具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器的制造方法
【專利摘要】具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的SOI基電光調制器，包括：一個四通道二維光柵耦合器，用以實現(xiàn)偏振多樣性的光耦合，也即能夠將單模光纖中雙偏振態(tài)(P1、P2)的入射光均耦合并偏振分束進入四個通道單模波導內以類TE偏振模單模傳輸。三個MMI耦合器，作為光學合束器使用，分別用以將光柵對角線兩側的兩對通道波導進行合束以及將帶有射頻相移器的兩個單模波導光學合束。兩個射頻相移器，作為電信號的輸入載體，用以通過高速的電學信號對兩個光學臂中傳播的光束進行相位調制，既可以只對其中一個光學臂進行調制也可以對兩個光學臂同時進行差分調制，同時通過在兩個光學臂中均引入相移結構，可以平衡兩側波導中由于相移器引起的光損耗，進而提升調制器的性能。
【專利說明】具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到硅基光子學及芯片級光互連技術，尤其涉及一種具有偏振多樣性垂直光纖稱合接口的娃基電光調制器。

【背景技術】
[0002]微電子技術和光纖通信技術是人類信息社會的兩大基石。近半個世紀來，隨著集成電路的發(fā)展，硅基材料和器件工藝已經非常驚人的成熟，而且隨著工藝特征尺寸的不斷縮小，集成電路的集成度也一直按照摩爾定律飛速向前發(fā)展。芯片更高的集成度帶來的不僅僅是晶體管數(shù)目的增加，更是芯片功能和處理速度的提升。例如，Intel采用的45nm工藝最新的8核微處理器Nehalem-EX的晶體管數(shù)目達到23億個。然而，隨著特征尺寸的不斷縮小和集成度的不斷增加，微電子工藝的局限性也日趨明顯。一方面是由于器件線寬的不斷減小，傳統(tǒng)的光刻加工手段已經接近極限，此外，當器件尺寸接近納米尺度時，將會引入不可期望的量子物理效應，從而導致器件失效。另一方面是由于隨著晶體管尺寸和互連線尺寸同步縮小，單個晶體管的延時和功耗越來越小，而互連線的延時和功耗卻越來越大并逐漸占據(jù)主導。在當今的處理器中，電互連引起的功耗占了整個芯片總功耗的80%以上。因此，可以看到深亞微米特征尺寸下電互連延遲和功耗的瓶頸，已經嚴重制約了芯片性能的進一步提高。片上互連迫切需要一種比電互連更高速更寬帶的互連方式。
[0003]相比微電子技術，光纖通信技術雖然起步較晚，但是其發(fā)展速度異常驚人。光纖通信具有損耗低、頻帶寬、容量大、抗電磁干擾等優(yōu)點，因此備受業(yè)內青睞。從1980年到2000年的20年間，光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量增加了一萬倍，傳輸速度提高了大約100倍，給人類帶來了一個無限帶寬的高速信息載體。毫無疑問，光互連在長距離通信中優(yōu)勢是明顯的，也取得了廣泛的應用和成功，于是人們設想能否將光互連引入到芯片級尺寸來解決片上電互連的瓶頸呢？縱觀近十年來，通信方式已經在從傳統(tǒng)的電互連到光互連逐步的過渡，中短距離通信中，目前雖然是電互連為主，但光互連已經有逐步滲透的趨勢。目前光互連尚未涉足的領域就是片間以及片內的通信。從兩種互連方式比較而言，光互連有明顯的優(yōu)勢，其高帶寬、低能耗、延遲小、抗電磁干擾的優(yōu)點是芯片內銅互連線所無法比擬的。因此，研究芯片級的光子技術并使其與世界上最為成熟廉價的硅CMOS工藝兼容，對于實現(xiàn)片上光互連和解決微電子芯片的性能瓶頸具有十分重要的意義和價值。
