CN113632392A - Wdm接收器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种波分复用（WDM）接收器，包括：输入波导；以及连接到输入波导的解复用器。解复用器被配置为：将从输入波导接收的信号解复用为多个分离信号，分离信号中的一个或多个具有多个光学模式，以及将多个分离信号中的每个输出到相应输出波导中，该输出波导连接到解复用器的相应输出端口。被配置为承载具有多个光学模式的分离信号中的一个的至少一个输出波导被连接到相应的模式旋转器，该模式旋转器或者每个模式旋转器被配置为旋转在其中接收的相应分离信号的多个光学模式。该模式旋转器或者每个模式旋转器连接到相应波导光电二极管，该相应波导光电二极管被配置为根据从相应模式旋转器接收的分离信号生成光电流。

Description

WDM接收器及其操作方法
本发明涉及WDM接收器及其操作方法。
支持波分复用（WDM）的光接收器包含波长解复用器（DeMux）和一系列检测器以将每个波长信号转换成电信号。典型的波长解复用器基于阵列波导光栅（AWG）、中阶梯光栅、成角度的多模干涉（MMI）波导、和/或马赫-曾德尔干涉仪，并且通常设计成具有单模波导。
这种接收器中的检测器通常是光电二极管（PD），并且可以被植入为表面照明器件或波导器件。对于较高速度的应用，波导光电二极管是优选的，因为它们提供比表面照明器件低的电容。此外，对于其中来自解复用器的光已经在波导中的集成接收器，波导光电二极管是更常见的解决方案。当在硅中实施时，波导光电二极管通常具有水平的p-i-n结，通过水平意味着p和n掺杂层是竖直的并且沿结的侧壁向上延伸。
在一些具有宽信道间隔和宽信道宽度的应用中，像粗波分复用（CWDM）一样，存在对宽/平坦的通带的需求，因为输出信道需要在任何给定信道内的低插入损耗，但需要来自相邻信道的高抑制（并且因此需要低串扰）。对此已经提出了若干方法，诸如双高斯滤波，或者在到解复用器的输入处的MZI的跟踪。然而，这些增加了插入损耗、具有高复杂性、和较低的制造产量。
使用表面照明光电二极管的先前实施方式针对解复用器的输出波导中的每个已经使用了多模（MM）波导。这适用于解复用器，该解复用器基于在波长改变时扫描跨输出波导的射束（例如AWG、中阶梯、成角度的MMI），从而导致波长相关的、到输出波导的耦合效率。当将输出波导从单模（SM）改变为MM时，波导更宽，并且因此移动光斑将耦合到用于更大的波长范围的MM波导，其具有更平坦的耦合效率，但是在光斑穿过波导的边缘时仍将具有急剧的抑制下降。
那些具有MM输出波导的解复用器良好地工作，只要在解复用器之后的所有光学电路在任何时间执行对在波导中传播的多模的要求。例如，通过实施通常具有足够宽的有源区域以吸收所有光学模式的表面照明光电二极管。
作为利用水平方向上的波长扫描来扫描光斑的多路复用器，所产生的高阶模式称为水平高阶模式。这些可以在水平轴（相对于光子集成电路（PIC）在平面内）上具有多个峰，而在竖直轴（垂直于PIC）上是单峰的。
对于具有水平结的波导光电二极管，由于在边缘处存在薄层掺杂以产生p-i-n结，波导的水平边缘经历较大的光学损耗。该损耗不产生任何可用的光电流。由于高阶模式在波导边缘附近具有其功率的较大部分，所以它们将生成较少的光电流，并且因此光电二极管将具有强烈依赖于波长的响应度分布。这否定了由MM波导提供的波长响应的平坦化的益处。
因此，最好的基于硅的光电二极管（例如，具有水平结的波导）在由具有一个或多个MM输出波导的解复用器提供的平坦波长响应的情况下不能良好地工作。光电二极管将需要重新设计，并且这将导致性能的损耗。
因此，在第一方面，本发明的实施例提供波分复用（WDM）接收器，其包括：
输入波导；
解复用器，其连接到输入波导，并且被配置为：
将从输入波导接收的信号解复用（demultiplex）成多个分离的信号，分离的信号中的一个或多个具有多个光学模式，并且
将多个分离信号中的每个输出到相应的输出波导中，所述输出波导连接到解复用器的相应输出端口；
其中被配置为承载具有多个光学模式的分离信号中的一个的至少一个输出波导连接到相应模式旋转器，该模式旋转器或每个模式旋转器被配置为旋转在其中接收的相应分离信号的多个光学模式；以及
其中该模式旋转器或每个模式旋转器连接到相应波导光电二极管，该相应波导光电二极管被配置为根据从相应模式旋转器接收的分离信号生成光电流。
这样的WDM接收器显示了增强的性能、和更平坦的波长响应。
WDM接收器可具有以下可选特征的任何一个或在它们兼容的条件下的任何组合。
