CN102243340B - 用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，包括输入端口区和探测器阵列区；该芯片的输入端口区和探测器阵列区之间还设有波导区；所述波导区包含一个输入波导、三个马赫-曾德尔干涉仪及四个输出波导；所述输入端口区位于该芯片的输入端，包括一个置于V型槽的输入光纤，所述V型槽后设有凹槽，凹槽与所述波导区的输入波导相连；所述波导区的输出波导与所述探测器阵列区相接。能够利用混合集成技术与平面集成技术相结合，实现CWDM解复用器件的多通道单纤传输和小型化。

Description

用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片

技术领域

本发明涉及光通信领域的波分复用器件，尤其涉及一种用于粗波分解复用（CWDM，又名稀疏波分复用）的混合集成平面波导探测器芯片。

背景技术

采用混合集成技术与平面波导技术实现小型化有源器件是现今光有源器件发展的趋势之一。混合集成技术可以将有源光元件（如半导体激光器芯片、探测器芯片、TIA、调制器等）、无源光波导元器件（如PLC波导芯片、薄膜滤波片及衍射光栅等）、电传输线、沟槽及具有固定作用的V型槽等集成在具有共同衬底的芯片上，从而实现器件的小型化。平面波导技术利用具有复用/解复用作用的功能元件，如马赫-曾德尔干涉仪、多模波导光开关、方向耦合器、光学梳状滤波器、阵列波导光栅等，可以实现激光的多波长传输、复用、解复用。波导本身具有滤波的特性。平面波导技术可以免去常规有源器件中薄膜滤波片的应用，可以简化结构、减少生产工序，同时对器件的发展具有推动意义。

现有光通信用双波长、多波长的有源器件，诸如单纤双向器件、单纤三向器件多采用TO型封装、薄膜滤波片复用/解复用的形式，只能实现宽波长间隔的多波长的分离，对于窄波长间隔的粗波分复用（CWDM）、密集波分复用（DWDM）的多波长信号则无法分离。平面波导技术可以实现具有窄波长间隔的多波长的复用/解复用。阵列波导光栅可以实现多通道信号的分离，但是成本高，体积较大；光学梳状滤波器，可以实现多通道信号的分离，并且光谱特性优异，但是其结构采用多级滤波结构，体积大，且技术并不完善；利用马赫-曾德尔干涉仪的滤波特性，选择合适的结构及参数，配合方向耦合器或者多模耦合器，可以实现具有窄波长间隔的多波长的解复用，其体积适中，滤波特性较好，合适于通道数较少的复用/解复用场合。

在已经报道的多通道解复用探测器结构中，主要有两种结构，一种为光纤通信干路中利用体积较大的复用/解复用器实现多通道的解复用，该结构的解复用器与探测器等有源器件本身相分离，未实现集成化，另一种结构为将解复用结构与有源器件混合集成，但一条输入光纤对应一个探测器，未能实现单纤传输。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，利用混合集成技术与平面集成技术相结合，以实现CWDM解复用器件的多通道单纤传输和小型化。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，包括输入端口区和探测器阵列区；该芯片的输入端口区和探测器阵列区之间还设有波导区；所述波导区包含一个输入波导、三个马赫-曾德尔干涉仪及四个输出波导；所述输入端口区位于该芯片的输入端，包括一个置于V型槽的输入光纤，所述V型槽后设有凹槽，凹槽与所述波导区的输入波导相连；所述波导区的输出波导与所述探测器阵列区相接；所述三个马赫-曾德尔干涉仪分别为一个四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪和两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪，其中，所述四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输入端与所述输入波导相连，其输出端分别与所述两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输入端相连，所述两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输出端分别与所述四个输出波导相连接，从而实现四波长的波解复用。

其中，所述三个马赫-曾德尔干涉仪分别为一个四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪和两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪；其中，所述四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输入端与所述输入波导相连，其输出端分别与所述两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输入端相接，以实现光波的传递。