[0004]近年來，SOI材料由于其強的光限制能力以及硅在光通信波段透明的特性，成為一個極具吸引力的硅光子技術平臺，并且發(fā)展十分迅速，許多有重大意義的成果相繼被提出和驗證，光柵耦合器、MZI調制器、微環(huán)調制器、鍺波導探測器、復用解復用器件等的問世也似乎宣告了一個光子時代即將到來。然而，挑戰(zhàn)和困難也是巨大的，最大的難題在于缺乏芯片級可用的硅基光源，由于硅是間接禁帶半導體材料，用硅材料制作光源幾乎是不可能完成的任務，目前國際上提出較多的方案是采用鍵合II1-VI族激光器與硅波導耦合，最近，關于硅基上混合生長II1-VI族材料的激光器更是讓人們對于光子時代的到來更加期待。正由于硅光子技術的潛在巨大應用價值和前景，世界各國都給予了足夠的重視和投入，特別是Luxtera、Intel、IBM等計算機通信行業(yè)巨頭投入了巨大的人力物力財力，也取得了許多重要的進展，Luxtera的單片光收發(fā)模塊、Intel的50Gb/s的光子連接系統(tǒng)、IBM的CMOS集成娃基納米光子技術等開啟了娃基光電功能集成的新紀元，也極大的推動了娃基光子學的發(fā)展?？梢灶A測，未來的幾十年里，硅光子技術將迎來突破型的進步和發(fā)展并逐漸取得廣泛應用。
[0005]光柵耦合器是一種非常重要的硅基光電子器件，它被廣泛應用于單模光纖與硅基光電子芯片的光耦合，具有對準容差能力強、無需端面拋光、易于在片測試等優(yōu)點，近些年來引起了人們廣泛的研究興趣。對于傳統(tǒng)的光柵耦合器，為了避免較強的二次反射，通常需要將光纖偏離垂直方向一個傾角，這會帶來兩個缺點:第一在片測試時需要對光纖的角度進行調諧，十分費時。第二在對光纖進行封裝時通常需要用到角度拋光工藝，這會使得芯片的封裝成本大大提高。因此，一個高效率的完全垂直光纖耦合接口會帶來很多便利。此外，由于一維光柵耦合器是一個強烈偏振相關器件，通常情況下只允許一種線偏振的光耦合進入，因此偏振相關損耗很大；而單模光纖中的偏振態(tài)大多是橢圓偏振態(tài)，同時由于光纖的不完美性，光纖中的偏振態(tài)也在不斷發(fā)生著變化。因此，在利用一維光柵耦合時，為了保持光纖中偏振態(tài)的穩(wěn)定和保證偏振態(tài)的良好對準，通常需要使用保偏光纖進行入射同時在前段鏈路中插入偏振控制器對光纖中的偏振態(tài)進行控制，從而保證最佳的耦合效率。這無疑使得芯片的測試變得復雜同時限制了芯片的很多實際應用。因此，如何實現(xiàn)偏振多樣性的耦合同時減小光學耦合接口的偏振相關損耗是一個重要課題。二維光柵耦合器是一種可以實現(xiàn)偏振多樣性耦合的器件，即可以將光纖中兩個相互正交的偏振態(tài)均耦合進入不同的芯片波導且以類TE偏振模式傳播。雖然兩個正交偏振態(tài)耦合進入兩個方向上波導的比率會隨著偏振態(tài)的變化而變化，然而兩個正交方向波導中耦合的總功率并不隨偏振態(tài)的變化而變化。本發(fā)明采用一個四通道二維光柵耦合器作為芯片與單模光纖的垂直耦合光學接口，同時完成四路光分束，通過MMI合束器將光柵對角線兩側的兩對正交波導進行光學合束，這樣既可以使得合束后的光功率在一定的偏振態(tài)范圍內偏振無關，同時維持兩側波導合束后的光強平衡同時相位一致從而滿足相干條件。然后再在兩路合束后的波導中引入射頻相移器便構成了兩個光學相移臂，可以通過外加高頻電信號對光學臂中的光進行相位調制使得兩路波導中的光完全反相，之后再通過一個光學合束器進行合束便構成了一個光強度電光調制器。通過本設計，既賦予了電光調制器一個偏振多樣性的垂直光學耦合接口，同時又大大降低了器件的偏振相關損耗，因此具有實際意義和潛在的應用價值。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種具有偏振多樣性垂直光纖稱合接口的電光調制器，該器件具有耦合調制功能一體化、易于進行光纖對準、偏振相關損耗較小等優(yōu)點，另外其制作工藝完全與CMOS工藝相兼容。
[0007]本發(fā)明提供一種具有偏振多樣性垂直光纖稱合接口的娃基電光調制器，包括:一個四通道二維光柵耦合器，用以實現(xiàn)偏振多樣性的光耦合，也即能夠將單模光纖中雙偏振態(tài)(PpP2)的入射光均耦合并偏振分束進入四個通道單模波導內以類TE偏振模單模傳輸。
