CN110361877B - 一种硅基光调制器光路监控结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种硅基光调制器光路监控结构，包括一个或多个光探头，每个光探头后端连接一个监控探测器；所述光路监控结构与光调制器集成，所述光调制器包括合束器，所述一个或多个光探头分别与所述合束器的输出波导耦合；其中，当所述合束器的两端输入光为反相输入时，干涉相消，所述一个或多个光探头接收干涉后的散射光，并探测光功率，所述监控探测器将对应探头探测到的光功率转换成光电流。本发明在不额外增加工艺难度的条件下，利用光探头和监控探测器接收干涉后的散射光来实现光路监控，输出反相时无相位偏移，可克服偏置点锁定偏差的问题，并有效降低分光器带来的传输损耗。

Description

一种硅基光调制器光路监控结构

【技术领域】

本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种硅基光调制器光路监控结构。

【背景技术】

硅光子技术是基于硅材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，在光通信、数据中心、超级计算、生物、国防、AR/VR技术、智能汽车与无人机等许多领域将扮演极其关键的角色。当前硅光子技术日渐成熟，其高集成度、小尺寸、低功耗、光电集成等优点备受瞩目，未来硅光子技术将有可能会替代当前的自由空间耦合技术，并且硅光子技术具有解决长远的技术演进(高速率、高集成度)和成本矛盾的能力。

硅光子芯片可以集成高速率调制器、传输波导、耦合器、高速率Ge-Si探测器等，将无源芯片和有源芯片实现了单片集成。但是，硅光产品目前仍有技术瓶颈：1)硅光波导耦合损耗较大；2)硅材料温度敏感，对功率和温控有更高要求；3)硅光需要混合集成激光器，封装良率较低成本优势有限。如何降低硅光芯片的传输损耗，优化发射端出光功率是硅光产业化面临的一个重要的研究课题，通常的方式是增大激光器出光功率来提高发射功率，但是容易引起器件功耗增大、提高芯片工艺难度等问题；另外一个方式是，优化硅光调制器芯片本身的损耗，其损耗主要包括：光耦合损耗、光传输损耗、光电调制吸收损耗。

在光调制器中，光监控端口或MPD的功能主要有两个：①光功率值监控；②光调制器工作点反馈调节与锁定。如图1所示，在常规的硅基单马赫-曾德尔干涉仪(Mach–ZehnderInterferometer，简写为MZI)调制器中，调制器部分主要包括1x2MMI合束器001、硅波导002、热相移器004和有源掺杂区005，光路监控部分主要包括第一监控探测器007。其中，光路监控方式通常有两种：

在图1(a)中，光路监控部分还包括2x2MMI光耦合器003(MMI为多模干涉)，主要利用2x2MMI光耦合器003两个输出端反相，在所述2x2MMI光耦合器003干涉相消时，光功率监控值最大；所述2x2MMI光耦合器003干涉相长时，光功率监控值最小。此时，光监控端和光输出端相位差理论上为180°，但在所述2x2MMI光耦合器003的实际加工中，由于工艺误差会不可避免地引起相位偏移，即相位误差，如图2所示，相位误差

而且，相位偏移是随机的，无法通过算法补偿来消除，导致利用光监控端来做工作点调节反馈时，不是最佳工作点，会影响强度调制器的误码率(BER)或相位调制器的光信噪比(OSNR)。

在图1(b)中，光路监控部分还包括分光比例为95:5的分光耦合器006，主要利用所述分光耦合器006实现监控分光，其中，光输出端口为95％的比例，光监控端口为5％的比例。此种监控方式在整个O波段或C波段内，其波长相关性大于1dB，光监控端口分光比例由于工艺误差会在4％～6％波动，同时会在单个MZI调制器的光输出端口引入大于0.25dB的额外传输损耗。传输损耗的引入尤其在多级MZI调制器结构中明显，如偏振复用正交相位调制器(DP-IQ)中采用4级MZI结构，若采用95:5的分光耦合器结构将额外增加光输出端口约1dB的额外传输损耗。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明需要解决的技术问题是：

在传统的调制器光路监控结构中，通常采用2x2MMI光耦合器或分光耦合器来实现光路监控，输出反相时容易引入相位误差，导致偏置点锁定偏差的问题，还可能会带来额外的传输损耗。

