CN113612539B - 一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其包括参数相同的两微环波导，每一微环波导下方设有一输入波导，两微环波导上方设有总输出波导，通过设置每一输入波导和总输出波导与一微环波导之间的间隙及各波导的截面宽度在一微环波导上、下方分别形成复用区和耦合区，耦合区将基模信号耦合到微环波导内，并通过对微环波导进行掺杂实现载流子色散效应以此进行电光调制，通过设计总输出波导截面宽度将两调制信号分别转换为基模调制信号和一阶模调制信号并复用到总输出直波导内，并通过总输出直波导上的解复用区进行解复用。本发明通过将硅光发射机的复用部分与调制部分集成在同一器件上，减小硅光发射机的整体尺寸，提高集成度。

Description

一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构
技术领域
本发明涉及光学复用及调制技术领域，尤其涉及一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构。
背景技术
随着互联网技术的迅速发展，光纤通信网络面临着业务流量爆炸式增长所带来的的巨大压力，超高速、超大容量和动态灵活成为光传输技术未来的发展趋势，这就对光器件的带宽、尺寸、集成度、功耗和成本等提出了更加苛刻的要求。
传统的硅光发射机常采用波分复用并结合单独的调制器进行设计，以便提高通信容量带宽，然而波分复用需要多个激光源同时提供多个波长信号，这在一定程度上增加了尺寸占用，同时也加大了制造成本；更重要的是对于传统的硅光发射机来说，其采用的是将复用和调制两功能分开独立设计，这在一定程度上扩大了所需要占用的空间，不利于发射机整体结构的集成化。
发明内容
有鉴于此，本发明基于模分复用的优势，利用单个激光源完成光信号的提供，同时结合微环谐振器的设计原理，将复用和调制两功能集成在同一结构的硅光发射机上，本实施例提供了一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构。
本发明的实施例提供的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，包括：
用于传递由外部信号源发出的相同两基模信号的输入波导；
两微环波导，每一所述微环波导与一所述输入波导之间间隔220nm形成一耦合区，两所述耦合区用于分别将两所述输入波导上的基模信号耦合到相对应的所述微环波导上，每一所述微环波导内部沿环心设有面积占比为76％的掺杂区，所述掺杂区用于调制所述微环波导内的基模信号；
总输出波导，其分别与每一所述微环波导之间间隔280nm形成一复用区，所述总输出波导在每一复用区内的部分截面宽度不同，用以将两所述微环波导内已经调制的基模信号分别转换为基模调制信号和一阶模调制信号，并复用到所述总输出波导上；
以及一阶模输出波导和基模输出波导，其中所述一阶模输出波导连接所述总输出波导末端、所述基模输出波导首端位于所述总输出波导末端下方且耦合间隙为200nm，所述一阶模输出波导、所述基模输出波导和所述总输出波导形成解复用区。
进一步地，每一所述微环波导半径均为12μm，截面宽度均为500nm，刻蚀深度均为130nm。
进一步地，每一所述输入波导的截面宽度均为500nm。
进一步地，所述总输出波导在两所述复用区内的部分长度均为70μm，所述总输出波导在一所述复用区内的部分截面宽度与所述微环波导截面宽度相同，均为500nm，用以将一所述微环波导上已经调制的基模信号直接复用到所述总输出波导上；在另一所述复用区内的部分截面宽度为1100nm，用以将调制后的基模信号转换为一阶模调制信号并复用到所述总输出波导上；所述总输出波导在两所述复用区之间的部分是长度为200μm的taper。
进一步地，所述一阶模输出波导和所述基模输出波导在解复用区内的部分，长度均为200μm，且所述一阶模输出波导部分为从左至右截面宽度由820nm渐变到570nm的taper、所述基模输出波导部分为从左至右截面宽度由200nm渐变到450nm的taper。
进一步地，所述一阶模输出波导在解复用区外的部分长度为177.931μm，为从左至右截面宽度由570nm渐变到180nm的taper；所述基模输出波导在解复用区外的部分长度为157.651μm，为从左至右截面宽度由447nm渐变到180nm的taper，且与所述解复用区连接的部位外形为“S”状。
