CN108828712B - 基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片 - Google Patents

基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片 Download PDF

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Abstract

一种基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特点在于：包括一块硅基相控阵发射芯片和一块硅基相控阵接收芯片，且相对平行放置，所述的硅基相控阵发射芯片，由N×N个光相控阵单元构成二维阵列，每个光相控阵单元由前端输入口的光分束器、中间相位调制器和末端光发射口构成，本发明具有严格无阻塞、高速、低插损、低串扰等特点，能满足光通讯和光互连网络对大容量数据交换的需求。

Description

基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片
技术领域
本发明涉及光学相控阵，特别是一种基于相控阵的大规模集成光开关芯片。
背景技术
互联网的不断发展对光纤网络的数据传输带宽和延迟量提出了更高的要求。传统的机械光开关速度慢、体积大、不易大规模集成，难以适应光传送网传输需求。除了在光纤传输骨干网中使用外，集成光开关也会在计算机和数据中心光互连网络中扮演重要的作用。光学相控阵是在传统的微波相控阵的基础上发展而来的，是一种新型的光束成型和指向调控方式。光学相控阵可以工作在近红外波段乃至可见光波段。相比于微波相控阵，光学相控阵的单元尺寸更小，阵列规模可以做到很大，具有更好的集成度和更小的功耗。
基于光学相控阵实现超大规模集成光开关是一种新型的技术，拥有工作带宽大、规模易扩展、损耗串扰小等诸多优点。光学相控阵的概念来源于微波相控阵，但它又不同于微波相控阵的一种光束调控技术。其光束指向的基本原理是通过调节从各个光学移相器辐射出的光波之间的相位关系，使之在设定光束出射方向上彼此同相，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束，而其他方向上从各移相器辐射出的光波都不满足彼此同相的条件，干涉结果彼此相消，因此辐射强度接近于零。
发明内容
本发明是基于现有的光子学理论和相控阵技术，针对传统平面集成波导光开关面临的问题，提出的一种基于相控阵的大规模集成光开关芯片，该集成光开关芯片具有严格无阻塞、高速、低插损、低串扰等特点，能满足光通讯和光互连网络对大容量数据交换的需求。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特点在于：包括一块硅基相控阵发射芯片和一块硅基相控阵接收芯片，且相对平行放置，所述的硅基相控阵发射芯片，由N×N个光相控阵单元构成二维阵列，每个光相控阵单元由前端输入口的光分束器、中间相位调制器和末端光发射口构成，所述的末端光发射口由M×M个波导光栅紧密排列构成；所述的硅基相控阵接收芯片和所述的硅基相控阵发射芯片的结构相同，只是光路相反，即接收芯片的接收口与发射芯片的发射口结构相同，由M×M个波导光栅紧密排列构成，接收芯片输出口的合束器即发射芯片输入口的分束器；每个相控阵单元均可以发射或接收光束并通过调控光束在两芯片间的指向偏转，实现光信号从N×N个输入端口到N×N个输出端口的严格无阻塞交换，所述的M、N均为2以上的正整数。
所述的每个相控阵单元的发射光束的出射角度由所述的相位调制器调节。
所述的光分束器用于对输入的单路相干光源进行分束，分束光进入到对应的相位调制器；该相位调制器通过外加电信号改变波导有效折射率从而实现对波导相位的调节；相位调节后的各路光进入光栅阵列发射口，光束按照特定方向输出。
所述的分束器的输入端与相干光源通过光波导端面直接耦合或通过平面光栅垂直耦合。
所述的分束器为级联多模干涉器、Y型分束器、或单个星形耦合器。
所述相位调制器为载流子注入型相位调制器，即在硅波导上集成PN结或者PIN结，加正向偏置电压后，载流子注入到波导区域，从而导致波导有效折射率发生改变，实现调相。
本发明使用硅基相控阵发射芯片和硅基相控阵接收芯片，用于发射和接收光信号。发射芯片的相位调制器是用于控制发射光束的空间偏转角度。通过给各个相位调制器加载电压可实现光束在空间角度上的偏转，使光信号发射到对面平行接收芯片的某一光相控阵单元，然后此该相控阵接收单元将接收到的信号通过调相和合束转化为输出光信号。这个过程实现了光信号从发射芯片的指定端口输入到接收芯片的指定端口输出，完成光信号在不同光路间的交换和路由的功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)所有发射端和接收端的器件均可分别集成在一个芯片上，芯片尺寸小、功耗低、稳定性高。
2)本发明利用独立的光发射和光接收芯片，通过空间光束偏转实现不同输入到输出端口之间的连接，这增加了光开关的可扩展性，提高了光开关规模，同时具有严格无阻塞、低插损、低串扰等优点。
附图说明
图1为本发明基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片的结构示意图。
