的光学相位混合器具有反向对称性且其输入光波导相对靠近而其输出光波导向外分开。
3.根据权利要求1所述的单片集成相干光接收器芯片，其中所述的光学相位混合器的光轴垂直于输入端面，输出光波导经过弯折和相应的波导型光探测器的方向相匹配，所述波导型光探测器的光轴平行于芯片输入端面或和芯片输入端面有小于15度的角度。
4.根据权利要求3所述的单片集成相干光接收器芯片，其中所述的两个光学相位混合器及其两个输入光波导具有旋转对称性，而其两组四路输出延迟线则具有反向对称性，反向对称轴垂直于芯片输入端面，而旋转对称的中心就位于此反向对称轴上。
5.根据权利要求4所述的单片集成相干光接收器芯片，其中的本地振荡源输入光波导与两个信号光波导中的一个相交叉之后排列两个光学相位混合器之间；然后所述的本地振荡源输入光波导被等分成两路本地振荡源波导分别被导入相应的光学相位混合器。
6.根据权利要求4所述的单片集成相干光接收器芯片，对应于本地振荡源光输入的第一光波导绕过前述光学相位混合器中的一个的输出光波导及相应的光探测器，从相应的传输线下方穿过到所述的光学相位混合器之间，然后所述的本地振荡源输入被分成相同的两部分，分别连接到相应的两个相应的光学相位混合器的输入。
7.根据权利要求5或6所述的单片集成相干光接收器芯片，其中所述的两个光学相位混合器的光轴转至相对输入端面成一角度，此角度是0°到90°之间的任何角度，以实现接收器芯片不同的纵横比。
8.根据权利要求7所述的单片集成相干光接收器芯片，其中更进一步包含一个分路检测器，每一个分路检测器后连接一个可变光衰减器，所述分路检测器和可变光衰减器就位于芯片输入端面和相应的光混合器的输入光波导之间，分别处于X-偏振和Y-偏振光信号线路上；这两个可变光衰减器分别工作，或者统一控制，两个分路检测器的输出合在一起监测，或者独立工作。
9.一个单片集成相干光接收器芯片，包含一相干接收器阵列，此阵列至少包含两个如权利要求5、6、7或8所述的单片集成相干光接收器芯片，其中至少有一个本地振荡源被相干接收器阵列共享。
10.根据权利要求9所述的单片集成相干光接收器芯片，该芯片的波导材料包括但不局限于GaAs，InP，GaAs基的三元和四元材料，InP基的三元和四元材料，硅和氧化硅材料，氮化硅和薄膜材料，或所述材料的组合。
11.根据权利要求9所述的单片集成相干光接收器芯片，其波导材料由复合材料组成，包括但不局限于不同属性的多层材料，包括但不局限于圆晶片键合或纳米膜堆积工艺。
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