一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片的制作方法

1.本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片。


背景技术：

2.在过去的十几年间，不断升级的通信技术将移动通信数据处理、云计算服务等大数据采集、解调、处理深深地融入日常生活中。这种数据量体的爆发式升级使得与之紧密相连的光通信技术得以重用。光通信中的波分复用器件能够通过在集成系统中复用不同波长的光，从而达到光通信容量提升数倍。并且通过光波导传输信号不受电磁干扰，能最大的做到传输信号保真。
3.对于光通信中的接收部分已有的实现方式主要包括自由空间和片上集成，片上集成因绝缘体上硅波导折射率差较大，可以实现光器件设计，按照功能整合光器件实现光电集成芯片，并且现有的具有成熟工艺的微电子工艺足以满足光芯片的制造，片上集成在价格、可靠性、集成化以及可设计性上具有明显的优势。但由于设计因素往往偏振控制器、波分复用器等光器件链路复杂，设计面积大，插入损耗较大，消光比低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片，以克服现有技术中的不足。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明公开了一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片，包括所述光接收芯片上设置的端面耦合器、逆向设计偏振分束器、逆向设计波分解复用器以及高速锗硅探测器，所述逆向设计波分解复用器包括te模式逆向设计波分解复用器和tm模式逆向设计波分解复用器，各器件之间通过光波导进行连接，高速锗硅探测器通过高频引线和高频电极与外部功能芯片连接。
6.作为优选的，光信号由所述端面耦合器耦合进入光接收芯片中，通过逆向设计偏振分束器将光源转换为tm模式和te模式。
7.作为优选的，所述逆向设计偏振分束器，包括与所述端面耦合器连接的偏振分束器输入波导，以及偏振分束器拓扑结构、偏振分束器te模式输出波导和偏振分束器tm模式输出波导，所述逆向设计偏振分束器通过拓扑优化逆向设计将光源按照te和tm模式分解，并通过偏振分束器te模式输出波导和偏振分束器tm模式输出波导输出。
8.作为优选的，所述te模式逆向设计波分解复用器和tm模式逆向设计波分解复用器均包括与逆向设计偏振分束器连接的波分解复用器输入波导，以及波分解复用器拓扑结构和波分解复用器输出波导阵列，所述逆向设计波分解复用器按照输入光源模式，将te模式和tm模式的光信号通过拓扑优化逆向设计分解为不同波长的分立信号，并通过波分解复用器输出波导阵列输入至高速锗硅探测器阵列。
9.作为优选的，所述高速锗硅探测器为水平型锗硅探测器或垂直型锗硅探测器。
10.作为优选的，所述端面耦合器、逆向设计偏振分束器、逆向设计波分解复用器所用材料是硅或氮化硅，器件包层是空气或二氧化硅，器件衬底是二氧化硅衬底。
11.作为优选的，所述逆向设计偏振分束器具体是采用以下优化方法确定：通过调控目标函数对于不同模式光源输出波导以及逆向设计拓扑优化部分进行求解，优化方法包括伴随源法、水平集算法、遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法或随机搜索算法。
12.作为优选的，所述逆向设计波长解复用器具体是采用以下优化方法确定：通过调控目标函数对于不同波长输出波导以及逆向设计拓扑优化部分进行求解，优化方法包括伴随源法、水平集算法、遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法或随机搜索算法。
13.本发明的有益效果：本发明一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片，通过逆向设计方法设计偏振分束器以及基于te、tm模式的波分解复用器件来解决传统光接收芯片上由于集成系统中分立器件中存在占位面积大、性能不稳定、带宽不够，串扰高的问题。
附图说明
14.图1为本发明实施例的高速硅基集成四通道光接收芯片与高频引线、高频电极结构示意图；图2为本发明实施例的高速硅基集成四通道光接收芯片结构示意图；图3为本发明实施例逆向设计的偏振分束器结构示意图；图4为本发明实施例逆向设计的波分解复用器结构示意图；图5为本发明实施例逆向设计的偏振分束器输出te模式光源仿真结果图；图6为本发明实施例逆向设计的偏振分束器输出tm模式光源仿真结果图；图7为本发明实施例逆向设计的te模式波分解复用器仿真结果图；图8为本发明实施例逆向设计的tm模式波分解复用器仿真结果图；图1-图4中：0-高速硅基集成四通道光接收芯片，1-端面耦合器，2-逆向设计偏振分束器，21-偏振分束器输入波导，22-偏振分束器拓扑结构，23-偏振分束器te模式输出波导，24-偏振分束器tm模式输出波导，3-te模式逆向设计波分解复用器，31-波分解复用器输入波导，32-波分解复用器拓扑结构，33-波分解复用器输出波导阵列，4-tm模式逆向设计波分解复用器，5-四通道探测器阵列。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
