CN105408791A

CN105408791A - 单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法

Info

Publication number: CN105408791A
Application number: CN201480000637.9A
Authority: CN
Inventors: 张俪耀; 曹彤彤; 张灿
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Zhongtian Communication Technology Co.,Ltd.; Zhongtian Broadband Technology Co Ltd
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: CN105408791B; WO2015161488A1

Abstract

一种单模垂直腔面发射激光器VCSEL收发模块，包括光波导层(40)、设置于光波导层(40)上的单模光子晶体VCSEI(10)和与单模光子晶体VCSEL(10)对应的探测器(20)、以及能够改变单模光子晶体VCSEL(10)发射出的光信号使其射入到探测器(20)内的垂直光栅耦合器(50、60)。通过单模晶体VCSEL(10)实现光信号单模传输，并通过垂直光栅耦合器(50、60)缩小了光波导层中传播的光信号的光斑的尺寸，使其能够用于硅基材料波导中，提高了VCSEL收发模块的互连带宽和互连密度；同时，采用垂直光栅耦合器(50、60)可以实现偏振分离，提高光偏振敏感器件的工作稳定性。

Description

单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法技术领域

本发明涉及到光互连的技术领域，尤其涉及到一种单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法。背景技术

硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着绝对的优势。基于硅材料的微电子集成工艺相当成熟。然而，微电子电路集成的发展受制于物理特性已经发展到极限。电互连面临金属线互连延迟、功耗和带宽的挑战，难于满足未来众核片上***全局的需求。与微电子电路相比，光子集成回路有很多优势，它具有带宽大、功耗小、延迟小等特点。硅基光电集成有望突破电互连面临的困境。近年来，硅基光电集成技术在光源、调制器、探测器等方面取得了一个又一个重大得出破，主要技术瓶颈已经打破。硅基光电集成将成为集成领域未来的主流技术。

硅基光收发模块是硅基光电集成中的主要组件。目前，在众多的光收发模块中，基于 VCSEL的收发模块具有直接调制、功耗低、成本低、便于扩展大规模阵列等优点，因而被广泛地应用。然而，传统的 VCSEL由于自身特点也面临很多问题。常规的 VCSEL为多模激光器，光斑尺寸比较大（ 50-100 μ m ), 波长一般为 850nm或 980nm (小于 1 μ πι )。它这些特点限制了 VCSEL收发模块在硅基波导材料上的应用。其多模特性使得它不能利用波分复用技术，也限制了传输带宽的提高；较大的光斑尺寸使得整个模块体积很大，限制互连密度的提高；另外，较大光斑尺寸和小的硅波导不匹配。

此外，以 SOI ( Silicon On Insulator , 绝缘沉底上的硅）为主要材料的硅基光波导，其截面尺寸并非严格对称，这造成了波导具有很强的偏振相关性，影响偏振敏感器件的应用。比如， AWG ( Arrayed Waveguide Grating , 阵列波导光栅）和微环等器件在不同的偏振态下的测试光谱会有很大的区别。而且目前的大部分光模块并没有考虑到偏振敏感的问题。发明内容

本发明提供了一种单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法，用以实现光信号单模传输以及偏振分离，提高工作时的稳定性。

第一方面，提供了一种单模垂直腔面发射激光器 VCSEL收发模块，该收发模块包括：光波导层，设置于所述光波导层上的单模光子晶体 VCSEL以及与所述单模光子晶体 VCSEL对应设置的探测器；其中，所述光波导层中，位于所述单模光子晶体 VCSEL 以及与其对应的探测器下方的位置分别设置有垂直光栅耦合器，所述单模光子晶体 VCSEL发射出的光信号经过所述两个垂直光栅耦合器改变传播路径后射入到与所述探测器内。

结合上述第一方面、在第一种可能的实现方式中，该收发模块还包括光互连层，所述单模光子晶体 VCSEL 和所述探测器设置于所述光互连层同一侧，所述光波导层设置于所述光互连层上背离所述探测器的一侧。

结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述单模光子晶体 VCSEL和所述探测器分别键合在所述光互连层。

结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述光互连层为透明介质材料层或二维垂直光子晶体波导。

结合上述第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述二维垂直光子晶体波导中，位于所述单模光子晶体 VCSEL和所述探测器下方的部位分别设置有多个空气孔。

