CN116743259A - 异质异构集成光发射芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种异质异构集成光发射芯片，包括信号调制链路、层间耦合器和波分复用器；信号调制链路与波分复用器位于芯片的不同层；信号调制链路与波分复用器之间通过层间耦合器连接；信号调制链路用于将接收到的电信号调制成高速光信号，并通过层间耦合器将高速光信号传输至波分复用器，波分复用器用于对接收到的高速光信号进行合并后输出。采用本申请提供的异质异构集成光发射芯片，在同一芯片上实现了光的高速调制以及光的大规模密集波分复用，避免了芯片之间的耦合造成的损耗问题。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种异质异构集成光发射芯片。
背景技术
随着云计算、云存储、人工智能、自动驾驶等技术相继兴起，社会对通信容量带宽的需求日益增长，并提出了低能耗的要求。这时，集成高速光发射芯片就显现出了其优异的性能和重要的作用。
传统的单一材料制作的硅基集成光发射芯片受限于硅基材料的低光电系数，很难实现稳定的高速调制。而适合制作高速调制器的材料，例如薄膜铌酸锂，因其材料的特性，又难以实现大规模的密集波分复用。
现有技术采用高速调制芯片和大规模的密集波分复用芯片的合作，来完成光的高速发射。但是，在采用多个芯片进行光的高速发射时，光在不同芯片的耦合过程中存在损耗。
对于现有技术采用多个芯片进行光的高速发射时，光在不同芯片的耦合过程中存在损耗的问题，仍没有得到解决。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种异质异构集成光发射芯片。
本申请提供了一种异质异构集成光发射芯片，所述芯片包括信号调制链路、层间耦合器和波分复用器；
所述信号调制链路与所述波分复用器位于所述芯片的不同层；
所述信号调制链路与所述波分复用器之间通过所述层间耦合器连接；
所述信号调制链路用于将接收到的光信号调制成高速光信号，并通过所述层间耦合器将所述高速光信号传输至所述波分复用器，所述波分复用器用于对接收到的所述高速光信号进行合并后输出。
在其中一个实施例中，所述芯片依次包括衬底层、第一材料层、中间缓冲层和第二材料层；
所述信号调制链路位于所述第一材料层；所述层间耦合器贯穿于所述第一材料层、所述中间缓冲层和所述第二材料层；所述波分复用器位于所述第二材料层。
在其中一个实施例中，所述信号调制链路包括耦合器、第一直波导、调制器以及第二直波导；
所述耦合器与所述第一直波导的一端连接，所述第一直波导的另一端与所述调制器的光输入端口连接；所述调制器的光输出端口与所述第二直波导的一端连接，所述第二直波导的另一端与所述层间耦合器连接。
在其中一个实施例中，所述信号调制链路中的所述调制器的调制速率为0.1GHz-100GHz。
在其中一个实施例中，所述芯片包括N个信号调制链路、N个层间耦合器和一个波分复用器，其中，N为2至8之间的任一整数；
每个所述信号调制链路连接一个所述层间耦合器，N个所述层间耦合器连接所述波分复用器的N个输入端口。
在其中一个实施例中，所述波分复用器的N个输入端口的通道内输入的所述高速光信号的波长间隔为0.1nm-10nm。
在其中一个实施例中，所述波分复用器的N个输入端口的通道串扰小于-15dB。
在其中一个实施例中，所述衬底层的材料为硅或氧化硅，厚度大于2μm。
在其中一个实施例中，所述第一材料层的材料为薄膜铌酸锂，厚度为0.1μm-1μm。
在其中一个实施例中，所述中间缓冲层的材料为氧化硅，厚度为0.1μm-1μm。
在其中一个实施例中，所述第二材料层的材料为硅，厚度为0.1μm-1μm。
上述异质异构集成光发射芯片，包括信号调制链路、层间耦合器和波分复用器，其中，信号调制链路与波分复用器位于芯片的不同层，且信号调制链路与波分复用器之间通过层间耦合器连接。其通过信号调制链路与波分复用器设置于同一芯片的不同层，实现光的高速调制以及光的大规模密集波分复用在同一芯片上完成，避免了芯片之间的耦合问题，解决了多个芯片进行光的高速发射时，光在不同芯片的耦合过程中存在损耗的问题。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请一实施例提供的一种异质异构集成光发射芯片的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的信号调制链路的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的4路的异质异构集成光发射芯片的结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的一种异质异构集成光发射芯片的结构分层示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图1示出了本发明一实施例提供的一种异质异构集成光发射芯片的结构。本实施例提供的异质异构集成光发射芯片，包括信号调制链路101、层间耦合器102和波分复用器103。信号调制链路101与波分复用器103位于芯片的不同层，二者之间通过层间耦合器102连接。其中，信号调制链路101连接层间耦合器102的一端，层间耦合器102的另一端与波分复用器103连接。
