CN114002772B - 一种光接收集成芯片 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种光接收集成芯片，包括阵列波导光栅以及探测器阵列；阵列波导光栅包括多个输出波导；探测器阵列包括对应多个输出波导设置的多个探测器端口以及设于探测器端口与输出波导之间的多个第一波导结构；其中，第一波导结构包括呈相邻设置的锥形部以及延伸部，沿远离延伸部的方向，锥形部的截面宽度呈逐渐增加设置，锥形部的端部形成输入端，延伸部的端部形成输出端，输入端光路连接至输出波导上，输出端光路连接至探测器端口上。第一波导结构形成一锥形结构，避免因折射率突变而引起模式失配，造成较大的传输损耗，防止阵列波导光栅输出的高阶模式部分的功率丢失而影响带宽性能。

Description

一种光接收集成芯片

技术领域

本公开涉及光电集成领域，特别涉及一种光接收集成芯片。

背景技术

随着云服务等各种网络广泛普及，对数据中心内部及数据中心之间服务器高速互连的需求越来越迫切。数据中心互连最核心的器件就是光发射组件(Transmitters)和光接收组件(Receivers)，分别实现信号传输过程中的电-光、光-电转换，其传输速率逐步由100G/200G向400G发展。

由于单模光纤传输速率越高，链路难度及制作成本会成倍的增加，采用并行传输的复用和解复用方式可以将多个波长复用到一根光纤上实现并行传输。

光接收组件中，波分复用芯片和波导型探测器阵列要实现低损耗的耦合，往往需要采用透镜耦合的方式，对准难度较大，工艺复杂。另外，随着探测器带宽的增加，输入波导也被限制在较小的尺寸，采用多模波导实现平坦化输出的阵列波导光栅，输出波导尺寸较大，又由于和探测器材料不同，波导结构存在差异，直接对准耦合会因为模斑不匹配造成较大的传输损耗。

发明内容

本公开的主要目的是提出一种光接收集成芯片，旨在解决模斑不匹配的问题。

为实现上述目的，本公开提出一种光接收集成芯片，包括：

阵列波导光栅，包括多个输出波导；以及，

探测器阵列，包括对应多个输出波导设置的多个探测器端口以及设于探测器端口与输出波导之间的多个第一波导结构；

其中，第一波导结构包括呈相邻设置的锥形部以及延伸部，沿远离延伸部的方向，锥形部的截面宽度呈逐渐增加设置，锥形部的端部形成输入端，延伸部的端部形成输出端，输入端光路连接至输出波导上，输出端光路连接至探测器端口上。

可选的，阵列波导光栅还包括依次光路连接的输入波导、输入平板波导、阵列波导以及输出平板波导，其中，多个输出波导光路连接至输出平板波导上；

输入波导以及输入平板波导之间还设置有第二波导结构，第二波导结构包括呈相对设置的初始端以及末尾端，初始端光路连接至输入波导上，末尾端光路连接至输入平板波导上，自初始端朝向末尾端，第一波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构。

可选的，第二波导结构的截面宽度满足以下关系：

W＝Wi+f(z)·(Wo-Wi)

其中，W为截面宽度，Wi为初始端的宽度，Wo为末尾端的宽度，f(z)为第二波导结构的形状函数，z为第二波导结构长度归一化后的值。

可选的，第二波导结构的形状函数f(z)满足以下关系：

f(z)＝(e∧(k·z)-1)/(e∧k-1)

其中，e为数学常数，k值为预设值。

可选的，第二波导结构的材料为二氧化硅。

可选的，输入端与输出波导之间的连接方式为直接耦合。

可选的，输入波导包括多个连接端口。

可选的，输出波导为多模波导。

可选的，输入端的端面上镀设有增透膜。

可选的，第一波导结构为InGaAsP或者InP薄层结构交叠生长形成。

在本公开提供的技术方案中，探测器阵列包括设于探测器端口与输出波导之间的多个第一波导结构，第一波导结构包括呈相邻设置的锥形部以及延伸部，使得第一波导结构形成一锥形结构，通过锥形部避免因折射率突变而引起模式失配，造成较大的传输损耗，同时，通过延伸部防止阵列波导光栅输出的高阶模式部分的功率丢失而影响带宽性能。

