CN113759466B - 面向5g通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器及装置，其接收器包括用于接收光信号的二维光栅耦合器、1个光交叉连接器、2个多模干涉耦合器、双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件、锗波导探测器。本发明的接收器有效改善了对光信号偏振态的敏感度，可以减少光损耗，减小误码率。

Description

面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器及装置

技术领域

本发明是关于硅基光电子技术，特别是关于一种面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器及装置。

背景技术

随着5G互联网时代的来临,大数据、云计算、人工智能等各种新型网络应用逐渐走入人们的生活，数据通信流量随之爆炸式增长，同时人们对网络的速率、带宽、时延和成本等的要求越来越高。传统的电互连方式,由于其无法逾越的“电子互连瓶颈”，限制了网络速率和带宽的进一步提高，已经无法满足当前网络大带宽，高速率的需求。以光互连技术为核心的信息交换方式以其大带宽，高速率，低时延的性能优势，能够克服传统电互连网络的速率和带宽局限性，成为人们追求的网络发展方向。其中最受关注的一项技术是片上集成光互连技术。片上集成光互连网络可以大大降低网络成本，功耗，提高可靠性等。特别是基于硅基光电子平台的片上光互连网络,其制作工艺与当前微电子半导体领域成熟的CMOS工艺兼容，前景尤为广阔，有望成为突破当前通信网络瓶颈的技术。

由于标准CMOS工艺具有廉价、可批量生产、成品率高等优点，在标准CMOS接收电路芯片上集成光接收器可最大限度地消除互连、引线和封装等寄生参量影响，提高光接收机的整体性能，同时还具备体积小、成品率高、可靠性好、可实现更为丰富功能的优点。近年来，随着不断提升。如何基于标准CMOS工艺实现光接收器单片集成，成为光电集成领域的研究热点。

光接收器是光通信网络、微波光子系统等复杂光通信的关键器件，目前市面上很少有可以集成在芯片上的光接收器，光接收器作为一种传送装置，需要能够大容量地实现高速、宽频带的通信，不仅如此，还需具备体积小、成品率高、可靠性好等各种优势。近些年来，随着硅基光电子学的研究兴起，人们对于光接收器的研究兴趣愈发浓厚并取得了较快进展。作为一种高速光信号传输器件，光接收器具有波导结构紧凑、集成度高、CMOS工艺兼容等优点，在面向短距离数据通信应用的光收发模块、光互连中获得了巨大成功，当前5G前传光模块的研究已经到达一定的热度，所研究的偏振无关型波分复用光接收器可在5G前传光模块中扮演一定的角色。

现有技术方案：专利申请号：CN202010581447.8中的光接收器，其对将彼此波长不同的多个单一光复用的光信号进行接收，该光接收器具有：插芯，其内置有对光信号进行传递的光纤；光分波器，其将光信号分波为多个单一光；多个受光元件，它们对由光分波器分波的多个单一光分别进行受光；放大器，其对从多个受光元件输出的多个电信号进行放大；光学模块，其具有第1凹部、第2凹部、第1反射面、第2反射面及第3反射面，第1凹部对插芯进行保持，第2凹部对光分波器进行收容，第1反射面及第2反射面将光信号依次反射，以使得从插芯的端面射出的光信号向插芯方向折回而射入至光分波器，第3反射面将从光分波器射出的多个单一光朝向多个受光元件进行反射；以及电路基板，其具有第1面，在第1面上安装多个受光元件及放大器，在第1面上以将多个受光元件及放大器覆盖的方式配置光学模块。

现有的光接收器体积较大，制作成本较高，不利于大规模集成。光信号通过反射，透射等多次传输中所出现的损耗是不太可观的，而且制作容差相对来说较高，这无异于大大的提高了制作成本。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其体积小，成本低，便于大规模集成。所采用的二维光栅耦合器结构具有偏振无关特性，这有效的解决了对输入光偏振态要求的限制，而采用的角度多模干涉耦合器光波分复用器件可以提高对光信号的选择特性，最后所采用的锗波导探测器可以提高对信号的探测。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，包括用于接收光信号的二维光栅耦合器，以及连接到二维光栅耦合器的4个锥形模斑转换器；1个光交叉连接器，通过硅基单模光波导连接到锥形模斑转换器；2个多模干涉耦合器，多模干涉耦合器通过硅基单模光波导连接到锥形模斑转换器或光交叉连接器；双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件，通过硅基单模光波导连接到多模干涉耦合器；锗波导探测器，通过硅基单模光波导连接到双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件。

