用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片的製作方法

2023-06-05 10:53:31 1

專利名稱：用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及光通信領域的波分復用器件，尤其涉及一種用於粗波分解復用(CWDM， 又名稀疏波分復用)的混合集成平面波導探測器晶片。
背景技術：
採用混合集成技術與平面波導技術實現小型化有源器件是現今光有源器件發展的趨勢之一。混合集成技術可以將有源光元件(如半導體雷射器晶片、探測器晶片、TIA、調製器等)、無源光波導元器件(如PLC波導晶片、薄膜濾波片及衍射光柵等)、電傳輸線、溝槽及具有固定作用的V型槽等集成在具有共同襯底的晶片上，從而實現器件的小型化。平面波導技術利用具有復用/解復用作用的功能元件，如馬赫-曾德爾幹涉儀、多模波導光開關、方向耦合器、光學梳狀濾波器、陣列波導光柵等，可以實現雷射的多波長傳輸、復用、解復用。波導本身具有濾波的特性。平面波導技術可以免去常規有源器件中薄膜濾波片的應用，可以簡化結構、減少生產工序，同時對器件的發展具有推動意義。現有光通信用雙波長、多波長的有源器件，諸如單纖雙向器件、單纖三向器件多採用TO型封裝、薄膜濾波片復用/解復用的形式，只能實現寬波長間隔的多波長的分離，對於窄波長間隔的粗波分復用(CWDM)、密集波分復用(DWDM)的多波長信號則無法分離。平面波導技術可以實現具有窄波長間隔的多波長的復用/解復用。陣列波導光柵可以實現多通道信號的分離，但是成本高，體積較大；光學梳狀濾波器，可以實現多通道信號的分離，並且光譜特性優異，但是其結構採用多級濾波結構，體積大，且技術並不完善；利用馬赫-曾德爾幹涉儀的濾波特性，選擇合適的結構及參數，配合方向耦合器或者多模耦合器，可以實現具有窄波長間隔的多波長的解復用，其體積適中，濾波特性較好，合適於通道數較少的復用 /解復用場合。在已經報導的多通道解復用探測器結構中，主要有兩種結構，一種為光纖通信幹路中利用體積較大的復用/解復用器實現多通道的解復用，該結構的解復用器與探測器等有源器件本身相分離，未實現集成化，另一種結構為將解復用結構與有源器件混合集成，但一條輸入光纖對應一個探測器，未能實現單纖傳輸。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，利用混合集成技術與平面集成技術相結合，以實現CWDM解復用器件的多通道單纖傳輸和小型化。為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，包括輸入埠區和探測器陣列區；該晶片的輸入埠區和探測器陣列區之間還設有波導區；所述波導區包含一個輸入波導、三個馬赫-曾德爾幹涉儀及四個輸出波導；所述輸入埠區位於該晶片的輸入端，包括一個置於V型槽的輸入光纖，所述V型槽後設有凹槽，凹槽與所述波導區的輸入波導相連；所述波導區的輸出波導與所述探測器陣列區相接。其中，所述三個馬赫-曾德爾幹涉儀分別為一個四波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀和兩個雙波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀；其中，所述四波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀的輸入端與所述輸入波導相連，其輸出端分別與所述兩個雙波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀的輸入端相接，以實現光波的傳遞。所述的每個馬赫-曾德爾幹涉儀均包括一個50 0 50的3X3直波導耦合器、 幹涉臂以及一個50 50的2X2方向耦合器。該晶片芯層材料為GeSi/Si、GaAs/GaAlAs、SOI、LiNb03。所述波導區在矽基之上生長二氧化矽SiO2下包層，其上生長有摻雜的芯層，所述芯層之上鍍SW2上包層，芯區呈埋入式結構。所述芯層的折射率為0.75%或1.5%。所述的馬赫-曾德爾幹涉儀輸入埠採用50 50耦合器，其結構採用如下方式中的至少一種(a) 3X3耦合器，(b) 3X3直波導耦合器，(c) 2X2耦合器，(d) 1X2耦合器， (e) 1X2直波導耦合器。所述的馬赫-曾德爾幹涉儀的幹涉臂結構至少採用如下方式中的一種(a)雙弧波導型，(b)單弧波導型，(C)對稱波導型。所述探測器陣列位於矽基平臺上。本發明所提供的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，具有以下優佔.
