基于MMI耦合器的InP基少模光子集成发射芯片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于MMI耦合器的少模光子集成发射 芯片。
【背景技术】
[0002] 随着网络技术的发展，人们对传输容量的要求越来越大。上世纪80年代，随着掺 铒光纤放大器（EDFA)技术的发展，波分复用技术（WDM)得到了充分的开发。但是最近10 年，网络容量的需求提升了近100倍，这对于传输容量的提升提出了巨大的挑战。目前密集 波分复用技术（DWDM)，光时分复用技术（0TDM)，偏振复用技术（PDM)以及多种调制格式都 得到了比较充分的开发，单模光纤的传输容量已经接近其香农极限，要使传输容量有进一 步的提升，就需要开发新的维度。目前唯一未被充分开发的维度是空间，空间维度包括模分 复用技术、多芯光纤技术以及多纤技术等。相对于多纤技术和多芯技术，模分复用技术由于 其功耗小低，体积小，扩容大等优点越来越受到人们的重视。
[0003] 模分复用技术中的关键器件是模式转换器，目前主要的模式转换器的类型有定向 耦合器、绝热耦合器、光子晶体光纤、"光子灯笼"以及多模干涉耦合器等结构，以上大部分 器件都是一些分立器件或者基于硅上绝缘体（SOI)衬底，无法与激光光源集成。而基于多 模干涉原理的InP基模式转换器由于其容差与带宽较大大，易于与激光器、调制器等有源 器件集成等优点，在少模光通信发射芯片中具有巨大的应用潜力。
[0004] 本发明提出了一种基于IX1丽1耦合器作为31 /2移相器实现100%模式转换的InP基少模光子集成发射芯片，核心内容在于设计了 一种基于级联MMI耦合器的具有100 % 模式转换效率的模式转换器。其重点是利用IX1丽1耦合器作为100%模式转换器中的 π/2相移器。而现有100%模式转换技术中，研究人员提出了使用改变波导层厚度（专利 【申请号】201510348841. 6)，使用倾斜MMI耦合器或者弯曲波导等方法实现相移功能，但是 改变波导层厚度的方法涉及到复杂的材料生长技术，倾斜MMI耦合器的设计和工艺容差较 小，弯曲波导的损耗较大等因素都会限制其在光子集成芯片中的应用。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于1X1MMI耦合器作为π/2移相器实现 100%模式转换的InP基少模光子集成发射芯片，以增加集成度并降低设计和工艺制作难 度。
[0007] (二）技术方案
[0008] 本发明基于MMI耦合器的少模光子集成发射芯片包括：激光器，用于产生单纵模 基横模的激光；功率分配器，位于激光器的光路后端，用于将激光器产生的激光分为两路； 调制器组，位于功率分配器的光路后端，包括两调制器，用于分别对功率分配器分出的两路 激光进行调制；模式转换-复用器，位于调制器组的光路后端，用于实现调制后的两路激光 的模式转换和复用，该模式转换-复用器利用1x1MMI耦合器作为其JT/2相移器；其中，功 率分配器和模式转换-复用器基于MMI耦合器实现。
[0009] (三）有益效果
[0010] 从上述技术方案可以看出，本发明基于MMI耦合器的少模光子集成发射芯片具有 以下有益效果：
[0011] (1)首次提出了使用IXmMI耦合器作为100%模式转换器中的/2相移器，相 移器的设计和制作都较为简单，易于实现；
[0012] (2)利用IX1MMI耦合器作为31/2相移器具有较大的设计和工艺容差，损耗较小， 并且具有对于波长、偏振等不敏感的优良特性，易于与其他器件集成；
[0013] (3)将激光器、分束器、调制器与模式转换-复用器等器件集成来制作少模光子发 射芯片，减小了器件尺寸，增加了芯片的集成度。
[0014] 综上，本发明所提出的基于IX1MMI耦合器作为π/2移相器实现100%模式转换 的InP基少模光子集成发射芯片实现了 100%的模式转换，使得通信容量进一步提升，有望 用于下一代光通信系统，具有较大的应用前景。
【附图说明】
[0015] 图1为基于1X1丽I耦合器作为π/2移相器实现100 %模式转换的InP基光子集 成发射芯片整体示意图；
[0016] 图2为图1所示InP基少模光子集成发射芯片中功率分配器三种实现方式的结构 示意图；
[0017] 图3为基于MMI耦合器的具有100%模式转换效率的模式转换-复用器示意图；
[0018] 图4A和图4B分别为1X1丽I耦合器的结构示意图和仿真结果；
[0019] 图5A和图5B为基于丽I耦合器的具有100%模式转换效率的模式转换-复用器 的仿真不意图；
[0020] 图6为有源区多量子阱示意图；