在本发明的一个或多个实施方式中，锗波导探测器包括在锗基材上的P⁺掺杂区和N⁺掺杂区，P⁺掺杂区设置G电极，N⁺掺杂区设置S电极。

在本发明的一个或多个实施方式中，P⁺掺杂区和N⁺掺杂区之间形成有间隙，且间隙宽度为W_i宽度。如可以依据产品需求限定W_i为几纳米到几微米，这里不做严格限定，例如5纳米-10微米等。

在本发明的一个或多个实施方式中，锗波导探测器包括形成于硅基上的锗基，锗波导探测器包括横向p-i-n结构或纵向p-i-n结构，其中

横向p-i-n结构为在单一的锗基或硅基上形成P⁺掺杂区和N⁺掺杂区，P⁺掺杂区设置G电极，所述N⁺掺杂区设置S电极；

纵向p-i-n结构为在锗基上形成N⁺掺杂区，在位于锗基两侧的硅基上形成P⁺掺杂区，P⁺掺杂区设置G电极，N⁺掺杂区设置S电极。

在本发明的一个或多个实施方式中，锗基在硅基上的生长厚度为t_i。如可以依据产品需求限定t_i为数十纳米到几微米，这里不做严格限定，例如50-220nm等。

在本发明的一个或多个实施方式中，G电极和/或S电极为金属电极。

在本发明的一个或多个实施方式中，金属电极为Cu电极或Ti/AlCu电极。Ti/AlCu电极的应用为AlCu合金作为主体，Ti用来做通孔。

在本发明的一个或多个实施方式中，装置，包括如前述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，体积小，成本低，便于大规模集成。所采用的二维光栅耦合器结构具有偏振无关特性，这有效的扩大了对输入光要求的限制，而采用的角度多模干涉耦合器光波分复用器件可以提高对光信号的选择特性，最后所采用的锗波导探测器可以提高对信号的探测。整个偏振无关型波分复用光接收器件体积小，制造容差大，损耗低并且便于大规模集成，最重要的是制造成本相对较低。

本发明中所采用的二维光栅耦合器具有偏振无关性，无论是何种偏振输入光，都可以通过二维光栅耦合器进行光传递，同时所采用的角度多模干涉耦合器光波分复用器件可以大大提高光信号的选择特性，并提高光信号的传输效率，最后所采用的锗波导探测器对光信号有较高的敏感度，可以减少信息的损耗，减小误码率。

本方案中面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，二维光栅耦合器具有偏振无关特性和3-dB光分束功能，所述的长度不等的硅基单模光波导通过锥形模斑转换器与多模干涉耦合器连接形成马赫-曾德干涉仪结构，具有梳状滤波特性。

双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件通过共享多模干涉耦合区域可实现信道数加倍，从而提高通信容量。

马赫-曾德干涉仪结构与双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件共同构成一个多通道光波分复用/解复用器件，通过波长匹配设计可实现器件性能的优化。

G电极和/或S电极为金属电极，所述金属电极为Cu或Ti/AlCu等其它金属材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：第一、所采用的二维光栅具有偏振无关的优点，这对光接收器的应用范围提供了极大的便利，同时光栅所采用的变迹结构也大大提高了与光纤的耦合效率。第二、采用2×2双向多模干涉耦合器，具有结构紧凑、损耗低、工艺简单、容差性好等一系列独特的优点。第三、采用的双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件设计基于220nm顶层硅厚度的SOI平台，是一种较为新颖的结构，同时具有制造工艺简单，容差能力强，易于集成等优点，有望应用于对稳定性要求高，大规模集成的WDM系统中。第四、采用的锗波导探测器具有良好的灵敏度，较小的工作电压等优点，同时也具有制造工艺简单，便于集成等优点。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器的结构示意图；

图2是图1的二维光栅耦合器A部分的俯视图；

图3是根据本发明一实施方式的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器的俯视图；

图4是根据本发明一实施方式的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器的锗探测器结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图4所示，根据本发明优选实施方式的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器中：

由图1所示，可以包括：4个锥形模斑转换器101、1个二维光栅耦合器102、1个光交叉连接器103、2个2×2多模干涉耦合器105、2个双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件106、4个锗波导探测器107。这里采用二维光栅耦合器进行光耦合与光分束功能。采用锥形模斑转换器实现光栅耦合器与光波导之间的光传递。采用光交叉连接器实现防止脊型波导交叉产生串扰的功能。采用2×2多模干涉耦合器与非等臂的硅基单模光波导构成马赫-曾德尔干涉仪结构，实现梳状滤波。采用双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件实现光波的波分复用解复用功能，通过带有角度的模斑转换器可以更有效地实现波长选择，具有更好的光传输效率。采用锗波导探测器实现对光信号的探测。

