单体集成相干收发器制造技术

本发明专利技术公开了单体收发器的各种实施例，其可以被制造在半导体衬底上。单体收发器包括相干接收器模块(CRM)，相干发射器模块(CTM)和本振光分离器，以可调功率比将本振光馈送到CRM和CTM。单体收发器通过采用雪崩光电二极管(APD)进行光电转换来提供可调的响应度。单体收发器还采用偏振光束旋转分离器(PBRS)和偏振光束旋转组合器(PBRC)来支持包括偏振复用正交幅度调制(PM

【技术实现步骤摘要】
单体集成相干收发器
本申请是名称为“单体集成相干收发器”的中国专利技术专利申请(申请号：202010268249.6，申请日：2020年4月8日)的分案申请。


本申请涉及光学收发器的
更具体地，本申请涉及具有各种参数调谐功能的单体光学收发器。

技术介绍

当代的电信系统涉及在相当长的距离上以高数据速率传输大量数据的应用，例如长途数据通信、城域数据通信以及数据中心之间的通信。例如，数据中心互连(DCI)应用通常涉及跨10
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120公里(km)的数据传输，数据传输速率为每秒100吉比特(Gb/s)甚至更高。为此，通常采用基于光纤的相干光通信技术。为了实现高数据速率，需要用于相干光通信的收发器来调制光载波的幅度和相位两者以产生光信号，以及解调这种光信号。此外，光信号通常在传输介质允许的多个偏振方向上传输，例如，在单模光纤的横向电(TE)偏振和横向磁(TM)偏振方向之间传输。除了要发送和接收大量的数据之外，当代的电信系统还需要收发器来提供各种经济和操作上的利益，例如低成本、低功率和小占用空间。例如，可能要求收发器符合用于长距离数据通信的集成相干发射机
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接收机光学子组件(IC
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TROSA)封装，或符合用于城域数据通信的C形状因子可插拔版本2(CFP2)封装。对于DCI应用，各种紧凑型外壳形状因子已成为标准，例如八通道小型可插拔(OSFP)、双密度四通道小型可插拔(QSFP
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DD)和四通道小型可插拔28(QSFP28)。反过来，这要求收发器内部的光学组件(OSA)具有非常紧凑的尺寸。集成相干发射机和接收机(ICTR)是解决方案的不错选择。ICTR是使用类似于制造半导体集成电路(IC)的制造技术在半导体衬底(例如硅(Si)或绝缘体上硅(SOI)衬底)上制造的单体集成光电芯片。尽管ICTR可以满足低成本、低功耗和小占位的要求，但它在设计、制造和操作方面也提出了各种挑战，这些挑战是由分立组件制成的收发器所未面临的。
附图说明
附图提供对本申请的进一步理解，附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施例，并且与说明书一起用于解释本申请的原理。附图不一定按比例绘制，以便更好地呈现所示出的主题的某些特征。附图标记的最左边的数字标识该附图标记首次出现的图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。图1示出了根据本申请实施例的集成相干发射机和接收机(ICTR)的示意图。图2示出了根据本申请实施例的单体雪崩光电二极管(APD)的剖视图。图3示出了根据本申请实施例的光分离器的示意图。图4示出根据本申请的另一实施例的光分离器的示意图。图5示出了根据本申请的实施例的IQ调制器的一部分的示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例的方式阐述了许多具体细节，以提供对相关教导的透彻理解。基于本文描述的教导的任何变化、派生和/或扩展均在本申请的保护范围内。在一些情况下，可以在相对较高的水平上不详细描述与在此公开的一个或多个示例实现有关的众所周知的方法、过程、组件和/或电路，以避免不必要地使本申请的教导的各方面模糊不清。。如上所述，集成相干发射机和接收机(ICTR)提出了针对单体制造的收发器的各种设计、制造和操作挑战。为了克服挑战，需要针对单个收发器甚至是收发器内部的单个组件调整各种参数。此外，需要从战略上选择用于制造ICTR的材料系统。常规地，使用诸如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)的III
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V族复合材料系统来制造ICTR。尽管III
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V族复合材料系统具有出色的电光和光电特性(例如，工作带宽和光电二极管的响应度，波导中的传播损耗)，III