结合上述第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述单模光子晶体 VCSEL 为单一偏振的单模光子晶体 VCSEL, 所述垂直光栅耦合器为一维单偏振垂直光栅耦合器，且所述一维单偏振垂直光栅耦合器的耦合角度为 90° , 所述一维单偏振垂直光栅耦合器的光偏振模式与所述单一偏振的单模光子晶体 VCSEL的光偏振模式相匹配。

结合上述第一方面的第五种可能实施方式，在第六种可能实施方式中，所述一维单偏振垂直光栅耦合器为斜刻光栅、闪耀光栅、啁啾光栅或非对称光栅。

结合上述第一方面的第五种可能实施方式，在第七种可能实施方式中，所述单一偏振的单模光子晶体 VCSEL包括： n型欧姆接触层，沿远离 n型欧姆接触层的方向，依次设置的衬底、底层分布布拉格反射镜 DBR、有源层、氧化物层、顶层 DBR; 其中，所述顶层 DBR刻蚀有二维光子晶体 VCSEL以及 p型欧姆接触层，所述刻蚀的二维光子晶体 VCSEL包括多个椭圓形孔。

结合上述第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述单模光子晶体 VCSEL 为非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL, 所述垂直光栅耦合器为二维垂直光栅耦合器，且所述二维垂直光栅耦合器的耦合角度为 90° 。

结合上述第一方面的第八种可能的实现方式，在第九中可能实现的方式中，所述非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL包括： n型欧姆接触层，沿远离 n型欧姆接触层的方向，依次设置的衬底、底层分布布拉格反射镜 DBR、有源层、氧化物层、顶层 DBR;其中，所述顶层 DBR刻蚀有二维光子晶体 VCSEL 以及 p型欧姆接触层，所述刻蚀的二维光子晶体 VCSEL包括多个圓形孔。

结合上述第一方面的第八种可能的实现方式，在第十种可能实现的方式中，所述二维垂直光栅耦合器为二维垂直啁啾光栅耦合器。

第二方面，提供一种利用上述单模 VCSEL收发模块的光信号传播方法，该方法包括：单模光子晶体 VCSEL发射出光信号；

位于单模光子晶体 VCSEL 下方的垂直光栅耦合器将单模光子晶体 VCSEL发射出的信号耦合到光波导层中传播；

位于探测器下方的垂直光栅耦合器接收到光波导层中传播的光信号，并将接收到的光信号耦合到探测器中。

结合上述第二方面，在第一可能实现的方式中，所述单模光子晶体 VCSEL 发射出的光信号在进入到垂直光栅耦合器之前，通过光互连层传播；所述经位于探测器下方的垂直光栅耦合器改变传播路径后的光信号通过光互连层传播至所述探测器。通过互连层传播光信号。

结合上述第二方面、第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述光信号为一维偏振光信号，所述垂直光栅耦合器为一维单偏振垂直光栅耦合器；或，所述光信号为与偏振无关的单模光信号，所述垂直光栅耦合器为二维垂直光栅耦合器。

根据第一方面提供的单模垂直腔面发射激光器 VCSEL收发模块、第二方面提供的提供一种利用上述单模 VCSEL收发模块的光信号传播方法，上述收发模块通过釆用单模晶体 VCSEL实现光信号的单模传输，并通过垂直光线耦合器的耦合作用，缩小了在光波导层中传播的光信号的光斑的尺寸，使之能够用于硅基材料波导中，提高了 VCSEL收发模块的互连带宽和互连密度；同时，釆用垂直光栅耦合器，可以实现偏振分离，提高光偏振敏感器件的工作稳定性，解决硅基波导偏振敏感的问题。此外，釆用光栅耦合器的耦合方式，容易耦合对准，降低对准精度要求。附图说明

图 1为本发明实施例提供的单模 VCSEL收发模块的结构示意图；图 2为本发明实施例提供的光互连层的端面示意图；

图 3为本发明实施例提供的单一偏振的单模光子晶体 VCSEL收发模块的分解示意图；图 4为本发明实施例提供的单一偏振的单模光子晶体 VCSEL的结构示意图 5为本发明实施例提供的二维光子晶体 VCSEL 的端面视图；图 6为本发明实施例提供的单一偏振的单模光子晶体 VCSEL发射的光信号的光谱图；