所述的每个马赫-曾德尔干涉仪均包括一个输入端口、干涉臂以及一个输出端口；其中，所述输入端口的结构采用如下方式中的任一种：50：0：50的3×3耦合器、50：0：50的3×3直波导耦合器、50：50的2×2耦合器、50：50的1×2耦合器、50：50的1×2直波导耦合器；所述干涉臂位于输入耦合器之后和输出耦合器之前；所述马赫-曾德尔干涉仪的输出端口采用50：50的2×2方向耦合器。

该芯片芯层材料为GeSi/Si、GaAs/GaAlAs、SOI或LiNbO₃。

所述波导区在硅基之上生长二氧化硅SiO₂下包层，其上生长有掺杂的芯层，所述芯层之上镀SiO₂上包层，芯区呈埋入式结构。

所述芯层的折射率为0.75%或1.5%。

所述的马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂结构至少采用如下方式中的一种：（a）双弧波导型，（b）单弧波导型，（c）对称波导型。

所述探测器阵列区的探测器阵列位于硅基平台上。

本发明所提供的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，具有以下优点：

该芯片采用较成熟的混合集成技术和平面波导技术，在硅基上镀SiO₂的波导包层，并在包层内生长掺杂Ge的SiO₂芯层，整个波导呈埋入式结构；芯片包括输入端口区、平面光路（PLC）波导区及探测器阵列；还可以将单纤输入的具有窄波长间隔的四个波长独立分开，芯片本身具有分波长、滤波的特性，传输效率高、隔离度较高、体积小、材料简单、易制作，能够满足CWDM四波长解复用的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的1×4解复用平面波导芯片主视图；

图2为本发明实施例的1×4解复用平面波导芯片侧视图；

图3为本发明所示芯片添加SCC元件后的波导区主视图；

图4为马赫-曾德尔干涉仪（MZI-1）结构示意图；

图5为方向耦合器的各种结构方式示意图；

图6为无源型马赫-曾德尔干涉仪干涉臂的结构示意图；

图7为双波长滤波结构示意图；

图8为双波长马赫-曾德尔干涉仪解复用示意图；

图9为芯片结构实例一示意图；

图10为芯片结构实例二示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的产品作进一步详细的说明。

如图1所示，所示1×4平面波导芯片主要由三大部分组成：输入端口区1、波导区2以及探测器阵列区3。该芯片结构分布为：输入端口区1，位于芯片的输入端，包括一个Ｖ型槽4、输入光纤5，所述输入光纤5置于Ｖ型槽4内，V型槽4后设置有凹槽6，凹槽6后为波导区2。所述波导区2包含一个输入波导7、三个马赫-曾德尔干涉仪9、13、14及4个输出波导。在所述4个输出波导之后接探测器阵列17，探测器阵列17位于硅基平台18上。三个马赫-曾德尔干涉仪分别为一个四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪9和两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪13、14，所述双波长马赫-曾德尔干涉仪13、14分别与四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪9的一个输出端口相接，以实现光波的传递。马赫-曾德尔干涉仪包括一个50：0：50的3×3直波导耦合器8、11、12，干涉臂及50:50的2×2方向耦合器10、15和16。

如图2所示，所示芯片芯层的材料可采用锗硅（GeSi）/硅（Si）、砷化镓（GaAs）/砷镓铝（GaAlAs）、绝缘衬底上的硅（SOI）、铌酸锂（LiNbO₃）等制备，以GeSi/Si材料为例，硅基18为衬底，根据三个不同区域，硅基上方区域的制作方式不同。

输入光纤端口区1在硅基上刻蚀V型槽4，所述V型槽4的位置与波导区1的输入波导7相匹配。该区域制作工艺与波导区SiO₂的生长制作工艺不同，为便于制作，在两个区域的边界处刻蚀凹槽6，用于隔开两个区域，使制作时互不干扰。

