基于多模干涉耦合器的InP基模分復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于少模光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多模干涉耦合器相區(qū)結(jié)構(gòu)的模分復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)模式轉(zhuǎn)換和模分復(fù)用/解復(fù)用的InP基波導(dǎo)器件。
【背景技術(shù)】
[0002]由于在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，因特網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展，人們對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)容量需求的急劇增加對(duì)通信帶寬和傳輸速率提出了更高的要求，擴(kuò)充單個(gè)光纖的傳輸容量成為重中之重。為了提高光纖通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸容量，人們提出了波分復(fù)用技術(shù)、時(shí)分復(fù)用技術(shù)、偏振復(fù)用技術(shù)等技術(shù)并在實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證。另外，新型的光調(diào)制格式，如OFDM，M-QAM等提高了系統(tǒng)的頻譜效率。然而，由于光纖放大器對(duì)放大帶寬的限制和光纖非線性、光纖功率容限對(duì)發(fā)射源功率的限制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更大的光纖傳輸容量是很困難的。因此，急切需要一項(xiàng)新的技術(shù)突破來進(jìn)一步提高單個(gè)光纖的傳輸容量，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的高速通信網(wǎng)絡(luò)需求。
[0003]人們提出了利用光纖中的多種模式進(jìn)行傳輸來提高單個(gè)光纖的傳輸容量的方法，即模分復(fù)用技術(shù)，利用少模光纖中的多個(gè)模式作為信號(hào)的載體進(jìn)行信息傳輸，尤其是和波分復(fù)用技術(shù)、時(shí)分復(fù)用技術(shù)、偏振復(fù)用技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合，可大大提升通信系統(tǒng)的傳輸容量。在模分復(fù)用系統(tǒng)中，模式復(fù)用/解復(fù)用器件是一個(gè)非常關(guān)鍵的器件，因而得到了人們的廣泛關(guān)注。
[0004]目前，用于制作模式復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)的器件主要包括非對(duì)稱定向耦合器、級(jí)聯(lián)非對(duì)稱Y波導(dǎo)、絕熱耦合器等，大部分器件都是基于SOI波導(dǎo)。然而，由于這些結(jié)構(gòu)存在固有的本身缺陷使得采用這些結(jié)構(gòu)制作的模式復(fù)用/解復(fù)用器件存在固有的不足，如基于非對(duì)稱定向耦合器的模式復(fù)用/解復(fù)用器件不僅對(duì)波長敏感，而且制作工藝容差較小，大部分器件都是在SOI結(jié)構(gòu)上制作的?；诩?jí)聯(lián)非對(duì)稱Y波導(dǎo)的模式復(fù)用/解復(fù)用器件則具有很大的器件尺寸。由于基于多模干涉耦合器的模式復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)具有較低的插入損耗和較寬的信道帶寬而在近年來引起了人們廣泛的興趣?；诙嗄８缮骜詈掀鞯哪Ｊ綇?fù)用/解復(fù)用器的工作原理見圖1:基模輸入到基于多模干涉耦合器的模式轉(zhuǎn)換分離結(jié)構(gòu)I中，這個(gè)器件結(jié)構(gòu)的長度為3LJI/4，因此耦合到中間的輸出通道3中。而一階模輸入到基于多模干涉耦合器的模式轉(zhuǎn)換分離結(jié)構(gòu)I中時(shí)，一階模轉(zhuǎn)換為兩個(gè)基模，其輸出功率相等，相位相差π，分別從兩端的輸出通道2和通道4輸出。/2相移區(qū)的作用是，使得分別從通道2和通道4輸出的兩個(gè)輸出功率相等的基模的相位差從一開始的π變?yōu)棣?2。這樣從通道
2、通道3、通道4輸出的基模，輸入到長度為3L JT /2基于多模干涉耦合器結(jié)構(gòu)的3dB耦合器結(jié)構(gòu)中時(shí)，位于通道3的基模依然從中間的輸出端口 6輸出。而由于通道2和通道4的基模相位相差π/2，這兩個(gè)基模親合到一側(cè)的輸出波導(dǎo)輸出(端口 5或者端口 7)，而另一側(cè)輸出端口則沒有光輸出。因此，該器件不僅實(shí)現(xiàn)了模式解復(fù)用的功能，而且將一階模轉(zhuǎn)換為基模，其轉(zhuǎn)換效率為100%。如果將器件倒置，則會(huì)實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用的功能?；诙嗄８缮骜詈掀鞯哪Ｊ綇?fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、制作工藝簡(jiǎn)單、插入損耗小、且制作容差大的31/2相移區(qū)。實(shí)現(xiàn)模式復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)的/2相移差主要有兩種方法，一種是改變相移區(qū)的長度，另一種是改變相移區(qū)的有效折射率。改變相移區(qū)的長度的方法主要有基于傾斜連接結(jié)的相移區(qū)結(jié)構(gòu)。但是，該結(jié)構(gòu)不可避免的引入額外的損耗，且由于輸出波導(dǎo)是傾斜的，不能直接與光纖、其他器件進(jìn)行耦合。