^ \\\ ·該晶片採用較成熟的混合集成技術和平面波導技術，在矽基上鍍SiO2W波導包層，並在包層內生長摻雜Ge的SiA芯層，整個波導呈埋入式結構；晶片包括輸入埠區、平面光路(PLC)波導區及探測器陣列；還可以將單纖輸入的具有窄波長間隔的四個波長獨立分開，晶片本身具有分波長、濾波的特性，傳輸效率高、隔離度較高、體積小、材料簡單、易製作，能夠滿足CWDM四波長解復用的需求。


圖1為本發明實施例的1X4解復用平面波導晶片主視圖；圖2為本發明實施例的1X4解復用平面波導晶片側視圖；圖3為本發明所示晶片添加SCC元件後的波導區主視圖；圖4為馬赫-曾德爾幹涉儀(MZI-I)結構示意圖；圖5為方向耦合器的各種結構方式示意圖；圖6為無源型馬赫-曾德爾幹涉儀幹涉臂的結構示意圖；圖7為雙波長濾波結構示意圖；圖8為雙波長馬赫-曾德爾幹涉儀解復用示意圖；圖9為晶片結構實例一示意圖；圖10為晶片結構實例二示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及本發明的實施例對本發明的產品作進一步詳細的說明。
如圖1所示，所示1X4平面波導晶片主要由三大部分組成輸入埠區1、波導區 2以及探測器陣列區3。該晶片結構分布為輸入埠區1，位於晶片的輸入端，包括一個V 型槽4、輸入光纖5，所述輸入光纖5置於V型槽4內，V型槽4後設置有凹槽6，凹槽6後為波導區2。所述波導區2包含一個輸入波導7、三個馬赫-曾德爾幹涉儀9、13、14及4個輸出波導。在所述4個輸出波導之後接探測器陣列17，探測器陣列17位於矽基平臺18上。 三個馬赫-曾德爾幹涉儀分別為一個四波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀9和兩個雙波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀13、14，所述雙波長馬赫-曾德爾幹涉儀13、14分別與四波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀9的一個輸出埠相接，以實現光波的傳遞。馬赫-曾德爾幹涉儀包括一個50 0 50的3X3直波導耦合器8、11、12，幹涉臂及50 50的2X2方向耦合器 10,15 和 16。如圖2所示，所示晶片芯層的材料可採用鍺矽(GeSi)/矽(Si)、砷化鎵(GaAs)/砷鎵鋁(GaAlAs)、絕緣襯底上的矽(SOI)、鈮酸鋰(LiNbO3)等製備，以GeSi/Si材料為例，矽基18為襯底，根據三個不同區域，矽基上方區域的製作方式不同。 輸入光纖埠區1在矽基上刻蝕V型槽4，所述V型槽4的位置與波導區1的輸入波導7相匹配。該區域製作工藝與波導區S^2的生長製作工藝不同，為便於製作，在兩個區域的邊界處刻蝕凹槽6，用於隔開兩個區域，使製作時互不幹擾。波導區在矽基之上生長SiO2下包層19，其上生長有摻雜(如Ge)的芯層20，芯層 20之上鍍SW2上包層21，芯區呈埋入式結構，如圖2所示。芯層的折射率根據不同的需要而定，其配選的方案主要有兩種①相對摺射率差△為0. 75%，波導為矩形波導，截面橫向尺寸為6umX6um，用於常規波導晶片的需求；②相對摺射率差Δ為1. 5 %，波導為矩形波導，截面橫向尺寸為4umX4um，用於較小型化晶片的需求。根據折射率的不同，波導區與探測器陣列區有兩種可選結構①相對摺射率差Δ為0.75%時，為了匹配輸入光纖5與波導區矩形波導7的模場半徑，需要在波導區域的輸入埠製作光斑尺寸轉換(SSC，Spot size conversion)元件 22。SSC的厚度與波導厚度相同，橫向呈「喇叭」形分布。Δ為0.75%時，為了較好的限制光波在芯層中傳輸，SiO2包層的厚度需製作相對較厚。②相對摺射率差Δ為1. 5%時，芯層對光波的束縛能力較強，可以減去光斑尺寸轉換元件的製作，並且SiA包層的厚度可以製作較薄，其結構可參考圖1 3。