CN211698499U - 集成电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种集成电光调制器，包括层叠设置的SiO2层和Si层，Si层上设有第一、第二硅波导相移臂，SiO2层内设有PLC波导分路器、合路器；PLC波导分路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一、第二硅波导相移臂光路连通；PLC波导合路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一、第二硅波导相移臂光路连通。本实用新型的集成电光调制器，使用PLC波导分路器/合路器与硅波导相移臂配合实现电光调制，不仅利用硅波导相移臂实现了高速率电光调制，而且利用PLC波导器件与单模光纤模场匹配的特性实现了调制器与光纤的低损耗直接耦合。解决传统硅基电光调制由于硅波导与单模光纤模场失配大，需要设置复杂结构的模斑转换器或垂直耦合光栅来实现光纤耦合而且耦合损耗较大的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电光调制器技术领域，具体涉及一种集成电光调制器。
背景技术
集成光收发芯片是光收发模块中的核心器件，在光通信、数据互连系统中有重要和广泛的应用，集成光收发芯片技术也是目前我国打破国外技术垄断实现核心芯片自主化迫切需要突破的关键技术。硅基集成光收发芯片支持100G/400G乃至更高速率的传输，同时支持COB封装工艺，在集成度、成本方面具有较大优势。
电光调制器是集成光收发芯片中最关键的器件单元，目前主流的技术方案有：(1)LiNbO3电光调制器；(2)基于薄硅工艺的MZ调制器和基于厚硅工艺的EA调制器；(3)基于三五族化合物的EA调制器。近年来也有一种新的基于硅基LiNbO3薄膜的MZ调制器的报道。这些技术方案中，LiNbO3电光调制器体积太大，难以用于集成光收发芯片，基于薄硅工艺的MZ调制器具有调制速率高、集成度高、同时支持O波段(1.3um波段)和C波段(1.5um波段)的光调制等优势，但插损大、且与单模光纤耦合比较困难；基于厚硅工艺的EA调制器也具有调制速率高、集成度高的优势，但只支持C波段(1.5um)的光调制；基于三五族化合物的EA调制器成本高且难以与无源波导器件集成，基于硅基LiNbO3薄膜的MZ调制器具有目前最高的调制速率，但也存在与单模光纤耦合比较困难、生产工艺仍不够成熟等问题。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种集成电光调制器，使用PLC波导分路器/合路器与硅波导相移臂配合实现电光调制，不仅利用硅波导相移臂实现了高速率电光调制，而且利用PLC波导器件与单模光纤模场匹配的特性实现了调制器与光纤的低损耗直接耦合。从而避免了传统硅基电光调制中由于硅波导与单模光纤模场失配大，需要设置复杂结构的模斑转换器或垂直耦合光栅来实现光纤耦合而且耦合损耗较大的问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种集成电光调制器，包括SiO2层、位于所述SiO2层上层叠设置的Si层，所述Si层上设有第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂，所述SiO2层内设有PLC波导分路器和PLC波导合路器；所述PLC波导分路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂光路连通；所述PLC波导合路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂光路连通。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导分路器两路分支的近输出端重叠；该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导分路器第一分支近输出端与第一硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关；所述PLC波导分路器第二分支近输出端与第二硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导分路器两路分支的近输出端均为倒锥形结构。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导合路器两路分支的近输入端重叠；该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导合路器第一分支近输入端与第一硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关；所述PLC波导合路器第二分支近输入端与第二硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导合路器两路分支的近输入端均为倒锥形结构。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述Si层上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第一硅波导相移臂；以及，所述Si层上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第二硅波导相移臂。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述Si层上设有相互平行的第一电极、第二电极和共用电极，所述公共电极设于第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂之间位置，所述第一电极平行设于第一硅波导相移臂另一侧，所述第二电极平行设于第二硅波导相移臂另一侧；通过所述第一电极和共用电极给所述第一硅波导相移臂施加电压，通过所述第二电极和公共电极给所述第二硅波导相移臂施加电压。
本实用新型一个较佳实施例中，进一步包括所述第一硅波导相移臂上的电压与其调制输出光强度相关；以及，所述第二硅波导相移臂上的电压与其调制输出光强度相关。
