CN104503039A - 一种直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片，该芯片包括：InP基半导体激光器阵列，将待传输信号转换成基模光信号；多模干涉功率分束器，对基模光信号进行分束处理；光波导连接结构，连接InP基半导体激光器阵列和多模干涉功率分束器；移相器，对多模干涉功率分束器部分输出端的输出进行移相，使该部分输出端输出与其他输出端输出之间产生第二相位差，并将移相后的信号发送给多模干涉模式复用器；多模干涉模式复用器，对于光信号进行复用，将InP基半导体激光器阵列中部分激光器的基模光信号转换成一阶模并与其他激光器的基模光信号进行复用输出。本发明降低了器件和模块的制造难度和成本，有利于模分复用技术在接入网层面的大规模应用。

Description

一种直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是一种直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片，应用在中短距少模光纤通信***中。

背景技术

随着100G商用化的进行，人们对数据网络容量的要求不断攀升。目前采用的提高通信容量的方法主要基于对单模光纤频谱效率的提高，如密集波分复用、光时分复用、偏振复用、新型编码调制技术等。但近期研究表明，随着更小的信道间隔和更高调制格式的采用，单模光纤固有的非线性和放大器的ASE噪声使得***的容量已经越来越接近香农极限。

为了进一步提升通信***的容量，基于少模光纤的模分复用技术应运而生。通过利用少模光纤中有限的正交模式作为独立的信道进行信息传输，来实现少模光纤通信***中对光的模式进行正交复用，从而可以提高整个通信***容量的自由度。

少模光通信发射模块主要是通过模式转换器以及模式复用器，将基模光转换到高阶模，并将各高阶模复用到一根少模光纤中，然后进行光信号的传播。这种方式需要模式转换器、模式复用器以及多个产生基模光信号的单纵模激光器共同完成。基于这种结构的发射模块往往由多个分立光学器件组成，各个器件的稳定性，器件之间的***损耗，器件的可集成性等使得少模发射模块的规模化、实用化应用较为困难。在实际的通信***中，器件必须有更高的稳定性和更好的集成度，更少的损耗，才能使***更加的稳固，才有可能实用化。

模分复用技术不仅可以用于干线传输中，也可以应用于中短距数据传输的接入网或者用于数据中心之间的光互连。与对成本不敏感的骨干网相比，接入网对光收发机的需求量大，对器件成本敏感。只有通过集成技术将光调制、模式转换和模式耦合整合在芯片级别才能有可能实现大规模生产低成本的少模发射器模块。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用于中短距离少模光通信***的直调式InP基单片集成光通信发射器芯片。该芯片的光源结构为InP基半导体激光器阵列，激光器阵列输出的基模信号依次通过基于平面光波导的多模干涉功率分束器，以及平面光波导多模干涉模式复用器结构来实现基模到高阶模的信号转换以及基模和高阶模的混合复用。

本发明提出的一种直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片包括：InP基半导体激光器阵列、多模干涉功率分束器、移相器、多模干涉模式复用器和光波导连接结构，其中：

所述InP基半导体激光器阵列用于将待传输信号转换成已调制的基模光信号；

所述多模干涉功率分束器用于对于所述InP基半导体激光器阵列输出的基模光信号进行分束处理；

所述光波导连接结构用于连接所述InP基半导体直调激光器阵列和多模干涉功率分束器；

所述移相器用于对于所述多模干涉功率分束器的部分输出端的输出进行移相，使该部分输出端的输出与其他输出端的输出之间产生第二相位差，并将移相后的信号发送给所述多模干涉模式复用器；

所述多模干涉模式复用器用于对于接收到的光信号进行复用，通过信号合成，将部分激光器发出的基模光信号转换成一阶模光信号并与其他激光器发出的基模光信号进行复用输出。

本发明采用直接调制激光器实现信号调制，避免了外调制的复杂结构，降低了芯片制备难度和***电路复杂度。同时，模式转换和合成都在芯片上完成，与外部光纤耦合时，仅需要普通少模光纤进行单路对准即可，从而降低了耦合难度，降低了器件和模块的整体制造难度和成本，有利于模分复用技术在接入网层面的大规模应用。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片的结构示意图；