[0005]由于基于InP的模式復(fù)用/解復(fù)用器件具有與半導(dǎo)體激光器等有源器件單片集成的優(yōu)勢(shì)，因此提出并在InP材料上制作一個(gè)具有小器件尺寸、大通道帶寬、低插入損耗、低通道串?dāng)_的模式復(fù)用/解復(fù)用器件顯的尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提出了一種基于InP材料的模式復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)，其31/2相移差通過改變波導(dǎo)芯層的厚度來實(shí)現(xiàn)。該器件可應(yīng)用于少模光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，是其中的關(guān)鍵器件。該器件不僅可實(shí)現(xiàn)基模和一階模模式復(fù)用/解復(fù)用的功能，而且一階模可以為基模，相比于基于多模干涉親合器的50 %、66 %的模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，該器件的模式轉(zhuǎn)換效率更高，為100%，幾乎沒有模式損耗。該模式復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、器件尺寸小、信道帶寬較大、插入損耗較低、通道串?dāng)_較低的優(yōu)勢(shì)，且其工藝制作簡(jiǎn)單，制作容差較大，非常適合于與半導(dǎo)體激光器、調(diào)制器、放大器、探測(cè)器等器件的單片集成。是研宄基于模分復(fù)用技術(shù)的單片集成少模光通信收發(fā)模塊的關(guān)鍵器件。
【附圖說明】
[0007]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)特征，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:
[0008]圖1為基于多模干涉耦合器的模分復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2為器件的材料結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0010]圖3為圖1中實(shí)施例一 A-A’線的剖面示意圖；
[0011]圖4為圖1中實(shí)施例二 A-A’線的剖面示意圖。
[0012]附圖標(biāo)記說明:
[0013]a為基于多模干涉親合器的模式轉(zhuǎn)換分離結(jié)構(gòu)；b為基于多模干涉親合器的3dB親合器結(jié)構(gòu)；c為Ji /2相移結(jié)構(gòu)；
[0014]①為N型InP襯底；
[0015]②為厚度為500nm的N型InP緩沖層；
[0016]③為InGaAsP波導(dǎo)芯層(其帶隙波長為1.3 μπι，且與InP晶格匹配)；
[0017]④為1.7 μπι厚的非摻雜InP波導(dǎo)蓋層，
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面分別就基于增加和減少相移區(qū)的有效折射率實(shí)現(xiàn)/2相移差的方法的基于多模干涉耦合器的模分復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
[0019]實(shí)施例1
[0020]通過增加相移區(qū)的有效折射率實(shí)現(xiàn)/2相移差的基于多模干涉耦合器的模分復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)。
[0021]如圖2和圖3所示，器件的外延材料結(jié)構(gòu)描述如下:首先在N型InP襯底①上一次外延N型InP緩沖層②(厚度為500nm)，300nm厚的InGaAsP波導(dǎo)芯層③(其帶隙波長為1.3 μπι，且與InP晶格匹配)，20nm厚的非摻雜InP刻蝕停止層，和10nm厚的InGaAsP波導(dǎo)芯層③(其帶隙波長為1.3 μ m，且其與InP晶格匹配)。接下來通過光刻和濕法選擇性腐蝕工藝將除了相移區(qū)之外的其他區(qū)域的10nm厚的InGaAsP波導(dǎo)芯層腐蝕掉。然后二次外延1.7 μ m厚的非摻雜InP波導(dǎo)蓋層④。
[0022]圖1中模分復(fù)用/解復(fù)用器件的各個(gè)部分尺寸為:輸入波導(dǎo)端口 I的寬度為
3.4 μπι，端口 3的寬度為3.4 μπι，輸出波導(dǎo)端口 5和端口 7的寬度為1.7 μπι，輸出波導(dǎo)端口6寬度為3.4 μπι，端口 2和4的寬度為1.7 μπι。模式轉(zhuǎn)換分離結(jié)構(gòu)(I)中的多模干涉耦合區(qū)域?qū)挾葹? μ m，長度為178 μ m? 3dB耦合器結(jié)構(gòu)(2)中的多模干涉耦合區(qū)域?qū)挾葹? μ m，長度為356 μ m。端口 2、端口 3和端口 4的長度均為14.7 μ m，由于相移區(qū)在端口 4或者端口 2上，相移區(qū)的長度為14.7 μπι。器件采用深刻蝕脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，先采用光刻工藝將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上，接著采用電感耦合等離子體干刻技術(shù)刻蝕過InGaAsP波導(dǎo)芯層。完成整個(gè)模分復(fù)用/解復(fù)用器的制作