CN114779398B - 一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，包括：若干依次连接的垂直耦合光栅、多模干涉器和串联推挽型调制器、逆向设计的粗波分复用器和光发射芯片输出端。该芯片可用在光模块中的光发射芯片，在较小器件尺寸下能够对高速电信号调制，解决了器件插入损耗较大、尺寸较大和调制带宽较低等问题。逆向设计的垂直耦合光栅减小耦合损耗且适当的减小尺寸，耦合损耗约‑1.8 dB，耦合区长度仅为10‑15μm；串联推挽调制器有效增大器件的调制带宽，电光带宽可超过35 GHz；逆向设计的粗波分复用器明显减小器件的尺寸，器件尺寸小于15×15μm2,信道间串扰较小，小于‑16 dB。提出的器件具有尺寸小、耦合效率高、电光带宽高和低串扰等优势。

Description

一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片
技术领域
本申请涉及光模块中光发射模块技术领域，尤其涉及一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片。
背景技术
在通信领域，常见的信息传递方式有电缆传输、无线传输、网络传输和光纤传输等，其中光纤传输以其传输距离长、不受电磁干扰等优势被广泛采用。为了实现光纤传输，光模块成为光网络中重要组件。光模块中的光发射模块可将高速电信号加载到光信号中，实现载波的功能，然后将载波通过光纤长距离传输，传输后的信号可被光接收模块接收，通过探测器将载波解调，实现高速电信号的提取。故光模块是实现高速信号传输的重要组件。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
市场上普遍应用的光模块是由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如InP、InGaAsP等)构成的，与集成电路工艺不兼容，且制备成本较高，约为SOI材料体系加工成本的200倍以上；光模块外置的激光器数量与并行的通道数相同，这意味着光发射模块和接收模块间需多根光纤并行长距离传输，光纤消耗的成本较高；已报道的研究成果中硅光芯片尺寸较大；市场上常见的光模块传输速率为25 Gb×4 ch(Channel，信道)。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的是提供一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，包括：
若干依次连接的垂直耦合光栅、多模干涉器和串联推挽型调制器，所述垂直耦合光栅基于逆向设计，所述多模干涉器为1×2功率均分型的多模干涉器，所述多模干涉器的输入端与所述垂直耦合光栅的输出端相连接，所述多模干涉器的输出端分别与所述串联推挽型调制器中的波导相连接，其中，所述多模干涉器的一个输出端与对应的所述串联推挽型调制器中的电极之间设置有热电极；
逆向设计的粗波分复用器，所述粗波分复用器接收所有串联推挽型调制器的输出，所述粗波分复用器的输出为单信道输出；
光发射芯片输出端，所述光发射芯片输出端接收所述粗波分复用器的输出，并发射光信号。
进一步地，所述垂直耦合光栅包括交错设置的第一波导和第二波导，其中所述第一波导未被刻蚀，所述第二波导被刻蚀，且所述第一波导和第二波导通过L-BFGS-B优化得到。
进一步地，所述串联推挽型调制器包括：
第三波导，所述第三波导以所述第三波导的中线为对称轴设置有N++型掺杂区、N+型掺杂区、N型掺杂区、P型掺杂区、P+型掺杂区以及P++型掺杂区，其中所述P++型掺杂区的中线与所述第三波导的中线重合，所述P++型掺杂区两侧的N掺杂区、P型掺杂区形成两个PN结，分别与所述多模干涉器的两个输出端相连接；
接地的第一金属电极，所述第一金属电极设置在所述P++型掺杂区一侧的N++型掺杂区上；
接直流偏压的第二金属电极，所述第二金属电极设置在所述P++型掺杂区上；
接高速电信号的第三金属电极，所述第三金属电极设置在所述P++型掺杂区另一侧的N++型掺杂区上，所述多模干涉器的一个输出端与对应的所述串联推挽型调制器中的一个PN结之间设置有热电极，其中该PN结与所述第三金属电极同侧。