多个分离信号中的至少一个可以具有多个水平光学模式，该模式旋转器或者每个模式旋转器可以被配置为将多个水平模式旋转为多个竖直模式，并且该波导光电二极管或者每个波导光电二极管可以包括水平半导体结。
多个分离信号中的至少一个可以具有多个竖直模式，该模式旋转器或者每个模式旋转器可以被配置为将多个竖直光学模式旋转为多个水平光学模式，并且该波导光电二极管或者每个波导光电二极管可以包括竖直半导体结。
WDM接收器还可以包括位于至少一个模式旋转器和相应的波导光电二极管之间的中间波导，并且中间波导可以具有在垂直于中间波导的引导方向的方向上测量的宽度，该宽度沿着平行于中间波导的引导方向的长度变窄。WDM接收器还可以包括位于该模式旋转器或模式旋转器中的每个模式旋转器与对应的波导光电二极管之间的中间波导，每个中间波导可以具有在垂直于相应中间波导的引导方向的方向上测量的宽度，其沿着平行于相应中间波导的引导方向的长度变窄，以便减小通过其传输的多个光学模式的光斑尺寸。
每个波导光电二极管可以被设置在绝缘体上硅晶片上，并且包括肋或脊波导，其包括一个或多个掺杂区域。每个肋或脊波导可以由锗形成。每个波导光电二极管可以具有由本征区域分开的第一掺杂区域和第二掺杂区域。每个波导光电二极管的第一掺杂区域可以包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且下掺杂区域可以包含具有比上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。每个波导光电二极管可以包括与第一掺杂区域电接触的第一电极、和与第二掺杂区域电接触的第二电极。第一电极可以与第一掺杂区域的下掺杂区域电接触，并且第二电极可以与第二掺杂区域的下掺杂区域电接触。具有比上掺杂区域更高的掺杂浓度的下掺杂区域在空间上位于上掺杂区域下方。
解复用器可以是以下各项中的任一项：阵列波导光栅、中阶梯光栅、成角度的多模干涉解复用器、或马赫-曾德尔干涉仪。
所有的分离的信号可以具有多个光学模式，所有输出波导可以连接到相应的旋转器，并且所有模式旋转器可以连接到相应的波导光电二极管。
在第二方面，本发明的实施例提供了一种操作波分复用（WDM）接收器的方法，该方法包括以下步骤：
在输入波导处接收信号；
将所接收的信号提供给解复用器；
由解复用器将接收到的信号解复用成多个分离信号，一个或多个分离信号具有多个光学模式；
将多个分离信号中的每个输出到相应的输出波导中，所述相应的输出波导被连接到解复用器的相应输出端口；
在至少一个输出波导中，所述输出波导承载具有多个光学模式的分离信号中的一个，使用模式旋转器来旋转在其中接收的相应信号的多个光学模式；以及
向波导光电二极管提供旋转的相应信号，该波导光电二极管根据其生成光电流。
这样的方法导致生成较大度数（degree）的光电流，并且接收器具有较平坦波长响应。
该方法可以具有以下可选特征的任何一个或在它们兼容的条件下的任何组合。
多个分离信号中的至少一个可以具有多个水平光学模式，该模式旋转器或者每个模式旋转器可以将多个水平模式旋转成多个竖直光学模式，并且该波导光电二极管或者每个波导光电二极管可以包括水平半导体结。
多个分离信号中的至少一个可以具有多个竖直模式，该模式旋转器或者每个模式旋转器可以被配置为将多个竖直模式旋转成多个水平模式，并且该波导光电二极管或者每个波导光电二极管可以包括竖直半导体结。
接收器还可以包括位于至少一个模式旋转器和相应的波导光电二极管之间的中间波导，中间波导可以具有如在垂直于中间波导的引导方向的方向上测量的宽度，该宽度沿着平行于中间波导的引导方向的长度变窄，以便减小通过其传输的多个光学模式的光斑尺寸。
每个波导光电二极管可以被设置在绝缘体上硅晶片上，并且包括肋或脊波导，其包括一个或多个掺杂区域。每个肋或脊可以由锗形成。每个波导光电二极管可以具有由本征区域分离的第一掺杂区域和第二掺杂区域。每个波导光电二极管的第一掺杂区域可以包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且下掺杂区域可以包含具有比上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。每个波导光电二极管的第二掺杂区域可以包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且下掺杂区域可以包含具有比上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。每个波导光电二极管还可以包括与第一掺杂区域接触的第一电极、和与第二掺杂区域电接触的第二电极。第一电极可以与第一掺杂区域的下掺杂区域电接触，并且第二电极可以与第二掺杂区域的下掺杂区域电接触。