图2为对接生长技术示意图；

图3为非对称双波导集成技术示意图；

图4为量子阱混杂集成技术示意图；

图5为偏移量子阱集成技术示意图；

图6为叠层量子阱集成技术示意图；

图7为选区生长集成技术示意图；

图8为根据本发明一实施例的多模干涉功率分束器2的结构示意图；

图9为图8所示多模干涉功率分束器2中基模激光注入第一输入端In1时光场能量在波导中的传输示意图；

图10为图8所示多模干涉功率分束器2中基模激光注入第二输入端In2时光场能量在波导中的传输示意图；

图11为图8所示多模干涉功率分束器2中基模激光同时注入第一输入端In1和第二输入端In2时光场能量在波导中的传输示意图；

图12为根据本发明一实施例的多模干涉模式复用器4的结构示意图；

图13为图12所示多模干涉模式复用器4中基模激光注入第二输入端In2时光场能量在波导中的传输示意图；

图14为图12所示多模干涉模式复用器4中基模保持等功率且相位差180度，注入第一输入端In1和第三输入端In3时光场能量在波导中的流动示意图；

图15为图12所示多模干涉模式复用器4中基模保持等功率且相位差180度，注入第一输入端In1和第三输入端In3，且同时基模注入第二输入端In2时光场能量在波导中的流动示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为根据本发明一实施例的直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片的结构示意图，如图1所示，所述直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片包括InP基半导体激光器阵列1、多模干涉功率分束器2、移相器3、多模干涉模式复用器4和光波导连接结构5，其中：

所述InP基半导体激光器阵列1用于将待传输信号转换成已调制的基模光信号，具体地，将所述待传输信号电流叠加到InP基半导体激光器阵列1中激光器的偏置电流上来对激光器进行调制，从而使激光器产生的光信号的强度发生变化，实现对于激光器强度的直接调制，产生基模光信号；

在本发明一实施例中，所述InP基半导体激光器阵列1为半导体直调激光器阵列，在图1所示的实施例中，所述半导体直调激光器阵列包括两个直调激光器LD1和LD2，这两个直调激光器分别将两个输入的待传输信号转换成已调制的基模光信号，其中，由第一激光器LD1发出的调制基模光信号最终经过本发明芯片传输后不发生变化仍保持为基模，由第二激光器LD2发出的基模光信号最终经过本发明芯片传输后转换成一阶模，并在芯片输出端与第一激光器LD1发出的调制基模光信号混合输出，从而实现对于不同待传输信号进行复用传输的功能。

其中，待传输信号的个数与所述InP基半导体激光器阵列1中激光器的个数相对应，当待传输信号的个数不同时，所述InP基半导体激光器阵列1的结构也有所不同，下文仅以两个待传输信号、两个直调激光器为例对本发明进行解释和说明，对于其他情况，本领域技术人员能够以此类推，本发明不作赘述。

在本发明一实施例中，所述直调激光器为分布式反馈(DFB)激光器、其他基于DFB结构的半导体直调激光器、分布式布拉格反射镜激光器(DBR)或其他基于DBR结构的半导体直调激光器。

在本发明一实施例中，所述InP基半导体激光器阵列1为有源结构，包含量子阱结构，工作波长在通信波段中的O波段或者C波段。所述多模干涉功率分束器2用于对于所述InP基半导体激光器阵列1输出的基模光信号进行分束处理，具体地，对于两个激光器的情况，所述多模干涉功率分束器2对于第一激光器的输出不作特殊处理，而对于第二激光器的输出进行分束处理，并使分束后的信号产生第一相位差。