本实用新型的有益效果：本实用新型的集成电光调制器，使用PLC波导分路器/合路器与硅波导相移臂配合实现电光调制，不仅利用硅波导相移臂实现了高速率电光调制，而且利用PLC波导器件与单模光纤模场匹配的特性实现了调制器与光纤的低损耗直接耦合。从而避免了传统硅基电光调制中由于硅波导与单模光纤模场失配大，需要设置复杂结构的模斑转换器或垂直耦合光栅来实现光纤耦合而且耦合损耗较大的问题。其技术优势体现在以下几个方面：
其一、采用PLC波导分路器和PLC波导合路器，PLC波导为掺杂SiO2波导，本身具有较小的传输损耗；以及，因为模斑较大更容易与单模光纤耦合，在降低调制器传输损耗的同时大大简化调制器芯片与光纤的耦合工艺。解决现有技术中硅基MZ集成电光调制器与单模光纤模场失配过大，耦合困难，插损大的技术问题。
其二、采用硅波导相移臂确保调制器具有较高的调制速率，支持40GHz以上带宽的速率传输。
其三、采用Si层和SiO2层上下层叠的两层结构设计，位于SiO2层的PLC光分路器、PLC光合路器与位于Si层的两个硅波导相移臂基于倏逝波耦合实现光路连通，有效简化调制器异质集成工艺。
其四、采用波导分路器、两个相移臂和波导合路器构成MZ集成电光调制器，基于光干涉原理实现电光调制，能够兼容O波段(1.3um波段)和C波段(1.5um波段)的光调制。
附图说明
图1是本实用新型优选实施例中集成电光调制器的立体结构示意图；
图2是图1所示集成电光调制器的侧视示意图；
图3是图1所示集成电光调制器的透视示意图；
图4是PLC波导分路器的结构示意图。
图中标号说明：2-衬底，4-SiO2层，6-Si层，8-第一硅波导相移臂，10-第二硅波导相移臂，12-PLC波导分路器，14-PLC波导合路器，16-第一电极，18-第二电极，20-共用电极，22-近输出端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
实施例
本实施例公开一种集成电光调制器，参照图1～4所示，该集成电光调制器具有依次层叠设置的衬底2、SiO2层4和Si层6，该电光调制器异质集成了PLC波导分路器、PLC波导合路器和一对硅波导相移臂。
具体的，上述Si层6上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第一硅波导相移臂8；以及，上述Si层6上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第二硅波导相移臂10。
上述SiO2层4内设有PLC波导分路器12和PLC波导合路器14。此处，PLC波导分路器为使用PLC波导传输光信号的分路器，PLC波导合路器为使用PLC波导传输光信号的合路器。
上、下分层布局的PLC波导分路器12与一对硅波导相移臂，PLC波导合路器14与一对硅波导相移臂基于以下方式实现光路连通：上述PLC波导分路器12的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10光路连通；上述PLC波导合路器14的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10光路连通。
本实用新型以上结构设计的集成电光调制器，使用PLC波导分路器/合路器与硅波导相移臂配合实现电光调制，不仅利用硅波导相移臂实现了高速率电光调制，而且利用PLC波导器件与单模光纤模场匹配的特性实现了调制器与光纤的低损耗直接耦合。从而避免了传统硅基电光调制中由于硅波导与单模光纤模场失配大，需要设置复杂结构的模斑转换器或垂直耦合光栅来实现光纤耦合而且耦合损耗较大的问题，其技术优势体现在以下几个方面：
(1)采用PLC波导分路器和PLC波导合路器，PLC波导为掺杂SiO2波导，本身具有较小的传输损耗；以及，因为模斑较大更容易与单模光纤耦合，在降低调制器传输损耗的同时大大简化调制器芯片与光纤的耦合工艺。解决现有技术中硅基MZ集成电光调制器与单模光纤模场失配过大，耦合困难，插损大的技术问题。
(2)采用硅波导相移臂确保调制器具有较高的调制速率，支持40GHz以上带宽的速率传输。
(3)采用Si层和SiO2层上下层叠的两层结构设计，位于SiO2层的PLC光分路器、PLC光合路器与位于Si层的两个硅波导相移臂基于倏逝波耦合实现光路连通，有效简化调制器异质集成工艺。
(4)采用波导分路器、两个相移臂和波导合路器构成MZ集成电光调制器，基于光干涉原理实现电光调制，能够兼容O波段(1.3um波段)和C波段(1.5um波段)的光调制。
PLC光分路器、PLC光合路器和与两者分层设置的两个硅基相移臂分别基于倏逝波耦合实现光路连通，为了获得最大化的耦合效率，本实用新型通过以下几种方式实现：
(1)参照图2所示，上述第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10在SiO2层4上的正投影分别与上述PLC波导分路器12两路分支的近输出端22重叠；该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本实用新型集成电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计该重叠长度或/和宽度。
(2)参照图2所示，上述第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10在SiO2层4上的正投影分别与上述PLC波导合路器14两路分支的近输入端重叠；该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本实用新型集成电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计该重叠长度或/和宽度。
