CN113132050A - 交叉双输入阵列波导光栅解复用器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，包括：对称双输入波导，用于分别接收TE和TM两个偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光；交叉输入区平板波导，用于不同波长的本振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，用于分别收集不同波长的本振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、不同相位下的本振信号光和调制信号光的传输；交叉输出区平板波导，分别用于不同波长、不同相位下传输后的本振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，每一组输出波导单元包括多个通道，每一组输出波导单元中的多个通道能够依次实现同一偏振态下同一波长的不同信号光的相邻输出。

Description

交叉双输入阵列波导光栅解复用器
技术领域
本公开涉及半导体技术/数据传输领域，尤其涉及一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器。
背景技术
随着云计算、大数据、高清视频、AR/VR、物联网、人工智能等大带宽需求的新技术和新业务的快速发展，推动数据中心内部互连和数据中心之间互连速率的快速升级。100G已经成为数据中心互连主流并实现了规模化的应用，并正在朝着200G/400G发展。如何实现更高速率、更低成本、更低功耗的数据中心互连光模块成为数据中心建设的重中之重。
提高数据中心互连速率的方式一般有两种：一种是单路传输速率提升，通过提高激光器、调制器和探测器等器件的传输速率，提升整个系统的传输速率，但受限于工艺等技术因素，单路速率增长一定程度就很难继续增长；另外一种是通过通道数、波分、幅度、偏振或相干的调制方式，通过提高通道数、波长数、幅度电平数、偏振分量和相位分量实现传输速率的成倍增长，达到数据中心互连速率的快速提升。在传输距离100m、500m、2km和10km的数据中心互连传输中，主要采用通道数、波长和高阶幅度调制方式，实现速率的提升，相应的检测方式为强度调制直接检测，主要采用DFB激光器和PIN探测器结合的形式，成本较低，但传输距离受限。在传输距离到30-40km时，需要引入EML激光器和APD探测，同时进行FEC纠错，提升信号传输距离和质量。在传输距离到80km或更长的城域或长途的数据中心之间互连时，采用通道数、波长和高阶幅度调制方式的IM-DD检测方式已经不能满足传输距离的要求。需要能传输更远距离、灵敏度更高的调制和检测方式。应用于骨干网干线传输相干调制和检测技术因其传输距离远、灵敏度高等优势被数据中心城域或长途之间互连所采纳，相干技术在数据中心的下沉正在成为一种发展趋势。但相干方案系统复杂，成本较高。
从而，如何能实现多维复用、低损耗、低成本的数据互联的混合接收芯片，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，本公开提供了一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，以缓解现有技术中混合接收芯片在数据中心互联时系统复杂、损耗高、交叉多等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，包括：
对称双输入波导，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振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，用于不同波长的本振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单元，用于分别收集不同波长的本振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、不同相位下的本振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振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单元，每一组输出波导单元包括多个通道，每一组输出波导单元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振信号光的相邻输出。
根据本公开实施例，所述对称双输入波导包括：第一偏振态波导输入单元，用于接收TE偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光；以及第二偏振态波导输入单元，用于接收TM偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光。
根据本公开实施例，所述第一偏振态波导输入单元，包括：第一本振信号输入波导，用于接收TE偏振态下的不同波长的本振信号光；第一调制信号输入波导，用于接收TE偏振态下的不同波长的调制信号光；所述第二偏振态波导输入单元，包括：第二本振信号输入波导，用于接收TM偏振态下的不同波长的本振信号光；以及第二调制信号输入波导，用于接收TM偏振态下的不同波长的调制信号光。
