CN108594480A - 基于纳米束调制器的少模波导光发射结构 - Google Patents

基于纳米束调制器的少模波导光发射结构 Download PDF

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Abstract

一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，由一根少模总线波导、N个定向耦合器、包含N个纳米束调制器的纳米束调制器阵列和包含N个单模波导的单模波导阵列构成，其中N≥3。输入激光进入单模波导阵列，经过纳米束调制器调制，之后分别与少模总线波导中的不同模式进行耦合，其中少模波导总线宽度逐渐由小变大，从而使支持的模式由单模变为多模。本发明具有传输信号数据容量大、调制效率高、结构紧凑、功耗低的特点，又能实现调制器阵列的高密度集成。在数据光互连中具有广泛的应用前景。

Description

基于纳米束调制器的少模波导光发射结构
技术领域
本发明涉及电光调制，具体是一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构。
背景技术
当今世界科技和经济发展对高性能计算日益增长的需求，以及微电子技术自身不断的完善，使得高端处理器的性能不断提高。这将使得大规模计算和交换系统变得越来越复杂，必须在有限的功耗预算内不断提高互连容量才能持续提高处理速度。电互连的功耗、面积和成本随数据量的增加呈指数增长。这意味着如果用传统的电互连来实现如此大的传输带宽，必须在电学材料、器件和电路等方面取得进一步突破，包括低损耗和低色散的电介质材料(通常非常昂贵)、串行器/解串器、均衡和噪声消除电路等等。电互连技术进展速度很难跟得上实际发展需求。而光子不带电荷、无静止质量，因此高速和宽带是光子学与身居来的优势，这一优势已在90年代后蓬勃发展起来的光纤通信系统中得到很好的发挥。同样，硅光子学的发展为芯片内光互连展示了光与电相辅相成、共同提高的美好前景。
光互连实际上是一个微型化的光通信系统，需要产生光载波的激光器、把电信号转变成光信号的调制器和将光信号还原成电信号的探测器。对于片上光互连，不宜采用高阶调制方式，以强度调制-直接检测(IM-DD)为主。这是因为一方面高阶调制的解调复杂、代价高(包括对激光器要求也很高)；另一方面传输距离短，基本不存在色散和非线性对信号质量的影响。在长距离通信中采用高阶调制的另一目的是提高谱效率，这一问题可通过空分、波分、模分复用等方式予以解决。用硅材料实现光互连功能，工艺上与CMOS兼容是其优势之一，但存在诸多挑战。比如，硅是间接带隙材料，无法通过受激辐射产生激光。这是硅基光互连最大挑战之一，近期虽有一定进展，但离应用要求还有距离。比较可行的方式是采用III-V族激光芯片倒扣在硅基片上实现混合集成，虽然这种解决方案在一定程度上使硅基光互连的优越性打折扣。
高速低功耗电光调制器作为光互连的关键器件之一，近年来受到美国、日本等政府部门和研究结构的高度重视。用于片上光互连的调制器与光通信所使用的调制器不同，除了能实现高速调制外，必须具有以下特征：低功耗、小型化，并且和CMOS兼容。为了实现高速调制，必须有快速的载流子迁移(注入和抽取)以及短的光子寿命。低功率则要求调制器必须具有低调制电压，因而必须提高调制效率和消光比。特别是对于短距离的芯片内光互连，光发射机的能耗预算需要控制在几个fJ/bit左右。因此，制作硅基电光调制器的难度虽不如硅基激光器，但仍有很多技术问题需要攻克。
发明内容
本发明是基于现有的光子学理论和成熟的制备工艺基础，针对上述问题和现有技术的不足，提出一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构。该结构具有传输信号容量大、调制效率高、结构紧凑、功耗低的特点，又能实现调制器阵列的高密度集成。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，其特点在于整个结构由一根少模总线波导、N个定向耦合器、包含N个纳米束调制器的调制器阵列和包含N根单模波导的单模波导阵列构成，所述的少模总线波导的波导宽度逐渐由小变大(w1<w2<w3)，输入激光进入所述的单模波导阵列，经过所述的纳米束调制器阵列调制，经N个定向耦合器分别与所述的少模总线波导中的相应模式进行耦合，最终将不同光信号合成一路采用多个模式进行传输，其中N≥3。
所述的输入单模波导为普通单模波导结构。所述的纳米束波导为复合波导，由锗和硅材料组成，下层为硅，厚度为50-200nm，中间层为锗硅合金，厚度<200nm，上层为多晶硅，厚度为50-200nm。所述的输入波导和纳米束波导的宽度取为0.3-0.6μm。
