偏振无关型可调光衰减器
阅读说明：本技术 偏振无关型可调光衰减器 (Polarization-independent variable optical attenuator ) 是由 黄北举 张赞允 陈弘达 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种偏振无关型可调光衰减器,所述可调光衰减器包括：第一二维光栅耦合器及第二二维光栅耦合器、若干第一模斑转换器及若干第二模斑转换器、若干第一硅基单模光波导及若干第二硅基单模光波导、PIN电学结构。本发明的可调光衰减器使用平面光波导,具有速度快、体积小、成本低、易于集成等优点；采用二维光栅耦合器,具有偏振无关性,无论输入的是何种偏振光,都可以进行传递。(The invention discloses a polarization-independent variable optical attenuator, which comprises: the grating coupler comprises a first two-dimensional grating coupler, a second two-dimensional grating coupler, a plurality of first spot size converters, a plurality of second spot size converters, a plurality of first silicon-based single-mode optical waveguides, a plurality of second silicon-based single-mode optical waveguides and a PIN electrical structure. The variable optical attenuator of the invention uses the planar optical waveguide, and has the advantages of high speed, small volume, low cost, easy integration and the like; the two-dimensional grating coupler has polarization independence, and can transmit light with any polarization regardless of input light.)
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种偏振无关型可调光衰减器。
背景技术
随着上个世纪末波分复用与掺铒光纤放大器的发明，大容量、长距离的光纤通信在过去的二十年时间内得到了广泛发展。目前的光纤通信正向着短距离通信方向发展，其在城域网、局域网方向应用也愈发多样化，光无源网络也得以快速发展。短距高速光纤通信要求光模块尽可能小，其对光模块的集成度提出了更高的要求，目前已经提出了高密度高速封装等，但可能仍不能满足未来的小封装需求，而硅基光电子技术能够使光模块的尺寸显著减小，在未来非常有潜力。同时随着5G建设的如火如荼，5G基站间、基站与通信中心间的低延时、高速、宽带宽的数据上下传，要求的光模块数量是4G的数倍以上。光模块是光通信的核心部件，主要完成光电转换。光模块作为核心器件被广泛应用于通信设备中，是5G实现高带宽、低时延、广连接的关键。随着5G的加速发展，我国光模块产业快速发展。
上世纪以来，信息传输技术经历了从电到光、从时分复用到波分复用的转变，光衰减器应运而生，可实现光强动态变化的可调光衰减器是密集波分复用系统的组成部分之一。可调光衰减器将光信号进行定量的衰减，光衰减值可根据需要进行调节，是光纤通信中最基本的无源器件之一，也是现代光通信系统中重要的光学器件。可调光衰减器已广泛用于密集波分复用光纤网络中，主要是实现系统中各信道间光功率的及传输系统的动态监测，同时也用于对光放大器进行增益控制，在光通信系统中的衰减器应具有低功耗、高响应速度和长期稳定性的特点，在光模块中应具有体积小、易于集成的特点。在光模块中，为达到最佳的误码率，需要降低光功率，这时需要使用光纤衰减器。光接受设备接收的光信号强度需要在一定范围内，光功率不能过强或过弱。否则会导致设备寿命变短或不能正常工作。光纤衰减器可以降低光信号能量，对输入光功率衰减的光无源器件，避免由于输入光功率超强而使光接收机产生失真。