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V族复合材料系统的制造成本通常比已广泛用于制造电气集成电路(IC)的较成熟的硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)的制造工艺高得多。在本申请中，提出了使用CMOS技术制造硅基ICTR。在硅基ICTR的众多优势中，内置了各种参数调整功能以优化性能。例如，在硅基ICTR中使用雪崩光电二极管代替常规的p型本征n型(PIN)光电二极管，以增强检测灵敏度，扩展工作带宽以及调整单个光电二极管的内部增益。图1示出了在单体半导体衬底109上制造的ICTR 100的示意图。单体衬底109可以是硅(Si)衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。ICTR 100包括相干接收机模块(CRM)104和相干发射机模块(CTM)105。CRM104用作ICTR 100的接收机，能够经由ICTR 100的输入端口102提取嵌入在ICTR 100接收的光输入中的信息。光输入是通过调制方案由信号(即低频模拟信号或低频数字序列)调制的载波(即高频正弦光波)。CRM 104提取的信息以电子形式呈现，例如在一组焊盘114上呈现的电压或电流。CTM105用作ICTR 100的发射器，能够将信息编码为光输出信号，其通过ICTR 100的输出端口103从ICTR 100发送。编码为光输出信号的信息可以通过ICTR 100经由另一个输入端口电接收，该输入端口可以包含一组焊盘115。ICTR 100还包括本振光(LO)分离器130。LO分离器130具有一个输入和两个输出。LO分离器130的输入与光波导131耦合，而LO分离器130的两个输出分别与光波导132和133耦合。光波导131、132和133均具有两个相对端，并且被用于在两个相对端之间传输光信号，而光信号基本上被限制在相应的波导内。如图1所示，光波导131用于传输由ICTR 100经由ICTR 100的输入端口101接收的光学LO。类似地，光波导132用于将光信号从LO分离器130传输至CRM 104，而光波导133用于将光信号从LO分离器130传输到CTM 105。在输入端口101处接收的光学LO可以是窄线宽连续波激光，其频率基本上等于光输入102端口的载波频率。LO分离器130将光学LO分成第一LO和第二LO，其中第一LO被馈送到波导132中并且被传输到CRM 104，第二LO被馈送入波导133中并且被传输到CTM 105。LO分离器130可以被编程为以第一LO和第二LO之间的一定的分离比将光学LO分离为第一LO和第二LO。例如，在旨在使分别去往CRM 104和CTM 105的光学LO具有相等功率的情况下，可以对LO分离器130进行编程以对光学LO进行分离，使得分离比为1：1。即，第一LO具有光学LO的总功率的一半，而第二LO具有光学LO的总功率的另一半。作为另一个示例，在旨在使去往CRM 104的光学LO功率大于去往CTM105的光学LO功率的情况下，可以对LO分离器130进行编程，以分离光学LO，从而使分离比为3：1。即，第一LO具有光学LO的总功率的75％，而第二LO
具有光学LO的总功率的25％。下面进一步描述LO分离器130用于设置分离比的特定机制。在一些实施例中，LO分离器130可以是可变比率的光分离器。即，行进到CRM 104的第一LO和行进到CTM 105的第二LO之间的分离比可以改变，并且在一些实施例中，甚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.单体相干收发器，包括：第一输入端口，其用于接收光输入，所述光输入包括通过调制方案由信号调制的载波；第二输入端口，其用于接收本振光(LO)，所述本振光的频率基本等于所述载波的频率；LO分离器，其用于以第一LO和第二LO之间的分离比将所述本振光(LO)分为第一LO和第二LO；相干接收器模块(CRM)，其用于基于所述光输入和所述第一LO来检测所述信号；第三输入端口，其用于接收电调制信号；相干发射机模块(CTM)，其用于基于所述第二LO和所述电调制信号产生光输出信号；和输出端口，其用于传输所述光输出信号，其中，所述调制方案包括偏振复用正交幅度调制(PM
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QAM)或偏振复用正交相移键控(PM