图 7a〜图 7c为本发明实施例提供的一维单偏振垂直光栅耦合器的不同结构示意图；

图 8为本发明实施例提供的非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL收发模块的分解示意图；

图 9为本发明实施例提供的单模 VCSEL收发模块的光信号传播的流程图 10为本发明实施例提供的单一偏振的单模光子晶体 VCSEL的收发模块的流程图；

图 11为本发明实施例提供的非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL收发模块的流程图。

附图标记：

10-单模光子晶体 VCSEL 11-单一偏振的单模光子晶体 VCSEL

111-p型欧姆接触层 112-二维光子晶体 VCSEL

113-顶层081 114-氧化物层

115-有源层 116-底层分布格拉反射镜 DBR

117-衬底 118-n型欧姆接触层

119-椭圓形孔 12-非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL

20-探测器 30-光互连层

31-空气孔 40-光波导层

50-第一垂直光栅耦合器 60-第二垂直光栅耦合器

70-—维单偏振垂直光栅耦合 71、 7Γ、 7Γ-硅波导层

72、 72'、 72"-氧化层 73、 73'、 73'-硅沉底 80-二维垂直光栅耦合器具体实施方式

为了实现光信号单模传输以及偏振分离，提高工作时的稳定性，本发明实施例提供了一种单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法。在本发明的技术方案中，通过釆用单模光子晶体 VCSEL发射单模光信号，并通过垂直光栅耦合器改变光信号的传播途径使其射入到探测器内，从而使得光信号在传播时可以实现偏振分离，提高光偏振敏感器件的工作稳定性，解决硅基波导偏振敏感的问题。为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细的描述。

如图 1所示，图 1示出了本实施例提供的单模 VCSEL收发模块的结构示意图。其中，实施例中所述的 "下方" 为本实施例提供的单模 VCSEL收发模块以图 1所示方式放置时的方位。

本发明实施例提供了一种单模垂直腔面发射激光器 VCSEL收发模块，该收发模块包括：光波导层 40 , 设置于所述光波导层 40 上的单模光子晶体 VCSEL 10以及与单模光子晶体 VCSEL 10对应设置的探测器 20; 其中，所述光波导层 40中，位于单模光子晶体 VCSEL 10以及与其对应的探测器 20下方的位置分别设置有垂直光栅耦合器，单模光子晶体 VCSEL 10发射出的光信号经过所述两个垂直光栅耦合器改变传播路径后射入到与所述光子晶体 VCSEL 10对应的探测器 20内。在上述实施例中，单模光子晶体 VCSEL 10的个数可以为多个也可以为一个，其原理相同，下面以一组单模光子晶体 VCSEL 10和与其对应的探测器 20为例进行说明，为了方便描述，将位于单模光子晶体 VCSEL 10下方的垂直光栅耦合器称为第一垂直光栅耦合器 50,将位于探测器 20下方的垂直光栅耦合器称为第二垂直光栅耦合器 60。具体的，单模光子晶体 VCSEL 10发射出的单模光信号经过第一垂直光栅耦合器 50耦合后，光信号的传播路径被改变 90° , 并在光波导层 40 内传播至第二垂直光栅耦合器 60, 光信号的传播路径再次被第二垂直光栅耦合器 60改变 90。，射入到位于第二垂直光栅耦合器 60上方的探测器 20内，探测器 20将射入的光信号转变成电信号，完成光信号的收发过程。在釆用多个单模光子晶体 VCSEL 10及探测器 20时，每个光子晶体 VCSEL 10、探测器 20的工作原理与上述原理相同，在此不再—— 赘述。在上述实施例中通过釆用单模光子晶体 VCSEL实现单模传输，使之能够用于硅基材料波导中，提高了 VCSEL收发模块的互连带宽和互连密度；此外，该收发模块还可以釆用 WDM ( Wavelength Division Multiplexing, 波分复用）技术进一步提高带宽。同时，釆用垂直光栅耦合器，可以实现偏振分离，提高光偏振敏感器件的工作稳定性，解决硅基波导偏振敏感的问题。此外，釆用光栅耦合器的耦合方式，容易耦合对准，降低对准精度要求。同时，本实施例提供的收发模块构造简单，釆用常规半导体工艺，如生长、刻蚀和键合即可加工实现，便于集成，容易实现。其中光信号从第一垂直光栅耦合器 50传播到第二垂直光栅耦合器 60的过程中，是在光波导层 40中传播的，为了提高光信号的传播效果，在光波导层 40中设置有各类光器件对光信号进行处理，如调制器、光开关、光衰减器、光放大器等，改善了光信号的传播效果。

