硅光调制器与单模光纤高效耦合技术研究

谭忠祥，傅焰峰，胡胜磊，王 宁，张德川，肖 希

(1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.国家信息光电子创新中心，武汉 430074；3.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205)

0 引 言

随着通信速率的不断提高，尤其是现在处于第五代移动通信(5th Generation Mobile Networks, 5G)建设的关键阶段，将极大提高通信设备的用量[1]，这也就对通信设备的成本提出了要求，而降低通信设备中价格高的光芯片的成本也成为了一个重要的研究课题[2]。硅光(Silicon Photonic, SIP)芯片集成工艺平台与现有的互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺完全兼容的优点，非常利于大规模光子芯片的加工，具有极大的成本优势，同时硅材料的机械性能和耐高温性能也非常好，便于加工与封装[3]。但同时，SIP芯片在应用中还存在一些问题，由于硅波导的尺寸为220 nm×500 nm,而普通单模光纤的模场直径为9 μm，SIP芯片与单模光纤存在较大的模场失配，会导致耦合效率较低[4]。如果采用小模场光纤的话，对于批量生产会有成本上的困扰，另外在目前光纤的使用中可以通过研磨等方式在单模光纤前端进行加工处理，对光纤的模场进行改善，但是都有时间和成本上的困扰。

1 SIP调制器调制原理及结构

本文中的SIP调制芯片采用的是马赫曾德尔调制器，其调制方式是将光束通过一个3 dB耦合器，入射光被分为两束等强度的光分别进入两个调制臂，两个调制臂采用反向偏置正负极 (Positive-Negative, PN)结，调节不同的电压会产生相位的变化[5]。经过调制臂后两束光合束在一起，当两束被调制的光合并时，两个臂的相差就转换为振幅调制，从而实现电信号到光信号的转换。……