进一步地，N型掺杂区和P型掺杂区的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区和P+型掺杂区的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区和P++型掺杂区的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级。
进一步地，N型掺杂区、N+型掺杂区、P型掺杂区和P+型掺杂区的长度在0.4-2 μm之间，N++型掺杂区和P++型掺杂区的长度大于5 μm。
进一步地，所述逆向设计的粗波分复用器的多模干涉整体区域尺寸小于15×15 μm2，每个格点的尺寸在10×10 nm2~ 50×50 nm2范围内，输入的每个信道中心波长在1260-1360 nm范围内，每信道波长范围在5-20 nm间，相邻信道波长间距在5-20 nm范围内。
进一步地，所述光发射芯片输出端由端面耦合器或宽带宽垂直耦合光栅组成。
进一步地，所述垂直耦合光栅与所述多模干涉器之间、所述多模干涉器与所述串联推挽型调制器之间、所述串联推挽型调制器与所述粗波分复用器之间、所述粗波分复用器与所述光发射芯片输出端之间均通过条形波导连接。
进一步地，所述垂直耦合光栅的光栅周期需在0.3-0.9 μm，光栅周期数在20-60间，光栅总长度在10-30 μm间，光栅啁啾系数需在0.02-0.08 μm-1范围内。
进一步地，所述第一金属电极和第三金属电极的宽度均大于10 μm，所述第一金属电极和第三金属电极的间距大于10 μm。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请采用粗波分复用技术，可实现单路的光信号传输，减少光纤传输通道数，明显节约光纤成本；采用逆向设计的垂直耦合光栅和粗波分复用器，相比于不采用逆向设计的器件，明显减小了器件的耦合损耗、通道间串扰和器件尺寸；采用串联推挽型调制器，其电光带宽较大，且未来可通过电感峰化和衬底掏空等方式继续提升器件的电光带宽，实现更高速率的信号传输。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为根据一示例性实施例示出的一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片的结构示意图。
图2为根据一示例性实施例示出的逆向设计耦合光栅迭代过程与最终迭代结果图，图2中的(a)为逆向设计的垂直耦合光栅迭代结果结构示意图；图2中的(b)为器件迭代过程中最佳输出功率与迭代次数的关系；图2中的(c)为最终迭代结果的光栅刻蚀与非刻蚀部分的尺寸和光栅周期的关系图。
图3为根据一示例性实施例示出的逆向设计耦合光栅耦合效率仿真结果图，图3中的(a)为逆向设计的垂直耦合光栅耦合效率与波长的关系图；图3中的(b)为耦合效率与光纤耦合角关系图。
图4为根据一示例性实施例示出的串联推挽电极的截面结构示意图。
图5为根据一示例性实施例示出的串联推挽调制器的技术指标示意图，图5中的(a)为电容值与pn结反向偏压的关系图；图5中的(b)为调制波导的相移与pn结反向偏压的关系图；图5中的(c)为电极群折射率ng与电信号频率关系图；图5中的(d)为调制器的电光响应与电信号频率关系图。
图6为根据一示例性实施例示出的逆向设计粗波分复用器迭代过程与最终迭代结果图，图6中的(a)为最终迭代过程对应的器件结构图；图6中的(b)为器件各信道的最优值FOM随迭代次数变化图。
图7为根据一示例性实施例示出的逆向设计粗波分复用器的各信道功率与波长关系图。
图8为根据一示例性实施例示出的逆向设计粗波分复用器的光场仿真图。
图中的附图标记包括：
100、垂直耦合光栅；200、多模干涉器；300、热电极；400、串联推挽型调制器；401、第一金属电极；402、第二金属电极；403、第三金属电极；404、N型掺杂区；405、P型掺杂区；406、N+型掺杂区；407、P+型掺杂区；408、N++型掺杂区；409、P++型掺杂区；500、粗波分复用器；600、光发射芯片输出端。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于逆向设计思想的粗波分复用硅光发射芯片的结构示意图，如图1所示，该粗波分复用硅光发射芯片可以包括若干依次连接的垂直耦合光栅100、多模干涉器200和串联推挽型调制器400以及逆向设计的粗波分复用器500、光发射芯片输出端600，所述垂直耦合光栅100基于逆向设计，所述多模干涉器200为1×2功率均分型的多模干涉器200，所述多模干涉器200的输入端与所述垂直耦合光栅100的输出端相连接，所述多模干涉器200的输出端分别与所述串联推挽型调制器400中的波导相连接，其中，所述多模干涉器200的一个输出端与对应的所述串联推挽型调制器400中的电极之间设置有热电极300；所述粗波分复用器500接收所有串联推挽型调制器400的输出，所述粗波分复用器500的输出为单信道输出；所述光发射芯片输出端600接收所述粗波分复用器500的输出，并发射光信号。