(3)PLC波导分路器12第一分支近输出端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关；PLC波导分路器12第二分支近输出端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本实用新型集成电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计PLC波导分路器12第一分支近输出端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离、PLC波导分路器12第二分支近输出端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离。
(4)PLC波导合路器14第一分支近输入端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关；PLC波导合路器14第二分支近输入端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本实用新型集成电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计PLC波导合路器14第一分支近输入端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离、PLC波导合路器14第二分支近输入端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离。
为了进一步提高耦合效率，参照图4所示，上述PLC波导分路器12两路分支的近输出端均为倒锥形结构，以及，上述PLC波导合路器14两路分支的近输入端均为倒锥形结构。
参照图1所示，上述Si层6上设有相互平行的第一电极16、第二电极18和共用电极20，上述公共电极20设于第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10之间位置，上述第一电极16平行设于第一硅波导相移臂8另一侧，上述第二电极18平行设于第二硅波导相移臂10另一侧；通过上述第一电极16和共用电极20给上述第一硅波导相移臂8施加电压，通过上述第二电极18和公共电极20给上述第二硅波导相移臂10施加电压。设计第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10共用一组电极(即公共电极20)，能够减小调制器的整体尺寸。当然，根据实际使用，第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10也可以各自具有独立的两组电极。
第一硅波导相移臂8上的电压、第二硅波导相移臂10上的电压与集成电光调制器的输出光强度相关。
以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种集成电光调制器，其特征在于：包括SiO2层、位于所述SiO2层上层叠设置的Si层，所述Si层上设有第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂，所述SiO2层内设有PLC波导分路器和PLC波导合路器；所述PLC波导分路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂光路连通；所述PLC波导合路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂光路连通。
2.如权利要求1所述的集成电光调制器，其特征在于：所述第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导分路器两路分支的近输出端重叠；该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
3.如权利要求1所述的集成电光调制器，其特征在于：所述PLC波导分路器第一分支近输出端与第一硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关；所述PLC波导分路器第二分支近输出端与第二硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关。
4.如权利要求1所述的集成电光调制器，其特征在于：所述PLC波导分路器两路分支的近输出端均为倒锥形结构。
5.如权利要求1～4任一项所述的集成电光调制器，其特征在于：所述第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导合路器两路分支的近输入端重叠；该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
6.如权利要求1～4任一项所述的集成电光调制器，其特征在于：所述PLC波导合路器第一分支近输入端与第一硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关；所述PLC波导合路器第二分支近输入端与第二硅波导相移臂之间的垂直距离与两者之间倏逝波耦合的耦合效率相关。
7.如权利要求1～4任一项所述的集成电光调制器，其特征在于：所述PLC波导合路器两路分支的近输入端均为倒锥形结构。
8.如权利要求1所述的集成电光调制器，其特征在于：所述Si层上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第一硅波导相移臂；以及，所述Si层上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第二硅波导相移臂。
9.如权利要求8所述的集成电光调制器，其特征在于：所述Si层上设有相互平行的第一电极、第二电极和共用电极，所述共用电极设于第一硅波导相移臂和第二硅波导相移臂之间位置，所述第一电极平行设于第一硅波导相移臂另一侧，所述第二电极平行设于第二硅波导相移臂另一侧；通过所述第一电极和共用电极给所述第一硅波导相移臂施加电压，通过所述第二电极和共用电极给所述第二硅波导相移臂施加电压。
10.如权利要求9所述的集成电光调制器，其特征在于：所述第一硅波导相移臂上的电压与其调制输出光强度相关；以及，所述第二硅波导相移臂上的电压与其调制输出光强度相关。
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