如圖4所示的區用於將CWDM中具有窄波長間隔Δ λ的四個波長分離，其結構包括一個四分波長馬赫-曾德爾幹涉儀9和兩個雙分波長馬赫-曾德爾幹涉儀13、14。馬赫-曾德爾幹涉儀9可以將傳輸的四個信號λρ λ2、λ3、入4從兩個埠中輸出，其中λ2、λ3從埠 23輸出，λ2、λ4從埠 M輸出，也可以令λ^ λ3從埠 M輸出， 入2、λ4從埠 23輸出，如圖4所示。四波長滿足以下關係λ 4 = λ 3+Δ λ = λ 2+2 Δ λ = λ j+3 Δ λ .馬赫-曾德爾幹涉儀9的結構包括輸入波導7、50 50的耦合器8、幹涉臂25以及方向耦合器10，其中幹涉臂兩分支波導沈、27的長度不同，其幾何長度差為△ L，方向耦合器10實質為一個50 50耦合器，設置合適的幹涉區長度，可以將兩光波合波，並將幹涉後的光波從不同埠 23J4輸出。
所述馬赫-曾德爾幹涉儀9的基本工作原理為各波長X1由輸入端進入50 50 耦合器8，形成兩束等振幅的光波，光波經過幹涉臂25的傳輸後存在光程差Iii Δ L，再經過方向耦合器10合波後發生幹涉，λ」 λ3在埠 23幹涉相長，在埠 M幹涉相消，從而自埠 23輸出，λ 2、λ 4在埠 M幹涉相長，在埠 23幹涉相消，從而自埠 M輸出。由於 λ ρ λ 3以及λ 2、λ 4兩組的波長差為2 Δ λ，為兩波長間隔的2倍，為後續雙波長馬赫-曾德爾幹涉儀13、14的設計提供便利。如圖5所示，馬赫-曾德爾幹涉儀的輸入埠採用50 50耦合器，其結構可採用至少五種方式，其分別為(a)3X3耦合器，(b)3X3直波導耦合器；(c)2X2耦合器； (d) 1X2耦合器；(e) 1X2直波導耦合器。其中3X3耦合器，尤其是3X3直波導耦合器由三條直波導構成，設定合適的耦合長度可以滿足各波長的分光比基本滿足50 0 50，同時該結構有利於耦合器的刻蝕，便於製作。2X2耦合器，尤其是1X2耦合器，其結構對稱分布，可以滿足50 50的分光比， 其製作長度較短，利於器件的小型化。1X 2直波導耦合器由兩條直波導構成，該結構有利於耦合器的刻蝕，便於製作，但耦合長度要大於3X 3直波導耦合器。四種耦合器相比較，3X3直波導耦合器耦合長度適中(約Imm)，分光效果好，無彎曲損耗，同時結構簡單，光波特性優於1X2耦合器，為最佳的配選方案。如圖6所示，馬赫-曾德爾幹涉儀的幹涉臂結構可採用至少三種方式。其分別為 (a)雙弧波導型；(b)單弧波導型；(c)對稱波導型。其中雙弧波導型幹涉臂為兩條S型波導觀、四組成，單個S型波導由兩條相同的圓弧相切而成，該結構可以減少其後續的方向耦合器10的寬度與長度。單弧波導型幹涉臂由一條S波導30和一條直波導31組成，該結構可以減少幹涉臂的長度，但後續的方向耦合器10 的寬度要大於雙弧波導型幹涉臂。對稱波導型幹涉臂由兩條S型波導32、33和一條直波導 34組成，兩S波導相切，並沿幹涉臂的中線對稱，該結構後續的方向耦合器10的寬度最小， 但幹涉臂長度較長。上述三種結構中，兩分支波導的幾何長度差均等於AL，同時在縱向具有相同的長度，便於後續的方向耦合器10的製作。經過比較，單弧波導型幹涉臂長度及寬度均適中，製作簡單，為最佳的配選方案。方向耦合器10採用2X2耦合器，為對稱結構，不引入額外的光程差，同時有利於器件的小型化。設定合適的耦合長度、間距可以實現光波幾乎全部從特定的窗口輸出，從而實現信道間較高的隔離度，一個實例為λ」 λ3從埠 23全部輸出，λ2、λ4從埠對全部輸出，如圖4。綜上所述，馬赫-曾德爾幹涉儀9的最佳結構採用的組合為3 X 3直波導耦合器、 單弧波導型幹涉臂及2X2耦合器。如圖7所示，對於已經分離的λ」入3和λ2、λ 4，分別採用濾波結構進行分離，可以採用至少三種結構，其分別為(a)MZI ;(b)方向耦合器；(c)多模耦合器；其中馬赫-曾德爾幹涉儀可以較好的實現雙波長的濾波，其尺寸適中。