根据本公开实施例，所述第一偏振态波导输入单元和所述第二偏振态波导输入单元呈对称设置；所述第一本振信号输入波导、第一调制信号输入波导、第二本振信号输入波导、第二调制信号输入波导，均由依次相连的直波导、弯曲波导、锥形展宽波导、以及过渡直波导组成。
根据本公开实施例，所述交叉阵列波导，包括：第一阵列波导单元，以及第二阵列波导单元，所述第一阵列波导单元和第二阵列波导单元能够通过不同相位的引入，实现输出特定位置的波长输出。
根据本公开实施例，所述第一阵列波导单元包括一组n个阵列波导；所述第二阵列波导单元包括一组n个阵列波导，n≥4；所述第一阵列波导单元中的n个阵列波导分别和所述第二阵列波导单元中的n个阵列波导对称设置。
根据本公开实施例，每个所述阵列波导均由第一锥形波导，第一直波导，第一弯曲波导，第二直波导，第二弯曲波导，第三直波导，第二锥形波导组成。
根据本公开实施例，所述对称输出波导包括：第一输出波导单元，包括多个通道，能够依次实现TE偏振态下同一波长的调制信号光和本振信号光的相邻输出。第二输出波导单元，包括多个通道，能够依次实现TM偏振态下同一波长的调制信号光和本振信号光的相邻输出。
根据本公开实施例，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。
根据本公开实施例，所述对称双输入波导中本振信号输入波导和调制信号输入波导之间的间距为127μm或250μm的整数倍；所述对称输出波导中各个输出通道之间的间距为127μm或250μm的整数倍。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开交叉双输入阵列波导光栅解复用器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)通过采用低折射率差的硅基二氧化硅，可以实现两个偏态TE和TM的同时传输，且不需要额外引入偏振旋转器件，更简洁，成本也更低；
(2)对称双输入波导特殊设计可实现无交叉下本振信号光和调制信号光的相邻输出，避免了波导交叉，减小器件损耗；
(3)交叉波导设计可实现两个模式的同时传输，且极大减少器件数量，缩小器件尺寸。
附图说明
图1为本公开实施例的一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器的结构示意图。
图2为本实施例中4波长交叉双输入阵列波导光栅解复用器的结构示意图。
图3为本实施例中4波长交叉双输入阵列波导光栅解复用器的对称双输入波导的结构示意图。
图4为本实施例中4波长交叉双输入阵列波导光栅解复用器的交叉阵列波导的结构示意图。
图5为本实施例中4波长交叉双输入阵列波导光栅解复用器的对称双输出波导的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-对称双输入波导；2-交叉输入区平板波导；3-交叉阵列波导；4-交叉输出区平板波导；5-对称输出波导；
10-直波导；11-弯曲波导；12-锥形展宽波导；13-过渡直波导；
30-第一锥形波导；31-第一直波导；32-第一弯曲波导；33-第二直波导；34-第二弯曲波导；35-第三直波导；36-第二锥形波导；
50-锥形波导通道，51-弯曲波导通道，52-直波导通道。
具体实施方式
本公开提供了一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，通过低折射率差的硅基二氧化硅的交叉双输入阵列波导光栅解复用器设计，可同时传输TE和TM两种模式，减少了偏振旋转器件的使用。通过交叉双输入设计，实现调制信号光和本振信号光的相邻输出，避免了交叉。可实现低损耗、尺寸紧凑和多维度的混合集成接收芯片互连。
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，提供一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，结合图1至图5所示，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，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振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，用于不同波长的本振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单元，用于分别收集不同波长的本振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、不同相位下的本振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振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单元，每一组输出波导单元包括多个通道，每一组输出波导单元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振信号光的相邻输出。
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在同一衬底材料上；
所述本振信号光中包括N个波长的本振信号光；所述调制信号光中包括N个波长的调制信号光，其中N为正整数。
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等光波导的芯层和包层材料均相同。
