基于MMI耦合器的InP基少模光子集成發射芯片的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光通信技術領域，尤其涉及一種基于MMI耦合器的少模光子集成發射 芯片。
【背景技術】
[0002] 隨著網絡技術的發展，人們對傳輸容量的要求越來越大。上世紀80年代，隨著摻 鉺光纖放大器（EDFA)技術的發展，波分復用技術（WDM)得到了充分的開發。但是最近10 年，網絡容量的需求提升了近100倍，這對于傳輸容量的提升提出了巨大的挑戰。目前密集 波分復用技術（DWDM)，光時分復用技術（0TDM)，偏振復用技術（PDM)以及多種調制格式都 得到了比較充分的開發，單模光纖的傳輸容量已經接近其香農極限，要使傳輸容量有進一 步的提升，就需要開發新的維度。目前唯一未被充分開發的維度是空間，空間維度包括模分 復用技術、多芯光纖技術以及多纖技術等。相對于多纖技術和多芯技術，模分復用技術由于 其功耗小低，體積小，擴容大等優點越來越受到人們的重視。
[0003] 模分復用技術中的關鍵器件是模式轉換器，目前主要的模式轉換器的類型有定向 耦合器、絕熱耦合器、光子晶體光纖、"光子燈籠"以及多模干涉耦合器等結構，以上大部分 器件都是一些分立器件或者基于硅上絕緣體（SOI)襯底，無法與激光光源集成。而基于多 模干涉原理的InP基模式轉換器由于其容差與帶寬較大大，易于與激光器、調制器等有源 器件集成等優點，在少模光通信發射芯片中具有巨大的應用潛力。
[0004] 本發明提出了一種基于IX1麗1耦合器作為31 /2移相器實現100%模式轉換的InP基少模光子集成發射芯片，核心內容在于設計了 一種基于級聯MMI耦合器的具有100 % 模式轉換效率的模式轉換器。其重點是利用IX1麗1耦合器作為100%模式轉換器中的 π/2相移器。而現有100%模式轉換技術中，研究人員提出了使用改變波導層厚度（專利 【申請號】201510348841. 6)，使用傾斜MMI耦合器或者彎曲波導等方法實現相移功能，但是 改變波導層厚度的方法涉及到復雜的材料生長技術，傾斜MMI耦合器的設計和工藝容差較 小，彎曲波導的損耗較大等因素都會限制其在光子集成芯片中的應用。
【發明內容】
[0005] (一）要解決的技術問題
[0006] 鑒于上述技術問題，本發明提供了一種基于1X1MMI耦合器作為π/2移相器實現 100%模式轉換的InP基少模光子集成發射芯片，以增加集成度并降低設計和工藝制作難 度。
[0007] (二）技術方案
[0008] 本發明基于MMI耦合器的少模光子集成發射芯片包括：激光器，用于產生單縱模 基橫模的激光；功率分配器，位于激光器的光路后端，用于將激光器產生的激光分為兩路； 調制器組，位于功率分配器的光路后端，包括兩調制器，用于分別對功率分配器分出的兩路 激光進行調制；模式轉換-復用器，位于調制器組的光路后端，用于實現調制后的兩路激光 的模式轉換和復用，該模式轉換-復用器利用1x1MMI耦合器作為其JT/2相移器；其中，功 率分配器和模式轉換-復用器基于MMI耦合器實現。
[0009] (三）有益效果
[0010] 從上述技術方案可以看出，本發明基于MMI耦合器的少模光子集成發射芯片具有 以下有益效果：
[0011] (1)首次提出了使用IXmMI耦合器作為100%模式轉換器中的/2相移器，相 移器的設計和制作都較為簡單，易于實現；
[0012] (2)利用IX1MMI耦合器作為31/2相移器具有較大的設計和工藝容差，損耗較小， 并且具有對于波長、偏振等不敏感的優良特性，易于與其他器件集成；
[0013] (3)將激光器、分束器、調制器與模式轉換-復用器等器件集成來制作少模光子發 射芯片，減小了器件尺寸，增加了芯片的集成度。
[0014] 綜上，本發明所提出的基于IX1MMI耦合器作為π/2移相器實現100%模式轉換 的InP基少模光子集成發射芯片實現了 100%的模式轉換，使得通信容量進一步提升，有望 用于下一代光通信系統，具有較大的應用前景。
【附圖說明】
[0015] 圖1為基于1X1麗I耦合器作為π/2移相器實現100 %模式轉換的InP基光子集 成發射芯片整體示意圖；
[0016] 圖2為圖1所示InP基少模光子集成發射芯片中功率分配器三種實現方式的結構 示意圖；
[0017] 圖3為基于MMI耦合器的具有100%模式轉換效率的模式轉換-復用器示意圖；
[0018] 圖4A和圖4B分別為1X1麗I耦合器的結構示意圖和仿真結果；
[0019] 圖5A和圖5B為基于麗I耦合器的具有100%模式轉換效率的模式轉換-復用器 的仿真不意圖；
[0020] 圖6為有源區多量子阱示意圖；