在本发明一实施例中，所述多模干涉功率分束器2的结构如图8所示，在该实施例中，所述多模干涉功率分束器2包括两个输入端和三个输出端，其中，两个输入端分别与所述InP基半导体激光器阵列1的两个输出端相连，三个输出端中不相邻的两个输出端：第一输出端Out1和第三输出端Out3具有同等作用，其中，第一输出端Out1和第二输出端Out2分别与所述多模干涉模式复用器4的第一输入端In1’和第二输入端In2’相连，第三输出端Out3或第一输出端Out1与所述移相器3的输入端相连。具体地，所述第一激光器LD1发出的基模光信号从所述多模干涉功率分束器2的第一输入端In1输入，从第二输出端Out2输出，输出的光信号仍为基模光信号；所述第二激光器LD2的基模光信号从第二输入端In2输入，从第一输出端Out1和第三输出端Out3输出，第一输出端Out1和第三输出端Out3的输出为相位差90度的基模光信号。

在本发明一实施例中，所述多模干涉功率分束器2为基于平面光波导的多模干涉功率分束器。所述多模干涉功率分束器2所实现的功能可由图9至图11来验证表述：

如图9所示，由第一输入端In1输入的基模光信号经所述多模干涉功率分束器2传输后，能量几乎无衰减地由第二输出端Out2输出，实现了由第一激光器LD1发射的基模光信号的低损耗传输，图9右图中，深色线条表示第一输出端Out1或第三输出端Out3的基模功率检测结果，浅色线条表示第二输出端Out2的基模功率检测结果；

如图10所示，由第二输入端In2输入的基模光信号经所述多模干涉功率分束器2传输后，光能量在第一输出端Out1和第三输出端Out3之间实现了3dB分束输出，由MMI的自成像原理可知，经过移相器3的作用，两输出端Out1和Out3之间存在90度相位差，实现了由第二激光器LD2产生的基模光信号的低损耗3dB分束传输，图10右图中，深色线条表示第一输出端Out1或第三输出端Out3的基模功率检测结果，浅色线条表示第二输出端Out2的基模功率检测结果；

如图11所示，第一输入端In1和第二输入端In2同时输入基模光信号，且输入功率比例任意，经所述多模干涉功率分束器2传输后，第一输出端Out1和第三输出端Out3完成了第二输入端In2的3dB输出，第二输出端Out2完成了第一输入端In1的无衰减输出，从而实现了多模干涉功率分束器2的上述功能，图11右图中，深色线条表示第一输出端Out1或第三输出端Out3的基模功率检测结果，浅色线条表示第二输出端Out2的基模功率检测结果。

所述光波导连接结构5用于连接所述InP基半导体直调激光器阵列1和多模干涉功率分束器2；

其中，所述多模干涉功率分束器2、多模干涉模式复用器4和光波导连接5均为无源结构，不包含量子阱结构。从另外一个角度上说，所述光波导连接结构5实现了有源激光器区域与无源模式复用区域之间的集成连接。

在本发明一实施例中，所述光波导连接结构5可以为S形、弧形或者两段直波导，更进一步地，所述光波导连接结构5包含多支分支波导，所述分支波导使两直调激光器在空间上发生了分离，从而避免了光在被调制时发生串扰现象，同时，所述光波导连接结构5还为行波电极的设计和制作提供了足够的空间。

在本发明一实施例中，所述光波导连接结构5与所述InP基半导体激光器阵列1中与两个直调激光器相连接的部分是宽度线性渐变的结构，渐变后的宽度与多模干涉功率分束器2的输入波导宽度一致。所述InP基半导体激光器阵列1与所述光波导连接结构5之间有源结构与无源结构的集成技术有如下选择：

对接生长技术(butt-joint growth)，如图2所示，先在衬底上生长波导结构材料，在该结构上制备SiO₂或SiN_x薄膜保护该区域，通过干法或湿法腐蚀去除无介质薄膜保护区的外延结构，再次生长有源结构的外延结构，然后去除介质薄膜，用这种方法实现InP基半导体直调激光器阵列1与光波导连接结构5之间对接；

非对称双波导集成技术(asymmetric-twin guide)，如图3所示，制作楔形渐变波导来改变两种器件之间光的传播路径，用这种方法实现InP基半导体直调激光器阵列1与光波导连接结构5的集成，并进行分别优化；

量子阱混杂技术(quantum well intermixing，QWI)，如图4所示，该技术需要一次外延，通过引入晶格缺陷，促使阱垒交界处材料组分原子互相扩散，达到材料增益峰蓝移的效果，通过这种方法实现InP基半导体直调激光器阵列1与光波导连接结构5的集成。