此外，该收发模块还包括光互连层 30, 单模光子晶体 VCSEL 10和探测器 20设置于光互连层 30同一侧，光波导层 40设置于光互连层 30上背离探测器 20的一侧。较佳的，单模光子晶体 VCSEL 10和探测器 20分别键合在光互连层 30。在光信号传播时，从单模光子晶体 VCSEL 10发射出的光信号通过光互连层 30后射入到第一垂直光栅耦合器 50, 通过第二垂直光栅耦合器

60耦合后的光信号也通过光互连层 30传播到探测器 20内。具体的，光互连层 30可以釆用不同的材质和结构，以便于光信号的传播，较佳的，光互连层 30为透明介质材料层或二维垂直光子晶体波导。其中光互连层 30为二维垂直光子晶体波导时，如图 2 所示，该二维垂直光子晶体波导中，位于单模光子晶体 VCSEL 10和探测器 20下方的部位分别设置有多个空气孔 31 ,且任意三个互相相邻的空气孔 31呈正三角形排列，但不仅限于正三角形一种形式，也可以为正方形以及其他的排列形式。具体的，它是由沿垂直纸面方向的空气孔 31形成的折射率引导型光波导，材料为单晶硅，空气孔 31 包围的中间区域为导光的芯径，光沿垂直纸面方向传播。空气孔 31的排列结构为三角形，且空气孔 31直径 a=120nm, 相邻的空气孔 31间距为 d=430nm, 波导芯层直径约 4.3 μ m。通过 FDTD ( Finite Difference Time Domain, 时域有限差分）方法模拟表明，光波导具有良好的导光性能，能够实现偏振无关，传播 1.5 μ πι 的损耗 <0.07dB。

在具体使用时，单模光子晶体 VCSEL和垂直光栅耦合器可以釆用不同结构，下面结合附图对其结构进行详细的说明。

实施例 1 如图 3所示，单模光子晶体 VCSEL为单一偏振的单模光子晶体 VCSEL

11 , 垂直光栅耦合器为一维单偏振垂直光栅耦合器 70, 即第一垂直光栅耦合器 50和第二垂直光栅耦合器 60均为一维单偏振垂直光栅耦合器 70, 且一维单偏振垂直光栅耦合器 70的耦合角度为 90。，所述一维单偏振垂直光栅耦合器的光偏振模式与单一偏振的单模光子晶体 VCSEL 11的光偏振模式相匹配。

一并参考图 4和图 5 , 图 4示出了单一偏振的单模光子晶体 VCSEL的结构，图 5示出了二维光子晶体 VCSEL的端面结构；其中，单一偏振的单模光子晶体 VCSEL 11包括： n型欧姆接触层 118, 沿远离 n型欧姆接触层 118的方向，依次设置的衬底 117、底层分布布拉格反射镜 DBR 116、有源层 115、氧化物层 114、顶层 DBR 113;其中，顶层 DBR 113刻蚀有二维光子晶体 VCSEL

112以及 p型欧姆接触层 111 ,刻蚀的二维光子晶体 VCSEL 112包括多个椭圓形孔 119。较佳的，椭圓形孔 119的长轴为 2μπι, 短轴为 1.4μπι, 且相邻的两个椭圓形孔 119之间的间距为 4μπι, 应当理解的是上述具体数据仅为一个举例，椭圓形孔的尺寸不仅限于上述椭圓孔的具体尺寸。

具体的，该单一偏振的单模光子晶体 VCSEL 11利用二维光子晶体的传导模式引导 VCSEL谐振腔中的光放大。由于二维光子晶体 VCSEL 112是单模结构，而且二维光子晶体 VCSEL 112的空气孔制作工艺简单，因此利用这种结构可以很容易制作出单模的 VCSEL。且在其出光端面刻蚀出椭圓形孔 119 , 不但可以保证出光单模，而且可以达到单一偏振的效果。继续参考图 5 ,其中，椭圓形孔 119间距为 4μπι、椭圓形孔 119的长轴为 2μπι、椭圓形孔 119的短轴为 1.4μπι, 釆用这种结构可以制作出单一偏振的光，其结果如图 6所示，图 6为这种结构产生的光谱，通过光谱图显示可以看出，出光光强几乎集中在单一偏振态上。