由上述实施例可知，本申请采用粗波分复用技术，可实现单路的光信号传输，减少光纤传输通道数，明显节约光纤成本；采用逆向设计的垂直耦合光栅100和粗波分复用器500，相比于不采用逆向设计的器件，明显减小了器件的耦合损耗、通道间串扰和器件尺寸；采用串联推挽型调制器400，其电光带宽较大，且未来可通过电感峰化和衬底掏空等方式继续提升器件的电光带宽，实现更高速率的信号传输。
在具体实施中，所有的波导制作材料为SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)，在一实施例中，所有波导的下包层均为二氧化硅，芯层为硅材料，波导的高度为220nm。采用SOI结构明显减小波导尺寸，设计的波导高度220 nm为SOI波导普适尺寸，通过集成电路工艺即可加工。
具体地，所述垂直耦合光栅100包括交错设置的第一波导和第二波导，其中所述第一波导未被刻蚀，所述第二波导被刻蚀，且所述第一波导和第二波导通过L-BFGS-B优化得到。
在一实施例中，所述逆向设计的垂直耦合光栅100包含未被刻蚀的第一波导和被刻蚀的第二波导，第一波导厚度约为220 nm，第二波导需剩60-150 nm。n0和ne分别为光在第一波导和第二波导的有效折射率，nbg为包层二氧化硅的折射率，光栅周期为Λ，啁啾系数为R，F0为光栅初始位置处的占空比，F(z)为光栅的占空比随器件位置z的表达式，θ为光栅的入射角，光栅的谐振波长λ0与光栅周期由关系式 (1)给出，光栅的占空比F与位置z的关系由关系式(2)给出：
Figure 866696DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 331306DEST_PATH_IMAGE002
(2)
为了让最佳耦合波长位于1310 nm附近，本实施例中初始使用条件F0约为0.95，R约为0.03 μm-1, θ约为5º，此时耦合效率较高。然后对初次迭代的器件使用逆向设计算法L-BFGS-B优化，使其得到最高的耦合效率。L-BFGS-B本质上是多变量型牛顿迭代法的改进。对本光栅的优化过程中，共有N个相互独立的变量，每次迭代前变量为Xk，Xk经迭代一次后变量变为Xk+1。在常规牛顿迭代法求解过程中，Xk+1可由Xk通过关系式(3)得到：
Figure 970098DEST_PATH_IMAGE003
Figure 834149DEST_PATH_IMAGE004
Figure 195991DEST_PATH_IMAGE005
(3)
由于矩阵
Figure 877508DEST_PATH_IMAGE006
维度较大，难以求解。BFGS-B算法和L-BFGS-B算法应运而生。BFGS-B 算法由关系式(4)给出。
Figure 954661DEST_PATH_IMAGE007
Figure 215878DEST_PATH_IMAGE008
Figure 353598DEST_PATH_IMAGE009
(4)
这里D0为单位矩阵。在涉及很多变量同时优化时，Dk的矩阵维数很大，需要占用大量的存储空间。L-BFGS-B算法不再存储Dk矩阵，而利用s0…sk、v0…vk和最近几次计算m次得到的Vk-m+1,Vk-m+2,…Vk近似得到Dk+1的值，是对BFGS-B算法的优化，如关系式(5)所示。
Figure 894432DEST_PATH_IMAGE010
Figure 507816DEST_PATH_IMAGE011
(5)
通过L-BFGS-B算法对含有50个波导的垂直耦合光栅100进行优化，其中所述垂直耦合光栅100中的第一波导和第二波导均为25个，且第二波导边缘都位于圆弧上，迭代次数超过130次。图2中的(a)示出经该算法逆向设计的版图，器件尺寸约为13 μm;图2中的(b)示出在中心波长1310 nm出的耦合效率与迭代次数的关系，最佳耦合效率可达到68%，图2中的(c)示出每个光栅周期第一波导和第二波导尺寸随光栅周期数的变化。
