[发明专利]片上集成波分复用器及芯片

说明书

本申请公开了一种片上集成波分复用器及芯片，所述波分复用器包括总线波导、设于所述总线波导上的至少两个级联的波分复用单元；每个所述波分复用单元包括两个输入端口和一个输出端口，其用于将由所述两个输入端口接收到的两路光信号进行合波，并将合波光信号从所述输出端口输出，以实现对不同波长的入射光信号的复用。由于采用至少两个波分复用单元级联的结构能够为片上集成波分复用器提供相对宽且平顶的通带，并且具有低损耗、纯被动等特点，且能够解决波分复用器件中心波长偏移可能带来的相邻通道串扰问题。

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，具体涉及一种片上集成波分复用器及芯片。

背景技术

随着当今信息社会的不断发展，人们对光传输的容量和带宽的需求呈指数型增长，对大容量光互连的需求迅速增长。众所周知，波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing，WDM)技术是用于提高光通信容量的有效手段，同时结合光子集成芯片技术，可有效减小器件的尺寸，提高系统的集成度。对于具有较窄通道间隔(例如0.8nm)的密集波分复用(DWDM)系统，其主要难点是对激光源或DWDM滤光器的微小波长偏移非常敏感。例如，由于环境温度的变化而引起的波长偏移通常对硅基上的DWDM非常不利，所以基于硅基的DWDM器件通常需要增加复杂且昂贵的波长调谐和微调结构。

另一方面，粗波分复用(CWDM)技术由于具有较大的通道间隔(例如20nm)而成为更多人的选择，通道间隔加大，对波长偏移不敏感，可以大大放宽对激光器和WDM滤光器的波长控制的要求。因此，它在例如数据中心等短距离光学互连中变得更受欢迎。CWDM器件的常用结构类型有阵列波导光栅(Array Waveguide Gratings，AWG)、刻蚀衍射光栅和布拉格光栅等。其中，基于AWG/刻蚀衍射光栅的CWDM滤波器可以提供较低的串扰，但具有顶部不平坦和较大的附加损耗等缺点。基于布拉格光栅的CWDM具有较低的附加损耗(1dB)和较大的1dB带宽，但是具有较高的串扰。

在高速和大容量的光通信中，波分复用(WDM)是一项用于提高光通信容量的有效手段，同时结合光子集成芯片，可有效减小器件的尺寸，提高系统的集成度，其关键器件是波分复用器件(MUX)和波分解复用器件(DEMUX)。平面波导型MUX的主要结构有阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅和级联马赫曾德尔干涉仪(MZI)等。常用技术中涉及的一种平面波导型的MUX，一般结构如下：

如图1a所示，以四通道的波分复用为例，常用的硅光芯片中的基于级联马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构的波分复用器由3个通过并联及级联方式连接的马赫-曾德尔干涉仪10’构成，其中，每个马赫-曾德尔干涉仪10’包括两个2×2的3dB耦合器11’和两个连接臂12’、一个监视探测器13’，其中一个连接臂为可调相移臂(图中以虚线表示)。上述常用的波分复用器在使用时需要结合监视探测器13’对级联的各个马赫-曾德尔干涉仪10’的可调相移臂进行闭环调节，由此导致调节过程不方便，功耗较大。并且需要在相移臂附近设置加热件，所述加热件用于通过其温度值的改变以改变所述相移臂的光学参数值，以相应地调整经由相移臂的光信号的相位，但设置加热件需要消耗额外的功耗，且不同加热件之间可能存在热串扰。此外，3dB耦合器11’的光学带宽有限，因此，多个级联的马赫-曾德尔干涉仪10’的波分复用器的光路中具有多个3dB耦合器11’，显著降低了波分复用器的性能。再者，上述常用的波分复用器不利于晶圆级芯片测量判定光子集成芯片的性能。

如图1b所示，常用的硅光芯片中的基于阵列波导光栅结构的波分复用器件，该阵列波导光栅结构130’中包括多个阵列波导131’(也称之为波导通道)，阵列波导131’采用直线型的波导结构。以四通道的波分复用为例，工作时，四路入射光信号λ1、λ2、λ3和λ4在经过阵列波导光栅结构130’中的多个阵列波导131’的相位调制后合成一束第一级合波光信号(λ1/λ2/λ3/λ4)。由于该常用的基于阵列波导光栅结构的波分复用器的单模平顶结构的需求导致器件具有较大的损耗，而且较难保证波分复用器件中心波长的稳定。