[实用新型]一种基于模式分离的QPSK调制器

说明书

本实用新型涉及基于模式分离的QPSK调制器。本实用新型包括氮化硅器件层和硅器件层；氮化硅器件层包括TM光栅耦合器，TM光栅耦合器中的TM偏振光将耦合入模斑转换器中，模斑转换器与氮化硅波导相连接，压缩耦合后的TM偏振光斑在氮化硅波导中传播，经过氮化硅层间耦合楔形结构将光耦合进入下层硅器件层中；硅器件层包括TE光栅耦合器，TE光栅耦合器中的TE偏振光将耦合进入模斑转换器中，模斑转换器与硅波导相连接，压缩耦合后的TE偏振光斑在硅波导中传播，同时上层氮化硅器件层的TM偏振光斑通过硅层间耦合楔形结构进入下层的硅波导中。本实用新型实现了偏振多样性的耦合、光源与器件的封装更为简单，减少了封装成本。

技术领域

本实用新型涉及一种基于模式分离的QPSK调制器，属于半导体光电子信号传输技术领域。

背景技术

全球信息通信要求光传输系统具有高频谱效率，每个通道的高数据传输速率和低成本。先进的光调制格式，以及波分和偏振分复用技术，是在可用光放大器的有限频谱带宽内提高频谱效率和聚合数据速率的关键推动力。大容量相干光发射器和接收器需要许多高级光学组件，例如调制器，检测器，功率分配器/组合器，偏振分配器，波长复用滤波器等。这些组件理想地在光子集成电路(PIC)上实现，其优点是精确的光路控制，紧凑的尺寸，低功耗以及潜在的低封装成本。

其中具有先进调制格式的数字相干通信系统已经引起了光纤网络中高传输速率的广泛关注。基于QPSK格式的100Gb/s数字相干系统已被引入到长距离光纤网络中。为了将数字相干系统扩展到城域网，需要减小传输设备的尺寸并降低其成本，因此，小尺寸，低成本的光学设备必不可少。基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的IQ调制器与用于偏振分复用(PDM)的波导集成在一起，是一种关键光学设备，占地面积小，适用于城域网中可插拔的小尺寸数字相干数字收发器。单片硅调制器是此类应用中小尺寸，低成本调制器的一个引人入胜的候选者。

然而，硅波导调制器广泛的研究都集中在提高硅基调制器的调制速率并降低驱动电压。尽管如此，硅调制器的性能通常仍比LiNbO₃调制器差，部分原因是使用自由载流子引起的折射率变化的硅调制器中的电光效应较弱。结果，大多数报道的硅调制器都集中在开关键控(OOK)调制格式上，适用于对消光比和线性要求不高的短距离应用。但对于QPSK调制方式的研究仅停留在初期阶段。同时，对于目前的调制器结构，由于单模的结构设计，这导致器件在测试使用前均需进行偏振控制调试，加大了器件的损耗及测试难度。因此，本实用新型通过采用模式分离的方法来实现QPSK调制。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供一种基于模式分离的QPSK调制器，实现了偏振多样性的耦合、光源与器件的封装更为简单，减少了封装成本。

本实用新型技术方案是：一种基于模式分离的QPSK调制器，包括上层氮化硅器件层和下层硅器件层；其中上层氮化硅器件层包括：一个TM光栅耦合器1，TM光栅耦合器1中的TM偏振光将耦合入第一模斑转换器3中，第一模斑转换器3与氮化硅波导4相连接，压缩耦合后的TM偏振光斑在氮化硅波导4中传播，经过层间耦合器6中的氮化硅层间耦合楔形结构22将光耦合进入下层硅器件层中；

下层硅器件层包括：一个TE光栅耦合器2，TE光栅耦合器2中的TE偏振光将耦合进入第二模斑转换器3中，第二模斑转换器3与硅波导5相连接，压缩耦合后的TE偏振光斑在硅波导5中传播，同时上层氮化硅器件层的TM偏振光斑通过层间耦合器6中的硅层间耦合楔形结构21进入下层的硅波导5中；硅波导5与MMI7相连接，用于使偏振光斑分成四路进入调制臂8中，其中上同相光路采用类MZI结构进行I信号调制，下正交光路同样采用类MZI结构进行Q信号调制；调制后的信号均进过MMI7进行光干涉合束；光移相器9位于上同相光路的MMI后端用于进行光相位转换，使之与下路Q信号相差Π/2的相位差；调制后的两束BPSK光信号经过偏振合束器23后通过输出波导10输出QPSK信号。

作为本实用新型的进一步方案，所述上层氮化硅器件层与下层硅器件层的距离为100-250nm，两层之间填充二氧化硅材料。