[0021] 圖7為無源區"三明治"結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 本發明首次提出了一種基于1X1MMI耦合器作為π/2移相器實現100 %模式轉換 的InP基少模光子集成發射芯片，實現方法較為簡單，并具有較大的設計和工藝容差。
[0023] 在本發明的示例性實施例中，提出了一種基于1X1MMI耦合器作為π/2移相器實 現100%模式轉換模的InP基少模光子集成發射芯片。請參照圖1，本實施例InP基少模光 子集成發射芯片包括：
[0024] 激光器A，用于產生單縱模基橫模的激光；
[0025] 功率分配器B，位于所述激光器A的光路后端，用于將激光器A產生的激光分為兩 路；
[0026] 調制器組C，位于功率分配器B的光路后端，包括兩調制器，用于分別對功率分配 器分出的兩路激光進行調制；
[0027] 模式轉換-復用器D，位于所述調制器組C的光路后端，用于實現調制后的兩路激 光的模式轉換和復用，其包括一個2X2MMI耦合器實現分束和移相，一個1X1MMI耦合器實 現π/2相移，一個4X4MMI耦合器實現模式轉換和復用。
[0028] 其中，激光器Α、功率分配器Β、調制器組C和模式轉換-復用器D都在InP襯底上 制作。
[0029] 以下對本實施例基于1X1ΜΜΙ耦合器作為π/2移相器實現100%模式轉換的InP 基少模光子集成發射芯片的各個組成部分進行詳細說明。
[0030] 本實施例中，激光器A為半導體激光器，其可以為DFB激光器，也可以為DBR激光 器。功率分配器B為基于MMI耦合器的功率分配器，其可以采用1XN，2XN，NXN標準結構 的MMI耦合器。調制器組C可以為電吸收調制器或者馬赫曾德調制器。模式轉換-復用器 D中各部分全部使用MMI耦合器實現。
[0031] 具體實現方式為：半導體激光器產生單縱模基橫模的光，經過無源波導進入基于 MMI耦合器原理的功率分配器，此時功率分配器將半導體激光器產生的光分成兩路。兩路激 光由功率分配器的端口 1和端口 2射出，經過無源波導分別進入兩個調制器進行調制。
[0032] 圖2為圖1所示InP基光子集成發射芯片中功率分配器的結構示意圖。請參照圖 2,功率分配器可以為如下形式：
[0033] (1)對稱干涉（SymmetricInterference) 1X2MMI親合器，其輸入端連接至激光 器A的輸出端，其具有兩輸出端-輸出端1和輸出端2,分別連接至兩個調制器，如圖2中 (a) 所示；
[0034] (2)雙干涉（PairedInterference) 2X2MMIf禹合器，其兩輸入端其中之一連接至 激光器A的輸出端，其兩輸出端-輸出端1和輸出端2,分別連接至兩個調制器，如圖2中 (b) 所示；
[0035] (3)普通干涉（GeneralInterference) 2X2MMIf禹合器，其兩輸入端其中之一連 接至激光器A的輸出端，其兩輸出端-輸出端1和輸出端2,分別連接至兩個調制器，如圖2 中（c)所示。
[0036] 經過調制的兩路激光信號被送入模式轉換-復用器D。圖3為基于MMI耦合器的 具有100%模式轉換效率的模式轉換-復用器示意圖。請參照圖3,該模式轉換-復用器包 括：
[0037] 普通干涉2X2麗I耦合器，其具有2個輸入端口和3個輸出端口 -端口 3、端口 4 和端口 5,該2個輸入端口分別連接至兩調制器的輸出端口，該普通干涉2X2MMI耦合器實 現分束和移相；
[0038] 對稱干涉1X1麗I耦合器，其輸入端口連接至普通干涉2X2麗I耦合器的端口 5， 該普通干涉1X1MMI耦合器作為/2相移器；
[0039] 普通干涉4X4MMI耦合器，其具有三個輸入端口-其中的兩個輸入端口分別連接 至普通干涉2X2MMI耦合器的端口 3和端口 4,另一輸入端口連接至普通干涉1X1MMI耦合 器的輸出端口；其具有一輸出端口 -端口 6,該普通干涉4X4MMI耦合器用于實現模式轉換 和復用。
[0040] 其中，上述普通干涉2X2麗I耦合器的長度Q、對稱干涉IX1麗1耦合器的長度 L2、普通干涉4X4MMI耦合器的長度L3滿足：
[0041 ]Lj= 3Lcl/2 ；
[0042] L2= 3Lc2/4 ；
[0043] L3= 3Lc3/4 ；
[0044] 其中，
neff為制作耦合器材料的有效折射率，λ為光在真空中的 波長，L。#相應麗I耦合器中基模與一階模的拍頻長度，Weql為相應麗I耦合器的等效寬 度，i= 1、2、3〇
[0045] 圖4A和圖4B分別為1X1麗耦合器的結構示意圖和仿真結果。圖5A和圖5B分 別為基于MMI耦合