本发明专利技术提供了一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，自下而上依次包括衬底、下包层、硅器件层、上包层，以及在硅器件层上刻蚀形成的八个模斑转换器和四个硅基光波导、两个四通道输入\输出二维光栅耦合器、两个硅基PN结光波导相移器以及一个GSG单驱动共面波导行波电极，所述硅基PN结光波导相移器为以硅材料形成的波导结构，至少两个硅基光波导中的中间一段由波导结构替代而成，所述GSG单驱动共面波导行波电极设置于硅基PN结光波导相移器上方并其平板区接触。本发明专利技术可以实现四通道的光分束和光合束，并可以实现光相位调制到光强度调制的转换，此外光纤与光栅耦合器是垂直耦合，具有耦合效率高、偏振相关损耗较低、对准容差能力强的优势。
【技术实现步骤摘要】
一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器
本专利技术属于硅基光子学及芯片级光互连技术，尤其涉及一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器。
技术介绍
在科学技术迅速发展的现代社会中，大量的信息和数据交换需要一个高速、宽带的通信系统。而随着集成电路工艺节点不断下降，微电子工艺的局限性也是日趋明显。一方面是由于器件线宽的不断减小，传统的光刻加工手段已经接近极限；另一方面是由于随着晶体管尺寸和互连线尺寸的同步缩小，单个晶体管的延时和功耗越来越小，而互连线的延时和功耗却越来越大并占据主导地位。于是人们选择一种片上光互连的方式来辅助乃至替代电互连传递。光互连有明显的优势，其高带宽、低能耗、延迟小、抗电磁干扰的优点是芯片内铜互连线所无法比拟的。因此研究芯片级的光子技术对于实现片上光互连和解决微电子芯片的性能瓶颈具有十分重要的意义和价值。电光调制器是光通信网络、微波光子系统等复杂光通信的关键器件，作为高速的电调制信号与光载波的接口，电光调制器的性能对于互连系统的通信容量和通信质量等至关重要。通常情况下，电光调制器的调制参量为光波强度。Ⅲ-Ⅴ族材料，例如GaAs和InP-InGaAs，具有非常好的电光特性，可以轻而易举的达到40Gbit/s的调制速率和探测速率，常常作为电光调制器和光电探测器使用。而其价格较过于昂贵，对于片上光互连系统而言，不足以达到广泛使用的目的。对于一个理想的强度电光调制器而言，其应该具备低光损耗、低驱动电压、高带宽、高线性度、小尺寸和低制造成本等诸多优点。近些年来，随着硅基光电子学的研究兴起，人们对于硅基电光调制器的研究兴趣愈发浓厚并取得了较快进展。作为一种高速电光转换器件，硅基电光调制器具有波导结构紧凑、集成度高、CMOS工艺兼容等优点，在面向短距离数据通信应用的光收发模块、光互连中获得了巨大成功。在现有的技术方案中，CN202010970699.X号专利里的二维光栅耦合器通过模斑转换器与波导连接，移相区电极放置于波导周围，二维光栅耦合器接收/输出任意偏振态的光，模斑转换器实现波导与二维光栅耦合器之间的耦合，电极位于两波导臂周围，与所述波导组成的调制区域内，实现对波导内传递光波的相位调制。对于该技术依旧存在些许不足之处：1、该方案技术仅仅可以实现对光相位的调制，不能实现对光强度的调制。2、现有技术中光纤与光栅耦合器为倾斜耦合，片上测试时需要对光纤的角度进行调谐，并且光纤封装时需要进行角度抛光，无形中增加了芯片的封装成本。3、现有技术中仅仅能够实现两通道的传输，通道比较单一。
技术实现思路
现有的硅基电光调制器为了实现超高速工作，多采用波导厚度为220nm(或340nm)的SOI衬底平台实现，然而由于此类SOI光波导具有较强的偏振相关性且通常只允许类TE光模式进行低损耗光传输，现有的硅基电光调制器多为单偏振态工作器件。此外，硅基电光调制器多采用传统一维光栅耦合器进行光耦合输入输出，而一维光栅耦合器是强烈偏振相关的光耦合器件，这也进一步加剧了传统硅基电光调制器的偏振相关性。对于传统硅基电光调制器而言，通常需要在器件的光学输入端使用保偏光纤和偏振控制器，将输入光偏振态转换成与一维光栅耦合器相匹配的偏振光，这无疑是增加了系统设计的复杂性和成本。而本专利技术所设计的基于四通道二维光栅的硅基电光调制器，具有偏振无关型，无论是何种偏振输入光，都可以通过二维光栅耦合器进行光耦合并转换为单一偏振态的光波导模式，之后经过输出端二维光栅的光偏振合成实现偏振无关工作。由于四通道二维光栅不仅具有偏振旋转和偏振分束等传统二维光栅的功能，还具有在两个偏振方向上进行3-dB功率分束的功能，因此，我们提出的偏振无关硅基电光调制器在两个偏振方向上均具有马赫-曾德调制器的功能，通过在中间两个对称的光学臂上引入单驱动相移结构可实现在两个偏振方向上同时进行电光调制，后通过二维光栅的输出实现偏振合成和光功率的合成。