本发明通过如下技术方案达到上述目的：

本发明提供了一种硅基光调制器光路监控结构，包括一个或多个光探头，每个光探头后端连接一个监控探测器；

所述光路监控结构与光调制器集成，所述光调制器包括合束器，所述一个或多个光探头分别与所述合束器的输出波导011耦合；

其中，当所述合束器的两端输入光为反相输入时，干涉相消，所述一个或多个光探头接收干涉后的散射光，并探测光功率，所述监控探测器将对应探头探测到的光功率转换成光电流。

优选的，所述光探头设置两个，分别为第一光探头008和第二光探头012，所述监控探测器相应设置两个，分别为第一监控探测器007和第二监控探测器009；

所述第一光探头008后端连接所述第一监控探测器007，所述第二光探头012后端连接所述第二监控探测器009；

所述第一光探头008和所述第二光探头012设置在所述输出波导011的同侧或两侧。

优选的，所述第一光探头008和所述第二光探头012设置在所述输出波导011的两侧，且各光探头的中心线与所述输出波导011的中心线呈一夹角。

优选的，各光探头的波导厚度H＝220nm，与输出波导011的厚度相同；

各光探头的末端宽度Wtip＝90nm；其中，所述末端为靠近所述输出波导011的一端；

各光探头末端与所述输出波导011中心线的水平距离dx＝1.2um，竖直距离dy＝1.4um；

两个光探头相对所述输出波导011的中心线呈对称分布，且各光探头的中心线与所述输出波导011中心线的夹角α＝8°。

优选的，所述光调制器为DP-IQ相位调制器，由四个MZI调制器结构组成，分别为X-I、X-Q、Y-I和Y-Q；所述光路监控结构设置6个，分别为第一光路监控结构014、第二光路监控结构015、第三光路监控结构016、第四光路监控结构017、第五光路监控结构018和第六光路监控结构019；

所述第一光路监控结构014用于监控X-I路MZI调制器结构的光功率，所述第二光路监控结构015用于监控X-Q路MZI调制器结构的光功率，所述第三光路监控结构016用于监控X路的光功率；所述第四光路监控结构017用于监控Y-I路MZI调制器结构的光功率，所述第五光路监控结构018用于监控Y-Q路MZI调制器结构的光功率，所述第六光路监控结构019用于监控Y路的光功率；

每个光路监控结构均包括两个光探头和两个监控探测器，且所述两个光探头对称设置在对应合束器输出波导的两侧。

优选的，在所述第三光路监控结构016和所述第六光路监控结构019的后端还设置有偏振旋转合束器013；

X偏振光和Y偏振光分别经过IQ正交相位调制后，由所述偏振旋转合束器013将X偏振和Y偏振的调制光进行合束。

优选的，当设置多个光探头时，对应的多个监控探测器并联，使得最终光电流为所述多个监控探测器探测的光电流之和。

优选的，所述光探头为一段锥形波导，锥形波导的粗端与对应的监控探测器连接，细端朝向所述输出波导011，并与所述输出波导011耦合。

优选的，所述光探头采用硅光高精度光刻和刻蚀工艺形成，所述监控探测器为锗硅光电二极管。

优选的，所述合束器为Y型合束器或多模干涉合束器。

本发明的有益效果是：

本发明提供的光调制器光路监控结构中，在不额外增加工艺难度的条件下，利用光探头和监控探测器接收干涉后的散射光来实现光路监控，输出反相时光监控端口和光输出端口的相位差固定，无相位偏移，可克服偏置点锁定偏差的问题，并有效降低了分光器带来的传输损耗；同时，该结构设计简单，容易在硅光芯片上单片集成。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种单MZI硅基光调制器的光路监控结构示意图；其中，图(a)为采用2x2MMI光耦合器进行反相监控，图(b)为采用95:5的分光耦合器进行同相监控；

图2为采用2x2MMI光耦合器进行反相监控时的相位偏移光谱曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种硅基光调制器的光路监控结构示意图(设置一个光探头)；

图4为本发明实施例提供的另一种硅基光调制器的光路监控结构示意图(设置两个光探头)；

图5为本发明实施例提供的一种光路监控结构及其尺寸参数定义示意图(采用Y型合束器)；

图6为本发明实施例提供的另一种光路监控结构及其尺寸参数定义示意图(采用多模干涉合束器)；

图7为本发明实施例提供的一种光路监控结构的监控效果曲线图；

图8为本发明实施例提供的光路监控结构应用于DP-IQ相位调制器时的示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1：