图3中的(a)示出该逆向设计垂直耦合光栅100的耦合效率与波长间关系，其3 dB带宽超过36 nm；图3中的(b)示出该垂直耦合光栅100的耦合效率与光栅倾斜角关系，倾斜角约为5º时耦合效率最高。在一实施例中，由于四个信道激光器输入波长有所不同，且需与后面逆向设计的CWDM四信道波长对应，故设计的四个垂直耦合光栅100参数会略有不同。
普通的垂直耦合光栅100耦合损耗大于4 dB，器件的尺寸一般超过20 μm。该逆向设计的垂直耦合光栅100相比于普通的耦合光栅具有更小的尺寸和更低的耦合损耗。
在一实施例中，设计了四个多模干涉器200和热电极300，要求多模干涉器200为1×2型多模干涉器200，尺寸小于4×4 μm，且实现功率平均分配；热电极300由蒸镀TiN等材料而成，通过加热具有动态改变调制器双臂相位的功能，能够改变后面调制器的静态工作点，使调制器输出的光功率能够在最小值和最大值间动态变化。
具体地，所述串联推挽型调制器400包括第三波导、接地的第一金属电极401、接直流偏压的第二金属电极402及接高速电信号的第三金属电极403，所述第三波导以所述第三波导的中线为对称轴设置有N++型掺杂区408、N+型掺杂区406、N型掺杂区404、P型掺杂区405、P+型掺杂区407以及P++型掺杂区409，其中所述P++型掺杂区409的中线与所述第三波导的中线重合，所述P++型掺杂区409两侧的N型掺杂区404、P型掺杂区405形成两个PN结，分别与所述多模干涉器200的两个输出端相连接；所述第一金属电极401设置在所述P++型掺杂区409一侧的N++型掺杂区408上；所述第二金属电极402设置在所述P++型掺杂区409上；所述第三金属电极403设置在所述P++型掺杂区409另一侧的N++型掺杂区408上，所述多模干涉器200的一个输出端与对应的所述串联推挽型调制器400中的一个PN结之间设置有热电极300，其中该PN结与所述第三金属电极403同侧。
具体地，N型掺杂区404和P型掺杂区405的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区406和P+型掺杂区407的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区408和P++型掺杂区409的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级。
具体地，N型掺杂区404、N+型掺杂区406、P型掺杂区405和P+型掺杂区407的长度在0.4-2 μm之间，N++型掺杂区408和P++型掺杂区409的长度大于5 μm。
在一实施例中，该串联推挽型调制器400如图4所示，包含接地的第一金属电极401、接直流偏压的第二金属电极402、接高速电信号的第三金属电极403、2个分别为N、P、N+、P+和N++型掺杂区408的区域404-408和1个P++型掺杂区409构成。波导部分以P++型掺杂区409中心位置为轴对称中心，在P++型掺杂区409中心位置左边，从左到右分别由N++、N+、N、P、P+、P++六个区域(N掺杂区表示半导体掺入磷原子成为N型掺杂，P型掺杂区405表示半导体掺入硼原子成为P型掺杂，N、N+、N++区域的掺杂浓度依次增加，P区同理)构成。一块本征硅材料上两边分别为P型和N型掺杂区404且在交界处紧密相接即形成 PN 结。N型和P型的掺杂浓度约为5×1017/cm3和7×1017/cm3，N+型和P+型掺杂浓度约为3×1018/cm3，N++型和P++型掺杂浓度在1019-1020/cm3量级。N型和P型区长度约为0.4 μm，N+型和P+型长度约0.8 μm，N++型和P++型掺杂区409域长度需大于5 μm。为了实现器件较高的调制深度和调制效率，同时保证光信号插入损耗较小，实施例一中被刻蚀部分的波导高度约为90 nm，调制器波导长度在3-4 mm间。所述第一金属电极401和第三金属电极403位于截面的最上层，所述第二金属电极402位于截面的次上层，高于第三波导所在位置。
该硅光调制器，反向偏置 PN 结中有源区串联电阻R和耗尽区电容C决定调制器速 率。由RC时间常数决定的3 dB带宽表达式为