附图说明

图1为本公开提供的光接收集成芯片一实施例的结构示意图；

图2为图1中第一波导结构的一实施例的剖视结构示意图；

图3为1中第二波导结构的一实施例的剖视结构示意图；

图4为不同的指数型多模干涉展宽波导结构的仿真输出光谱。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	阵列波导光栅	8	第二波导结构
2	探测器阵列	9	第一波导结构
				3	输入波导	W1	初始端
4	输入平板波导	W2	末尾端
				5	阵列波导	W3	输入端
6	输出平板波导	W4	输出端
				7	输出波导

具体实施方式

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。

需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本公开实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。

请参阅图1至图2，本公开提供一种光接收集成芯片，包括阵列波导光栅1以及探测器阵列2；阵列波导光栅1包括多个输出波导7；探测器阵列2包括对应多个输出波导7设置的多个探测器端口以及设于探测器端口与输出波导7之间的多个第一波导结构9；其中，第一波导结构9包括呈相邻设置的锥形部以及延伸部，沿远离延伸部的方向，锥形部的截面宽度呈逐渐增加设置，锥形部的端部形成输入端W3，延伸部的端部形成输出端W4，输入端W3光路连接至输出波导7上，输出端W4光路连接至探测器端口上。

在本公开提供的技术方案中，探测器阵列2包括设于探测器端口与输出波导7之间的多个第一波导结构9，第一波导结构9包括呈相邻设置的锥形部以及延伸部，使得第一波导结构形成一锥形结构，通过锥形部避免因折射率突变而引起模式失配，造成较大的传输损耗，同时，通过延伸部防止阵列波导光栅输出的高阶模式部分的功率丢失而影响带宽性能。

进一步的，请参阅图3，阵列波导光栅还包括依次光路连接的输入波导3、输入平板波导4、阵列波导5以及输出平板波导6，其中，多个输出平板波导7光路连接至输出平板波导6上；输入波导3以及输入平板波导4之间还设置有第二波导结构8，第二波导结构8包括呈相对设置的初始端W1以及末尾端W2，初始端W1光路连接至输入波导3上，末尾端W2光路连接至输入平板波导4上，自初始端W1朝向末尾端W2，第一波导结构8的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构。

进一步的，在输入波导3以及输入平板波导4之间设置有第二波导结构8，根据自映像原理，可以得到两个分开的像，从而获得平坦化的光谱。

具体的，第二波导结构8的截面宽度满足以下关系：

W＝Wi+f(z)·(Wo-Wi)

其中，W为截面宽度，Wi为初始端的宽度，Wo为末尾端的宽度，f(z)为第二波导结构的形状函数，z为第二波导结构长度归一化后的值。

保证第二波导结构8的侧壁呈曲线增加，形成弧形结构。

在本实施例中，第二波导结构8的形状函数f(z)满足以下关系：

f(z)＝(e∧(k·z)-1)/(e∧k-1)

