[发明专利]偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片

说明书

技术领域

本发明涉及应用于光通信领域的光器件，具体涉及偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片。

背景技术

偏振不敏感特性是光通信器件的一个关键性能。在以太网、PON和数据中心系统中所使用的光收发器对成本极为敏感，且管壳体积小、使用数量大、光纤通路所受的扰动随机，因此这类光收发器必须满足偏振不敏感的特性。

基于硅基光电集成技术的光器件由于其材料成本低、光电性能优异、制备工艺与CMOS兼容，因而成为下一代光通信器件的优选方案。目前，为获得激光器、调制器、探测器和无源波导器件等各部件的性能折衷，硅基光子集成芯片多基于顶部硅层厚度为200～400nm的绝缘体上的硅晶圆(SOI)上。为保证单模传输，硅波导宽度一般设计为300～600nm，波导截面多呈条型或者脊形。由于硅波导(折射率约为3.45)和SiO₂包覆层(折射率约为1.44)之间具有很大的折射率差，且硅波导在水平和垂直方向上存在较大的尺寸差异，所以在硅波导中横电场(TE)模偏振光和横磁场(TM)模偏振光的有效折射率具有很大差别。因此，抑制甚至消除硅基光波导器件的偏振相关性一直是硅基光子学的重要研究方向之一。

一般来说，降低硅基光器件的偏振相关性有以下几种常用手段：

第一种方法是通过采用大截面波导来降低光模式的有效折射率对波导尺寸的敏感度，然而，大截面偏振无关的硅波导一般为脊型波导结构，其光学限制力很弱，导致光器件尺寸很大。

第二种方法是通过精确设计和控制硅波导的宽度和刻蚀深度来实现TE模和TM模的有效折射率匹配，但是当硅波导高度为300nm左右尺度时，±10nm的波导宽度变化就可对两个偏振的有效折射率引入0.02的差异，这对加工工艺的精度提出了苛刻的要求。

第三种方法是利用二维光栅耦合器将光纤中两个偏振态的光直接耦合到芯片上两个相互垂直的光波导中，基于衍射机理这两路光均转变成光波导中的TE偏振态。若这两束光在波导上的光路完全相同，则可实现偏振无关化传输。这种方法可完全与薄硅SOI光子平台兼容，工艺容差相对较大，但是此类器件的可工作光谱范围受限于光栅耦合器，具有工作波段窄、波长相关损耗大的缺陷。

综上，现有偏振无关化方案对器件尺寸、工艺容忍度或工作光谱范围等性能有所牺牲，硅基光子器件的偏振敏感性问题尚未得到很好地解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决现有偏振无关化方案对器件尺寸、工艺容忍度、工作光谱范围等性能有所牺牲，无法更好的解决硅基光子器件的偏振敏感性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种偏振不敏感的波分复用型硅基光接收芯片，其中包括：

模斑变换器，将光纤中的光信号耦合至硅基光接收芯片内，

偏振分束器，所述偏振分束器的输入端与所述模斑变换器的输出端相连接，将所述光信号偏振分离成相互正交的横磁场TM模偏振光和横电场TE模偏振光，并分别将其分配到第一、第二硅波导中，

偏振旋转器，所述偏振旋转器的输入端与所述偏振分束器的第一输出端相连接，将其中的横磁场TM模偏振光信号的偏振态转换成横电场TE模偏振光，使第一、第二硅波导中的光信号的偏振态相同，

光均衡器，包括光衰减器和光延迟线，其中，所述光延迟线的输入端与所述偏振旋转器的输出端相连接，所述光延迟线对第一硅波导中的横电场TE模偏振光进行延迟，以与所述第二硅波导中的横电场TE模偏振光适配时域同步；所述光衰减器的输入端与所述偏振分束器的第二输出端相连接，所述光衰减器对第二硅波导中的横电场TE模偏振光引入固定量的光损耗，以实现与所述第一硅波导中的横电场模TE偏振光适配功率均衡，

分光器，包括分别与所述光延迟线的输出端、所述光衰减器的输出端相连接的第一、第二分光器，所述第一、第二分光器分别将第一、第二硅波导中光信号中波长相同的部分对应下载，

多个光电探测器，每个光电探测器的两端分别与所述第一、第二分光器的一个输出端相对应，被下载的同一波长且分别来自所述第一、第二分光器中的两路光分别入射到同一光电探测器的两端，实现偏振不敏感的光探测功能。

在上述方案中，所述模斑变换器采用SiO₂覆盖式硅倒锥耦合结构，所述模斑变换器的端面与光纤端面相接，利用光模式挤压或消逝场耦合效应将入射光纤的光信号的模斑直径逐渐减小至与所述第一、第二硅波导宽度适配。