本实施例通过将信号调制链路101和波分复用器103设置于同一芯片，信号调制链路101与波分复用器103位于芯片的不同层，二者之间通过层间耦合器102连接，进而实现了在同一芯片上利用信号调制链路101完成光信号的高速调制，利用波分复用器103完成光信号的波分复用。其实现了光信号的高速率、高调制深度的调制以及光的波分复用在同一个芯片上完成，避免了光在不同芯片之间传播存在的耦合问题，解决了多个芯片进行光的高速发射时，光在不同芯片的耦合过程中存在损耗的问题。
继续参见图1，本实施例提供的异质异构集成光发射芯片，可以通过信号调制链路101将接收到的光信号调制成高速光信号，并通过层间耦合器102将高速光信号传输至波分复用器103，进而利用波分复用器103对接收到的高速光信号进行合并后输出。上述通过信号调制链路101接收到的光信号，可以是波长在通信波段内的光信号，具体地，光信号的波长可以是1530nm-1565nm范围内的一个长度。上述高速光信号，可以是携带有高速调制信号的光信号。其中，高速调制信号，可以是高速调制的电信号。具体地，高速调制信号***号的调制速率可以为0.1GHz-100GHz之间的一个值。上述将接收到的光信号调制成高速光信号，可以是将高速调制的电信号加载至光信号中，调制成携带有高速调制信号的光信号。
其中，图1中用箭头表示光信号的传输方向，光信号通过耦合进入信号调制链路101，进而通过层间耦合器102传输至波分复用器103的输入端口，并通过波分复用器103的输出端口发射出高速光信号。
本实施例通过信号调制链路101将接收到的光信号进行调制，完成光信号的高速调制，并通过层间耦合器102将光信息后传输至波分复用器103中，进而实现光信号的波分复用，实现了光的高速率、高调制深度的调制以及光的波分复用在同一个芯片上完成，避免了光在不同芯片之间传播存在的耦合问题，解决了多个芯片进行光的高速发射时，光在不同芯片的耦合过程中存在损耗的问题。
优选地，若存在多路的高速光信号时，波分复用器103会将多路的高速光信号合并为一路高速光信号，并通过波分复用器103的输出端口发射合并后的一路高速光信号，实现光信号的大规模密集的波分复用。
参阅图2，图2示出了本发明一实施例提供的信号调制链路的结构。本实施例提供的信号调制链路101，包括耦合器1011、第一直波导1012、调制器1013以及第二直波导1014。其中，耦合器1011与第一直波导1012的一端连接，第一直波导1012的另一端与调制器1013的光输入端口连接。调制器1013的光输出端口与第二直波导1014的一端连接，第二直波导1014的另一端与层间耦合器102连接。
本实施例通过信号调制链路101，实现了通过耦合器1011进入的光信号传输至调制器1013进行调制，实现了光信号的高速调制，并实现将调制完成的高速光信号通过层间耦合器102传输到下一结构中。
继续参见图2，光信号在信号调制链路101的传输路径（光信号的传输路径用箭头表示），可以是光信号通过信号调制链路101的耦合器1011耦合进入第一直波导1012的一端，进而通过第一直波导1012的另一端输入调制器1013的光输入端口，通过调制器1013的光输入端口进入调制器1013的光信号，经调制器1013调制为高速光信号，高速光信号通过调制器1013的光输出端口输出至第二直波导1014的一端，并通过第二直波导1014的另一端传输至层间耦合器102。其中，上述调制器1013，可以包括光输入端口、光输出端口以及电极接口。通过调制器1013对光信号进行调制，可以是通过将电极接口输入的高速调制的电信号的信息加载至光输入端口所接收到的光信号中，生成高速光信号。本实施例通过信号调制链路101，实现了通过调制器1013对输入的光信号进行调制，实现了光信号的高速率、高调制深度的调制。
优选地，上述信号调制链路101中的调制器1013的调制速率可以为0.1GHz-100GHz。通过对调制器1013的调制速率的设置，能够实现通过调制器1013对光信号的高速率、高调制深度的调制。
在另一个实施例中，本发明所提供的异质异构集成光发射芯片，可以包括N个信号调制链路101、N个层间耦合器102和一个波分复用器103，其中，N为2至8之间的任一整数。N个信号调制链路101分别与N个层间耦合器102的一端一对一连接，N个层间耦合器102的另一端分别与波分复用器103的N个输入端口连接。例如，异质异构集成光发射芯片，可以包括4个信号调制链路101、4个层间耦合器102和一个波分复用器103。图3为本实施例提供的4路的异质异构集成光发射芯片的结构示意图。