波导区在硅基之上生长SiO₂下包层19，其上生长有掺杂（如Ge）的芯层20，芯层20之上镀SiO₂上包层21，芯区呈埋入式结构，如图2所示。芯层的折射率根据不同的需要而定，其配选的方案主要有两种：①相对折射率差△为0.75%，波导为矩形波导，截面横向尺寸为6um×6um，用于常规波导芯片的需求；②相对折射率差△为1.5%，波导为矩形波导，截面横向尺寸为4um×4um，用于较小型化芯片的需求。

根据折射率的不同，波导区与探测器阵列区有两种可选结构：

①相对折射率差△为0.75%时，为了匹配输入光纤5与波导区矩形波导7的模场半径，需要在波导区域的输入端口制作光斑尺寸转换（SSC，Spot sizeconversion）元件22。SSC的厚度与波导厚度相同，横向呈“喇叭”形分布。△为0.75%时，为了较好的限制光波在芯层中传输，SiO₂包层的厚度需制作相对较厚。

②相对折射率差△为1.5%时，芯层对光波的束缚能力较强，可以减去光斑尺寸转换元件的制作，并且SiO₂包层的厚度可以制作较薄，其结构可参考图1～3。

如图4所示的区用于将CWDM中具有窄波长间隔Δλ的四个波长分离，其结构包括一个四分波长马赫-曾德尔干涉仪9和两个双分波长马赫-曾德尔干涉仪13、14。

马赫-曾德尔干涉仪9可以将传输的四个信号λ₁、λ₂、λ₃、λ₄从两个端口中输出，其中λ₁、λ₃从端口23输出，λ₂、λ₄从端口24输出，也可以令λ₁、λ₃从端口24输出，λ₂、λ₄从端口23输出，如图4所示。

四波长满足以下关系：

λ₄＝λ₃+Δλ＝λ₂+2Δλ＝λ₁+3Δλ.

马赫-曾德尔干涉仪9的结构包括输入波导7、50:50的耦合器8、干涉臂25以及方向耦合器10，其中干涉臂两分支波导26、27的长度不同，其几何长度差为ΔL，方向耦合器10实质为一个50:50耦合器，设置合适的干涉区长度，可以将两光波合波，并将干涉后的光波从不同端口23、24输出。

所述马赫-曾德尔干涉仪9的基本工作原理为：各波长λ_i由输入端进入50:50耦合器8，形成两束等振幅的光波，光波经过干涉臂25的传输后存在光程差n_iΔL，再经过方向耦合器10合波后发生干涉，λ₁、λ₃在端口23干涉相长，在端口24干涉相消，从而自端口23输出，λ₂、λ₄在端口24干涉相长，在端口23干涉相消，从而自端口24输出。由于λ₁、λ₃以及λ₂、λ₄两组的波长差为2Δλ，为两波长间隔的2倍，为后续双波长马赫-曾德尔干涉仪13、14的设计提供便利。

如图5所示，马赫-曾德尔干涉仪的输入端口采用50：50耦合器，其结构可采用至少五种方式，其分别为：(a)3×3耦合器，(b)3×3直波导耦合器；(c)2×2耦合器；(d)1×2耦合器；(e)1×2直波导耦合器。其中：

3×3耦合器，尤其是3×3直波导耦合器由三条直波导构成，设定合适的耦合长度可以满足各波长的分光比基本满足50：0：50，同时该结构有利于耦合器的刻蚀，便于制作。

2×2耦合器，尤其是1×2耦合器，其结构对称分布，可以满足50：50的分光比，其制作长度较短，利于器件的小型化。1×2直波导耦合器由两条直波导构成，该结构有利于耦合器的刻蚀，便于制作，但耦合长度要大于3×3直波导耦合器。

四种耦合器相比较，3×3直波导耦合器耦合长度适中（约1mm），分光效果好，无弯曲损耗，同时结构简单，光波特性优于1×2耦合器，为最佳的配选方案。

如图6所示，马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂结构可采用至少三种方式。其分别为（a）双弧波导型；（b）单弧波导型；（c）对称波导型。其中：