进一步地，每一所述掺杂区均通过RF加载电极接收外部设备发射的RF信号，且每一所述掺杂区外围均设有半径为12μm的热调。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提供的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其是基于模分复用技术，利用单独信号源发射两相同的基模信号，并结合微环谐振器的工作原理，利用两微环波导、两输入波导及一总输出波导构成耦合区和复用区，实现对基模信号进行耦合与复用；同时在两微环波导内设有掺杂区，并结合两微环波导实现了基模信号的调制，同时通过设计总输出波导在复用区内的长度、截面宽度和间隙等相关参数来实现对调制后的基模信号进行转换及复用，随后通过解复用区对复用后的信号进行解复用，总体上本发明集成了调制和复用两大功能，在一定程度上缩小了硅光发射机芯片的外观尺寸，体现了高度的集成化。
附图说明
图1是本发明一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构的示意图；
图2是图1中掺杂区6的截面结构示意图；
图中：1-第一输入波导、2-第一耦合区、3-第二输入波导、4-第一耦合区、5-第一微环波导、6-掺杂区、7-第二微环波导、8-第一复用区、9-总输出波导、10-第二复用区、11-解复用区、12-一阶模输出波导、13-基模输出波导、14-高浓度掺杂P++部分、15-低浓度P掺杂部分、16-低浓度N+掺杂部分、17-高浓度N++掺杂部分、18-RF加载电极S端、19-热调、20-耗尽区、21-RF加载电极G端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其主要用于对光信号进行调制和复用，包括输入波导、微环波导、总输出波导9、一阶模输出波导12和基模输出波导13。
所述输入波导包括第一输入波导1和第二输入波导3，二者用于传递由外部信号源发射的两相同基模信号，所述第一输入波导1和所述第二输入波导3截面宽度均为500nm。
所述微环波导包括第一微环波导5和第二微环波导7，二者半径均为12μm，截面宽度均为500nm，刻蚀深度均为130nm。
所述第一输入波导1和所述第二输入波导3分别位于所述第一微环波导5和第二微环波导7下方且耦合间隙为220nm，分别与所述第一微环波导5下端形成第一耦合区2、与第二微环波导7下端形成第二耦合区4，两耦合区用于分别将两所述输入波导上的基模信号耦合到相对应的所述微环波导上。
所述总输出波导9分别位于所述第一微环波导5和第二微环波导7上方且耦合间隙为280nm，分别与所述第一微环波导5上端形成第一复用区8、与所述第二微环波导7上端形成第二复用区10，两所述复用区均用于对所述微环波导上已经调制的基模信号进行转换并复用到所述总输出波导9上。
所述总输出波导9位于所述第一复用区8和所述第二复用区10内的部分截面宽度均为70μm，所述总输出波导9在所述第一复用区8内的部分截面宽度为500nm，其与所述第一微环波导5的截面宽度相同，这样就可以将所述第一微环波导5上已经调制的基模信号直接复用到所述总输出波导9上，形成基模调制后信号；所述总输出波导9在所述第二复用区10内的部分截面宽度为1100nm，这样就可以对所述第二微环波导7上已经调制的基模信号进行转换为一阶模调制信号并复用到所述总输出波导9上。
所述总输出波导9在所述第一复用区8和所述第二复用区10之间的部分是长度为200μm的taper。
所述一阶模输出波导12的首端连接所述总输出波导9的末端、所述基模输出波导13的首端位于所述总输出波导9末端的下方且耦合间隙为200nm，所述一阶模输出波导12、所述基模输出波导13和所述总输出波导9形成解复用区11，所述解复用区11用于对所述总输出波导9内的信号进行解复用，并通过所述一阶模输出波导12和所述基模输出波导13传递出去。
所述一阶模输出波导12和所述基模输出波导13在所述解复用区11内的部分，长度均为200μm，其中所述一阶模输出波导12部分为从左至右截面宽度由820nm渐变到570nm的taper、所述基模输出波导13部分为从左至右截面宽度由200nm渐变到450nm的taper。
所述一阶模输出波导12在解复用区外的部分长度为177.931μm，为从左至右截面宽度由570nm渐变到180nm的taper；所述基模输出波导13在解复用区外的部分长度为157.651μm，为从左至右截面宽度由447nm渐变到180nm的taper，且与所述解复用区11连接的部位外形为“S”状。
请参考图2，每一所述微环波导5沿环心处均设有面积占比为76％的掺杂区6，每一所述掺杂区6均用于对一所述微环波导5内的信号进行调制。