Figure 792298DEST_PATH_IMAGE012
，对于高速调制器，时间常数需要 尽可能的小以保证调制器具有高的调制带宽，意味着结电容和串联电阻要尽可能的小。要 想减小串联电阻需要使用高浓度掺杂和距离波导更近的掺杂区域但是这需要在光学损耗 之间做权衡。要想减小结电容需降低掺杂浓度或者提高偏置电压，而这些操作将使得调制 效率下降，因此电容需要和调制效率进行权衡，即调制速率和半波驱动电压之间要权衡。
进一步地，图5中的(a)为该调制器的电容值与反向偏压间关系，其电容值在0.6-0.95 fF/μm间变化。由于该调制器为串联推挽型调制器400，其电容值为差分推挽的1/2，有利于增加器件的电光带宽。图5中的(b)为该调制器的波导相移与反向偏压间关系，由此图可得到器件的调制效率。在波导施加反向电压后，PN结载流子复合，改变结区载流子浓度，进而改变波导折射率，从而使波导存在相移。调制效率定义为在波导相位改变π时，电极施加偏压Vπ与电极长度Lπ的乘积。在反向偏压为1 V和2 V左右时，波导相位改变约为0.569rad和1.016 rad，此时调制效率约为2.209 V•cm和2.474 V•cm。图5中的(c)为仿真的调制器群折射率ng与在电极403处施加电信号频率间关系。接地的第一金属电极401与接高速电信号的第三金属电极403间距约20 μm，电极宽度约15 μm，电极厚度约1.2 μm时，该调制器群折射率ng约为3.60-3.85，与光的群折射率3.97 接近，意味着器件具有较高的电光带宽。图5中的(d)示出该硅光调制器的电光带宽，约为37 GHz，带宽较高，能有效传输 50 Gbit/s的NRZ高速信号或100 Gbit/s的PAM4信号。
由此可见该硅光调制器具有较高的调制效率，仅需小于2.5 V•cm；器件还具有较高的电光带宽，可达到35 GHz以上。该串联推挽型调制器400改变了差分推挽调制器电光带宽略低的特点，相比于普遍应用由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料构成的光发射模块具有传输距离更远的优势。
具体地，所述逆向设计的粗波分复用器500的多模干涉整体区域尺寸小于15×15μm2，每个格点的尺寸在10×10 nm2~ 50×50 nm2范围内，输入的每个信道中心波长在1260-1360 nm范围内，每信道波长范围在5-20 nm间，相邻信道波长间距在5-20 nm范围内。
在一实施例中，逆向设计的粗波分复用器500由四个输入信道、一个多模干涉区和一个输出信道组成。具体的，该粗波分复用器500为多模干涉型，四个信道的中心波长分别为1270,1290,1310和1330 nm，带宽约为10 nm。多模干涉区的尺寸为8×8 μm2，四个信道间隔约为1.5 μm。
具体的，为了表征该器件的性能，常利用光路的可逆性，即宽谱光从输出信道输入，而输出光从四个输入波导输出的方式，表征器件的插入损耗和串扰等特性。本逆向设计采用前面所述的L-BFGS-B算法，多模干涉区中设置许多离散网格单元，每个网格折射率将逐渐逼近于硅或二氧化硅材料的折射率，让器件的FOM(最优值，即为Figure of merit)接近于0即可，在本案例中网格尺寸约为20×20 nm2。
具体的，该器件仿真后结构图如图6中的(a)所示，灰色区域为硅波导区域；图6中的(b)为该器件的FOM值与迭代次数的关系，当迭代次数达到600次左右时，四个信道的FOM值均较低，约为0.02-0.04间。
具体的，该器件输入波长范围为1265-1335 nm的光信号时，四个通道的响应光谱如图7中的(a)-(d)所示。信道1、2、3和4对中心波长分别为1270、1290、1310和1330 nm的光信号有较小的插入损耗，插入损耗小于0.5 dB，而各信道间串扰值小于-16 dB。当该器件输入上述波长范围的宽谱光信号时，该器件在1270、1290、1310和1330 nm时光场仿真图如图8中的(a)-(d)所示，有效验证了上述仿真的正确性，说明该器件具有很小的尺寸、很低的插入损耗和较小的串扰值，该器件可同样应用在解复用端的滤波器中。
本项目提出的逆向设计粗波分复用器500可以为较常见的波分复用器，如阵列波导光栅(AWG, Arrayed waveguide grating，尺寸一般约为200×200 μm2以上)、级联的非对称MZI滤波器(尺寸约为300×200 μm2以上)和布拉格光栅(每个光栅尺寸约为300×1 μm2，还考虑到相邻光栅间隔约10 μm以上) 具有尺寸小、插入损耗低和使用的元器件数量较少等明显优势。