其中，N路不同波长的光信号进入N个信号调制链路101，通过N个信号调制链路101调制生成N路不同波长的高速光信号，生成的N路不同波长的高速光信号一对一通过N个层间耦合器102的一端进入N个层间耦合器102，并通过N个层间耦合器102的另一端一对一耦合进入波分复用器103的N个输入端口。N路不同波长的高速光信号通过波分复用器103的N个输入端口进入波分复用器103，并在波分复用器103中合并为一路高速光信号。最后，高速光信号从波分复用器103的输出端口发射出。
具体地，N路不同波长的光信号，分别从N个信号调制链路101的N个耦合器1011一对一耦合进入N个第一直波导1012的一端，在N个第一直波导1012中传输，通过N个第一直波导1012的另一端一对一进入N个调制器1013的N个光输入端口。进而通过N个调制器1013的N个光输入端口进入N个调制器1013，并通过N个调制器1013完成对N路不同波长的光信号的调制，生成N路不同波长的高速光信号。进而通过N个调制器1013的N个光输出端口将N路不同波长的高速光信号发送至N个第二直波导1014的一端，在N个第二直波导1014中传输，通过N个第二直波导1014的另一端进入N个层间耦合器102的一端。并通过N个层间耦合器102的另一端一对一耦合进入波分复用器103的N个输入端口。N路不同波长的高速光信号通过波分复用器103的N个输入端口进入波分复用器103，并在波分复用器103中合并为一路高速光信号。最后，高速光信号从波分复用器103的输出端口发射出。例如，8路不同波长的光信号，光信号的波长分别为1534nm、1538nm、1542nm、1546nm、1550nm、1554nm、1558nm、1562nm。8路不同波长的光信号分别从8个信号调制链路101的8个耦合器1011一对一耦合进入8个第一直波导1012的一端，在8个第一直波导1012中传输，通过8个第一直波导1012的另一端一对一进入8个调制器1013的8个光输入端口。进而通过8个调制器1013的8个光输入端口一对一进入8个调制器1013，并通过8个调制器1013完成对8路不同波长的光信号的调制，生成8路不同波长的高速光信号。进而通过8个调制器1013的8个光输出端口一对一将8路不同波长的高速光信号发送至8个第二直波导1014的一端，在8个第二直波导1014中传输，通过8个第二直波导1014的另一端一对一进入8个层间耦合器102的一端。并通过8个层间耦合器102的另一端一对一耦合进入波分复用器103的8个输入端口。8路不同波长的高速光信号通过波分复用器103的8个输入端口进入波分复用器103，并在波分复用器103中合并为一路高速光信号。最后，高速光信号从波分复用器103的输出端口发射出。
本实施例通过将N个信号调制链路101、N个层间耦合器102和一个波分复用器103设置于同一芯片，利用N个信号调制链路101完成N路不同波长的光信号的高速调制，利用波分复用器103完成N路不同波长的光信号的大规模密集的波分复用，利用N个层间耦合器102实现了N个信号调制链路101与波分复用器103的光信号的耦合，实现了光的高速率、高调制深度的调制以及光信号的大规模密集的波分复在同一个芯片上完成，避免了光在不同芯片之间传播存在的耦合问题，解决了多个芯片进行光的高速发射时，光在不同芯片的耦合过程中存在损耗的问题。
优选的，上述波分复用器103的N个输入端口的通道内输入的高速光信号的波长间隔可以设置为0.1nm-10nm之间的一个长度。本步骤通过对波分复用器103的N个输入端口的通道内输入的高速光信号的波长间隔的设置，保证波分复用器103能够实现对光信号的大规模密集的波分复用。
优选的，上述波分复用器103的N个输入端口的通道串扰可以小于-15dB。本步骤通过对波分复用器103的N个输入端口的通道串扰值的设置，保证波分复用器103能够实现对光信号的大规模密集的波分复用。
在另一个实施例中，本发明所提供的异质异构集成光发射芯片，可以按照结构的分层。图4示出了本实施例提供的异质异构集成光发射芯片的结构分层。本发明所提供的异质异构集成光发射芯片，依次包括衬底层1、第一材料层2、中间缓冲层3和第二材料层4。
其中，上述信号调制链路101与波分复用器103位于芯片的不同层，可以是信号调制链路101位于第一材料层2，波分复用器103位于第二材料层4。另外，层间耦合器102贯穿于第一材料层2、中间缓冲层3和第二材料层4。需要说明的是，信号调制链路101的结构材料第一材料层2的材料一致，波分复用器103的结构材料与第二材料层4的材料一致。层间耦合器102的结构材料包括第一材料层2的材料、中间缓冲层3的材料和第二材料层4的材料。