图2为本发明实施例——3×3光开关阵列发射及接收芯片的结构示意图。
图3为本发明基于光学相控阵波束调控的光开关阵列发射或接收芯片的相控阵单元的结构示意图。
图4为本发明基于载流子注入型相位调制器的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片的结构示意图。由图可见，该光开关包括一块硅基相控阵接收芯片11和一块硅基相控阵发射芯片12，且相对平行放置，所述的硅基相控阵接收芯片11，由N×N个光相控阵单元构成二维阵列，每个光相控阵单元由前端入射口的分束器1、中间相位调制器2和末端发射口3构成，所述的末端光发射口由M×M个波导光栅3紧密排列构成；所述的硅基相控阵接收芯片和所述的硅基相控阵发射芯片结构相同，只是光路相反，即接收芯片的接收口与发射芯片的发射口结构相同，由M×M个波导光栅3紧密排列构成，接收芯片输出口处的合束器即为发射芯片输入口处的分束器1；每个相控阵单元均可以发射或接收光束并通过调控光束在两芯片间的指向偏转，实现光信号从N×N个输入端口到N×N个输出端口的严格无阻塞交换，所述的M、N均为2以上的正整数。
图2为本发明实施例-3×3光开关阵列发射和接收芯片的结构示意图。芯片主要由9个相同的相控阵单元组成，排列成3×3方阵。图3是基于相控阵波束调控的光开关单元结构示意图。从左往右分别是分束/合束器1，相位调制器2，M×M个波导光栅3组成的阵列。图4为本发明基于载流子注入型相位调制器的结构示意图。自上往下分别为：二氧化硅上包层4、金属电极层5、N型掺杂或者P型掺杂区6、脊形波导层7、P型掺杂或者N型掺杂区8、二氧化硅下包层9、硅衬底10。
激光光源输入发射芯片的任意一个相控阵单元，假设在图1中选择输入第一行第一个单元，激光首先进入到相控阵单元的分束器1进行分束变成M×M路光，再将M×M路光分别输入到相位调制器2，给相位调制器2加特定的电压信号，经波导光栅阵列3在设定方向上相干增强后输出。发射芯片11发射光信号的方向主要取决于给相位调制器2上加载的电压信号，从而控制光信号从发射芯片到接收芯片之间的空间连接。接收芯片12和发射芯片11相对平行放置，具体可以参照图1所示。假设光信号发射到接收芯片12的第二行第一个相控阵单元，该相控阵单元的波导光栅阵列3将接收到的光信号分成M×M路，再将这M×M路光信号分别输入到对应的相位调制器2，每路信号经相位调节后输入到合束器1，合束器再把M×M路光信号相干合成一束光输出。这样就实现了光信号从发射芯片的第一行第一个单元的输入端传送到接收芯片的第二行第一个单元的输出端。这种开关阵列结构具有严格无阻塞特性，即某一路输入到输出光连接的建立，不会影响原有已建立光路的通断。
本发明基于相控阵的大规模集成光开关芯片具有严格无阻塞、高速、低插损、低串扰等特点，能满足光通讯和光互连网络对大容量数据交换的需求。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特征在于：包括一块硅基相控阵接收芯片(11)和一块硅基相控阵发射芯片(12)，且相对平行放置，所述的硅基相控阵接收芯片(11)，由N×N个光相控阵单元构成二维阵列，每个光相控阵单元由前端输入口的光分束器(1)、中间相位调制器(2)和末端光发射口构成，所述的末端光发射口由M×M个波导光栅(3)紧密排列构成；所述的硅基相控阵接收芯片和所述的硅基相控阵发射芯片的结构相同，包括输出口、中间相位调制器和末端光接收口，只是接收芯片光路与发射芯片光路相反，即发射芯片的分束器为接收芯片的合束器，发射芯片的发射口为接收芯片的接收口；每个相控阵单元均可以发射或接收光束并通过调控光束在两芯片间的指向角度，实现光信号从指定输入端口到指定输出端口的严格无阻塞交换，所述的M和N为2以上的正整数。
2.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特征在于所述的每个相控阵单元的发射光束的出射角度由所述的中间相位调制器(2)调节。
3.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特征在于所述的光分束器(1)用于对输入的单路相干光源进行分束，分束光进入到对应的中间相位调制器(2)；该中间相位调制器(2)通过外加电信号改变波导有效折射率从而实现对波导相位的调节；相位调节后的各路光进入发射口，光束按照特定方向输出。
4.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特征在于：所述的光分束器(1)的输入端与相干光源通过光波导端面直接耦合或通过平面光栅垂直耦合。
5.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特征在于所述的光分束器(1)为级联多模干涉器、Y型分束器，或单个星形耦合器。
6.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特征在于：所述中间相位调制器(2)为载流子注入型相位调制器，即在硅波导上集成PN结或者PIN结，加正向偏置电压后，载流子注入到波导区域，从而导致波导有效折射率发生改变，实现调相。
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