CN113114381B - 混合集成接收芯片 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种混合集成接收芯片，包括：本地信号光合波器，用于实现不同波长本地信号光的合波；偏振分束器单元，与所述本地信号光合波器相连，用于将合波后的本地信号光和对应的调制信号光进行TE和TM两个偏振态的偏振分束；交叉双输入阵列波导光栅解复用器，通过弯曲和交叉结构与所述偏振分束器单元相连，用于接收偏振分束后的本地信号光和对应的调制信号光，实现不同波长本地信号光和对应的调制信号光分别在TE和TM两个偏振态模式下的解复用；光混频器单元，与所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器相连，用于实现TE和TM两个偏振态模式下同一波长的本地信号光和调制信号光的光学混频；以及探测器接收阵列，用于将光学混频的光信号转化为电信号。

Description

混合集成接收芯片
技术领域
本公开涉及半导体技术/数据传输领域，尤其涉及一种混合集成接收芯片。
背景技术
随着大数据、网络视频、虚拟增强现实、远程医疗、海量APP等对带宽、速率要求比较高的业务的蓬勃发展，促使数据中心内部、之间的互连速率的快速提升。如何实现高速率、低成本、低功耗的大型数据中心互连成为数据中心建设的关键。
现有主要依靠单路速率提升互连速率方式在速率提升到50Gb/s后很难继续提升，且难度、成本急剧上升，传输距离也急剧下降，相应增加了数据中心光纤成本。通过多电平幅度调制可以在同一传输速率下通过增加电平数量实现传输速率的倍增，受到了高速数据中心互连的青睐，但其传输距离受到一定限制。相干探测方案由于传输距离远，灵敏度高也受到数据中心互连的关注，但因其系统复杂，成本高昂，很难快速在大批量快速建设的数据中心中应用。
从而，如何能实现较远距离、高速率和高灵敏度的传输，又能兼顾数据中心的低成本需求，成为亟需解决的技术课题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种混合集成接收芯片，以缓解现有技术中数据中心内部或相互之间的数据传输系统过于复杂、传输距离不够远、成本高等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种混合集成接收芯片，包括：
本地信号光合波器，用于实现不同波长本地信号光的合波；
偏振分束器单元，与所述本地信号光合波器相连，用于将合波后的本地信号光和对应的调制信号光进行TE和TM两个偏振态的偏振分束；
交叉双输入阵列波导光栅解复用器，通过弯曲和交叉结构与所述偏振分束器单元相连，用于接收偏振分束后的本地信号光和对应的调制信号光，实现不同波长本地信号光和对应的调制信号光分别在TE和TM两个偏振态模式下的解复用；
光混频器单元，与所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器相连，用于实现TE和TM两个偏振态模式下同一波长的本地信号光和调制信号光的光学混频；以及
探测器接收阵列，用于将光学混频的光信号转化为电信号。
在本公开实施例中，所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器，包括：
对称双输入波导，与所述弯曲和交叉结构相连，包括对称设置的两个输入波导，用于分别接收TE和TM两个偏振态下的不同波长的本地信号光和调制信号光；
交叉输入区平板波导，包括两个分别与所述对称设置的两个输入波导相连的交叉设置的输入平板波导，用于不同波长的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的衍射；
交叉阵列波导，包括两组分别与所述两个交叉设置的输入平板波相连的阵列波导，用于分别收集不同波长的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的衍射光，实现不同波长、不同相位下的本地信号光和调制信号光的传输；
交叉输出区平板波导，包括两个分别与两组所述阵列波导相连的交叉设置的输出平板波导，分别用于不同波长、不同相位下传输后的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的干涉；以及
对称输出波导，包括分别连接至两个所述输出平板波导的对称设置的两组输出波导，每一组输出波导包括多个通道，每一组输出波导中的所述多个通道能够依次实现同一偏振态下同一波长的调制信号光和本地信号光的相邻输出。
在本公开实施例中，通过交叉双输入阵列波导光栅解复用器能够实现对称输出波导的每一组输出波导中偶数通道依次输出调制信号光λ1～λN，奇数通道依次输出本地信号光λ1～λN，其中N为所述本地信号光的波长数。
在本公开实施例中，所述通过40～45度角度磨抛后倒扣的形式实现90度转角进而实现空间光形式和所述探测器接收阵列的阵列面连接，使得光信号转化为电信号，完成调制信号光的解复用。
在本公开实施例中，所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的波长材料均相同，且在同一衬底材料上；