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等光波导的芯层和包层材料也可以不相同，例如上述这些光波导的芯层材料可以为掺杂锗、钛等材料的二氧化硅波导；上述这些光波导的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。
所述对称双输入波导包括：
第一偏振态波导输入单元，用于接收TE偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光；以及
第二偏振态波导输入单元，用于接收TM偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光。
所述第一偏振态波导输入单元，包括：
第一本振信号输入波导，用于接收TE偏振态下的不同波长的本振信号光；
第一调制信号输入波导，用于接收TE偏振态下的不同波长的调制信号光；
所述第二偏振态波导输入单元，包括：
第二本振信号输入波导，用于接收TM偏振态下的不同波长的本振信号光；以及
第二调制信号输入波导，用于接收TM偏振态下的不同波长的调制信号光。
所述第一偏振态波导输入单元和所述第二偏振态波导输入单元呈对称设置。
所述第一本振信号输入波导、第一调制信号输入波导、第二本振信号输入波导、第二调制信号输入波导，均由依次相连的直波导10、弯曲波导11、锥形展宽波导12、以及过渡直波导13组成；
所述第一本振信号输入波导、第一调制信号输入波导相隔一设定距离平行设置；
所述第二本振信号输入波导、第二调制信号输入波导相隔一设定距离平行设置；
所述交叉阵列波导，包括：第一阵列波导单元，以及第二阵列波导单元，所述第一阵列波导单元和第二阵列波导单元能够通过不同相位的引入，实现输出特定位置的波长输出；
所述第一阵列波导单元包括一组n个(如图4所示为5个)阵列波导。
所述第二阵列波导单元包括一组n个(如图4所示为5个)阵列波导。
所述第一阵列波导单元中的5个阵列波导分别和所述第二阵列波导单元中的5个阵列波导对称设置。
每个所述阵列波导均由第一锥形波导30，第一直波导31，第一弯曲波导32，第二直波导33，第二弯曲波导34，第三直波导35，第二锥形波导36组成；
所述对称输出波导包括：
第一输出波导单元，包括多个通道，能够依次实现一(TE)偏振态下同一波长的调制信号光和本振信号光的相邻输出。
第二输出波导单元，包括多个通道，能够依次实现另一(TM)偏振态下同一波长的调制信号光和本振信号光的相邻输出。
每个所述通道包括依次相连的锥形波导通道，弯曲波导通道，直波导通道；
所述输入波导之间、输出波导之间的间距为127μm或250μm的整数倍。
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。本实施例中选取N＝4，为4个波长信号解复用，如图2所示，选取4个波长交叉双输入阵列波导光栅解复用器进行说明。其中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Ge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 BDA0003029092020000071
进一步的，如图3所示，所述对称双输入波导1中的所述第一本振信号输入波导、第一调制信号输入波导、第二本振信号输入波导、第二调制信号输入波导，均分别由依次相连的直波导10，弯曲波导11，锥形展宽波导12和过渡直波导13组成。所述锥形展宽波导12和过渡直波导13相结合实现多模激发，和输出锥形波导配合实现波形顶部的平坦化。上下的第一偏振态波导输入单元和第二偏振态波导输入单元分别对应TE和TM两个偏振态的输入，第一偏振态波导输入单元的IN1和IN2输入分别对应4波长的本振信号光λ1～λ4(LO)和λ1～λ4的调制信号光。
4波长本振信号光λ1～λ4(LO)和λ1～λ4的调制信号光经对称双输入波导进入交叉输入区平板波导2，所述交叉输入区平板波导2主要由两个交叉一定角度的平板波导组成。
从交叉输入区平板波导2输出的光进入交叉阵列波导3，通过不同相位的引入，实现输出特定位置的波长输出。交叉阵列波导3主要由2n个第一锥形波导30，2n个第一直波导31，2n个第一弯曲波导32，2n个第二直波导33，2n个第二弯曲波导34，2n个第三直波导35，2n个第二锥形波导36。n为交叉阵列波导中第一阵列波导单元或第二阵列波导单元的阵列波导的个数，其根据波长数量、波长间隔、串扰要求等参数综合确定。
从交叉阵列波导输出的信号经过交叉输出区平板波导3进行干涉，因不同波长下干涉的位置不同，实现在不同位置的波长输出，实现解复用功能。其主要由两个交叉一定角度的平板波导组成。
解复用后的波长信号经对称输出波导输出5，所述对称输出波导5包括第一输出波导单元和第二输出波导单元，所述第一输出波导单元或第二输出波导单元均包括8(2N)个输出通道，每个通道均包括依次相连的锥形波导通道50，弯曲波导通道51，直波导通道52。所述第一输出波导单元中能够实现TE模态下奇数通道的调制信号光λ1～λ4的输出，偶数通道的本振信号光λ1～λ4(LO)的输出。所述第二输出波导单元中能够实现TM模态下奇数通道的调制信号光λ1～λ4的输出，偶数通道的本振信号光λ1～λ4(LO)的输出，最终实现调制信号光和本振信号光分别解复用及无交叉输出。
本公开中的交叉双输入阵列波导光栅解复用器不限于本实施例中的4波长一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器。