其中，e为数学常数，k值为预设值。使得第二波导结构8形成曲线型多模干涉展宽波导结构，形成指数型变化。

另一方面，第二波导结构8的材料为二氧化硅。以便于形成阵列波导光栅1的形成以及保证达到光栅的要求标准。

在本实施例中，输入端W3与输出波导7之间的连接方式为直接耦合。由于设置第一波导结构9，直接将输入端W3与输出波导7之间直接耦合，便于耦合，制造方便。

同样的，输入波导3包括多个连接端口。

另一方面，输出波导7为多模波导。在本实施例中，多模波导可以激发出若干个高阶模式，进一步加强平坦化效果。

另外，输入端W3的端面上镀设有增透膜。避免因折射率突变而引起模式失配，造成较大的传输损耗。

具体的，在本实施例中，第一波导结构为InGaAsP或者InP薄层结构交叠生长形成。

基于上述光接收集成芯片，本公开提供一具体实施例。

光接收集成芯片包括：阵列波导光栅1和探测器阵列2，阵列波导光栅1基于2％折射率差的硅基底二氧化硅波导，包层折射率为1.447，芯层折射率为1.47653。

探测器阵列2的第一波导结构为InGaAsP/InP薄层结构交叠生长而成。本实施例中，光接收集成芯片采用1×4的阵列波导光栅1与4ch探测器阵列2直接对准耦合。

阵列波导光栅1由输入波导3、输入平板波导4、阵列波导5、输出平板波导6以及输出波导7依次连接构成。

输入波导3的末端采用第二波导结构8，即曲线型多模干涉展宽波导结构，根据自映像原理，可以得到两个分开的像，从而获得平坦化的光谱。

输出波导7采用多模波导，宽度选用7μm，此时可以同时存在两个模式，光场叠加可以进一步加强平坦化效果。

复合光信号由输入波导3入射，最终不同波长的光汇聚到不同的输出波导7。在本实施例中，其中W1＝4μm，W2＝14.2μm，L1＝150μm，形状函数中的k值取-4。

请参阅图4，为不同的指数型多模干涉展宽波导结构的仿真输出光谱，可以看出通过调节展宽波导的参数，可以实现平坦化的效果。

探测器阵列2中，第一波导结构9采用倒锥形结构，使得输入端W3尺寸等于或大于AWG输出波导宽度，且在入射端面镀增透膜，避免因折射率突变而引起模式失配，造成较大的传输损耗；输出端W4宽度的选择要满足可以同时存在两个模式，防止阵列波导光栅1输出的高阶模式部分的功率丢失而影响带宽性能。

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 (6)

1.一种光接收集成芯片，其特征在于，包括：

阵列波导光栅，包括多个输出波导；以及，

探测器阵列，包括对应多个所述输出波导设置的多个探测器端口以及设于所述探测器端口与所述输出波导之间的多个第一波导结构；

其中，所述第一波导结构包括呈相邻设置的锥形部以及延伸部，沿远离所述延伸部的方向，所述锥形部的截面宽度呈逐渐增加设置，所述锥形部的端部形成输入端，所述延伸部的端部形成输出端，所述输入端光路连接至所述输出波导上，所述输出端光路连接至所述探测器端口上；

所述阵列波导光栅还包括依次光路连接的输入波导、输入平板波导、阵列波导以及输出平板波导，其中，多个输出波导光路连接至所述输出平板波导上；

所述输入波导以及所述输入平板波导之间还设置有第二波导结构，所述第二波导结构包括呈相对设置的初始端以及末尾端，所述初始端光路连接至所述输入波导上，所述末尾端光路连接至所述输入平板波导上，自所述初始端朝向所述末尾端，所述第一波导结构的截面宽度呈逐渐增大设置，形成一弧型结构，所述输入端与所述输出波导之间的连接方式为直接耦合；

所述第二波导结构的截面宽度满足以下关系：

W＝Wi+f(z)·(Wo-Wi)

其中，W为所述截面宽度，Wi为所述初始端的宽度，Wo为所述末尾端的宽度，f(z)为所述第二波导结构的形状函数，z为所述第二波导结构长度归一化后的值；

所述第二波导结构的形状函数f(z)满足以下关系：

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)

其中，e为数学常数，k值为预设值。

2.如权利要求1所述的光接收集成芯片，其特征在于，所述第二波导结构的材料为二氧化硅。

3.如权利要求1所述的光接收集成芯片，其特征在于，所述输入波导包括多个连接端口。

4.如权利要求1所述的光接收集成芯片，其特征在于，所述输出波导为多模波导。

5.如权利要求1所述的光接收集成芯片，其特征在于，所述输入端的端面上镀设有增透膜。

6.如权利要求1所述的光接收集成芯片，其特征在于，所述第一波导结构为InGaAsP或者InP薄层结构交叠生长形成。