偏移量子阱技术(offset-MQW)，如图5所示，该技术只通过一次外延来得到两种器件材料结构，将量子阱材料生长在材料波导层上，作为InP基半导体直调激光器阵列1的结构材料，在不需要量子阱的区域，干法或湿法腐蚀掉量子阱层，留下体材料波导层用于光波导连接结构5的结构制作。

双叠层量子阱技术(double-MQW)，如图6所示，该技术在偏移量子阱技术上做了改进，将体材料波导层换成增益峰波长较短的多量子阱层，成为波导量子阱层，上移的偏移量子阱用于提供InP基半导体直调激光器阵列1的增益，在无源结构区，去除上层偏移量子阱，下层波导量子阱用于无源结构区的制作。

选择区域生长技术(selective area growth)，如图7所示，该技术可以实现一次外延得到不同带隙量子阱，通过这种方法实现InP基半导体直调激光器阵列1与光波导连接结构5的集成。

所述移相器3用于对于所述多模干涉功率分束器2的部分输出端：在本实施例中对于第三输出端Out3的输出进行移相，使所述多模干涉功率分束器2第一输出端Out1与第三输出端Out3的输出之间另外产生90度的相位差，并将移相后的信号发送给所述多模干涉模式复用器4；

其中，所述移相器3的输入端与所述多模干涉功率分束器2的第三输出端Out3或第一输出端Out1相连，输出端与所述多模干涉模式复用器4的第三输入端In3’或第一输入端In1’相连。

在本发明一实施例中，所述移相器3通过调节电注入来使待处理信号产生相移。

在本发明一实施例中，所述移相器3为电注入有源结构，不包含量子阱结构。

所述多模干涉模式复用器4用于对于接收到的光信号进行复用，通过信号合成，将第二激光器LD2发出的基模光信号转换成一阶模光信号并与第一激光器LD1发出的基模光信号进行复用输出，其结构如图12所述，在图12所示的实施例中，所述多模干涉模式复用器4包括三个输入端：第一输入端In1’、第二输入端In2’、第三输入端In3’和一个有效输出端，这三个输入端分别与所述多模干涉功率分束器2的第一输出端Out1、第二输出端Out2，及所述移相器3的输出端相对应连接，所述多模干涉模式复用器4具有三个输出端：第一输出端Out1’、第二输出端Out2’和第三输出端Out3’，其中一个为有效输出端，该有效输出端的输出包括来自第一激光器LD1的基模光信号和来自第二激光器LD2经模式转换后的一阶模光信号，在本发明一实施例中，所述有效输出端选为第二输出端Out2’；

在本发明一实施例中，所述多模干涉模式复用器4为基于平面光波导的多模干涉模式复用器。

所述多模干涉模式复用器4的功能可由图13至图15来验证表述：

如图13所示，所述多模干涉模式复用器4的第二输入端In2’与所述多模干涉功率分束器2的第二输出端Out2相连接，由第二输入端In2’输入的基模光信号经所述多模干涉模式复用器4传输后，能量几乎无衰减地由第二输出端Out2’输出，验证了由第一激光器LD1产生的基模光信号的低损耗复原传输，图13右图中，三角形线条表示第二输出端Out2的基模功率检测结果，直线表示第一输出端Out1或第三输出端Out3的基模功率检测结果；

如图14所示，所述多模干涉模式复用器4的第一输入端In1’和第二输入端In3’分别与所述多模干涉功率分束器2的第一输出端Out1及所述移相器3的输出端连接，由第一输入端In1’和第三输入端In3’同时输入的相位差为180度的两个基模光信号，经过所述多模干涉模式复用器4传输后，由第二输出端Out2’输出一阶模光信号，能量为两输入端In1’和In3’输入信号能量之和，实现了由第二激光器LD2产生的基模光信号向一阶模光信号的转换，图14右图中，深色线条表示第一输出端Out1或第三输出端Out3的功率检测结果，浅色线条表示第二输出端Out2的一阶模功率检测结果；