在工作时，二维光栅耦合器从光纤中所接收的光信号通过锥形模板斑换器与硅基单模波导传输进2×2多模干涉耦合器中进行合束，所合束的光信号进入双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件进行波长选择，被选择出来的波长经过硅基单模光波导和锥形模斑转换器传入锗波导探测器中而被探测。

为了实现本发明的目的，面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器可以采用如下的技术方向和思路：

1.面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器包括：4个锥形模斑转换器101、1个二维光栅耦合器102、1个光交叉连接器103、2个2×2多模干涉耦合器105、2个双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件106、4个锗波导探测器107。采用一个四通道输出的二维光栅耦合器用以实现偏振无关的光耦合，即是将单模光纤中所存在的多种偏振光耦合进二维光栅耦合器102中，通过四个通道输出光信号，经二维光栅耦合器将光信号耦合输入到硅基单模光波导中；采用两个2×2多模干涉耦合器105和硅基单模光波导组成马赫曾德干涉仪结构，用作梳状滤波；采用两个双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件106实现光波的波分复用解复用功能，通过带有角度的模斑转换器可以更有效地实现波长选择，具有更好的光传输效率。采用四个锗波导探测器107实现对光信号的探测。

2.四个锥形模斑转换器101采用硅基制作而成的锥形结构，连接二维光栅耦合器102与硅基单模光波导103以完成光传递。

3.二维光栅耦合器102为四通道输入耦合器，该二维光栅具有中心对称特性，当单模光纤的入射光完全垂直光栅并且位于光栅的正中心位置时，该二维光栅耦合器可以实现四通道均匀分束，同样该二维光栅耦合器可以作为光分束的结构使用。

4.硅基单模光波导103采用硅基制作而成的脊型波导结构，作为光传递的载体以达到传递光信号的作用。

5.光交叉连接器104实现防止脊型波导交叉产生串扰的功能。

6.2×2多模干涉耦合器105是由四个锥形模板转换器和一个多模波导由一定设计规则组成，与四个非等臂的硅基单模光波导组成马赫-曾德干涉仪结构，用作梳状滤波。

7.双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件106是由六个带有一定角度的锥形模斑转换器和一个多模波导由一定设计规则组成，用来实现有效的波长选择功能。

8.所属的锗波导探测器107结构通过硅基单模光波导上面生长一层锗波导，两个波导之间通过模式耦合进行光能量传递，从而实现对光信号的探测功能。

偏振无关型波分复用光接收器，包括：4个锥形模斑转换器101、1个二维光栅耦合器102、1个光交叉连接器103、2个2×2多模干涉耦合器105、2个双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件106、4个锗波导探测器107。采用1个二维光栅耦合器进行光耦合与光分束功能；采用4个锥形模斑转换器实现光栅耦合器与光波导之间的光传递；采用1个光交叉连接器防止波导交叉时出现串扰；采用2个2×2多模干涉耦合器实现光的合束，以构成2个马赫-曾德尔的干涉结构，可作为梳状滤波器；采用2个双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件实现光的波长选择；采用4个锗探测器实现对来自波导中光信号的探测。

这里的4个锥形模斑转换器101均可以是对硅材料进行刻蚀在形成锥形结构，完成光从二维光栅耦合器到硅基单模光波导103的光传递。

而硅基单模光波导103可以是通过对硅进行刻蚀形成脊形波导结构，完成光波在其中传递，光交叉连接器104是为了防止硅基单模光波导结构交叉时产生串扰。

2×2多模干涉耦合器105可以是通过对硅进行刻蚀形成锥形结构和脊形波导结构通过一定设计规则所组成。两个2×2多模干涉耦合器105通过不同长度的硅基单模光波导和锥形模斑转换器与二维光栅耦合器的四个光传播通道相连接，组成双偏振态工作的马赫-曾德尔干涉仪结构，具有良好的梳状滤波特性。

双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件106可以是通过对硅进行刻蚀形成一定角度的锥形结构和脊形波导结构通过一定设计规则所组成，通过硅基单模光波导和锥形模斑转换器与2×2多模干涉耦合器的两个输出端相连接，将2×2多模干涉耦合器输出的光波进行二次滤波，有效实现光波的波分复用解复用功能，通过带有角度的模斑转换器可以有效地实现波长选择，同时具有较好的光传输效率。

锗波导探测器107可以是在硅基单模光波导上面生长一层锗波导，通过两个波导之间的模式耦合进行光能量传递，同时该锗波导探测器具有两个连接光波导，可以同时接收来自相反方向的两束光。如此，对应于不同入射偏振态的两束光经过解复用后可被同一个探测器接收，保证了接收光功率对于入射光偏振态的不敏感性。