近几年，不同材料和结构的可调光衰减器已经被报道，例如微机电系统型可调光衰减器、液晶型可调光衰减器、位移型可调光衰减器和平面光波导型可调光衰减器等。尽管现在的光网络中的衰减器主要是传统的微机电系统结构的可调光衰减器，但是这种结构的可调光衰减器存在体积大、高功耗和不易于与其他器件集成的缺点。而平面光波导型可调光衰减器是最近发展最快的分支，具有速度快、体积小、更好的温度稳定性和易于集成的优点。基于平面光波导技术的可调光衰减器可以有多种实现方式，如马赫-曾德尔干涉仪、电吸收调制、弯曲光波导等。
与微机电系统型可调光衰减器相比：微机电系统型可调光衰减器体积大、功耗高、反应时间慢，因此不易于集成。器件中用到的微机电系统反射镜通过施加在其上的电压来控制反射镜的旋转角度，旋转角度的变化使其反射镜的光斑通过准直透镜后可全部或部分反射到所述两路输出光纤中的某一路，或者在所述两路输出光纤中移动。但在不施加电压或施加电压较小时，反射镜的部分反射光将回馈到输入光纤中，从而影响整体性能。所以需要额外加一个隔离度较高的隔离器，增加了器件成本。
另外，现有技术中公开号为CN113050302A的中国专利申请公开了一种硅基可调光衰减器，其通过提供的硅基可调光衰减器及其制作方法，可以显著提高硅基可调节光衰减器的防静电等级。
CN113050302A中所设计的硅基可调光衰减器结构复杂、制作难度高。其输入输出端接的均是单模波导，并未提及对偏振态的影响。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种偏振无关型可调光衰减器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种偏振无关型可调光衰减器，其具有平面光波导体积小、成本低、易于集成等优点，且具有偏振无关性，无论输入的是何种偏振光，都可以进行传递。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种偏振无关型可调光衰减器，所述可调光衰减器包括：
第一二维光栅耦合器及第二二维光栅耦合器，第一二维光栅耦合器用于对第一光信号进行分束，第二二维光栅耦合器用于对光信号进行合束后输出第二光信号，所述第一光信号与第二光信号的的偏振态相同；
若干第一模斑转换器及若干第二模斑转换器，第一模斑转换器与所述第一二维光栅耦合器光通信连接，第二模斑转换器与所述第二二维光栅耦合器光通信连接；
若干第一硅基单模光波导及若干第二硅基单模光波导，用于进行光信号的单模传输，第一硅基单模光波导与所述第一模斑转换器光通信连接，第二硅基单模光波导与所述第二模斑转换器光通信连接；
若干PIN电学结构，用于吸收光信号以实现光信号的衰减，PIN电学结构与所述第一硅基单模光波导及第二硅基单模光波导光通信连接。
一实施例中，所述第一二维光栅耦合器与第一光纤光通信连接，所述第二二维光栅耦合器与第二光纤光通信连接，所述第一光纤及第二光纤为单模光纤。
一实施例中，所述第一光纤的接口垂直于第一二维光栅耦合器表面，第一光信号垂直于第一二维光栅耦合器表面并位于第一二维光栅耦合器的中心位置；所述第二光纤的接口垂直于第二二维光栅耦合器表面，第二光信号垂直于第二二维光栅耦合器表面并位于第二二维光栅耦合器的中心位置。
一实施例中，所述第一二维光栅耦合器为四通道输入耦合器，用于实现第一光信号的四通道均匀分束；所述第二二维光栅耦合器为四通道输出耦合器，用于实现四通道光信号的合束并输出第二光信号。
一实施例中，所述可调光衰减器包括四个第一硅基单模光波导及四个第二硅基单模光波导，光信号在第一硅基单模光波导中的光程与第二硅基单模光波导中的光程均相等。