其中的一维单偏振垂直光栅耦合器 70可以釆用不同的光栅耦合器，如斜刻光栅、闪耀光栅、啁啾光栅或非对称光栅等，能够将射入到光栅耦合器中的光信号的传播路径改变 90。。具体的，其结构如图 7a~7c所示，其中，图 7a示出了非对称光栅的结构，其包括硅沉底 73、设置在硅沉底 73上的氧化层 72, 以及设置在氧化层 72上的硅波导层 71 ; 图 7b示出了斜刻光栅或闪耀光栅的结构，其包括硅沉底 73'、设置在硅沉底 73'上的氧化层 72', 设置在氧化层 72'上的硅波导层 7Γ, 以及设置在硅波导层 71 '上的氧化层 72'; 图 7c示出了啁啾光栅的结构，其包括硅沉底 73"、设置在硅沉底 73"上的氧化层 72", 以及设置在氧化层 72"上的硅波导层 71 "。通过上述的光栅耦合器均能够实现将光信号的传播路径改变 90° 。本实施例所涉及的光互连层 30可以釆用透明介质材料，亦可以釆用二维光子晶体波导。

在其使用时，单一偏振的单模光子晶体 VCSEL 11产生单一偏振态的光信号，经由光互连层 30传到一维单偏振垂直光栅耦合器 70 (第一垂直光栅耦合器 50 )耦合进入光波导层 40中，光波导层 40处理后的光信号再经过位于探测器 20下方的一维单偏振垂直光栅耦合器 70 (第二垂直光栅耦合器 60 )耦合到光互连层 30, 最后传到探测器 20处将光信号转换成电信号，完成光信号的收发。

下面对本实施例所涉及模块主要性能，即损耗、速率和通信容量做初步计算。损耗主要产生于光栅耦合器的耦合。光互连层 30本身的传输损耗以及其他部分的耦合损耗很小，姑且记为 0.5dB。根据前面的结果，按非对称光栅的方案，可以计算总损耗约为 4.24dB。单模光子晶体 VCSEL目前的最高传输速率〜 30GHz, 考虑到单模单偏振情况下可以釆用外调制技术，目前硅基调制器调制速率可以达到 40GHz以上。通信容量主要由光栅耦合器的的通信带宽限定，光栅耦合器的 ldB带宽约 35nm, 可以提供通道间隔 100G的 43个波分复用通道。

实施例 2

如图 8所示，单模光子晶体 VCSEL为非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL 12, 垂直光栅耦合器为二维垂直光栅耦合器 80, 且二维垂直光栅耦合器 80的耦合角度为 90。，即第一垂直光栅耦合器 50和第二垂直光栅耦合器 60均为二维垂直光栅耦合器 80。

其中的非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL 12包括： n型欧姆接触层，沿远离 n型欧姆接触层的方向，依次设置的衬底、底层分布布拉格反射镜 DBR、有源层、氧化物层、顶层 DBR; 其中，顶层 DBR刻蚀有二维光子晶体 VCSEL 以及 p型欧姆接触层，刻蚀的二维光子晶体 VCSEL包括多个圓形孔。二维光子晶体 VCSEL是在常规 VCSEL的出光端面刻蚀出二维的光子晶体结构。利用二维光子晶体的传导模式引导 VCSEL谐振腔中的光放大。由于二维光子晶体是单模结构，因此这种结构很容易制作出单模的 VCSEL。且在出光端面刻蚀出正圓形的孔，既可以保证出光单模，也可以达到偏振无关的效果。该 VCSEL发光波长为 1.287 μπι, 功功率为 1.7 mW, 边模抑制比为 30 dB, 可以满足***应用的要求。本实施例中所述二维垂直光栅耦合器 80釆用二维啁啾光栅耦合器以实现两种偏振态的分路耦合和分路收集，其耦合角度为 90° , 该结构耦合损耗 5.2dB。应当理解的是二维垂直光栅耦合器 80 的实现方法可以是但不限于二维啁啾光栅耦合器，本实施例所涉及的光互连层 30可以釆用透明介质材料，亦可以釆用二维光子晶体波导。