本发明实施例提供了一种硅基光调制器的光路监控结构，所述光路监控结构与光调制器集成，进而对所述光调制器进行光路监控。参考图3-图6，所述光调制器包括合束器，所述合束器为Y型合束器或多模干涉合束器。所述光路监控结构包括一个或多个光探头，每个光探头后端连接一个监控探测器；所述一个或多个光探头分别与所述合束器的输出波导011耦合。当所述合束器的两端输入光为反相输入时，干涉相消，所述一个或多个光探头可接收干涉后的散射光，进而探测光功率，所述监控探测器将对应探头探测到的光功率转换成光电流。

其中，所述光探头具体可以为一段锥形波导，锥形波导的粗端与对应的监控探测器连接，细端朝向所述输出波导011，则随着尖端逐渐变细，其模场逐渐扩大，可以更好的接收光调制器干涉相消时包层的散射光，散射光相对输出波导011中心线对称分布，逐渐发散。当设置多个光探头时，对应的多个监控探测器并联，使得最终光电流为所述多个监控探测器探测的光电流之和。

本发明实施例提供的光调制器光路监控结构中，在不额外增加工艺难度的条件下，利用光探头和监控探测器接收干涉后的散射光来实现光路监控，在输出反相时光监控端口和光输出端口的相位差固定，无相位偏移，可克服相位偏差导致的偏置点锁定偏差的问题，并有效降低了分光器带来的传输损耗；同时，该结构设计简单，容易在硅光芯片上单片集成。

如图3和图4所示，在本发明实施例中，所述光路监控结构与单MZI硅基光调制器集成，所述单MZI硅基光调制器包括1x2MMI分束器001、硅波导002、热相移器004、有源掺杂区005和1x2MMI合束器010(即Y型合束器)。当设置一个光探头时，可参考图3，所述光路监控结构包括第一光探头008和连接在其后端的第一监控探测器007，且所述第一光探头008的位置相对所述1x2MMI合束器010的输出波导中心线成夹角，所述第一光探头008探测到的散射光功率通过第一监控探测器007转换为光电流。

当设置多个(两个及以上)光探头时，多个光探头连接多个监控探测器有利于提高监控响应度，可以进行计算上的累加，避免有效获取电压值不够大，影响具体分析过程；但是设置过多的光探头也会增加组件数量，占用芯片面积。因此，在图4对应的具体实施例中，优选采用两个光探头，分别为第一光探头008和第二光探头012；所述监控探测器也相应设置两个，分别为第一监控探测器007和第二监控探测器009；所述第一光探头008后端连接所述第一监控探测器007，所述第二光探头012后端连接所述第二监控探测器009。所述第一光探头008和所述第二光探头012可以设置在所述输出波导011的同侧，也可分别设置在两侧。

继续参考图5，当所述1x2MMI合束器010两端输入光为同相输入时，实现干涉相长，合束后光沿X方向传输，如图5(a)；当所述1x2MMI合束器010两端输入光为反相输入时，干涉相消，光沿X’方向传输，逐渐发散至芯片包层，如图5(b)。其中，同相输入时，所述第一光探头008和所述第二光探头012接收光功率为零，转换光电流为零；而反相输入时，光束合成为一阶模，一阶模无法在波导内稳定传输，则光在包层内发散，此时所述第一光探头008和所述第二光探头012接收散射光光功率为最大值，转换为光电流也最大。

假设所述第一监控探测器007探测到的光电流为I₁，所述第二监控探测器009探测到的光电流为I₂，则需通过硅光芯片上的金属电极，将两个监控探测器二极管并联，实现最终MPD光电流为第一监控探测器007光电流和第二监控探测器009光电流之和，即I_MPD＝I₁+I₂。作为优选，所述第一光探头008和第二光探头012可采用硅光高精度光刻和刻蚀工艺形成，第一监控探测器007和第二监控探测器009具体可以是锗硅光电二极管。

其中，在实际设计时，需通过优化各光探头的夹角和相对位置，使所述第一监控探测器007和所述第二监控探测器009的光电流之和最大。优化结果具体如下：参考图5和图6，所述第一光探头008和所述第二光探头012设置在所述输出波导011的两侧，且各光探头的中心线均与所述输出波导011的中心线呈一夹角。在优选方案中，所述第一光探头008和所述第二光探头012沿所述输出波导011的中心线呈竖直对称分布。其中，各光探头的波导厚度H＝220nm，与输出波导011的厚度相同；各光探头的末端宽度Wtip＝90nm(所述末端为靠近所述输出波导011的一端)；各光探头末端与所述输出波导011中心线的水平距离dx＝1.2um，竖直距离dy＝1.4um；各光探头的中心线与所述输出波导011中心线的夹角α＝8°。