一实施例中，所述第一硅基单模光波导及第二硅基单模光波导包括若干弯曲波导和/或若干直波导。
一实施例中，所述第一硅基单模光波导及第二硅基单模光波导为硅材料制作而成的脊形波导。
一实施例中，所述PIN电学结构包括：
衬底；
下包层，位于衬底上；
器件层，位于下包层上，所述器件层包括P型掺杂区、N型掺杂区、本征区，所述本征区位于P型掺杂区与N型掺杂区之间；
上包层，位于器件层上；
电极，包括与P型掺杂区电气连接的第一电极及与N型掺杂区电气连接的第二电极；
其中，所述P型掺杂区和N型掺杂区通过本征区相连，本征区中的载流子吸收光信号中光子的能量，以实现光信号的衰减。
一实施例中，所述P型掺杂区包括若干不同掺杂类型、和/或掺杂范围、和/或掺杂浓度的P型掺杂区，所述N型掺杂区包括若干不同掺杂类型、和/或掺杂范围、和/或掺杂浓度的N型掺杂区；和/或，
所述第一电极和第二电极之间施加有正向电压，以促进载流子的运动。
一实施例中，所述衬底为硅衬底；和/或，
所述下包层和/或上包层为二氧化硅层；和/或，
所述P型掺杂区和N型掺杂区上方的上包层中刻蚀形成有若干通孔，通孔内形成有导电柱，所述第一电极和第二电极分别通过通孔内的导电柱与P型掺杂区和N型掺杂区电气连接；和/或，
所述本征区的高度大于P型掺杂区及N型掺杂区的高度。
本发明具有以下有益效果：
本发明的可调光衰减器使用平面光波导，具有速度快、体积小、成本低、易于集成等优点；
采用二维光栅耦合器，具有偏振无关性，无论输入的是何种偏振光，都可以进行传递；
二维光栅耦合器为完全垂直耦合器，具有对准容差能力强、易于在片测试、成本低等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施例中可调光衰减器的结构示意图；
图2为本发明一具体实施例中PIN电学结构的剖视图；
图3a为本发明一具体实施例中PIN电学结构的有效折射率随电压变化的曲线图；
图3b为本发明一具体实施例中PIN电学结构的光波导传输损耗随电压变化的曲线；
图4a为本发明一具体实施例中P1偏振态时可调光衰减器的归一化光传输谱随电压变化的曲线图；
图4b为本发明一具体实施例中P2偏振态时可调光衰减器的归一化光传输谱随电压变化的曲线图；
图5为本发明一具体实施例中可调光衰减器在不同电压下的峰值波长光功率随电压变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种可调光衰减器，其包括：
第一二维光栅耦合器及第二二维光栅耦合器，第一二维光栅耦合器用于对第一光信号进行分束，第二二维光栅耦合器用于对光信号进行合束后输出第二光信号，第一光信号与第二光信号的的偏振态相同；
若干第一模斑转换器及若干第二模斑转换器，第一模斑转换器与第一二维光栅耦合器光通信连接，第二模斑转换器与第二二维光栅耦合器光通信连接；
若干第一硅基单模光波导及若干第二硅基单模光波导，用于进行光信号的单模传输，第一硅基单模光波导与第一模斑转换器光通信连接，第二硅基单模光波导与第二模斑转换器光通信连接；
PIN电学结构，用于吸收光信号以实现光信号的衰减，PIN电学结构与第一硅基单模光波导及第二硅基单模光波导光通信连接。
以下结合具体实施例对本发明的可调光衰减器作进一步说明。
参图1所示，本发明一具体实施例中的偏振无关型可调光衰减器，其包括两个双向的二维光栅耦合器、八个模斑转换器、八个硅基单模光波导、四个PIN电学结构。
二维光栅耦合器包括第一二维光栅耦合器11及第二二维光栅耦合器12，第一二维光栅耦合器11用于对第一光信号进行分束，第二二维光栅耦合器12用于对光信号进行合束后输出第二光信号，第一光信号与第二光信号的的偏振态相同。
具体地，第一二维光栅耦合器11与第一光纤(未图示)光通信连接，第二二维光栅耦合器12与第二光纤(未图示)光通信连接，第一光纤及第二光纤为单模光纤。第一光纤的接口垂直于第一二维光栅耦合器表面，第一光纤中的第一光信号垂直于第一二维光栅耦合器表面并位于第一二维光栅耦合器的中心位置；第二光纤的接口垂直于第二二维光栅耦合器表面，第二二维光栅耦合器输出的第二光信号垂直于第二二维光栅耦合器表面并位于第二二维光栅耦合器的中心位置。