每一所述掺杂区6截面外形均为夹层状，其中间层为低浓度P掺杂部分15和低浓度N+掺杂部分16，二者形成耗尽区20，用于实现载流子色散效应；左外端层为高浓度掺杂P++部分14、右外端层为高浓度N++掺杂部分17，二者用于消除过度的无源光损耗；所述高浓度掺杂P++部分14和所述高浓度N++掺杂部分17分别通过RF加载电极S端18和RF加载电极G端21与外部RF信号发射设备连接，用于给每一所述掺杂区加载RF信号，以此实现调制功能。
在每一所述微环波导上均设有半径为12μm的热调19，每一所述热调19均用于对一所述微环波导进行加热，以此使两所述微环波导的谐振波长一致。
本发明中的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，首先，通过外部的信号源发射两相同的基模信号，并分别通过所述第一输入波导1和所述第二输入波导3传递。
其次，通过所述第一耦合区2和所述第二耦合区4将两基模信号分别耦合到所述第一微环波导5和所述第二微环波导7内，并分别通过所述第一微环波导5和所述第二微环波导7内的所述掺杂区6对两不同的基模信号分别进行调制，随后，分别通过所述第一复用区8将所述第一微环波导5上已经调制的基模信号复用到所述总输出波导9上，通过所述第二复用区10将所述第二微环波导7上已经调制的基模信号转换为一阶模调制信号并复用到所述总输出波导9上。
最后，通过所述解复用区11对所述总输出波导9上的信号进行解复用，并通过所述一阶模输出波导12和所述基模输出波导13将解复用后的信号传输出去。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其特征在于，包括：
用于传递由外部信号源发出的相同两基模信号的输入波导；
两微环波导，每一所述微环波导与一所述输入波导之间间隔220nm形成一耦合区，两所述耦合区用于分别将两所述输入波导上的基模信号耦合到相对应的所述微环波导上，每一所述微环波导内部沿环心设有面积占比为76％的掺杂区，所述掺杂区用于调制所述微环波导内的基模信号，每一所述掺杂区均通过RF加载电极接收外部设备发射的RF信号，且每一所述掺杂区外围均设有半径为12μm的热调；
总输出波导，其分别与每一所述微环波导之间间隔280nm形成一复用区，所述总输出波导在每一复用区内的部分截面宽度不同，用以将两所述微环波导内已经调制的基模信号分别转换为基模调制信号和一阶模调制信号，并复用到所述总输出波导上；
以及一阶模输出波导和基模输出波导，其中所述一阶模输出波导连接所述总输出波导末端、所述基模输出波导首端位于所述总输出波导末端下方且耦合间隙为200nm，所述一阶模输出波导、所述基模输出波导和所述总输出波导形成解复用区。
2.如权利要求1所述的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其特征在于：每一所述微环波导半径均为12μm，截面宽度均为500nm，刻蚀深度均为130nm。
3.如权利要求1所述的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其特征在于：每一所述输入波导的截面宽度均为500nm。
4.如权利要求1所述的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其特征在于：所述总输出波导在两所述复用区内的部分长度均为70μm，所述总输出波导在一所述复用区内的部分截面宽度与所述微环波导截面宽度相同，均为500nm，用以将一所述微环波导上已经调制的基模信号直接复用到所述总输出波导上；在另一所述复用区内的部分截面宽度为1100nm，用以将调制后的基模信号转换为一阶模调制信号并复用到所述总输出波导上；所述总输出波导在两所述复用区之间的部分是长度为200μm的taper。
5.如权利要求1所述的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其特征在于：所述一阶模输出波导和所述基模输出波导在解复用区内的部分，长度均为200μm，且所述一阶模输出波导部分为从左至右截面宽度由820nm渐变到570nm的taper、所述基模输出波导部分为从左至右截面宽度由200nm渐变到450nm的taper。
6.如权利要求1所述的一种集成复用和调制功能的硅光发射机芯片结构，其特征在于：所述一阶模输出波导在解复用区外的部分长度为177.931μm，为从左至右截面宽度由570nm渐变到180nm的taper；所述基模输出波导在解复用区外的部分长度为157.651μm，为从左至右截面宽度由447nm渐变到180nm的taper，且与所述解复用区连接的部位外形为“S”状。
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