具体地，所述光发射芯片输出端600由端面耦合器或宽带宽垂直耦合光栅组成。在一实施例中，从逆向设计粗波分复用器500输出的宽谱光信号，经宽带宽的垂直耦合光栅或端面耦合器后，通过输出端光纤接收该信号即可。该器件只需一根光纤便可长距离传输光信号，相比于光模块多路光纤并行的方式，有效地降低了成本。
具体地，所述垂直耦合光栅100与所述多模干涉器200之间、所述多模干涉器200与所述串联推挽型调制器400之间、所述串联推挽型调制器400与所述粗波分复用器500之间、所述粗波分复用器500与所述光发射芯片输出端600之间均通过条形波导连接。
具体地，所述垂直耦合光栅100的光栅周期需在0.3-0.9 μm，光栅周期数在20-60间，光栅总长度在10-30 μm间，光栅啁啾系数需在0.02-0.08 μm-1范围内。器件的设计目的是让耦合效率最高，优化的变量为所有的第一波导和第二波导尺寸，每次迭代后都计算该光栅耦合效率，经数次迭代后即可得到最优值。该光栅采用啁啾型和较多的光栅周期数是为了减少从耦合光栅辐射的光功率。
具体地，所述第一金属电极401和第三金属电极403的宽度均大于10 μm，所述第一金属电极401和第三金属电极403的间距大于10 μm。所述宽度使得电极阻抗约为35-70 Ω，与负载端有很好的阻抗匹配，此时电极的ng与光的群折射率较为匹配，使得器件的电光带宽较高，能够实现高速电信号传输。
四个逆向设计的垂直耦合光栅100具有尺寸小、耦合效率高的优势；串联推挽型调制器400具有调制效率和电光带宽高的优势；逆向设计的粗波分复用器500具有尺寸小、插入损耗低和串扰小的明显优势。本申请的逆向设计型垂直耦合光栅100改变了普通的垂直耦合光栅尺寸大(长度大于20 μm)和耦合效率低(耦合效率约为0.3，耦合损耗约为-5 dB)的劣势，同时相比于悬臂式端面耦合器的插入损耗和器件长度有明显进步(耦合损耗约为-4 dB，器件长度约150-200 μm)；本申请的串联推挽型调制器400改变了差分推挽调制器电光带宽略低的特点(常规的差分推挽调制器调制带宽约为20-30 GHz)，相比于普遍应用由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料构成的光发射模块具有传输距离更远的优势；本申请的逆向设计型粗波分复用器500可以为较常见的波分复用器，如阵列波导光栅(AWG, Arrayed waveguidegrating，尺寸一般约为200×200 μm2以上)、级联的非对称MZI滤波器(尺寸约为300×200μm2以上)和布拉格光栅(每个光栅尺寸约为300×1 μm2，还考虑到相邻光栅间隔约10 μm以上) 具有尺寸小、插入损耗低和使用的元器件数量较少等明显优势，通过适当减短串联推挽调制器尺寸，且采用逆向设计的垂直耦合光栅100和粗波分复用器500优化能够显著地减小光芯片尺寸；提出的硅光发射芯片凭借着电光带宽大，具有传输速率快的优势，使得高速电信号传输速率可超过100 Gb×4 ch；该硅光发射芯片的尺寸约为4.5 mm×1 mm。该器件具有尺寸小、插入损耗低、电光带宽大、传输速率高和成本低等明显优点。
本申请实施例提供的一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片的工作过程包括：
四个不同谐振波长(波长间隔约为10-20 nm)的光信号进入逆向设计的垂直耦合光栅100中，通过多模干涉器200。同时改变热电极300的电压，使得串联推挽型调制器400处于正交工作点。光信号经施加高速电信号(常为任意波形发生器或码型发生器等产生的)的调制器调制后进入波分复用器500，经粗波分复用器500粗波分复用后到达光发射芯片输出端600，进而将载波信号输出。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，包括：
若干依次连接的垂直耦合光栅、多模干涉器和串联推挽型调制器，所述垂直耦合光栅基于逆向设计，所述多模干涉器为1×2功率均分型的多模干涉器，所述多模干涉器的输入端与所述垂直耦合光栅的输出端相连接，所述多模干涉器的输出端分别与所述串联推挽型调制器中的波导相连接，其中，所述多模干涉器的一个输出端与对应的所述串联推挽型调制器中的电极之间设置有热电极；