解复用器可以是以下各项中的而且一项：阵列波导光栅、中阶梯光栅、成角度多模干扰解复用器、或马赫-曾德尔干涉仪。
所有的分离信号可以具有多个光学模式，所有输出波导可以连接到相应的模式旋转器，并且所有模式旋转器可以连接到相应的波导光电二极管。
本发明的其他方面提供：一种计算机程序，其包括当在计算机上运行时使计算机执行第二方面的方法的代码；一种计算机可读介质，其存储包括代码的计算机程序，所述代码在计算机上运行时使计算机执行第二方面的方法；以及一种计算机系统，其被编程以执行第二方面的方法。
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出WDM接收器的示意图；
图2示出WDM接收器中的解复用器的输出的传导（transmission）（dB）相对于波长的曲线图；
图3A和3B分别示出了处于高阶水平模式和高阶竖直模式的光；
图4示出了波导光电二极管的结构；以及
图5示出了WDM接收器的详细示意图。
现在将参考附图来讨论本发明的方面和实施例。另外的方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。
图1示出了WDM接收器100的示意图。在该示例中，波长复用信号：λ1、λ2、……、λn通过单模输入波导101被提供给解复用器102。解复用器对复用信号进行解复用器，并且向n个输出波导103a-103n提供分离信号。每个输出波导被配置为承载复用信号的波长相关部分。输出波导中的一个或多个被配置为承载多个光学模式。优选地，所有输出波导被配置为承载多个光学模式。解复用器可以是例如中阶梯光栅、阵列波导光栅、MZI、或成角度的MMI。
图2是示出WDM接收器中的解复用器的输出的传导（dB）相对于波长的曲线图。实线201图示了用于单模输出波导的传导分布，其在形状方面是高斯的并且包括最大值。虚线202图示了多模输出波导的传导分布，与单模输出波导相比，该多模输出波导具有比单模输出波导宽且平坦的波长响应。
图3A和3B分别示出了处于高阶水平模式和高阶竖直模式的光。如先前所讨论的那样，输出波导301承载多模光信号。在该示例中，光信号处于高阶水平模式，其包括在波导脊303内支持（support）的峰302a-302d。该水平模式可以被认为是幅度上的水平间隔的峰的阵列。脊由硅层304的直立区域形成，并且通过掩埋氧化物层305（在该示例中由SiO2形成）在下侧界定。掩埋氧化物层被夹在硅层304和硅衬底306之间。
如先前所讨论的那样，然后将光信号提供给模式旋转器，并且将光学模式旋转90°。因此，如图3B中所示，光信号现在包括高阶竖直模式，其包括多个峰：307a-307d。该竖直模式可以被认为是振幅上的竖直间隔的峰的阵列。
在未示出的另一实施例中，操作被反转，并且因此光从多个竖直模式状态旋转到多个水平模式状态。
图4示出了WDM接收器中使用的类型的波导光电二极管400的结构。大体上，光电二极管包括从锗平板403和404以及硅平板402突出的波导脊401。硅平板位于掩埋氧化物层405（在该示例中为SiO2）的顶上，该掩埋氧化物层405被夹在硅平板和硅衬底406之间。该制造工艺大体上包括：（i）提供绝缘体上硅晶片；（ii）使硅器件层变薄；（iii）沉积具有均匀厚度的块状锗；（iv）通过蚀刻相邻部分形成波导脊，从而留下平板；以及（v）提供一个或多个电极触点。
在该示例中，脊401由锗形成。脊包括由本征锗区域409分开的掺杂侧壁407和408。这形成了先前提及的类型的水平p-i-n结。光电二极管还包括重n+掺杂区域403、和重p+掺杂区域404。这些区域分别连接到电极，并且较高的掺杂浓度降低了光电二极管的串联电阻。
脊优选为相对窄的，例如至少0.5μm且不超过1.5μm。通过提供这样的脊，传输时间保持得短，并且因此所产生的光电二极管可以以较高的速度操作。因此，通过提供具有多个竖直模式的光信号，与光信号处于多个水平模式的情况相比，脊波导可以支持更多数量的模式。相应地，如先前已经讨论的那样，波长传导分布更平坦。此外，每个光信号的大部分位于脊的中心部分内。这消除了掺杂区域对作为整体的光信号具有的影响，因为没有特定的模式主要处于掺杂区域中的任一个上。