如图15所示，由第一输入端In1’和第三输入端In3’输入的相位差为180度两个基模光信号，与来自第二输入端In2’的基模光信号在所述多模干涉模式复用器4中合成，实现一阶模和基模光信号的合成，实现将第二激光器LD2发出的基模光信号转换成一阶模光信号并且与第一激光器LD1的基模光信号进行复用的功能，图15右图中，深色线条表示第二输出端Out2的一阶模功率检测结果，三角形线条表示第二输出端Out2的基模功率检测结果，浅色线条表示第一输出端Out1或第三输出端Out3的功率检测结果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直调式InP基单片集成少模光通信发射器芯片，其特征在于，该芯片包括：InP基半导体激光器阵列、多模干涉功率分束器、移相器、多模干涉模式复用器和光波导连接结构，其中：

所述InP基半导体激光器阵列用于将待传输信号转换成已调制的基模光信号；

所述多模干涉功率分束器用于对于所述InP基半导体激光器阵列输出的基模光信号进行分束处理；

所述光波导连接结构用于连接所述InP基半导体直调激光器阵列和多模干涉功率分束器；

所述移相器用于对于所述多模干涉功率分束器的部分输出端的输出进行移相，使该部分输出端的输出与其他输出端的输出之间产生第二相位差，并将移相后的信号发送给所述多模干涉模式复用器；

所述多模干涉模式复用器用于对于接收到的光信号进行复用，通过信号合成，将部分激光器发出的基模光信号转换成一阶模光信号并与其他激光器发出的基模光信号进行复用输出。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，待传输信号的个数与所述InP基半导体激光器阵列中激光器的个数相对应。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述InP基半导体激光器阵列包括两个直调激光器：第一激光器LD1和第二激光器LD2，这两个直调激光器分别将两个输入的待传输信号转换成已调制的基模光信号。

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述直调激光器为分布式反馈激光器、基于分布式反馈激光器结构的半导体直调激光器、分布式布拉格反射镜激光器或基于分布式布拉格反射镜激光器结构的半导体直调激光器。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述InP基半导体激光器阵列为有源结构，包含量子阱结构；所述多模干涉功率分束器、多模干涉模式复用器和光波导连接均为无源结构，不包含量子阱结构；所述移相器为电注入有源结构，不包含量子阱结构。

6.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述多模干涉功率分束器对于第一激光器LD1的输出不作处理，而对第二激光器LD2的输出进行分束处理，并使分束后的信号产生第一相位差，第一相位差为90度。

7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于，所述多模干涉功率分束器包括两个输入端和三个输出端，其中，两个输入端分别与所述InP基半导体激光器阵列的两个输出端相连，三个输出端中不相邻的两个输出端：第一输出端Out1和第三输出端Out3具有同等作用，其中，第三输出端Out3或第一输出端Out1与所述移相器的输入端相连，所述第一激光器LD1发出的基模光信号从所述多模干涉功率分束器的第一输入端In1输入，从第二输出端Out2输出，输出的光信号仍为基模光信号；所述第二激光器LD2的基模光信号从第二输入端In2输入，从第一输出端Out1和第三输出端Out3输出，第一输出端Out1和第三输出端Out3的输出为相位差90度的基模光信号。

8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述光波导连接结构与所述InP基半导体激光器阵列中与激光器相连接的部分是宽度线性渐变的结构，渐变后的宽度与多模干涉功率分束器的输入波导宽度一致。

9.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述移相器的输入端与所述多模干涉功率分束器的第三输出端Out3或第一输出端Out1相连，输出端与所述多模干涉模式复用器的第三输入端In3’或第一输入端In1’相连，所述移相器对于所述多模干涉功率分束器的第三输出端Out3或第一输出端Out1的输出进行移相，使所述多模干涉功率分束器的第一输出端Out1与第三输出端Out3的输出之间再产生90度的相位差。

10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述多模干涉模式复用器通过信号合成，将第二激光器LD2发出的基模光信号转换成一阶模光信号并与第一激光器LD1发出的基模光信号进行复用输出。