本实施例中的第一二维光栅耦合器11和第二二维光栅耦合器12均为四通道输入耦合器，第一二维光栅耦合器11用于实现第一光信号(即输入光信号)的四通道均匀分束，第二二维光栅耦合器12用于实现四通道光信号的合束并输出第二光信号(即输出光信号)。
模斑转换器包括四个第一模斑转换器21及四个第二模斑转换器22，第一模斑转换器21与第一二维光栅耦合器11光通信连接，第二模斑转换器22与第二二维光栅耦合器12光通信连接。模斑转换器可以实现二维光栅耦合器与硅基单模光波导之间的模式转换和绝热光传输。
本实施例中的模斑转换器为锥形结构，四个第一模斑转换器21完成光信号由第一二维光栅耦合器11到第一硅基单模光波导31的传输，四个第二模斑转换器22完成光信号由四路第二硅基单模光波导32到第二二维光栅耦合器12的传输。
四个第一硅基单模光波导31及四个第二硅基单模光波导32，第一硅基单模光波导及第二硅基单模光波导为硅材料制作而成的脊形波导，光场被很好的限制在波导芯层中，可实现器件内部光信号的低损耗和单模传输。第一硅基单模光波导31与第一模斑转换器21光通信连接，第二硅基单模光波导32与第二模斑转换器22光通信连接。硅基单模光波导作为光信号传输的主要媒介，用以实现器件内部光信号的低损耗和单模传输。
PIN电学结构40，用于吸收光信号以实现光信号的衰减，本实施例中设有四个PIN电学结构，每个PIN电学结构40与一组第一硅基单模光波导31及第二硅基单模光波导32光通信连接。
其中，光信号在每个第一硅基单模光波导31中的光程及每个第二硅基单模光波导32中的光程均相等，具有相同的相位变化，第一硅基单模光波导及第二硅基单模光波导包括若干弯曲波导和/或若干直波导。
本实施例中的第一硅基单模光波导31与第二硅基单模光波导32在图1中为中心对称设置。以虚线框出来第二硅基单模光波导32为例，第二硅基单模光波导32包括第一弯曲波导321、第二弯曲波导322、第三弯曲波导323、第四弯曲波导324及直波导325。
其中，第一弯曲波导321是一段角度为135°的弯曲波导；第二弯曲波导322是一段角度为180°的弯曲波导；第三弯曲波导323是一段角度为45°的弯曲波导；第四弯曲波导324是一段角度为90°的弯曲波导。从角度方面，第一弯曲波导321等于第三弯曲波导323与第四弯曲波导324角度之和，相差的光程由直波导325来补齐。这样就可以保证由模斑转换器输出的每路光信号的光程相同。
应当理解的是，本实施例中的硅基单模光波导以4段弯曲波导和一段直波导为例进行说明，在其他实施例中也可以采用其他数量的弯曲波导和/或直波导，凡是能保证光程相等的光波导均属于本发明所保护的范围。
结合图2所示，本实施例中的PIN电学结构40包括：
衬底41，本实施例中衬底为硅衬底；
下包层42，位于衬底上，本实施例中下包层为二氧化硅层；
器件层，位于下包层上，器件层包括P型掺杂区(P++、P)431、N型掺杂区(N++、N)432、本征区433，本征区(I)433位于P型掺杂区431与N型掺杂区432之间，优选地，本实施例中本征区的高度大于P型掺杂区及N型掺杂区的高度；
上包层44，位于器件层上，本实施例中上包层为二氧化硅层；
电极，包括与P型掺杂区431电气连接的第一电极451及与N型掺杂区432电气连接的第二电极452，本实施例中电极的材质为铝。
本实施例中的P型掺杂区和N型掺杂区上方的上包层中刻蚀形成有若干通孔，通孔内形成有导电柱，第一电极和第二电极分别通过通孔内的导电柱与P型掺杂区和N型掺杂区电气连接。
为保证器件能实现衰减功能，在本申请中的P型掺杂区要连接第一电极(即图1中标“+”的电极)，N型掺杂区要连接第二电极(即图1中标“-”的电极)，通过控制电压来实现不同程度的衰减，通常情况下第二电极接地。
且电极需通过通孔和金属导电柱与P型掺杂区和N型掺杂区电气连接，两个电极之间的间距也需要与脊形波导有一定距离，才能实现可调光衰减器的功能。