双弧波导型干涉臂为两条S型波导28、29组成，单个S型波导由两条相同的圆弧相切而成，该结构可以减少其后续的方向耦合器10的宽度与长度。单弧波导型干涉臂由一条S波导30和一条直波导31组成，该结构可以减少干涉臂的长度，但后续的方向耦合器10的宽度要大于双弧波导型干涉臂。对称波导型干涉臂由两条S型波导32、33和一条直波导34组成，两S波导相切，并沿干涉臂的中线对称，该结构后续的方向耦合器10的宽度最小，但干涉臂长度较长。上述三种结构中，两分支波导的几何长度差均等于ΔL，同时在纵向具有相同的长度，便于后续的方向耦合器10的制作。经过比较，单弧波导型干涉臂长度及宽度均适中，制作简单，为最佳的配选方案。

方向耦合器10采用2×2耦合器，为对称结构，不引入额外的光程差，同时有利于器件的小型化。设定合适的耦合长度、间距可以实现光波几乎全部从特定的窗口输出，从而实现信道间较高的隔离度，一个实例为λ₁、λ₃从端口23全部输出，λ₂、λ₄从端口24全部输出，如图4。

综上所述，马赫-曾德尔干涉仪9的最佳结构采用的组合为：3×3直波导耦合器、单弧波导型干涉臂及2×2耦合器。

如图7所示，对于已经分离的λ₁、λ₃和λ₂、λ₄，分别采用滤波结构进行分离，可以采用至少三种结构，其分别为(a)MZI；(b)方向耦合器；(c)多模耦合器；其中：

马赫-曾德尔干涉仪可以较好的实现双波长的滤波，其尺寸适中。

方向耦合器可以较好的分离宽波长间隔的双波长，但用于窄波长间隔的双波长的滤波时，长度较长。

多模耦合器可以实现双波长的分离，但用于窄波长间隔的双波长的滤波时，长度较长。

因此最佳的配选方案为马赫-曾德尔干涉仪结构，其方向耦合器11、12采用3×3直波导耦合器，干涉臂采用单弧波导型干涉臂结构，方向耦合器15、16采用2×2耦合器，如图4所示。

可见，双波长马赫-曾德尔干涉仪13、14的解复用过程，如图8所示。

图9为本发明实施例的所述芯片最佳实施例一，如图9所示，其中的芯片波导区包括9、13和14三个干涉仪，干涉仪9的两个输出波导23、24的长度相同、纵向位置相同，23、24之后分别连接干涉仪13和14的输入波导。13和14的干涉臂中弧形波导分别朝向芯片的上、下方向，从而减少体积，也便于设计。由于13、14的干涉臂长度不同，需要在输出波导35-38后对接适当长度的直波导，可以保证各通道具有相同的纵向长度。

四个波长λ₁（1270nm）、λ₂（1290nm）、λ₃（1310nm）、λ₄（1330nm）的信号从输入波导中进入芯片，之后经过干涉仪9的分波后，λ₁、λ₃从上端口23输出，并进入干涉仪13中；λ₂、λ₄从下端口24输出，并进入干涉仪14中。λ₁、λ₃经过干涉仪14的分离后，从35、36通道输出；λ₂、λ₄经过干涉仪14的分离后，从37、38通道输出。

两干涉臂26、27的几何长度差ΔL满足：

n₁ΔL=(m-0.25)λ₁、n₃ΔL=(m+q-0.25)λ₃、

n₂ΔL=(m+p₁+0.25)λ₂、n₄ΔL=(m+p₂+0.25)λ₄。

其中：m、q为整数，p₁、p₂为偶数，n_i为λ_i的折射率。

干涉仪13中两个干涉臂的几何长度差ΔL₂满足：

n₁ΔL₂=(m-0.25)λ₁、n₃ΔL₂=(m+p₃+0.25)λ₃.