[0008]三個MMI耦合器，作為光學合束器使用，分別用以通道單模波導、通道單模波導以及帶有射頻相移器的兩個單模波導的光學合束。
[0009]兩個射頻相移器，作為電信號的輸入載體，用以通過高速的電學信號對單模波導中傳播的光束進行相位調制，既可以只對其中一個光學臂進行調制也可以對兩個光學臂同時進行差分調制，同時通過在兩個光學臂中均引入相移結構，可以平衡兩側波導中由于相移器引起的光損耗，進而提升調制器的性能。
[0010]由上面的分析可知，該器件可以完成偏振多樣性的耦合功能同時實現(xiàn)高速的電光調制，在器件末端連接鍺波導探測器便可以實現(xiàn)電輸入、光傳輸、電輸出的單片點到點光互連，有望在未來的片上光互連/光通信網絡中獲得重要應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:
[0012]圖1是本發(fā)明的具體實施例結構原理示意圖
[0013]圖2是本發(fā)明的具體實施例二維光柵立體結構及截面示意圖
[0014]圖3是本發(fā)明的具體實施例射頻相移器截面示意圖

【具體實施方式】
[0015]由于本發(fā)明是基于SOI襯底材料設計的器件，對于不同的埋氧層厚度和頂層硅厚度，為達到功能要求相應的最佳設計也不同，因此為了方便進行敘述，本發(fā)明襯底材料默認為具體實施參數(shù)，即埋氧層厚度為2 μ m，頂層硅厚度為220nm。
[0016]圖1為本發(fā)明的具體實施例器件結構原理示意圖，參閱該圖可見，本發(fā)明提供一種具有偏振多樣性垂直光學接口的娃基電光調制器，包括:
[0017]一個四通道二維光柵耦合器1，用以實現(xiàn)偏振多樣性的光耦合，也即能夠將單模光纖中雙偏振態(tài)(PpP2)的入射光均耦合并偏振分束進入四個通道單模波導2、3、4、5內以類TE偏振模單模傳輸。
[0018]三個麗I耦合器6，作為光學合束器使用，分別用以通道單模波導3和4、通道單模波導2和5以及帶有射頻相移器7的兩個單模波導8和9的光學合束。
[0019]兩個射頻相移器7，作為電信號的輸入載體，用以通過高速的電學信號對單模波導8和9中傳播的光束進行相位調制，既可以只對其中一個光學臂進行調制也可以對兩個光學臂同時進行差分調制，同時通過在兩個光學臂中均引入相移結構，可以平衡兩側波導中由于相移器引起的光損耗，進而確保調制器兩光學臂中光功率的均衡。
[0020]所述的具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器，其中采用一個四通道二維光柵耦合器I作為電光調制器芯片與單模光纖的垂直耦合光學接口，當單模光纖與芯片表面完全垂直且處于光柵區(qū)域中心時，光纖中雙偏振模的光P1和P2均能夠稱合進入同時通過偏振分束以不同的比率進入四個通道波導進行類TE偏振態(tài)單模傳輸。
[0021]所述的具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器，其中采用兩個MMI合束器6分別將通道單模波導3和4以及通道單模波導2和5中傳播的光進行合束，由于對稱性，當光纖完全垂直并且對準于光柵對角線中心處時，雖然Pp P2偏振態(tài)的光耦合進入X方向通道波導(2和4)和y方向通道波導(3和5)的分量并不相等且會隨著輸入偏振態(tài)的變化而變化，然而同方向通道波導(2和4、3和5)內部光分量強度和相位完全一致。因此，通道波導2和5內的光合束后一定與通道波導3和4內的光合束后相一致。因此，無論輸入光偏振狀態(tài)怎么變化，均能保證單模波導8和9中的光功率是均衡且相位一致滿足相干條件，通過后面的干涉儀結構來實現(xiàn)調制功能。