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QPSK)；所述LO分离器包括：1x2光耦合器，其具有输入、第一输出和第二输出；可调谐移相器，其具有输入和输出，所述可调谐移相器被配置为基于电压提供相移；和2x2光耦合器，其具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出，以及其中：所述1x2光耦合器配置为在所述1x2光耦合器的输入处接收所述本振光(LO)，所述1x2光耦合器的所述第一输出耦合到所述可调谐移相器的输入，所述可调谐移相器的输出耦合到所述2x2光耦合器的所述第一输入，所述1x2光耦合器的所述第二输出耦合到所述2x2光耦合器的所述第二输入，所述2x2光耦合器被配置为在所述2x2光耦合器的所述第一输出处产生所述第一LO，所述2x2光耦合器还被配置为在所述2x2光耦合器的所述第二输出处产生所述第二LO，以及所述第一LO和所述第二LO之间的所述分离比由基于所述电压的所述相移确定。2.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述光输入包括横向电(TE)分量和横向磁(TM)分量，并且其中，所述CRM包括偏振束旋转分束器(PBRS)，用于将所述TE分量从所述TM分量分离。3.根据权利要求2所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：光学检测阵列(ODA)，其包括多个光电二极管；第一混合器，其具有两个输入和四个输出，所述第一混合器的两个输入分别耦合到所述TE分量和所述第一LO，所述第一混合器的四个输出中的每个输出分别耦合到所述ODA的对应的光电二极管；和第二混合器，其具有两个输入和四个输出，所述第二混合器的两个输入分别耦合到所述TM分量和所述第一LO，所述第二混合器的四个输出中的每个输出分别耦合到所述ODA的相应光电二极管。4.根据权利要求3所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每个光电二极管的内部电流增益能够通过调节施加到所述光电二极管的相应偏置电压来编程。5.根据权利要求3所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每一个光电二极管包括：包含硅的衬底；
绝缘体层，其设置在所述衬底的顶部上，所述绝缘体层包括二氧化硅；底部接触层，其设置在所述绝缘体层的顶部上，所述底部接触层包括重掺杂的n型硅；雪崩层，其设置在所述底部接触层的顶部上，所述雪崩层包括本征硅；p电荷层，其设置在所述雪崩层的顶部上，所述p电荷层包括中等掺杂的p型硅；吸收层，其设置在所述p电荷层的顶部上，所述吸收层包含本征锗；和顶部接触层，其设置在所述吸收层的顶部上，所述顶部接触层包括重掺杂的p型非晶硅。6.根据权利要求5所述的单体相干收发器，其中：所述底部接触层包括由n型掺杂剂掺杂的硅，其掺杂浓度范围为5e18
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5e19cm
‑3，所述p电荷层包含由p型掺杂剂掺杂的硅，其掺杂浓度范围为8e16
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2e18cm
‑3，所述顶部接触层包括由所述p型掺杂剂掺杂的非晶硅，其掺杂浓度范围为5e18
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5e19cm
‑3，所述n型掺杂剂包括砷或磷，以及所述p型掺杂剂包括硼。7.根据权利要求3所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每一个光电二极管的内部电流增益能够通过调节施加在所述光电二极管上的相应的偏置电压来编程。8.根据权利要求3所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：第一可变光衰减器(VOA)，其能够在所述第一LO耦合到所述第一混合器和所述第二混合器中的每一个之前，调节所述第一LO的功率；第二VOA，其能够在所述TE分量耦合到所述第一混合器之前调节所述TE分量的功率；和第三VOA，其能够在所述TM分量耦合到所述第二混合器之前，调节所述TM分量的功率。9.根据权利要求3所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：第一监测光电二极管(MPD)，其用于监测所述第一LO的功率；第二MPD，其用于监测所述TE分量的功率；和第三MPD，用于监测所述TM分量的功率。10.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述电调制信号包括一组PM
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QAM或PM
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QPSK信号，并且其中，所述电调制信号的至少一部分被直流耦合到所述相干发射器模块的所述第一MZM和所述第二MZM。11.单体相干收发器，包括：第一输入端口，其用于接收光输入，所述光输入包括通过调制方案由信号调制的载波；第二输入端口，其用于接收本振光(LO)，所述本振光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡鹏飞，方舟，李臆，张宁，于让尘，洪菁吟，潘栋，
申请(专利权)人：NANO科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：