图2是二维光栅耦合器的的俯视图，输入光信号通过单模光纤完全垂直入射，经二维光栅耦合器分束，输出四路光信号，其中有P1和P2两种偏振光信号，以完成单模光纤到二维光栅耦合器的光传递功能，光栅所采用的变迹结构大大提高了单模光纤与光栅的耦合效率。

图3是光接收器传输部分结构俯视图。以P2偏振光传输为例，通过二维光栅的两个输出通路传入两个不同长度的硅基单模光波导中，所输出的光波长包括λ1、λ2、λ3、λ4，其中λ1、λ2、λ3、λ4各不相同，当光信号到达2×2多模干涉耦合器时，经过所构成马赫-曾德尔干涉仪结构的梳状滤波作用将光波长分为两组进行传输，上侧为λ2和λ4，下侧为λ1和λ3，两路光信号分别从双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件上下两侧带有入射角度的锥形模斑转换器输入，基于多模波导色散自映像原理进行波长的选择，将四个波长分别从四个输出通道进行传输，再通过硅基单模光波导分别传输入锗波导探测器中，实现光信号的探测。

图4是锗探测器两种实施方式的结构图，其中图4a和4b分别为锗探测器横向p-i-n结构的俯视图和剖面图，俯视图结构可以清晰的了解到，锗波导探测器由左右两侧各为一个硅基单模光波导103和一个锥形模斑转换器101组成，中间相夹一个较宽的脊型波导，脊型波导上生长一层锗波导108，锗波导上进行P+，N+掺杂，其间隔为W_i宽度，在掺杂区分别制作金属G、S金属电极109，横向p-i-n结构的本征区宽度W_i可以通过控制P+和N+的间距来调节，图4c和4d为锗探测器纵向p-i-n结构的俯视图和剖面图，与锗探测器横向p-i-n结构不同的地方是锗波导上中间位置进行N+掺杂，制作S电极，锗波导两侧的脊型波导上进行P+掺杂，制作G电极，对于纵向p-i-n结构来说，本征区的厚度t_i取决于锗生长厚度和N+区的掺杂厚度，这可以通过外延条件和掺杂条件来控制。探测器速度可通过优化W_i和t_i来提升至最大。这里的实施可以借用仿真软件进行掺杂浓度和掺杂位置的调整，进行优化，观察探测效率。

本发明中对于不同的二氧化硅下包层厚度和顶层硅厚度，为达到功能要求的相应最佳设计也不同，因此为了方便描述，作为一个示例，衬底材料可以选择为，二氧化硅下包层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm，其中金属电极材质可以为Cu、Ti/AlCu等金属电极材料。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，包括

用于接收光信号的二维光栅耦合器，以及连接到二维光栅耦合器的4个锥形模斑转换器；

1个光交叉连接器，通过硅基单模光波导连接到所述锥形模斑转换器；

2个多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器通过长度不等的硅基单模光波导连接到所述锥形模斑转换器和所述光交叉连接器；

双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件，通过硅基单模光波导连接到所述多模干涉耦合器；

锗波导探测器，通过硅基单模光波导连接到所述双向角度多模干涉耦合器光波分复用器件。

2.如权利要求1所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，所述锗波导探测器包括在锗基或硅基上的P⁺掺杂区和N⁺掺杂区，所述P⁺掺杂区设置G电极，所述N⁺掺杂区设置S电极。

3.如权利要求2所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，所述P⁺掺杂区和N⁺掺杂区之间形成有间隙，且间隙宽度为W_i。

4.如权利要求1或2所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，所述锗波导探测器包括形成于硅基上的锗基，所述锗波导探测器包括横向p-i-n结构或纵向p-i-n结构，其中

所述横向p-i-n结构为在单一的锗基或硅基上形成P⁺掺杂区和N⁺掺杂区，所述P⁺掺杂区设置G电极，所述N⁺掺杂区设置S电极；

所述纵向p-i-n结构为在锗基上形成N⁺掺杂区，在位于锗基两侧的硅基上形成P⁺掺杂区，所述P⁺掺杂区设置G电极，所述N⁺掺杂区设置S电极。

5.如权利要求4所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，所述锗基在硅基上的生长厚度为t_i。

6.如权利要求5所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，所述G电极和/或S电极为金属电极。

7.如权利要求6所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器，其特征在于，所述金属电极为Cu电极或Ti/AlCu电极。

8.通信装置，包括如权利要求1-7任一所述的面向5G通信的偏振无关型硅基光波分复用接收器。