[0022]所述的具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器，其中采用兩個射頻相移器7，用于對單模波導8和9中的光進行相位調制，使得兩路光信號的相位正好相差η，此時，兩路光信號經過光學合束后干涉相消，對應器件的光輸出為低。當射頻相移器不加電時，兩路光信號完全同相位經過光學合束干涉增強，對應器件的光輸出為高。當高速電信號加載在射頻相移器7上時，器件的光輸出隨著電信號的變化在高(對應于邏輯電平“I”)和低(對應于邏輯電平“O”)之間快速切換，從而實現(xiàn)電光調制的功能，也即將射頻電信號調制到光載波上進行傳輸。
[0023]圖2顯示的是本發(fā)明具體實施例中二維光柵的結構示意圖。其中圖2 (a)是二維光柵結構的立體示意圖，圖2(b)是二維光柵結構A-A’切線處截面示意圖。從圖中可以看到，我們采用的二維光柵結構是一個均勻對稱二維光柵，也即二維光柵在平面內兩個維度上均為均勻周期結構且具有相同的占空比，如此，光柵在兩個維度上是完全對稱的，這也導致當入射光纖與芯片完全垂直且正好處于光柵區(qū)域中心時，光柵在兩個維度上的耦合特性應該完全一致，也即對于光纖中兩個正交的偏振態(tài)光來說，其分別耦合進入兩個維度上波導中的耦合效率曲線應該完全一致?，F(xiàn)在我們來考慮光纖不同入射偏振態(tài)時光柵的耦合情況。首先來考慮若米用保偏光纖，貝1J光纖中傳播的可以為線偏振態(tài)的光。若入射偏振態(tài)如圖1中的P2即偏振方向處于光柵平面的一三象限，則根據(jù)偏振矢量分解可以知道耦合進入波導2和波導5 (或者波導3和波導4)的偏振分量為同相位，此時經過后端光學合束后干涉增強，雖然入射偏振方向的變化會影響耦合進入正交的兩個波導中的分量，然而兩個波導中的總耦合功率并不隨之發(fā)生變化。因此，只要偏振態(tài)方向在一三象限內變化，器件的插入損耗并不發(fā)生變化，也即器件的偏振相關損耗近乎為O。若入射偏振態(tài)如圖1中P1即處于光柵平面的二四象限時，此時光會非對稱的耦合進入波導2和波導5 (或者波導3和波導4)，也即會在兩個波導中的偏振分量間引入一個η相差。此時在波導2和波導5完全對稱等長的情況下，兩個偏振分量會在合束時干涉相消。當P1正好處于二四象限對角線位置時，此時波導2和波導5中對應的偏振分量等幅反相，此時合束后理論上完全干涉相消光強趨于零。由此可見，若我們考慮雙偏振態(tài)的光學輸入:iP1、P2偏振方向分別位于坐標軸-X方向和y方向時,P1偏振態(tài)的光耦合進入波導3和波導5，而P2偏振態(tài)的光耦合進入波導2和波導4，且波導2和波導5 (波導3和波導4)中的光反相將在合束后干涉相消，理論上此時器件的光傳輸為0，插入損耗達到最高；當Pp P2偏振方向分別位于二四象限和一三象限的對角線位置時，僅P2偏振態(tài)的光能夠耦合進入芯片并在光學合束后干涉增強得以繼續(xù)傳輸；當PpP2偏振方向分別位于坐標軸I方向和X方向時,P1偏振態(tài)的光I禹合進入波導2和波導4，而P2偏振態(tài)的光耦合進入波導3和波導5，且耦合進入波導2和波導5 (或者波導3和波導4)的光為同相位，此時理論上器件的光傳輸達到最大，器件的插損達到最小。綜上所述，器件只有在入射光在一定的線偏振態(tài)范圍內時才能夠偏振無關的工作，即當輸入偏振態(tài)位于光柵平面一三象限內時，器件的插入損耗幾乎不隨輸入偏振態(tài)的變化而變化。圖2(b)所示的是二維光柵耦合器件在A-A’切線上的截面示意圖。由于光柵的二維對稱性，這里我們只給出了一個方向上的截面示意圖。可以看到，當光纖與芯片截面完全垂直且處于光柵區(qū)域中心時，滿足耦合條件的相應偏振態(tài)的光會耦合進入芯片并對稱分束進入波導2和波導4以類TE模式傳播。通過仔細設計光柵的特征物理參數(shù)如光柵周期Λ、光柵占空比FF(=W/A)以及光柵刻蝕深度d等，便可以實現(xiàn)光柵耦合效率的優(yōu)化和3-dB帶寬的調諧。