所述的纳米束调制器是由在复合波导内刻蚀小孔(<400nm)形成的一维光子晶体反射镜构成的法布里-珀罗谐振腔，反射镜结构采用通孔在两端逐渐减小的方式过渡到波导，以此来减小模式失配引起的损耗，法布里-珀罗谐振腔内集成了纵向PN结，通过外加反偏电压基于自由载流子色散效应可以改变复合波导的有效折射率，从而在法布里-珀罗谐振波长处对输出光强度形成调制。
所述的少模总线波导的波导宽度逐渐由小变大(w1<w2<w3)，从而使支持的模式由单模变为多模，每个纳米束调制器输出光波导模式均与少模波导中的一个特定模式相匹配，从而实现高效选择性耦合。
本发明的原理是单模阵列波导输入连续激光，经纳米束调制器阵列调制后，再通过定向耦合器耦合至少模总线波导。待传输的数据信号用于调制纳米束法布里-珀罗谐振腔，从而在谐振波长处实现光强度调制。通过复合波导与少模总线波导的选择性耦合，可激发出相应模式。这样，每个调制器对应一个少模波导模式，通过模式复用将它们合在一起，在少模波导中相互独立地稳定传输。接收端通过相应的模式解复用器，提取相关信道的信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用纳米束谐振腔调制器，这种调制器可方便构成阵列，实现多个处理器和内存之间的互连，有效减小器件所占用的面积、提高单根波导的传输容量。集阵列调制与多模传输于一体，结构简单、紧凑，适合于高密度单片集成。
附图说明
图1为本发明基于纳米束调制器的少模波导光发射结构的实施例示意图
图2为不同波导宽度下的少模波导所有模式的有效折射率图(波长1550nm)
图3为少模波导截面结构示意图
图4为纳米束调制器的截面示意图
图5为纳米束调制器中法布里-珀罗反射镜反射频谱和谐振腔谐振频谱图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明基于纳米束调制器的少模波导光发射结构的实施例示意图。如图所示，自上而下分别是少模总线波导10、纳米束调制器阵列和单模波导阵列。具体结构是由一根少模总线波导10、包含三个纳米束调制器4、5、6的调制器阵列和包含三根单模波导1、2、3的单模波导阵列组成。TE0模输入光通过三根单模光波导1、2、3传输，分别进入纳米束调制器4、5、6，经电光调制后，经过定向耦合器7、8、9与少模总线波导10进行耦合。通过定向耦合器模式选择性耦合可以将三个输入光信号转变为少模波导的TE0、TE1和TE2模在少模波导10内传输。为了实现高效少模激发，所述的三个定向耦合器7、8、9需要使输入波导的有效折射率与不同宽度少模波导的有效折射率相匹配起来。图2仿真结果表明，与0.5μm单模波导耦合的少模波导中的11、12、13处对应的宽度分别为w1＝0.5μm，w2＝1.07μm，w3＝1.67μm，从而可以实现少模波导中TE0、TE1和TE2模式的激发。
所述的少模总线波导结构10如图3所示。图中10_1、10_2部分分别是成分为二氧化硅的上下包层，中间一层为硅波导层10_3，波导高度220nm，平板高度60nm。波导宽度从左往右逐渐增大，以满足不同模式耦合时相位匹配要求。
所述的纳米束调制器4(或5、6)为复合波导，具体结构如图4所示。图中4_1、4_2部分分别是成分为二氧化硅的上下包层，中间一层为波导层。波导的下层硅4_5的厚度为220nm，中间锗硅合金层4_9的厚度为60nm，上层多晶硅层4_6、4_8的厚度为40nm。硅层4_5为N-型掺杂，而锗硅层4_9和多晶硅层4_6为P-型掺杂(掺杂浓度均为1017cm-3)。复合波导平板层靠近波导处4_7做N-型重掺杂，而在多晶硅层靠近波导处4_8做P型重掺杂(掺杂浓度1020cm-3)，以和金属形成欧姆接触。图中4_3、4_4部分则为金属通孔，实现PN结的金属连接。
所述的纳米束调制器4、5、6是由在复合波导内刻蚀小孔形成的一维光子晶体反射镜构成的法布里-珀罗谐振腔。反射镜结构采用通孔在两端逐渐减小的方式过渡到波导，以此来减小模式失配引起的损耗。法布里-珀罗谐振腔内集成了纵向PN结，通过外加反偏电压可以改变异质PN结的耗尽层宽度，由于载流子色散效应，复合波导的有效折射率得以改变，从而在法布里-珀罗谐振波长处实现对输出光强度的调制。由于该谐振腔结构尺寸非常小，而且能实现高品质因子(Q值)谐振，微小的折射率改变就能得到高消光比调制，因此调制所需要的电压和功耗都很小。这种调制器非常适合应用于对功耗要求非常严苛的光互连系统中。图5(a)所示为使用FDTD计算的纳米束反射镜频谱特性。在1.5μm到1.7μm波长范围内，反射镜反射率可达90％以上。通过设计谐振腔长度可在纳米束这种一维光子晶体的禁带中间获得尖锐的谐振峰。计算得到了法布里-珀罗微谐振器的谐振频谱如图5(b)所示。输出端谐振Q值3×103，消光比30dB。当外加1V调制电压于复合波导上时，就可获得>10dB的调制深度。