逆向设计的粗波分复用器，所述粗波分复用器接收所有串联推挽型调制器的输出，所述粗波分复用器的输出为单信道输出；
光发射芯片输出端，所述光发射芯片输出端接收所述粗波分复用器的输出，并发射光信号。
2.根据权利要求1所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述垂直耦合光栅包括交错设置的第一波导和第二波导，其中所述第一波导未被刻蚀，所述第二波导被刻蚀，且所述第一波导和第二波导通过L-BFGS-B优化得到。
3.根据权利要求1所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述串联推挽型调制器包括：
第三波导，所述第三波导以所述第三波导的中线为对称轴设置有N++型掺杂区、N+型掺杂区、N型掺杂区、P型掺杂区、P+型掺杂区以及P++型掺杂区，其中所述P++型掺杂区的中线与所述第三波导的中线重合，所述P++型掺杂区两侧的N掺杂区、P型掺杂区形成两个PN结，分别与所述多模干涉器的两个输出端相连接；
接地的第一金属电极，所述第一金属电极设置在所述P++型掺杂区一侧的N++型掺杂区上；
接直流偏压的第二金属电极，所述第二金属电极设置在所述P++型掺杂区上；
接高速电信号的第三金属电极，所述第三金属电极设置在所述P++型掺杂区另一侧的N++型掺杂区上，所述多模干涉器的一个输出端与对应的所述串联推挽型调制器中的一个PN结之间设置有热电极，其中该PN结与所述第三金属电极同侧。
4.根据权利要求3所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，N型掺杂区和P型掺杂区的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区和P+型掺杂区的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区和P++型掺杂区的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级，其中N型掺杂区、N+型掺杂区、N++型掺杂区的掺杂浓度依次增加，P型掺杂区、P+型掺杂区、P++型掺杂区的掺杂浓度依次增加。
5.根据权利要求3所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，N型掺杂区、N+型掺杂区、P型掺杂区和P+型掺杂区的长度在0.4-2 μm之间，N++型掺杂区和P++型掺杂区的长度大于5 μm。
6.根据权利要求1所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述逆向设计的粗波分复用器的多模干涉整体区域尺寸小于15×15 μm2，每个格点的尺寸在10×10 nm2~ 50×50 nm2范围内，输入的每个信道中心波长在1260-1360 nm范围内，每信道波长范围在5-20 nm间，相邻信道波长间距在5-20 nm范围内。
7.根据权利要求1所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述光发射芯片输出端由端面耦合器或宽带宽垂直耦合光栅组成。
8.根据权利要求1所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述垂直耦合光栅与所述多模干涉器之间、所述多模干涉器与所述串联推挽型调制器之间、所述串联推挽型调制器与所述粗波分复用器之间、所述粗波分复用器与所述光发射芯片输出端之间均通过条形波导连接。
9.根据权利要求1所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述垂直耦合光栅的光栅周期需在0.3-0.9 μm，光栅周期数在20-60间，光栅总长度在10-30 μm间，光栅啁啾系数需在0.02-0.08 μm-1范围内。
10.根据权利要求3所述的基于逆向设计的粗波分复用硅光发射芯片，其特征在于，所述第一金属电极和第三金属电极的宽度均大于10 μm，所述第一金属电极和第三金属电极的间距大于10 μm。
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