其中：m为整数，p₃为偶数，n_i为λ_i的折射率。

干涉仪14中两个干涉臂的几何长度差ΔL₃满足：

n₂ΔL₃=(m-0.25)λ₂n₄、n₄ΔL₃=(m+p₄+0.25)λ₄.

其中m为整数，p₄为偶数，n_i为λ_i的折射率。

图10为本发明实施例的所述芯片最佳实施例二，如图10所示，其中的芯片波导区的另一个最佳实施例，与实例一的不同之处在于将3×3直波导耦合器换作2×2的直波导50：50耦合器，这样，可以减少耦合器波导的刻蚀。

由于耦合器不同，与之相关的干涉臂的光程差会发生以下变化：

两干涉臂26、27的几何长度差ΔL满足：

n₁ΔL=mλ₁、n₃、ΔL=(m+q)λ₃、

n₂ΔL=(m+p₁+0.5)λ₂、n₄ΔL=(m+p₂+0.5)λ₄。

其中：m、q为整数，p₁、p₂为偶数，n_i为λ_i的折射率。

干涉仪13中两个干涉臂的几何长度差ΔL₂满足：

n₁ΔL₂=mλ₁、n₃ΔL₂＝(m+p₃+0.5)λ₃。

其中：m为整数，p₃为偶数，n_i为λ_i的折射率。

干涉仪14中两个干涉臂的几何长度差ΔL₃满足：

n₂ΔL₃=mλ₂、n₄ΔL₃=(m+p₄+0.5)λ₄。

其中：m为整数，p₄为偶数，n_i为λ_i的折射率。

波导采用SiO₂/Si材料制备，波导的相对折射率差为0.75%，截面尺寸为6um×6um。50：0：50耦合器8、11、12的耦合长度约1mm，直波导间隔为2um，弯曲波导的曲率均大于5mm，整个波导区的长度约15mm，宽5mm。各信道的插入损耗最大2dB，通道隔离度25dB以上。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，包括输入端口区和探测器阵列区；其特征在于，该芯片的输入端口区和探测器阵列区之间还设有波导区；所述波导区包含一个输入波导、三个马赫-曾德尔干涉仪及四个输出波导；所述输入端口区位于该芯片的输入端，包括一个置于V型槽的输入光纤，所述V型槽后设有凹槽，凹槽与所述波导区的输入波导相连；所述波导区的输出波导与所述探测器阵列区相接；所述三个马赫-曾德尔干涉仪分别为一个四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪和两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪，其中，所述四波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输入端与所述输入波导相连，其输出端分别与所述两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输入端相连，所述两个双波长解复用马赫-曾德尔干涉仪的输出端分别与所述四个输出波导相连接，从而实现四波长的波解复用。

2.根据权利要求1所述的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，其特征在于，所述的每个马赫-曾德尔干涉仪均包括一个输入端口、干涉臂以及一个输出端口；其中，所述输入端口的结构采用如下方式中的任一种：50：0：50的3×3耦合器、50：50的2×2耦合器、50：50的1×2耦合器；所述干涉臂位于输入耦合器之后和输出耦合器之前；所述马赫-曾德尔干涉仪的输出端口采用50：50的2×2方向耦合器。

3.根据权利要求1至2任一项所述的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，其特征在于，该芯片芯层材料为锗硅/硅、砷化镓/砷镓铝、绝缘衬底上的硅或铌酸锂。

4.根据权利要求1至2任一项所述的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，其特征在于，所述波导区在硅基之上生长二氧化硅SiO₂下包层，其上生长有掺杂的芯层，所述芯层之上镀SiO₂上包层，芯区呈埋入式结构。

5.根据权利要求4所述的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，其特征在于，所述芯层的折射率为0.75%或1.5%。

6.根据权利要求2所述的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，其特征在于，所述的马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂结构至少采用如下方式中的一种：双弧波导型，单弧波导型，对称波导型。

7.根据权利要求1所述的用于粗波分解复用的混合集成平面波导探测器芯片，其特征在于，所述探测器阵列区的探测器阵列位于硅基平台上。

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