交叉双输入阵列波导光栅解复用器中对称双输入波导中本振信号输入波导和调制信号输入波导之间的间距为127μm或250μm的整数倍，所述对称输出波导中各个输出通道之间的间距为127μm或250μm的整数倍，以实现封装时与光纤阵列的匹配。
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交叉双输入阵列波导光栅解复用器有了清楚的认识。
综上所述，本公开一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，通过低折射率差的硅基二氧化硅的交叉双输入阵列波导光栅解复用器设计，可同时传输TE和TM两种模式，减少了偏振旋转器件的使用。通过交叉双输入设计，实现调制信号光和本振信号光的相邻输出，避免了交叉。可实现低损耗、尺寸紧凑和多维度的混合集成接收芯片互连。
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 (10)

1.一种交叉双输入阵列波导光栅解复用器，包括：
对称双输入波导，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振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，用于不同波长的本振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单元，用于分别收集不同波长的本振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、不同相位下的本振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振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单元，每一组输出波导单元包括多个通道，每一组输出波导单元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振信号光的相邻输出。
2.根据权利要求1所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，所述对称双输入波导包括：
第一偏振态波导输入单元，用于接收TE偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光；以及
第二偏振态波导输入单元，用于接收TM偏振态下的不同波长的本振信号光和调制信号光。
3.根据权利要求2所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，所述第一偏振态波导输入单元，包括：
第一本振信号输入波导，用于接收TE偏振态下的不同波长的本振信号光；
第一调制信号输入波导，用于接收TE偏振态下的不同波长的调制信号光；
所述第二偏振态波导输入单元，包括：
第二本振信号输入波导，用于接收TM偏振态下的不同波长的本振信号光；以及
第二调制信号输入波导，用于接收TM偏振态下的不同波长的调制信号光。
4.根据权利要求3所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，其中，
所述第一偏振态波导输入单元和所述第二偏振态波导输入单元呈对称设置；
所述第一本振信号输入波导、第一调制信号输入波导、第二本振信号输入波导、第二调制信号输入波导，均由依次相连的直波导、弯曲波导、锥形展宽波导、以及过渡直波导组成。
5.根据权利要求1所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，所述交叉阵列波导，包括：第一阵列波导单元，以及第二阵列波导单元，所述第一阵列波导单元和第二阵列波导单元能够通过不同相位的引入，实现输出特定位置的波长输出。
6.根据权利要求5所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，所述第一阵列波导单元包括一组n个阵列波导；所述第二阵列波导单元包括一组n个阵列波导，n≥4；
所述第一阵列波导单元中的n个阵列波导分别和所述第二阵列波导单元中的n个阵列波导对称设置。
7.根据权利要求5所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，每个所述阵列波导均由第一锥形波导，第一直波导，第一弯曲波导，第二直波导，第二弯曲波导，第三直波导，第二锥形波导组成。
8.根据权利要求5所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，所述对称输出波导包括：
第一输出波导单元，包括多个通道，能够依次实现TE偏振态下同一波长的调制信号光和本振信号光的相邻输出。
第二输出波导单元，包括多个通道，能够依次实现TM偏振态下同一波长的调制信号光和本振信号光的相邻输出。
9.根据权利要求2所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，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。
10.根据权利要求2所述的交叉双输入阵列波导光栅解复用器，所述对称双输入波导中本振信号输入波导和调制信号输入波导之间的间距为127μm或250μm的整数倍；所述对称输出波导中各个输出通道之间的间距为127μm或250μm的整数倍。
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