所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的光波导芯层和包层材料均相同。
在本公开实施例中，所述光波导芯层材料为掺杂锗或钛的二氧化硅。
在本公开实施例中，所述光波导包层和衬底材料均为纯的二氧化硅或掺杂硼、磷的二氧化硅。
在本公开实施例中，所述对称双输入波导、交叉输入区平板波导、交叉阵列波导、交叉输出区平板波导和对称输出波导均设置于同一衬底材料上。
在本公开实施例中，所述本地信号光合波器选自熔融拉锥型波分复用器、介质膜滤光型波分复用器、阵列波导光栅复用器、光纤光栅型复用器或多模干涉型复用器。
在本公开实施例中，所述弯曲和交叉结构用于将偏振分束后本地信号光和对应的调制信号光分别按TE和TM两个偏振态模式输入至所述对称双输入波导。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开混合集成接收芯片至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)采用硅基二氧化硅波导，可实现两个偏态的同时调制接收，且因为是偏振不敏感器件，所以不需要额外引入偏振旋转器件对偏振态进行处理；
(2)通过交叉双输入阵列波导光栅解复用器的引入，可实现不同波长不同偏振的本地信号光和调制信号的传输，实现输出通道的本地信号光和调制信号光的相邻输出，大幅减少波导交叉，降低器件损耗；
(3)采用相干混频的接收方式，但在调制信号光并未引入相位调制信号，极大简化相干测试系统复杂度，降低混合集成接收芯片成本，实现高速率高灵敏度和长距离传输的数据中心互连。
附图说明
图1为本公开实施例的一种混合集成接收芯片的组成架构示意图。
图2为本公开实施例的4波长混合集成接收芯片的结构示意图。
图3为本公开实施例的4波长混合集成接收芯片的弯曲和交叉结构的结构示意图。
图4为本公开实施例的4波长混合集成接收芯片的交叉双输入阵列波导光栅解复用器的结构示意图。
图5为本公开实施例的4波长混合集成接收芯片的混频器输出和探测器接收阵列90度转角耦合的示意图。
图6为本公开实施例的4波长混合集成接收芯片的混频器输出和探测器接收阵列90度转角耦合的另一视角的示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-本地信号光合波器；2-偏振分束器单元；3-交叉双输入阵列波导光栅解复用器；4光混频器单元；5-探测器接收阵列；6-弯曲和交叉结构；
30-对称双输入波导，31-交叉输入区平板波导，32-交叉阵列波导；33-交叉输出区平板波导；34-对称输出波导；
60-长直波导，61-短直波导，62-第一弯曲波导；63-第二弯曲波导；64、65-交叉的直波导；66-第三弯曲波导。
具体实施方式
本公开提供了一种混合集成接收芯片，通过低折射率差的硅基二氧化硅的偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和无源集成芯片和探测器接收阵列的混合集成，实现对偏振波分复用的调制信号光的解复用，实现高速率低成本和长距离传输的混合集成接收芯片。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种混合集成接收芯片，结合图1至图6所示，所述混合集成接收芯片，包括：
本地信号光合波器，用于实现不同波长本地信号光的合波；
偏振分束器单元，与所述本地信号光合波器相连，用于将合波后的本地信号光和对应的调制信号光进行TE和TM两个偏振态的偏振分束；
交叉双输入阵列波导光栅解复用器，通过弯曲和交叉结构与所述偏振分束器单元相连，用于接收偏振分束后的本地信号光和对应的调制信号光，实现不同波长本地信号光和对应的调制信号光分别在TE和TM两个偏振态模式下的解复用；
光混频器单元，与所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器相连，用于实现TE和TM两个偏振态模式下同一波长的本地信号光和调制信号光的光学混频；以及
探测器接收阵列，用于将光学混频的光信号转化为电信号。
如图1中所示，所述本地信号光合波器用于实现N个不同波长本地信号光的合波，N为正整数。
所述偏振分束器单元包括两个偏振分束器，分别接收合波后的本地信号光和对应的不同波长的调制信号光；
所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的波长材料均相同，且在同一衬底材料上；本地信号光合波器通过光纤阵列和偏振分束器的左侧输入端口相连；通过40～45度角度磨抛，倒扣的形式实现90度转角实现空间光形式和探测器接收阵列面连接，实现光信号到电信号的转化，实现调制信号光的解复用。
所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的光波导芯层和包层材料均相同。所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的光波导芯层和包层材料也可以不相同。