本专利技术的目的在于提供一种可实现四通道、工艺简单、并可以实现光相位调制到光强度调制的转换的基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，自下而上依次包括衬底、下包层、硅器件层、上包层，还包括在硅器件层上刻蚀形成的八个模斑转换器和四个硅基光波导、两个四通道输入\输出二维光栅耦合器、两个硅基PN结光波导相移器以及一个GSG单驱动共面波导行波电极，所述八个模斑转换器对称分布于硅器件层的左右两边，呈左右对称的每一对模斑转换器之间通过一条硅基光波导连接，两个四通道输入\输出二维光栅耦合器中的一个通过左边四个模斑转换器上完成光的输入，另一个通过右边的四个模斑转换器完成光的输出，所述硅基PN结光波导相移器为以硅材料形成的波导结构，其中两个硅基光波导中的中间一段由波导结构替代而成，所述GSG单驱动共面波导行波电极设置于硅基PN结光波导相移器上方并其平板区接触。作为本专利技术的进一步改进，每一个模斑转换器刻蚀成锥形结构，左边四个模斑转换器整体呈四角星结构排布，并且呈上下左右轴对称分布。作为本专利技术的进一步改进，两个四通道输入\输出二维光栅耦合器分别垂直对准左右四个模斑转换器的中心位置。作为本专利技术的进一步改进，两个硅基PN结光波导相移器并联设置，自一侧至另一侧依次排布为PNNP结。作为本专利技术的进一步改进，所述GSG单驱动共面波导行波电极包括两个接地电极以及一个信号电极，所述信号电极与NN结接触设置，所述两个接地电极分别设置于NN结两边的P结上。作为本专利技术的进一步改进，所述硅基光波导为在硅器件层上刻蚀形成的脊形结构，所述硅基PN结光波导相移器形成的波导结构为掺杂的脊形结构。作为本专利技术的进一步改进，所述两个硅基PN结光波导相移器形成的波导结构位于两个PN结交界处。作为本专利技术的进一步改进，所述GSG单驱动共面波导行波电极的电极材料为Cu、Ti、Al中的一种或几种的合金。作为本专利技术的进一步改进，四条硅基光波导由上而下依次排列设置，四条硅基光波导的光程以及光损耗相同，中间一段由波导结构替代而成的硅基光波导中位于中间两条位置。作为本专利技术的进一步改进，所述四通道输入\输出二维光栅耦合器为中心对称结构，包括四个通道，用以实现对入射光的均匀分束或者对出射光的合束。与现有技术相比，本专利技术具备以下有益效果：1、本专利技术可以实现四通道的光束分离和光束合体，并可以实现光相位调制到光强度调制的转换。2、本专利技术中光纤与光栅耦合器是垂直耦合，具有耦合效率高、偏振相关损耗较低、对准容差能力强的优势，片上测试无需对光纤的角度进行调谐，封装时也无需对光纤进行角度抛光工艺，大大降低了芯片的封装成本。3、本专利技术所采用的GSG单驱动共面波导行波电极结构可以实现良好的阻抗匹配设计，此外采用Cu、Ti、Al、等金属电极材料显著降低电极损耗，可以有效改善高频下行波电极的微波损耗。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，自下而上依次包括衬底、下包层、硅器件层、上包层，其特征在于：还包括在硅器件层上刻蚀形成的八个模斑转换器和四个硅基光波导、两个四通道输入\输出二维光栅耦合器、两个硅基PN结光波导相移器以及一个GSG单驱动共面波导行波电极，所述八个模斑转换器对称分布于硅器件层的左右两边，呈左右对称的每一对模斑转换器之间通过一条硅基光波导连接，两个四通道输入\输出二维光栅耦合器中的一个通过左边四个模斑转换器上完成光的输入，另一个通过右边的四个模斑转换器完成光的输出，所述硅基PN结光波导相移器为以硅材料形成的波导结构，其中两条硅基光波导中的中间一段由波导结构替代而成，所述GSG单驱动共面波导行波电极设置于硅基PN结光波导相移器上方并其平板区接触。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，自下而上依次包括衬底、下包层、硅器件层、上包层，其特征在于：还包括在硅器件层上刻蚀形成的八个模斑转换器和四个硅基光波导、两个四通道输入\输出二维光栅耦合器、两个硅基PN结光波导相移器以及一个GSG单驱动共面波导行波电极，所述八个模斑转换器对称分布于硅器件层的左右两边，呈左右对称的每一对模斑转换器之间通过一条硅基光波导连接，两个四通道输入\输出二维光栅耦合器中的一个通过左边四个模斑转换器上完成光的输入，另一个通过右边的四个模斑转换器完成光的输出，所述硅基PN结光波导相移器为以硅材料形成的波导结构，其中两条硅基光波导中的中间一段由波导结构替代而成，所述GSG单驱动共面波导行波电极设置于硅基PN结光波导相移器上方并其平板区接触。
2.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，其特征在于：每一个模斑转换器刻蚀成锥形结构，左边四个模斑转换器整体呈四角星结构排布，并且呈上下左右轴对称分布。
3.根据权利要求2所述的基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，其特征在于：两个四通道输入\输出二维光栅耦合器分别垂直对准左右四个模斑转换器的中心位置。
4.根据权利要求1所述的基于二维光栅耦合的偏振无关型电光调制器，其特征在于：两个硅基PN结光波导相移器并联设置，自一侧至另一侧依次排布为PNNP结。
【专利技术属性】
技术研发人员：黄北举，张赞允，
申请(专利权)人：苏州微光电子融合技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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