本步骤通过将信号调制链路101设置于第一材料层2，将波分复用器103设置于所述第二材料层4，并设置层间耦合器102贯穿于第一材料层2和第二材料层4，实现通过层间耦合器102进行信号调制链路101与波分复用器103之间的光信号的耦合。
在另一个实施例中，衬底层1的材料可以为硅或氧化硅，衬底层1的厚度可以设置为大于2μm的厚度。通过设置足够厚度的衬底层1，可以实现在衬底层1上设置第一材料层2、中间缓冲层3和第二材料层4，保证异质异构集成芯片的高速调制和密集波分复用这两个关键技术的实现。
在另一个实施例中，第一材料层2的材料可以为薄膜铌酸锂，第一材料层2的厚度可以为0.1μm-1μm之间的一个长度。本实施例通过选取第一材料层2为线性电光系数较大的材料薄膜铌酸锂，且设置合适的厚度，可以完成信号调制链路101中的高速率、高调制深度的片上集成调制器的设计。
在另一个实施例中，中间缓冲层3的材料可以为氧化硅，中间缓冲层3的厚度可以为0.1μm-1μm之间的一个长度。本实施例通过中间缓冲层3采用绝缘性好、折射率低的材料，并设置合适的厚度，可实现第一材料层2和第二材料层4的绝缘，减少光信号在第一材料层2和第二材料层4之间存在耦合而导致的损耗。
在另一个实施例中，第二材料层4的材料可以为硅，第二材料层4的厚度可以为0.1μm-1μm之间的一个长度。本实施例通过选取第二材料层4为折射率较大的材料硅，并设置合适的厚度，可以实现波分复用器103的更加密集，规模更大的波分复用。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述芯片包括信号调制链路、层间耦合器和波分复用器；
所述信号调制链路与所述波分复用器位于所述芯片的不同层；
所述信号调制链路与所述波分复用器之间通过所述层间耦合器连接；
所述信号调制链路用于将接收到的光信号调制成高速光信号，并通过所述层间耦合器将所述高速光信号传输至所述波分复用器，所述波分复用器用于对接收到的所述高速光信号进行合并后输出。
2.根据权利要求1所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述芯片依次包括衬底层、第一材料层、中间缓冲层和第二材料层；
所述信号调制链路位于所述第一材料层；所述层间耦合器贯穿于所述第一材料层、所述中间缓冲层和所述第二材料层；所述波分复用器位于所述第二材料层。
3.根据权利要求1所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述信号调制链路包括耦合器、第一直波导、调制器以及第二直波导；
所述耦合器与所述第一直波导的一端连接，所述第一直波导的另一端与所述调制器的光输入端口连接；所述调制器的光输出端口与所述第二直波导的一端连接，所述第二直波导的另一端与所述层间耦合器连接。
4.根据权利要求3所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述信号调制链路中的所述调制器的调制速率为0.1GHz-100GHz。
5.根据权利要求1所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述芯片包括N个信号调制链路、N个层间耦合器和一个波分复用器，其中，N为2至8之间的任一整数；
每个所述信号调制链路分别连接一个所述层间耦合器，N个所述层间耦合器连接所述波分复用器的N个输入端口。
6.根据权利要求5所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述波分复用器的N个输入端口的通道内输入的所述高速光信号的波长间隔为0.1nm-10nm。
7.根据权利要求5所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述波分复用器的N个输入端口的通道串扰小于-15dB。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述衬底层的材料为硅或氧化硅，厚度大于2μm。
9.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述第一材料层的材料为薄膜铌酸锂，厚度为0.1μm-1μm。
10.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述中间缓冲层的材料为氧化硅，厚度为0.1μm-1μm。
11.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的异质异构集成光发射芯片，其特征在于，所述第二材料层的材料为硅，厚度为0.1μm-1μm。
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