在未示出的替代示例中，光电二极管结构具有竖直结。脊具有上掺杂区域和下掺杂区域而不是掺杂的侧壁，该上掺杂区域和下掺杂区域跨脊横向延伸并且由本征区域间隔开。在该示例中，光信号优选地包括多个水平模式，每个水平模式从脊的上部延伸到下部。同样，这确保了没有一个光学模式主导地位于掺杂区域中的任一个处，并且因此由于这些掺杂区域而引起的光学损耗作为整体散布在光信号上。
图5示出WDM接收器的详细示意图。如前所述，输入波导101向解复用器102提供波分复用信号。在解复用之后，将多个分离信号提供给相应的输出波导103a-103n。沿着每个输出波导的是模式旋转器501a-501n，该模式旋转器501a-501n执行上述模式旋转。
在旋转之后，每个输出波导在相应的锥形区域502-502n中从第一宽度渐缩到第二宽度（第二宽度小于第一宽度）。在锥形区域之后，输出波导耦合到先前讨论的类型的相应的波导光电二极管400a-400n。
虽然已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但是当给出本公开时，许多等同修改和变型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，以上阐述的本发明的示例性实施例被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。

Claims (27)

1.一种波分复用（WDM）接收器，包括：
输入波导；
解复用器，连接至所述输入波导，并且被配置为：
将从所述输入波导接收的信号解复用成多个分离信号，所述分离信号中的一个或多个具有多个光学模式，以及
将所述多个分离信号中的每个输出到相应输出波导中，所述相应输出波导连接到所述解复用器的相应输出端口；
其中被配置为承载具有多个光学模式的所述分离信号中的一个的至少一个输出波导被连接到相应模式旋转器，所述模式旋转器或每个模式旋转器被配置为旋转在其中接收的相应分离信号的所述多个光学模式；以及
其中所述模式旋转器或每个模式旋转器连接到相应波导光电二极管，所述相应波导光电二极管被配置为根据从所述相应模式旋转器接收的所述分离信号生成光电流。
2.根据权利要求1所述的WDM接收器，其中所述多个分离信号中的至少一个具有多个水平光学模式，所述模式旋转器或每个模式旋转器被配置为将所述多个水平光学模式旋转为多个竖直模式，并且其中所述波导光电二极管或每个波导光电二极管包括水平半导体结。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的WDM接收器，其中所述多个分离信号中的至少一个具有多个竖直光学模式，所述模式旋转器或每个模式旋转器被配置为将所述多个竖直光学模式旋转成多个水平光学模式，并且其中所述波导光电二极管或每个波导光电二极管包括竖直半导体结。
4.根据任一前述权利要求所述的WDM接收器，还包括位于至少一个模式旋转器与相应波导光电二极管之间的中间波导，其中所述中间波导具有在垂直于所述中间波导的引导方向的方向上测量的宽度，所述宽度沿着平行于所述中间波导的所述引导方向的长度变窄。
5.根据权利要求4所述的WDM接收器，还包括中间波导，其位于所述模式旋转器或所述模式旋转器中的每个模式旋转器与对应波导光电二极管之间，其中每个中间波导具有在垂直于所述相应中间波导的引导方向的方向上测量的宽度，所述宽度沿着平行于所述相应中间波导的所述引导方向的长度变窄，以便减小通过其传输的所述多个光学模式的光斑尺寸。
6.根据任一前述权利要求所述的WDM接收器，其中每个波导光电二极管被设置在绝缘体上硅晶片上，并且包括肋或脊波导，所述肋或脊波导包括一个或多个掺杂区域。
7.根据权利要求6所述的WDM接收器，其中每个肋或脊波导由锗形成。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的WDM接收器，其中每个波导光电二极管具有由本征区域分开的第一掺杂区域和第二掺杂区域。
9.根据权利要求8所述的WDM接收器，其中每个波导光电二极管的所述第一掺杂区域包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且其中所述下掺杂区域包含具有比所述上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的WDM接收器，其中每个波导光电二极管的所述第二掺杂区域包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且其中所述下掺杂区域包含具有比所述上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的WDM接收器，其中每个波导光电二极管还包括与所述第一掺杂区域电接触的第一电极、和与所述第二掺杂区域电接触的第二电极。