方向耦合器可以較好的分離寬波長間隔的雙波長，但用於窄波長間隔的雙波長的濾波時，長度較長。多模耦合器可以實現雙波長的分離，但用於窄波長間隔的雙波長的濾波時，長度較長。因此最佳的配選方案為馬赫-曾德爾幹涉儀結構，其方向耦合器11、12採用3X3 直波導耦合器，幹涉臂採用單弧波導型幹涉臂結構，方向耦合器15、16採用2 X 2耦合器，如圖4所示。可見，雙波長馬赫-曾德爾幹涉儀13、14的解復用過程，如圖8所示。圖9為本發明實施例的所述晶片最佳實施例一，如圖9所示，其中的晶片波導區包括9、13和14三個幹涉儀，幹涉儀9的兩個輸出波導23、24的長度相同、縱向位置相同，23、 M之後分別連接幹涉儀13和14的輸入波導。13和14的幹涉臂中弧形波導分別朝向晶片的上、下方向，從而減少體積，也便於設計。由於13、14的幹涉臂長度不同，需要在輸出波導 35-38後對接適當長度的直波導，可以保證各通道具有相同的縱向長度。四個波長A1(^TOnm), λ 2(1290ηπι)、A3(1310nm), A 4(1330nm)的信號從輸入波導中進入晶片，之後經過幹涉儀9的分波後，λ ρ λ 3從上埠 23輸出，並進入幹涉儀13中； λ 2、λ 4從下埠 M輸出，並進入幹涉儀14中。λ ρ λ 3經過幹涉儀14的分離後，從35、36 通道輸出；λ2、λ 4經過幹涉儀14的分離後，從37、38通道輸出。兩幹涉臂沈、27的幾何長度差Δ L滿足叫 Δ L = (m-0. 25) λ 」 η3 Δ L = (m+q-0. 25) λ 3、η2 Δ L = (m+Pi+0. 25) λ 2、η4 Δ L = (m+p2+0. 25) λ 4。其中m、q為整數，？1、？2為偶數，叫為λ i的折射率。幹涉儀13中兩個幹涉臂的幾何長度差Δ L2滿足Ii1 Δ L2 = (m-0. 25) λ 」 η3 Δ L2 = (m+p3+0. 25) λ 3.其中m為整數，P3為偶數，Iii為λ i的折射率。幹涉儀14中兩個幹涉臂的幾何長度差Δ L3滿足η2 Δ L3 = (m-0. 25) λ 2、η4 Δ L3 = (m+p4+0. 25) λ 4·其中m為整數，p4為偶數，Iii為λ i的折射率。圖10為本發明實施例的所述晶片最佳實施例二，如圖10所示，其中的晶片波導區的另一個最佳實施例，與實例一的不同之處在於將3X3直波導耦合器換作2X2的直波導 50 50耦合器，這樣，可以減少耦合器波導的刻蝕。由於耦合器不同，與之相關的幹涉臂的光程差會發生以下變化兩幹涉臂沈、27的幾何長度差Δ L滿足n1AL = mA1>n3AL = (m+q) λ 3>η2 Δ L = (m+Pi+O. 5) λ 2、η4 Δ L = (m+p2+0. 5) λ 4。其中m、q為整數，？1、？2為偶數，叫為λ i的折射率。幹涉儀13中兩個幹涉臂的幾何長度差Δ L2滿足Ii1 Δ L2 = m λ 」 η3 Δ L2 = (m+p3+0. 5) λ 3。其中m為整數，P3為偶數，Iii為λ i的折射率。幹涉儀14中兩個幹涉臂的幾何長度差Δ L3滿足η2 Δ L3 = m λ 2、η4 Δ L3 = (m+p4+0. 5) λ 4。其中m為整數，p4為偶數，Iii為λ i的折射率。波導採用Si02/Si材料製備，波導的相對摺射率差為0.75%，截面尺寸為6umX6um。50 0 50耦合器8、11、12的耦合長度約1mm，直波導間隔為2um，彎曲波導的曲率均大於5mm，整個波導區的長度約15mm，寬5mm。各信道的插入損耗最大2dB，通道隔離度25dB以上。 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
權利要求