在其使用时，光子晶体 VCSEL产生偏振无关的光信号，经由光互连层 30传到二维垂直光栅耦合器 80 (第一垂直光栅耦合器 50 ), 二维垂直光栅耦合器 80将光分成两路进入光波导层 60中，光波导层 60处理光信号，然后两路光信号再分别经过二维垂直光栅耦合器 80 (第二垂直光栅耦合器 60 )耦合到光互连层 30, 最后传到探测器 20处将光信号转换成电信号，完成光信号的收发。下面对本实施例所涉及模块主要性能，即损耗、速率和通信容量做初步计算。损耗主要产生于二维垂直光栅耦合器 80的耦合。光互连层 30本身的传输损耗以及其他部分的耦合损耗很小，姑且记为 0.5dB。根据前面的结果，按二维啁啾光栅的方案，可以计算总损耗约为 10.9dB。单模光子晶体 VCSEL目前的最高传输速率〜 30GHz, 考虑到单模单偏振情况下可以釆用外调制技术，目前硅基调制器调制速率可以达到 40GHz以上。通信容量主要由光栅耦合器的通信带宽限定，光栅耦合器的 ldB带宽约 35nm, 可以提供通道间隔 100G的 43 个波分复用通道；若考虑双路复用，通信容量增加 1倍，可支持 86个间隔 100G 的波分复用通道。通过上述具体的实施例 1和实施 2的描述可以看出，本发明实施例提供的单模光子晶体 VCSEL可以实现单模传输，使之能够用于硅基材料波导中，提高了 VCSEL收发模块的互连带宽和互连密度；此外，该收发模块还可以釆用 WDM技术进一步提高带宽。同时，釆用垂直光栅耦合器，可以实现偏振分离，提高光偏振敏感器件的工作稳定性，解决硅基波导偏振敏感的问题。此外，釆用光栅耦合器的耦合方式，容易耦合对准，降低对准精度要求。且该收发模块构造简单，釆用常规半导体工艺，如生长、刻蚀和键合即可加工实现，便于集成，容易实现。

如图 9所示，图 9为本发明实施例提供的单模 VCSEL收发模块的光信号传播的流程图。

本发明实施例还提供了一种利用上述单模 VCSEL 收发模块的光信号传播方法，该方法包括：

步骤 101、单模光子晶体 VCSEL发射出光信号；

步骤 102、位于单模光子晶体 VCSEL下方的垂直光栅耦合器将单模光子晶体 VCSEL发射出的信号耦合到光波导层中传播；

步骤 103、位于探测器下方的垂直光栅耦合器接收到光波导层中传播的光信号，并将接收到的光信号耦合到探测器中。

在上述方法中，通过釆用垂直光栅耦合器来改变单模光子晶体 VCSEL发射出的单模光信号，可以实现偏振分离，提高了光偏振敏感器件的工作稳定性，并解决了硅基波导偏振敏感的问题。

下面结合上述具体实施例 1和实施 2的结构对本方法进行详细的说明。如图 10 所示，图 10 为本发明实施例提供的单一偏振的单模光子晶体 VCSEL的收发模块的流程图；实施例 1中的光信号传播方法：

步骤 201、单一偏振的单模光子晶体 VCSEL发出单一偏振态的光信号；步骤 202、光互连层将发射出的光信号传播到位于单一偏振的单模光子晶体 VCSEL下方的一维单偏振垂直光栅耦合器中；

步骤 203、位于单一偏振的单模光子晶体 VCSEL下方的一维单偏振垂直光栅耦合器将光信号耦合到光波导层中传播，其中，光信号传播方向改变 90° ；步骤 204、位于探测器下方的一维单偏振垂直光栅耦合器将接收到的光信号耦合到光互连层中传播，其中，光信号传播方向改变 90。；

步骤 205、光互连层将改变传播方向的光信号传到探测器处；

步骤 206、探测器将光信号转换成电信号，完成光信号的收发。

如图 11所示，图 11为本发明实施例提供的非偏振模式的单模光子晶体

VCSEL收发模块的流程图。实施例 2中的光信号传播方法：

步骤 301 :非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL发射出偏振无关的光信号；步骤 302、光互连层将光信号传到位于非偏振模式的单模光子晶体

VCSEL下方的二维垂直光栅耦合器中；

步骤 303、二维垂直光栅耦合器将光信号进行耦合并分成两路偏振光进入光波导层中传播；

步骤 304、位于探测器下方的二维垂直光栅耦合器将两路合并并耦合到光互连层中；

步骤 305、光互连层将改变传播方向的光信号传到探测器处；

步骤 306、探测器将光信号转换成电信号，完成光信号的收发。

通过上述具体的实施例描述可以看出，本实施例提供的方法中，通过釆用垂直光栅耦合器来改变光子晶体 VCSEL发射出的单模光信号，可以实现偏振分离，提高光偏振敏感器件的工作稳定性，解决硅基波导偏振敏感的问题。发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

