器的具有100%模式转换效率的模式转换-复用器的仿真示意图。图5A 为从端口 1输入基模的情况，图5B为从端口 2输入基模的情况。请参照图5A和图5B，在模 式转换-复用器中：
[0046] (1)端口 1输入的光经上述2X2丽I耦合器之后从端口 4输出，再经上述4X4MMI 之后，从端口 6中输出，模式不发生变化，仍为基模；
[0047] (2)端口 2输入的光经过上述2X2丽I耦合器，功率均分后经端口 3和端口 5输 出，此时端口 3与端口 5两路光的相位差相差π/2,从端口 5输出的光再经过上述1X1丽I 耦合器实现η/2相移之后，两路光的相位差相差π，满足一阶模的形成条件，最后经过上 述4X4MMI親合器发生模式转换，从端口 6输出一阶模。
[0048] 可见，通过输入两个基模，最后得到了基模与一阶模的混合模式，同时实现了模式 转换和模式复用的功能，其中的转换的效率为1〇〇%。
[0049] 本实施例少模光子集成发射芯片中，激光器A、功率分配器B、调制器组C和模式转 换-复用器D为制作在同一衬底上，沿光传播的方向顺序设置。其中，衬底采用N-InP衬底。
[0050] 上述激光器，调制器为有源器件，两者制备的衬底上方的有源区，该有源区使用 多量子阱结构。请参照图6,该有源区所在位置在InP衬底上自下而上依次沉积500nm的 n-InP缓冲层；100nm的下限制层1. 2Q(Q为四元化合物Quaternaries的缩写）；多量子讲 层；100nm的上限制层1. 2Q;以及10-15nm的i-InP层。
[0051] 上述功率分配器B、模式转换-复用器D为无源器件，两者制备于衬底上方的无源 区，该无源区使用"三明治"结构或者倏逝波导结构。其中"三明治"结构如图7所示，该无 源区所在位置的InP衬底上自下而上依次沉积0. 5μm的InP缓冲层，0. 3μm的1. 2Q层和 1μπι的InP覆盖层。
[0052] 其中，有源区与无源区的集成技术可以采用以下技术中的一种：对接生长技术、量 子阱混杂技术、选区外延技术、非对称双波导技术、双叠层量子阱技术或者偏移量子阱技术 等。
[0053] 以下以对接生长技术来为例介绍图1所示InP基少模光子集成发射芯片的制备过 程。该制备过程包括：
[0054] 步骤A:在n-InP衬底上生长多量子讲材料，如图6所不；
[0055] 步骤B:使用干法刻蚀，将要制作无源区域的部分刻蚀掉；
[0056] 步骤C:生长无源波导层，制作激光器，调制器等有源器件；
[0057] 步骤D:如图7所示，光刻并刻蚀出设计无源部分的图形，再经过减薄，生长电极等 工艺即可完成整个制作过程。
[0058] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员 应当对本发明少模光子集成发射芯片有了清楚的认识。
[0059] 需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术 领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并 不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简 单地更改或替换，例如：
[0060] (1)除了InP基之外，本发明还可以采用例如GaAs等合适的衬底；
[0061] (2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而 是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
[0062] (3)实施例中提到的方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参 考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。
[0063] 综上所述，本发明首次提出利用1X1MMI耦合器（多模干涉耦合器）作为π/2相 移器进而实现100%模式转换与复用的少模光子集成芯片，具有制作简单，易于实现，工艺 容差小，对波长和偏振不敏感等优良特性，有望应用于下一代光通信系统，具有较大的应用 前景。
[0064] 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。
【主权项】