1.用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，包括輸入埠區和探測器陣列區；其特徵在於，該晶片的輸入埠區和探測器陣列區之間還設有波導區；所述波導區包含一個輸入波導、三個馬赫-曾德爾幹涉儀及四個輸出波導；所述輸入埠區位於該晶片的輸入端，包括一個置於V型槽的輸入光纖，所述V型槽後設有凹槽，凹槽與所述波導區的輸入波導相連；所述波導區的輸出波導與所述探測器陣列區相接。
2.根據權利要求1所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述三個馬赫-曾德爾幹涉儀分別為一個四波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀和兩個雙波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀；其中，所述四波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀的輸入端與所述輸入波導相連，其輸出端分別與所述兩個雙波長解復用馬赫-曾德爾幹涉儀的輸入端相接，以實現光波的傳遞。
3.根據權利要求1或2所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述的每個馬赫-曾德爾幹涉儀均包括一個50 0 50的3X3直波導耦合器、 幹涉臂以及一個50 50的2X2方向耦合器。
4.根據權利要求1至3任一項所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，該晶片芯層材料為鍺矽GeSi/矽Si、砷化鎵GaAs/砷鎵鋁GaAlAs、絕緣襯底上的矽SOI、鈮酸鋰LiNb03。
5.根據權利要求1至3任一項所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述波導區在矽基之上生長二氧化矽SW2下包層，其上生長有摻雜的芯層，所述芯層之上鍍SW2上包層，芯區呈埋入式結構。
6.根據權利要求5所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述芯層的折射率為0. 75%或1. 5%。
7.根據權利要求3所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述的馬赫-曾德爾幹涉儀輸入埠採用50 50耦合器，其結構採用如下方式中的至少一種3 X 3耦合器，3 X 3直波導耦合器，2 X 2耦合器，1 X 2耦合器，1 X 2直波導耦合
8.根據權利要求3所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述的馬赫-曾德爾幹涉儀的幹涉臂結構至少採用如下方式中的一種雙弧波導型， 單弧波導型，對稱波導型。
9.根據權利要求1所述的用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，其特徵在於，所述探測器陣列位於矽基平臺上。
全文摘要
本發明公開了一種用於粗波分解復用的混合集成平面波導探測器晶片，包括輸入埠區和探測器陣列區；該晶片的輸入埠區和探測器陣列區之間還設有波導區；所述波導區包含一個輸入波導、三個馬赫-曾德爾幹涉儀及四個輸出波導；所述輸入埠區位於該晶片的輸入端，包括一個置於V型槽的輸入光纖，所述V型槽後設有凹槽，凹槽與所述波導區的輸入波導相連；所述波導區的輸出波導與所述探測器陣列區相接。能夠利用混合集成技術與平面集成技術相結合，實現CWDM解復用器件的多通道單纖傳輸和小型化。
文檔編號G02B6/122GK102243340SQ20111018650
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月5日 優先權日2011年7月5日
發明者劉成剛, 米全林, 胡百泉 申請人:武漢電信器件有限公司