本实施例基于SOI衬底材料设计的硅基光波导可调光衰减器，对于不同的二氧化硅埋氧层厚度和顶层硅厚度，为达到功能要求的相应最佳设计也不同，因此为了方便描述，本实施例衬底材料默认为具体实施参数，埋氧层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm。
可调光衰减器中，P型掺杂区431和N型掺杂区432通过本征区433相连，本征区433中的载流子吸收光信号中光子的能量，以实现光信号的衰减。
本实施例中的PIN电学结构40采用硅材料形成脊形波导结构并掺杂制作而成。P型掺杂区和N型掺杂区分别位于脊形波导两侧的平板层中，构成PIN结构。对其施加正向电压，本征区(I)载流子浓度迅速增加，由于硅材料具有等离子体色散效应，掺杂进入硅基单模光波导内的载流子的移动可影响硅基光波导可调光衰减器的PIN电学结构的折射率，使其发生改变，可实现对光的吸收功能，使之发生衰减。
光信号光经由第一光纤进入第一二维光栅耦合器11，并由第一二维光栅耦合器分成四束光耦合进入硅基单模光波导平面，分别通过四个第一模斑转换器21在四路硅基单模光波导31中进行传输。每路第一硅基单模光波导31都嵌入一定长度的PIN电学结构40，通过第二电极452连接到PIN电学结构40。通过调节第一电极451和第二电极452所加电压，可调节本征区中载流子的浓度。载流子可吸收光信号中光子的能量，并在同一能带中的能级进行跃迁，当光信号中的光子被部分吸收后，光信号会发生衰减，且通过调节本征区中载流子的浓度，可调节本征区对光信号的吸收，进而调节光信号的衰减。四路第一硅基单模光波导的光所经过的光程是一样的，所以它们的损耗相同。衰减后的光信号再经过四路第二硅基单模光波导32传输至第二模斑转换器22，最后传输至第二二维光栅耦合器22将四路光信号进行耦合并垂直输出给第二光纤，就可以得到衰减后的光信号。衰减后的光信号与衰减前光信号的偏振态相同，即通过衰减器前后偏振态不变，所以是偏振无关型的硅基光波导可调光衰减器。
本实施例中的器件层为硅器件层，使用硅作为材料，硅基光波导可调光衰减器的PIN电学结构40做成脊形波导结构，其中N、P代表不同的离子掺杂属性，“++”代表离子掺杂浓度。通过改变离子的掺杂类型、掺杂区域范围及掺杂浓度，可以对硅基光波导可调光衰减器的性能进行优化。
另外，PIN电学结构40的宽度、高度、平板区高度等都对硅基光波导可调光衰减器的性能有很大影响，均可进行优化设计。
本实施例中的第一电极451和第二电极452之间施加有正向电压，以促进载流子的运动。
图3a为PIN电学结构的有效折射率随电压变化的曲线图，随着电压的增大，折射率变化加快。图3b为PIN电学结构的光波导传输损耗随电压变化的曲线，随着电压的增大，损耗也随之增加，代表了光发生了衰减。
图4a为P1偏振态时可调光衰减器的归一化光传输谱随电压变化的曲线图，图4b为P2偏振态时可调光衰减器的归一化光传输谱随电压变化的曲线图。从图4a、4b可以看出，随着电压的增大，可调光衰减器的衰减能力增强，且电压较小时，衰减的快，所以小的电压就可以满足对衰减性能的要求。比较图4a、4b可以看出，不同偏振态的光经过可调光衰减器后的归一化光传输谱曲线图是一样的，所以本发明的器件是偏振无关型可调光衰减器。为了更清楚地看到电压对衰减性能的影响，本发明中可调光衰减器的长度设为300μm，从图4a、4b中可以看到，在4V电压驱动下，硅基光波导可调光衰减器的衰减约为25dB。
图5为可调光衰减器在不同电压下的峰值波长光功率随电压变化的曲线图，从图5可以看出，随着电压的增大，可调光衰减器衰减性能越高。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明的可调光衰减器使用平面光波导，具有速度快、体积小、成本低、易于集成等优点；
采用二维光栅耦合器，具有偏振无关性，无论输入的是何种偏振光，都可以进行传递；
二维光栅耦合器为完全垂直耦合器，具有对准容差能力强、易于在片测试、成本低等优点。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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