[0024]圖3所示的該器件中的具體實施例所采用的射頻相移器示意圖?？梢钥吹轿覀冊诰唧w實施例中所采用的是基于耗盡型PN結相移結構的射頻相移器。由于基于載流子快速抽取的PN結相移器的本征帶寬非常高，因此采用耗盡型PN結構的相移器可以實現(xiàn)較高帶寬的電光調制器。此外，采用共面波導行波電極可以實現(xiàn)調制器的行波工作，有效避免調制器帶寬受到集總RC延時的影響，從而大大提高器件的帶寬。通過在兩個合束后的波導內引入該射頻相移結構，便可以對其中的一個波導內的光進行相位調制或者同時對兩臂進行差分相位調制，進而使得兩個波導中的光反相在輸出端干涉相消，于是便可以實現(xiàn)OOK的光調制方式。
[0025]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了較詳細具體的說明，所應理解的是，以上所述的僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神、思想和原則范圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器，其中包括: 一個四通道二維光柵耦合器1，用以實現(xiàn)偏振多樣性的光耦合，也即能夠將單模光纖中雙偏振態(tài)(PpP2)的入射光均耦合并偏振分束進入四個通道單模波導2、3、4、5內以類TE偏振模單模傳輸； 三個MMI耦合器6，作為光學合束器使用，分別用以通道單模波導3和4、通道單模波導2和5以及帶有射頻相移器7的兩個單模波導8和9的光學合束； 兩個射頻相移器7，作為電信號的輸入載體，用以通過高速的電學信號對單模波導8和9中傳播的光束進行相位調制，既可以只對其中一個光學臂進行調制也可以對兩個光學臂同時進行差分調制，同時通過在兩個光學臂中均引入相移結構，可以平衡兩側波導中由于相移器引起的光損耗，進而提升調制器的性能。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有偏振多樣性垂直光纖稱合接口的娃基電光調制器，其中采用一個四通道二維光柵耦合器I作為電光調制器芯片與單模光纖的垂直耦合光學接口，當單模光纖與芯片表面完全垂直且處于光柵區(qū)域中心時，光纖中雙偏振模的光P1和P2均能夠耦合進入同時通過偏振分束以不同的比率進入四個通道波導進行類TE偏振態(tài)單模傳輸。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有偏振多樣性垂直光纖稱合接口的娃基電光調制器，其中采用兩個MMI合束器6分別將通道單模波導3和4以及通道單模波導2和5中傳播的光進行合束，由于對稱性，當光纖完全垂直并且對準于光柵對角線中心處時，雖然Pp P2偏振態(tài)的光耦合進入X方向通道波導(2和4)和y方向通道波導(3利5)的分量并不相等且會隨著輸入偏振態(tài)的變化而變化，然而同方向通道波導(2和4、3和5)內部光分量強度和相位完全一致；因此，通道波導2和5內的光合束后一定與通道波導3和4內的光合束后相一致；因此，無論輸入光偏振狀態(tài)怎么變化，均能保證單模波導8和9中的光功率是均衡且相位一致滿足相干條件，通過后面的干涉儀結構來實現(xiàn)調制功能。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有偏振多樣性垂直光纖稱合接口的娃基電光調制器，其中采用兩個射頻相移器7，用于對單模波導8和9中的光進行相位調制，使得兩路光信號的相位正好相差η，此時，兩路光信號經過光學合束后干涉相消，對應器件的光輸出為低；當射頻相移器不加電時，兩路光信號完全同相位經過光學合束干涉增強，對應器件的光輸出為高；當高速電信號加載在射頻相移器7上時，器件的光輸出隨著電信號的變化在高(對應于邏輯電平“I”)和低(對應于邏輯電平“O”)之間快速切換，從而實現(xiàn)電光調制的功能。
【文檔編號】G02F1/025GK104317070SQ201410652891
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權日:2014年11月12日
【發(fā)明者】張贊允, 劉宏偉, 李鴻強, 陳力穎 申請人:天津工業(yè)大學