[0021] 图7为无源区"三明治"结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明首次提出了一种基于1X1MMI耦合器作为π/2移相器实现100 %模式转换 的InP基少模光子集成发射芯片，实现方法较为简单，并具有较大的设计和工艺容差。
[0023] 在本发明的示例性实施例中，提出了一种基于1X1MMI耦合器作为π/2移相器实 现100%模式转换模的InP基少模光子集成发射芯片。请参照图1，本实施例InP基少模光 子集成发射芯片包括：
[0024] 激光器A，用于产生单纵模基横模的激光；
[0025] 功率分配器B，位于所述激光器A的光路后端，用于将激光器A产生的激光分为两 路；
[0026] 调制器组C，位于功率分配器B的光路后端，包括两调制器，用于分别对功率分配 器分出的两路激光进行调制；
[0027] 模式转换-复用器D，位于所述调制器组C的光路后端，用于实现调制后的两路激 光的模式转换和复用，其包括一个2X2MMI耦合器实现分束和移相，一个1X1MMI耦合器实 现π/2相移，一个4X4MMI耦合器实现模式转换和复用。
[0028] 其中，激光器Α、功率分配器Β、调制器组C和模式转换-复用器D都在InP衬底上 制作。
[0029] 以下对本实施例基于1X1ΜΜΙ耦合器作为π/2移相器实现100%模式转换的InP 基少模光子集成发射芯片的各个组成部分进行详细说明。
[0030] 本实施例中，激光器A为半导体激光器，其可以为DFB激光器，也可以为DBR激光 器。功率分配器B为基于MMI耦合器的功率分配器，其可以采用1XN，2XN，NXN标准结构 的MMI耦合器。调制器组C可以为电吸收调制器或者马赫曾德调制器。模式转换-复用器 D中各部分全部使用MMI耦合器实现。
[0031] 具体实现方式为：半导体激光器产生单纵模基横模的光，经过无源波导进入基于 MMI耦合器原理的功率分配器，此时功率分配器将半导体激光器产生的光分成两路。两路激 光由功率分配器的端口 1和端口 2射出，经过无源波导分别进入两个调制器进行调制。
[0032] 图2为图1所示InP基光子集成发射芯片中功率分配器的结构示意图。请参照图 2,功率分配器可以为如下形式：
[0033] (1)对称干涉（SymmetricInterference) 1X2MMI親合器，其输入端连接至激光 器A的输出端，其具有两输出端-输出端1和输出端2,分别连接至两个调制器，如图2中 (a) 所示；
[0034] (2)双干涉（PairedInterference) 2X2MMIf禹合器，其两输入端其中之一连接至 激光器A的输出端，其两输出端-输出端1和输出端2,分别连接至两个调制器，如图2中 (b) 所示；
[0035] (3)普通干涉（GeneralInterference) 2X2MMIf禹合器，其两输入端其中之一连 接至激光器A的输出端，其两输出端-输出端1和输出端2,分别连接至两个调制器，如图2 中（c)所示。
[0036] 经过调制的两路激光信号被送入模式转换-复用器D。图3为基于MMI耦合器的 具有100%模式转换效率的模式转换-复用器示意图。请参照图3,该模式转换-复用器包 括：
[0037] 普通干涉2X2丽I耦合器，其具有2个输入端口和3个输出端口 -端口 3、端口 4 和端口 5,该2个输入端口分别连接至两调制器的输出端口，该普通干涉2X2MMI耦合器实 现分束和移相；
[0038] 对称干涉1X1丽I耦合器，其输入端口连接至普通干涉2X2丽I耦合器的端口 5， 该普通干涉1X1MMI耦合器作为/2相移器；
[0039] 普通干涉4X4MMI耦合器，其具有三个输入端口-其中的两个输入端口分别连接 至普通干涉2X2MMI耦合器的端口 3和端口 4,另一输入端口连接至普通干涉1X1MMI耦合 器的输出端口；其具有一输出端口 -端口 6,该普通干涉4X4MMI耦合器用于实现模式转换 和复用。
[0040] 其中，上述普通干涉2X2丽I耦合器的长度Q、对称干涉IX1丽1耦合器的长度 L2、普通干涉4X4MMI耦合器的长度L3满足：
[0041 ]Lj= 3Lcl/2 ；
[0042] L2= 3Lc2/4 ；
[0043] L3= 3Lc3/4 ；
[0044] 其中，
neff为制作耦合器材料的有效折射率，λ为光在真空中的 波长，L。#相应丽I耦合器中基模与一阶模的拍频长度，Weql为相应丽I耦合器的等效宽 度，i= 1、2、3〇
[0045] 图4A和图4B分别为1X1丽耦合器的结构示意图和仿真结果。图5A和图5B分 别为基于MMI耦合