Claims (4)

1.一种基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，其特征在于整个结构由一根少模总线波导(10)、N个定向耦合器(7、8、9)、包含N个纳米束调制器(4、5、6)的调制器阵列和包含N根单模波导(1、2、3)的波导阵列构成，所述的少模总线波导(10)的波导宽度逐渐由小变大(w1<w2<w3)，输入激光进入所述的N根单模波导(1、2、3)，分别由所述的N个纳米束调制器(4、5、6)进行调制，再分别经N个定向耦合器(7、8、9)分别与所述的少模总线波导(10)中相应模式在少模波导不同位置处(11、12、13)进行耦合，将不同光信号合成一路基于多个模式进行传输，其中N≥3。
2.根据权利要求1所述的基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，其特征在于，所述的单模波导(1、2、3)为脊型单模波导由硅材料构成，所述的纳米束调制器(4、5、6)的波导为复合波导，由锗和硅材料组成，下层为硅，厚度为50-200nm，中间层为锗硅合金，厚度<200nm，上层为多晶硅，厚度为50-200nm，所述的单模波导和纳米束波导的宽度取为0.3-0.6μm。
3.根据权利要求1所述的基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，其特征在于，所述的纳米束调制器(4、5、6)是由在复合波导内刻蚀小孔(<400nm)形成的一维光子晶体反射镜构成的法布里-珀罗谐振腔，反射镜结构采用通孔在两端逐渐减小的方式过渡到波导，以此来减小模式失配引起的损耗，法布里-珀罗谐振腔内集成了纵向PN结，通过外加反偏电压可以改变复合波导的有效折射率，从而在法布里-珀罗谐振波长处对输出光强度形成调制。
4.根据权利要求1所述的基于纳米束调制器的少模波导光发射结构，其特征在于，所述的少模总线波导(10)的波导宽度逐渐由小变大(w1<w2<w3)，从而使支持的模式由单模变为多模，每个纳米束调制器输出光波导模式均与少模波导中的一个特定模式相匹配，从而实现高效选择性耦合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112526672A (zh) * 2019-09-18 2021-03-19 华中科技大学 一种光学波导手性模式转换方法及装置
CN114285469A (zh) * 2021-11-16 2022-04-05 武汉永鼎光通科技有限公司 一种用于短距离高速传输的低成本400g光模块及其光调制方法
CN114839718A (zh) * 2022-03-03 2022-08-02 上海大学 一种光波导多级耦合模分复用器

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