在上述优化尺寸下，所述1x2MMI合束器010两端输入反相时，两个光探头的监控效率之和可达到12％。具体参考图7，MZI干涉相消时归一化监控值为12％，MZI干涉相长时归一化监控值为0，实现光监控端和光输出端相位差正好为180°，相位偏移为0°。根据实际光通信系统需求，光功率监控效率大于5％即可，而此处经过尺寸优化后达到12％，12％的监控效率值可以很好的满足芯片光功率监控需求，且相位偏移为零，可以很准确的为偏置点反馈提供判断依据。

在光调制器中，调节偏置点具体是通过光功率监控值的反馈来调制所述热相移器004，使单MZI硅基光调制器工作在某一固定状态，并形成反馈回路实现闭环调节。结合图7，由于光输出端和光监控端存在固定的180°相位差，若使光功率监控值最小，此时单MZI硅基光调制器需工作在Vpi点；若使光功率监控值最大，此时单MZI硅基光调制器需工作在Null点；若使光功率监控值处于中间值，此时单MZI硅基光调制器需工作在Vpi/2点。

其中，在图3-图5提供的实施例中，所述合束器均为Y型合束器；除此以外，还可参照图6，所述合束器采用多模干涉合束器20，其实现的探测效果与Y型合束器相同，光探头的设置夹角和位置也与使用Y型合束器时相同，在此不再赘述。

前面介绍的是将光路监控结构应用在单MZI硅基光调制器中，当将上述设置两个光探头的光路监控结构应用在强度调制器(IM)中时，监控方式可参考图4，与应用在单MZI硅基光调制器中相同。其中，所述第二光探头012与所述第一光探头008沿所述输出波导011的中心线成竖直对称，所述第一光探头008与所述第一监控探测器007通过波导连接，所述第二光探头012和所述第二监控探测器009通过波导连接，两个光探头与所述输出波导011之间的空白区域覆盖有SiO₂包层；所述第一监控探测器007和所述第二监控探测器009为锗硅光电二极管，通过硅光芯片上的金属电极将两个监控探测器二极管并联，实现最终监控结构光电流为第一监控探测器007光电流和第二监控探测器009光电流之和。由于光输出端和光监控端存在固定的180°相位差，调制热相移器004，使光功率监控值处于中间值，强度调制器工作在Vpi/2点，并通过自动偏压控制算法(ABC)形成闭环控制，稳定其工作点。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，所述光调制器还可以是DP-IQ相位调制器，即，将实施例1中设置两个光探头的光路监控结构应用在DP-IQ相位调制器中，如图8所示。其中，所述DP-IQ相位调制器由四个MZI调制器结构(即四个单MZI硅基光调制器)组成，分别为X-I、X-Q、Y-I和Y-Q；所述光路监控结构设置6个，分别为第一光路监控结构014、第二光路监控结构015、第三光路监控结构016、第四光路监控结构017、第五光路监控结构018和第六光路监控结构019。由图知，每个光路监控结构均包括两个光探头和两个监控探测器，且两个光探头对称设置在对应合束器输出波导的上下两侧。

继续参考图8，所述第一光路监控结构014与单MZI硅基光调制器X-I集成，所述第二光路监控结构015与单MZI硅基光调制器X-Q集成，在所述单MZI硅基光调制器X-I和所述单MZI硅基光调制器X-Q的输出端设置有第一1x2MMI合束器021；所述第三光路监控结构016的两个光探头，对称设置在所述第一1x2MMI合束器021输出波导的上下两侧。其中，所述单MZI硅基光调制器X-I的输出光与所述单MZI硅基光调制器X-Q的输出光，经所述第一1x2MMI合束器021合束后，形成X偏振光。

所述第五光路监控结构018与单MZI硅基光调制器Y-I集成，所述第四光路监控结构017与单MZI硅基光调制器Y-Q集成，在所述单MZI硅基光调制器Y-I和所述单MZI硅基光调制器Y-Q的输出端设置有第二1x2MMI合束器022；所述第六光路监控结构019的两个光探头，对称设置在所述第二1x2MMI合束器022输出波导的上下两侧。其中，所述单MZI硅基光调制器Y-I的输出光与所述单MZI硅基光调制器Y-Q的输出光经所述第二1x2MMI合束器022合束后，形成Y偏振光。

在所述第三光路监控结构016和所述第六光路监控结构019的后端还设置有偏振旋转合束器013，具体是设置在所述第一1x2MMI合束器021和所述第二1x2MMI合束器022的输出端；则X偏振光和Y偏振光分别经过IQ正交相位调制后，由所述偏振旋转合束器013将X偏振和Y偏振的调制光进行合束。