1. 一种基于MMI親合器的少模光子集成发射芯片，其特征在于，包括： 激光器，用于产生单纵模基横模的激光； 功率分配器，位于所述激光器的光路后端，用于将激光器产生的激光分为两路； 调制器组，位于所述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，位于所述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η/2相移器； 其中，所述功率分配器和模式转换-复用器基于MMI耦合器实现。2. 根据权利要求1所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述模式转换-复用器 包括： 普通干涉2X2丽I耦合器，用于实现分束和移相，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； 对称干涉1X1丽1耦合器，用于作为η/2相移器，其输入端口连接至所述普通干涉 2X2丽I耦合器的端口 5 ; 普通干涉4X4MMI耦合器，用于实现模式转换和复用，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IX1丽1耦合器的输出端口；其具有一输出端口 -端口 6。3. 根据权利要求1所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述功率分配器采用 以下形式其中之一实现： (1) 对称干涉IX2MMI耦合器，其输入端连接至激光器的输出端，其两输出端分别连接 至调制器组中的两个调制器； (2) 双干涉2X2MMI耦合器，其两输入端其中之一连接至激光器的输出端，其两输出端 分别连接至调制器组中的两个调制器； (3) 普通干涉2X2MMI耦合器，其两输入端其中之一连接至激光器的输出端，其两输出 端分别连接至调制器组中的两个调制器。4. 根据权利要求3所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述普通干涉2X2MMI 耦合器的长度Q、对称干涉1X1MMI耦合器的长度L2、普通干涉4X4MMI耦合器的长度1^满 足： L!=3L c1/2; L2= 3Lc2/4 ； L3= 3Lc3/4 ； 其中：，rwf为制作耦合器材料的有效折射率，λ为光在真空中的波长， LC1为相应丽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、3〇5. 根据权利要求1所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述激光器、功率分配 器、调制器组和模式转换-复用器在同一衬底上制备，四者沿光传播的方向顺序设置； 其中，所述激光器和调制器组中的两调制器制备于衬底上方的有源区；所述功率分配 器和模式转换-复用器制备于衬底上方的无源区。6. 根据权利要求5所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述有源区采用多量 子阱结构；所述无源区采用"三明治"结构或者倏逝波导结构。7. 根据权利要求6所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述衬底采用InP衬 底； 所述有源区所在位置的InP衬底上自下而上依次沉积有m-InP缓冲层；下限制层 1. 2Q;多量子阱层；上限制层1. 2Q以及i-InP层； 所述无源区采用"三明治结构"，其所在位置的InP衬底上自下而上依次沉积有：InP缓 冲层、1.2Q层和InP覆盖层。8. 根据权利要求5所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于： 所述有源区所在位置的InP衬底上自下而上依次沉积有：500nm的η-InP缓冲层；lOOnm的下限制层1. 2Q;多量子阱层；lOOnm的上限制层1. 2Q;以及10-15nm的i-InP层 所述无源区所在位置的InP衬底上自下而上依次沉积有：0. 5μπι的InP缓冲层， 0· 3μm的1. 2Q层和1μm的InP覆盖层。9. 根据权利要求5所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于，所述有源区和无源区 采用以下方式其中之一集成：对接生长技术、量子阱混杂技术、选区外延技术、非对称双波 导技术、双叠层量子阱技术或者偏移量子阱技术。10. 根据权利要求1至9中任一项所述的少模光子集成发射芯片，其特征在于： 所述激光器为DFB激光器或DBR激光器； 所述调制器组采用电吸收调制器或者马赫曾德调制器。
【专利摘要】本发明提供了一种基于MMI耦合器的少模光子集成发射芯片。该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，位于所述激光器的光路后端，用于将激光器产生的激光分为两路；调制器组，位于所述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，位于所述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；其中，所述功率分配器和模式转换-复用器基于MMI耦合器实现。本发明使用1×1MMI耦合器作为模式转换-复用器中的π/2相移器，相移器的设计和制作都较为简单，易于实现，同时增加了集成度并降低了设计和工艺制作难度。
【IPC分类】G02B6/12, G02B6/14
【公开号】CN105388564
【申请号】CN201510882626
【发明人】李召松, 陆丹, 潘教青, 赵玲娟, 梁松
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年12月3日