所述光波导芯层材料为掺杂锗或钛等材料的二氧化硅。
所述光波导包层和衬底材料均为纯的或掺杂硼磷等材料的二氧化硅。
所述本地信号光合波器为熔融拉锥型波分复用器、介质膜滤光型波分复用器、阵列波导光栅复用器、光纤光栅型复用器或多模干涉型复用器等。
所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器，包括：
对称双输入波导，与所述弯曲和交叉结构相连，包括对称设置的第一输入波导和第二输入波导两个输入波导，用于分别接收TE和TM两个偏振态下的不同波长的本地信号光和调制信号光；
交叉输入区平板波导，包括两个分别与所述对称设置的两个输入波导相连的交叉设置的输入平板波导，用于不同波长的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的衍射；
交叉阵列波导，包括两组分别与所述两个交叉设置的输入平板波相连的阵列波导，用于分别收集不同波长的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的衍射光，实现不同波长、不同相位下的本地信号光和调制信号光的传输；
交叉输出区平板波导，包括两个分别与两组所述阵列波导相连的交叉设置的输出平板波导，分别用于不同波长、不同相位下传输后的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的干涉；以及
对称输出波导，包括分别连接至两个所述输出平板波导的对称设置的两组输出波导，每一组输出波导包括多个通道，每一组输出波导中的所述多个通道能够依次实现同一偏振态下同一波长的调制信号光和本地信号光的相邻输出。
所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和依次通过弯曲波导和直波导连接。
以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在本公开实施例中，如图2所示，选取4个波长混合集成接收芯片进行说明。所述混合集成接收芯片的衬底和包层材料均为二氧化硅，其折射率为n2＝1.445。芯区为掺锗的二氧化硅材料，折射率为n1＝1.4748，由公式(1)可得出光波导材料的相对折射率差Δn＝2.0％。
Figure GDA0003641740660000061
进一步的，所述本地信号光合波器1采用介质膜滤光型波分复用器，实现4个不同波长的本振信号光的合波。
所述偏振分束器单元2包括两个偏振分束器(图1、图2中示为PBS)，其中一个与所述本地信号光合波器1相连，为第一偏振分束器，另一个偏振分束器用于接收所述调制信号光，为第二偏振分束器。
4个波长本地信号光和对应的4个波长调制信号光分别通过光纤阵列进入偏振分束器单元2，通过偏振分束器单元2中的两个偏振分束器分别将本地信号光和调制信号光的两个偏振态TE和TM模式分开输出。经弯曲和交叉结构6进入交叉双输入阵列波导光栅解复用器。结构如图3所示，弯曲和交叉结构6主要包括两个长直波导60，两个短直波导61，两个第一弯曲波导62，两个第二弯曲波导63，两个交叉的直波导64、65和第三弯曲波导66。通过交叉波导设计，实现在交叉双输入阵列波导光栅解复用器3的双输入端为分别为同一偏振态下的本地信号光和调制信号光。
从弯曲和交叉结构6输出的本地信号光和调制信号光进入交叉双输入阵列波导光栅解复用器3，结构如图4所示，其主要由对称双输入波导30、交叉输入区平板波导31、交叉阵列波导32、交叉输出区平板波导33和对称输出波导34组成，所述对称输出波导34包括两组输出波导，每一组输出波导分别包括8个通道，所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器中间通过弯曲波导和直波导依次连接而成。通过交叉双输入阵列波导光栅解复用器的引入可以实现偶数通道的调制信号光λ1～λ4的输出，奇数通道的本地信号光λ1～λ4(LO)的输出。最终实现调制信号光和本地信号光分别解复用及无交叉输出。
调制信号光和本地信号光从交叉双输入阵列波导光栅解复用器3出来之后通过弯曲波导和直波导相邻耦合输出进入光混频器单元4，所述光混频器单元包括多个混频器结构(图1、图2中示为Hybrid)，每个混频器结构实现相邻的同一波长的本地信号和调制信号的光学混频。
在本公开实施例中，如图5、6所示，从光混频器单元4输出的信号通过40～45度角度磨抛，倒扣的形式实现90度转角实现空间光形式和探测器接收阵列5的探测面连接，实现光信号到电信号的转化，实现调制信号光的解复用。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开混合集成接收芯片有了清楚的认识。
