[發明專利]具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器

有效

• 申請號: 201410652891.9
• 申請日: 2014-11-12
• 公開（公告）號: CN104317070B
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 張贊允;劉宏偉;李鴻強;陳力穎
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G02F1/025
• 分類號: G02F1/025
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的SOI基電光調制器，包括：一個四通道二維光柵耦合器，用以實現偏振多樣性的光耦合，也即能夠將單模光纖中雙偏振態(P1、P2)的入射光均耦合并偏振分束進入四個通道單模波導內以類TE偏振模單模傳輸。三個MMI耦合器，作為光學合束器使用，分別用以將光柵對角線兩側的兩對通道波導進行合束以及將帶有射頻相移器的兩個單模波導光學合束。兩個射頻相移器，作為電信號的輸入載體，用以通過高速的電學信號對兩個光學臂中傳播的光束進行相位調制，既可以只對其中一個光學臂進行調制也可以對兩個光學臂同時進行差分調制，同時通過在兩個光學臂中均引入相移結構，可以平衡兩側波導中由于相移器引起的光損耗，進而提升調制器的性能。

技術領域

本發明涉及到硅基光子學及芯片級光互連技術，尤其涉及一種具有偏振多樣性垂直光纖耦合接口的硅基電光調制器。

背景技術

微電子技術和光纖通信技術是人類信息社會的兩大基石。近半個世紀來，隨著集成電路的發展，硅基材料和器件工藝已經非常驚人的成熟，而且隨著工藝特征尺寸的不斷縮小，集成電路的集成度也一直按照摩爾定律飛速向前發展。芯片更高的集成度帶來的不僅僅是晶體管數目的增加，更是芯片功能和處理速度的提升。例如，Intel采用的45nm工藝最新的8核微處理器Nehalem-EX的晶體管數目達到23億個。然而，隨著特征尺寸的不斷縮小和集成度的不斷增加，微電子工藝的局限性也日趨明顯。一方面是由于器件線寬的不斷減小，傳統的光刻加工手段已經接近極限，此外，當器件尺寸接近納米尺度時，將會引入不可期望的量子物理效應，從而導致器件失效。另一方面是由于隨著晶體管尺寸和互連線尺寸同步縮小，單個晶體管的延時和功耗越來越小，而互連線的延時和功耗卻越來越大并逐漸占據主導。在當今的處理器中，電互連引起的功耗占了整個芯片總功耗的80％以上。因此，可以看到深亞微米特征尺寸下電互連延遲和功耗的瓶頸，已經嚴重制約了芯片性能的進一步提高。片上互連迫切需要一種比電互連更高速更寬帶的互連方式。

相比微電子技術，光纖通信技術雖然起步較晚，但是其發展速度異常驚人。光纖通信具有損耗低、頻帶寬、容量大、抗電磁干擾等優點，因此備受業內青睞。從1980年到2000年的20年間，光纖通信系統的傳輸容量增加了一萬倍，傳輸速度提高了大約100倍，給人類帶來了一個無限帶寬的高速信息載體。毫無疑問，光互連在長距離通信中優勢是明顯的，也取得了廣泛的應用和成功，于是人們設想能否將光互連引入到芯片級尺寸來解決片上電互連的瓶頸呢？縱觀近十年來，通信方式已經在從傳統的電互連到光互連逐步的過渡，中短距離通信中，目前雖然是電互連為主，但光互連已經有逐步滲透的趨勢。目前光互連尚未涉足的領域就是片間以及片內的通信。從兩種互連方式比較而言，光互連有明顯的優勢，其高帶寬、低能耗、延遲小、抗電磁干擾的優點是芯片內銅互連線所無法比擬的。因此，研究芯片級的光子技術并使其與世界上最為成熟廉價的硅CMOS工藝兼容，對于實現片上光互連和解決微電子芯片的性能瓶頸具有十分重要的意義和價值。

近年來，SOI材料由于其強的光限制能力以及硅在光通信波段透明的特性，成為一個極具吸引力的硅光子技術平臺，并且發展十分迅速，許多有重大意義的成果相繼被提出和驗證，光柵耦合器、MZI調制器、微環調制器、鍺波導探測器、復用解復用器件等的問世也似乎宣告了一個光子時代即將到來。然而，挑戰和困難也是巨大的，最大的難題在于缺乏芯片級可用的硅基光源，由于硅是間接禁帶半導體材料，用硅材料制作光源幾乎是不可能完成的任務，目前國際上提出較多的方案是采用鍵合III-VI族激光器與硅波導耦合，最近，關于硅基上混合生長III-VI族材料的激光器更是讓人們對于光子時代的到來更加期待。正由于硅光子技術的潛在巨大應用價值和前景，世界各國都給予了足夠的重視和投入，特別是Luxtera、Intel、IBM等計算機通信行業巨頭投入了巨大的人力物力財力，也取得了許多重要的進展，Luxtera的單片光收發模塊、Intel的50Gb/s的光子連接系統、IBM的CMOS集成硅基納米光子技術等開啟了硅基光電功能集成的新紀元，也極大的推動了硅基光子學的發展。可以預測，未來的幾十年里，硅光子技術將迎來突破型的進步和發展并逐漸取得廣泛應用。