12.根据当从属于权利要求9和10时的权利要求11所述的WDM接收器，其中所述第一电极与所述第一掺杂区域的所述下掺杂区域电接触，并且所述第二电极与所述第二掺杂区域的所述下掺杂区域电接触。
13.根据任一前述权利要求所述的WDM接收器，其中所述解复用器是以下各项中的任一项：阵列波导光栅、中阶梯光栅、成角度的多模干涉解复用器、或马赫-曾德尔干涉仪。
14.根据任一前述权利要求所述的WDM接收器，其中所有所述分离信号具有多个光学模式，所有所述输出波导连接到相应模式旋转器，并且所有模式旋转器连接到相应波导光电二极管。
15.一种操作波分复用（WDM）接收器的方法，包括以下步骤：
在输入波导处接收信号；
将接收的信号提供给解复用器；
通过所述解复用器将所述接收的信号解复用成多个分离信号，所述分离信号中的一个或多个具有多个光学模式；
将所述多个分离信号中的每个输出到相应输出波导中，所述输出波导被连接到所述解复用器的相应输出端口；
在至少一个输出波导中，所述至少一个输出波导承载具有多个光学模式的所述分离信号中的一个，使用模式旋转器旋转在其中接收的相应信号的所述多个光学模式；以及
向波导光电二极管提供旋转的相应信号，所述波导光电二极管根据其生成光电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个分离信号中的至少一个具有多个水平光学模式，所述模式旋转器或每个模式旋转器将所述多个水平光学模式旋转成多个竖直光学模式，并且其中所述波导光电二极管或每个波导光电二极管包括水平半导体结。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述多个分离信号中的至少一个具有多个竖直光学模式，所述模式旋转器或每个模式旋转器被配置为将所述多个竖直光学模式旋转为多个水平光学模式，并且其中所述波导光电二极管或每个波导光电二极管包括竖直半导体结。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其中所述接收器还包括位于至少一个模式旋转器和相应的波导光电二极管之间的中间波导，其中所述中间波导具有在垂直于所述中间波导的引导方向的方向上测量的宽度，所述宽度沿着平行于所述中间波导的所述引导方向的长度变窄，以便减小通过其传输的所述多个光学模式的光斑尺寸。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其中每个波导光电二极管被设置在绝缘体上硅晶片上，并且包括肋或脊波导，所述肋或脊波导包括一个或多个掺杂区域。
20.根据权利要求19所述的方法，其中每个肋或脊波导由锗形成。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中每个波导光电二极管具有由本征区域分开的第一掺杂区域和第二掺杂区域。
22.根据权利要求21所述的方法，其中每个波导光电二极管的所述第一掺杂区域包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且其中所述下掺杂区域包含具有比所述上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中每个波导光电二极管的所述第二掺杂区域包括下掺杂区域和上掺杂区域，并且其中所述下掺杂区域包含具有比所述上掺杂区域高的浓度的掺杂剂。
24.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中每个波导光电二极管还包括与所述第一掺杂区域接触的第一电极、和与所述第二掺杂区域电接触的第二电极。
25.根据当从属于权利要求22和23时的权利要求24所述的方法，其中所述第一电极与所述第一掺杂区域的所述下掺杂区域电接触，并且所述第二电极与所述第二掺杂区域的所述下掺杂区域电接触。
26.根据权利要求15-25中任一项所述的方法，其中所述解复用器是以下各项中的任何一项：阵列波导光栅、中阶梯光栅、成角度的多模干涉解复用器、或马赫-曾德尔干涉仪。
27.根据权利要求15-26中任一项所述的方法，其中所有所述分离信号具有多个光学模式，所有所述输出波导连接到相应模式旋转器，并且所有模式旋转器连接到相应波导光电二极管。
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