综上所述，本发明一种混合集成接收芯片，通过采用硅基二氧化硅波导，可实现两个偏态的同时调制接收，且因为是偏振不敏感器件，所以不需要额外引入偏振旋转器件对偏振态进行处理；通过交叉双输入阵列波导光栅解复用器的引入，可实现不同波长不同偏振的本地信号光和调制信号的传输，实现输出通道的本地信号光和调制信号光的相邻输出，大幅减少波导交叉，降低器件损耗；采用相干混频的接收方式，但在调制信号光并未引入相位调制信号，极大简化相干测试系统复杂度，降低混合集成接收芯片成本，实现高速率高灵敏度和长距离传输的数据中心互连。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合集成接收芯片，衬底和包层材料均为二氧化硅，所述混合集成接收芯片包括：
本地信号光合波器，用于实现不同波长本地信号光的合波；
偏振分束器单元，与所述本地信号光合波器相连，包括第一偏振分束器和第二偏振分束器，所述第一偏振分束器和第二偏振分束器分别用于将合波后的本地信号光和对应的调制信号光进行TE和TM两个偏振态的偏振分束；
交叉双输入阵列波导光栅解复用器，通过弯曲和交叉结构与所述偏振分束器单元相连，用于接收偏振分束后的本地信号光和对应的调制信号光，实现不同波长本地信号光和对应的调制信号光分别在TE和TM两个偏振态模式下的解复用；
光混频器单元，与所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器相连，用于实现TE和TM两个偏振态模式下同一波长的本地信号光和调制信号光的光学混频；以及
探测器接收阵列，用于将光学混频的光信号转化为电信号；
所述交叉双输入阵列波导光栅解复用器，包括：
对称双输入波导，与所述弯曲和交叉结构相连，包括对称设置的第一输入波导和第二输入波导两个输入波导，用于分别接收TE和TM两个偏振态下的不同波长的本地信号光和调制信号光；
交叉输入区平板波导，包括两个分别与所述对称设置的两个输入波导相连的交叉设置的输入平板波导，用于不同波长的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的衍射；
交叉阵列波导，包括两组分别与所述两个交叉设置的输入平板波导相连的阵列波导，用于分别收集不同波长的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的衍射光，实现不同波长、不同相位下的本地信号光和调制信号光的传输；
交叉输出区平板波导，包括两个分别与两组所述阵列波导相连的交叉设置的输出平板波导，分别用于不同波长、不同相位下传输后的本地信号光和调制信号光的TE和TM两个偏振态的干涉；以及
对称输出波导，包括分别连接至两个所述输出平板波导的对称设置的两组输出波导，每一组输出波导包括多个通道，每一组输出波导中的所述多个通道能够依次实现同一偏振态下同一波长的调制信号光和本地信号光的相邻输出；
所述弯曲和交叉结构包括两个长直波导，两个短直波导，两个第一弯曲波导，两个第二弯曲波导，两个交叉的直波导和第三弯曲波导，其中：第一偏振分束器顺次连接一个长直波导、一个第一弯曲波导后连接至第一输入波导，第一偏振分束器还顺次连接一个短直波导、一个第二弯曲波导、一个直波导、一个第三弯曲波导后连接至第二输入波导；第二偏振分束器顺次连接另一个长直波导、另一个第一弯曲波导后连接至第二输入波导，第二偏振分束器还顺次连接另一个短直波导、另一个第二弯曲波导、另一个直波导、另一个第三弯曲波导后连接至第一输入波导；实现在交叉双输入阵列波导光栅解复用的双输入端分别为同一偏振态下的本地信号光和调制信号光。
2.根据权利要求1所述的混合集成接收芯片，通过交叉双输入阵列波导光栅解复用器能够实现对称输出波导的每一组输出波导中偶数通道依次输出调制信号光λ1~λN，奇数通道依次输出本地信号光λ1~λN，其中N为所述本地信号光的波长数。
3.根据权利要求1所述的一种混合集成接收芯片，通过40~45度角度磨抛后倒扣的形式实现90度转角进而实现空间光形式和所述探测器接收阵列的阵列面连接，使得光信号转化为电信号，完成调制信号光的解复用。
4.根据权利要求1所述的混合集成接收芯片，其中，
所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的波长材料均相同，且在同一衬底材料上；
所述偏振分束器单元、交叉双输入阵列波导光栅解复用器和光混频器单元的光波导芯层和包层材料均相同。
5.根据权利要求4所述的混合集成接收芯片，所述光波导芯层材料为掺杂锗或钛的二氧化硅。
6.根据权利要求4所述的混合集成接收芯片，所述光波导包层和衬底材料均为纯的二氧化硅或掺杂硼、磷的二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的混合集成接收芯片，所述对称双输入波导、交叉输入区平板波导、交叉阵列波导、交叉输出区平板波导和对称输出波导均设置于同一衬底材料上。
8.根据权利要求1所述的混合集成接收芯片，所述本地信号光合波器选自熔融拉锥型波分复用器、介质膜滤光型波分复用器、阵列波导光栅复用器、光纤光栅型复用器或多模干涉型复用器。
9.根据权利要求1所述的混合集成接收芯片，所述弯曲和交叉结构用于将偏振分束后本地信号光和对应的调制信号光分别按TE和TM两个偏振态模式输入至所述对称双输入波导。
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