权利要求

1、一种单模垂直腔面发射激光器 VCSEL收发模块，其特征在于，包括：光波导层，设置于所述光波导层上的单模光子晶体 VCSEL以及与所述单模光子晶体 VCSEL对应设置的探测器；其中，所述光波导层中，位于所述单模光子晶体 VCSEL 以及与其对应的探测器下方的位置分别设置有垂直光栅耦合器，所述单模光子晶体 VCSEL发射出的光信号经过所述两个垂直光栅耦合器改变传播路径后射入到与所述探测器内。
2、如权利要求 1所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，还包括光互连层，所述单模光子晶体 VCSEL 和所述探测器设置于所述光互连层同一侧，所述光波导层设置于所述光互连层上背离所述探测器的一侧。
3、如权利要求 2所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述单模光子晶体 VCSEL和所述探测器分别键合在所述光互连层。
4、如权利要求 2所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述光互连层为透明介质材料层或二维垂直光子晶体波导。
5、如权利要求 4所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述二维垂直光子晶体波导中，位于所述单模光子晶体 VCSEL和所述探测器下方的部位分别设置有多个空气孔。

6、如权利要求 1~5任一项所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述单模光子晶体 VCSEL为单一偏振的单模光子晶体 VCSEL, 所述垂直光栅耦合器为一维单偏振垂直光栅耦合器，且所述一维单偏振垂直光栅耦合器的耦合角度为 90° , 所述一维单偏振垂直光栅耦合器的光偏振模式与所述单一偏振的单模光子晶体 VCSEL的光偏振模式相匹配。
7、如权利要求 6所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述一维单偏振垂直光栅耦合器为斜刻光栅、闪耀光栅、啁啾光栅或非对称光栅。
8、如权利要求 6所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述单一偏振的单模光子晶体 VCSEL包括： n型欧姆接触层，沿远离 n型欧姆接触层的方向，依次设置的衬底、底层分布布拉格反射镜 DBR、有源层、氧化物层、顶层 DBR; 其中，所述顶层 DBR刻蚀有二维光子晶体 VCSEL以及 p型欧姆接触层，所述刻蚀的二维光子晶体 VCSEL包括多个椭圓形孔。

9、如权利要求 1~5任一项所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述单模光子晶体 VCSEL为非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL, 所述垂直光栅耦合器为二维垂直光栅耦合器，且所述二维垂直光栅耦合器的耦合角度为 90。。
10、如权利要求 9所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述非偏振模式的单模光子晶体 VCSEL包括： n型欧姆接触层，沿远离 n型欧姆接触层的方向，依次设置的衬底、底层分布布拉格反射镜 DBR、有源层、氧化物层、顶层 DBR; 其中，所述顶层 DBR刻蚀有二维光子晶体 VCSEL以及 p型欧姆接触层，所述刻蚀的二维光子晶体 VCSEL包括多个圓形孔。
11、如权利要求 9所述的单模 VCSEL收发模块，其特征在于，所述二维垂直光栅耦合器为二维垂直啁啾光栅耦合器。
12、一种利用权利要求 1所述的 VCSEL收发模块的光信号传播方法，其特征在于，包括：

单模光子晶体 VCSEL发射出光信号；

位于单模光子晶体 VCSEL 下方的垂直光栅耦合器将单模光子晶体 VCSEL发射出的信号耦合到光波导层中传播；

位于探测器下方的垂直光栅耦合器接收到光波导层中传播的光信号，并将接收到的光信号耦合到探测器中。
13、如权利要求 12所述的光信号传播方法，其特征在于，所述单模光子晶体 VCSEL发射出的光信号在进入到垂直光栅耦合器之前，通过光互连层传播；所述经位于探测器下方的垂直光栅耦合器改变传播路径后的光信号通过光互连层传播至所述探测器。
14、如权利要求 12或 13所述的光信号传播方法，其特征在于，所述光信号为一维偏振光信号，所述垂直光栅耦合器为一维单偏振垂直光栅耦合器；或，所述光信号为与偏振无关的单模光信号，所述垂直光栅耦合器为二维垂直光栅耦合器。