16.如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片，其特征在于包括：所述高速硅基集成四通道光接收芯片0包括端面耦合器1，逆向设计偏振分束器2、逆向设计波分解复用器、高速锗硅探测器、高频引线以及高频电极，所述逆向设计波分解复用器包括te模式逆向设计波分解复用器3和tm模式逆向设计波分解复用器
4，所述端面耦合器1与逆向设计偏振分束器2以及各器件之间通过光波导相连。
17.如图3所示，所述逆向设计偏振分束器2，包括与所述端面耦合器1连接的偏振分束器输入波导21，以及偏振分束器拓扑结构22、偏振分束器te模式输出波导23和偏振分束器tm模式输出波导24，所述逆向设计偏振分束器2通过拓扑优化逆向设计将光源按照te和tm模式分解，并通过偏振分束器te模式输出波导23和偏振分束器tm模式输出波导24输出。
18.如图4所示，所述te模式逆向设计波分解复用器3和tm模式逆向设计波分解复用器4均包括与逆向设计偏振分束器2连接的波分解复用器输入波导31，以及波分解复用器拓扑结构32和波分解复用器输出波导阵列33，所述逆向设计波分解复用器按照输入光源模式，将te模式和tm模式的光信号通过拓扑优化逆向设计分解为不同波长的分立信号，并通过波分解复用器输出波导阵列33输入至四通道探测器阵列5。
19.所述te、tm波分解复用器输出波导同时进入高速锗硅探测器中，本实施例采用高速锗硅探测器是垂直型锗硅探测器。
20.所述高频引线及高频电极的大小及位置按照外部功能芯片要求排布。
21.所述芯片端面耦合器1、逆向设计偏振分束器2、逆向设计波分解复用器所用材料是硅或氮化硅，器件包层是空气或二氧化硅，器件衬底是二氧化硅衬底。
22.所述逆向设计偏振分束器2具体是采用以下优化方法确定：通过调控目标函数对于不同模式光源输出波导以及逆向设计拓扑优化部分进行求解，优化方法包括伴随源法、水平集算法、遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法或随机搜索算法。本实施例采用伴随源法及水平集法进行优化。
23.所述逆向设计波长解复用器具体是采用以下优化方法确定：通过调控目标函数对于不同波长输出波导以及逆向设计拓扑优化部分进行求解，优化方法包括伴随源法、水平集算法、遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法或随机搜索算法。本实施例采用伴随源法及水平集法进行优化。
24.在本实施例中，所述高速硅基集成光接收芯片工作于o波段，光信号由端面耦合器耦合进入高速硅基光接收芯片中，通过逆向设计的偏振分束器将光源转换为tm模式及te模式。逆向设计的偏振分束器效果图如图5、图6所示，te模式输出波导输出te模式光源，tm模式输出波导输出tm模式光源，透射谱能达到90%以上。
25.由逆向设计的偏振分束器按模式分解后的光源进入基于te/tm逆向设计的波分解复用器，效果图如图7、图8所示。逆向设计的波分解复用器将te/tm模式光信号分别分解为1270/1290/1310/1330 nm中心波长，可满足粗波分集成光源的接收，串扰在-15db以下，损耗可控制在-3db以内。
26.由逆向设计的波分解复用器分解后的光按te、tm模式从上下进入双端高速锗硅探测器中，再由锗材料吸收光电转换后由高速引线及高速电极与外部功能芯片连接，例如跨阻放大器。如图1所示，本实施例按照跨阻放大器要求高速电极间距125μm设计绘制。本实施例中，逆向设计的偏振分束器在3
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3μm2以下，tm、te模式的波分解复用器在8
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8μm2以下。该芯片可用于光模块中，四通道的硅基集成芯片整体尺寸在450
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700μm2以下。本发明基于逆向设计和伴随源法对偏振分束器以及te、tm模式的波分解复用器进行拓扑优化，使其面积大幅减少，解决了传统光接收芯片上由于集成系统中分立器件中存在占位面积大、性能不稳定、带宽不够，串扰高的问题。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。