结合上述结构，所述第一光路监控结构014用于监控X-I路MZI调制器结构的光功率，所述第二光路监控结构015用于监控X-Q路MZI调制器结构的光功率，所述第三光路监控结构016用于监控X路的光功率；通过调节X路热相移器，使其工作在Vpi/2点，保证X-I路和X-Q路满足90°正交相位差。所述第四光路监控结构017用于监控Y-I路MZI调制器结构的光功率，所述第五光路监控结构018用于监控Y-Q路MZI调制器结构的光功率，所述第六光路监控结构019用于监控Y路的光功率；通过调节Y路热相移器，使其工作在Vpi/2点，保证Y-I路和Y-Q路满足90°正交相位差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，光路监控结构包括一个或多个光探头，每个光探头后端连接一个监控探测器；

所述光路监控结构与光调制器集成，所述光调制器包括合束器，所述一个或多个光探头分别与所述合束器的输出波导(011)耦合；

其中，当所述合束器的两端输入光为反相输入时，干涉相消，所述一个或多个光探头接收干涉后的散射光，并探测得到第一光功率；当所述合束器的两端输入光为同相输入时，干涉相长，所述一个或多个光探头接收合束光，并探测得到第二光功率；

通过设定所述硅基光调制器的光功率值为所述第一光功率和所述第二光功率之和的平均值，以便锁定所述硅基光调制器的偏置点。

2.根据权利要求1所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，所述光探头设置两个，分别为第一光探头(008)和第二光探头(012)，所述监控探测器相应设置两个，分别为第一监控探测器(007)和第二监控探测器(009)；

所述第一光探头(008)后端连接所述第一监控探测器(007)，所述第二光探头(012)后端连接所述第二监控探测器(009)；

所述第一光探头(008)和所述第二光探头(012)设置在所述输出波导(011)的同侧或两侧。

3.根据权利要求2所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，所述第一光探头(008)和所述第二光探头(012)分别设置在所述输出波导(011)的两侧，且各光探头的中心线与所述输出波导(011)的中心线呈一夹角。

4.根据权利要求3所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，各光探头的波导厚度H＝220nm，与所述输出波导(011)的厚度相同；

各光探头的末端宽度Wtip＝90nm；其中，所述末端为靠近所述输出波导(011)的一端；

各光探头末端与所述输出波导(011)中心线的水平距离dx＝1.2um，竖直距离dy＝1.4um；

两个光探头相对所述输出波导(011)的中心线呈对称分布，且各光探头的中心线与所述输出波导(011)中心线的夹角α＝8°。

5.根据权利要求1所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，所述光调制器为DP-IQ相位调制器，由四个MZI调制器结构组成，分别为X-I、X-Q、Y-I和Y-Q；所述光路监控结构设置6个，分别为第一光路监控结构(014)、第二光路监控结构(015)、第三光路监控结构(016)、第四光路监控结构(017)、第五光路监控结构(018)和第六光路监控结构(019)；

所述第一光路监控结构(014)用于监控X-I路MZI调制器结构的光功率，所述第二光路监控结构(015)用于监控X-Q路MZI调制器结构的光功率，所述第三光路监控结构(016)用于监控X路的光功率；所述第四光路监控结构(017)用于监控Y-I路MZI调制器结构的光功率，所述第五光路监控结构(018)用于监控Y-Q路MZI调制器结构的光功率，所述第六光路监控结构(019)用于监控Y路的光功率；

每个光路监控结构均包括两个光探头和两个监控探测器，且所述两个光探头对称设置在对应合束器输出波导的两侧。

6.根据权利要求5所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，在所述第三光路监控结构(016)和所述第六光路监控结构(019)的后端还设置有偏振旋转合束器(013)；

X偏振光和Y偏振光分别经过IQ正交相位调制后，由所述偏振旋转合束器(013)将X偏振和Y偏振的调制光进行合束。

7.根据权利要求1所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，当设置多个光探头时，对应的多个监控探测器并联，使得最终光电流为所述多个监控探测器探测的光电流之和。

8.根据权利要求1-7任一所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，所述光探头为一段锥形波导，锥形波导的粗端与对应的监控探测器连接，细端朝向所述输出波导(011)，并与所述输出波导(011)耦合。

9.根据权利要求1-7任一所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，所述光探头采用硅光高精度光刻和刻蚀工艺形成，所述监控探测器为锗硅光电二极管。

10.根据权利要求1-7任一所述的硅基光调制器光路监控结构，其特征在于，所述合束器为Y型合束器或多模干涉合束器。

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