CN109491010B - 基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线 - Google Patents

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Abstract

一种基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，依次包括：光相控阵发射单元，平板波导传输单元，光相控阵接收单元。利用光相控发射单元，通过移相器调控通道间的相位差，改变远场干涉光斑，形成具有方向性的波束从而调控光信号进入平板波导中的入射角度，进而改变光信号的传播路径长度，最终通过相对应的光相控阵接收单元接收光信号得到不同的延时量。具体而言，本发明能够实现大的可调延时量，具有结构与控制简单、集成度高等优点，在光通信、微波光子和信号处理等方面具有很高的应用价值。

Description

基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线
技术领域
本发明是属于光延迟/光缓存领域。通过将光相控阵发射和接收单元与传输波导结合起来，借助光相控阵形成角度可调的光路，在波导中多次全反射传输获得不同的延时量，从而实现集成可调光延时线。
背景技术
数据缓存是光通信网络中的一个关键单元，它可以避免信道网络冲突问题，提高网络节点的吞吐量，从而降低丢包率。在下一代全光交换网络(如分组交换)中对数据缓存的性能指标要求更高。早期的全光交换网络利用电学随机读取存储器(RAM，random-accessmemory，)来存取信息，此方法的光交换速度受限于电RAM的读取速度，同时该方案必须通过光电光转换，使得系统较为复杂，系统的电学功耗也比较大。于是，人们开始思考是否可以不经过光电光的转换，直接在光学系统中完成数据缓存的功能，遗憾的是尚未有成熟可行的光学存储方案或者器件，因此现有的针对数据缓存以及同步功能的光学系统均是依靠各种可调光学延迟线实现的。
调节器件的延时量共有三种方法：
1)改变介质的有效折射率；
2)改变介质有效折射率的色散，也就是调节群折射率；
3)改变介质的长度；
第一种方法的局限性比较大，因为介质的有效折射率与器件材料折射率以及波导结构有关，一般可改变的范围很小，并且在选择介质时还应考虑材料本身的光学吸收损耗，因此这种方法几乎不被采用。
第二种方法的可调性最好，可以实现连续调节，利用材料的电光效应、热光效应或者载流子色散效应等原理，可以实现材料色散或者波导色散，但该种方法也有局限，较大的色散往往伴随着信号的失真，限制了器件的工作带宽，不利于高速系统中的应用，因此该方法所实现的延时调节范围往往较小。
第三种方法最直接，可以不受限于介质的材料特性。但是，由于延时量与波导长度成正比，由于损耗、系统复杂度等问题，在实际应用中器件的尺寸不可能无限增大，需要通过合理的设计使得器件的延时调节范围、损耗等性能最优化。该类方法的动态调节一般依靠光开关等器件进行选路，因此如何实现高性能的光开关也是需要考虑的难点之一。
鉴于上述三种光延迟方式存在的弊端，在此提出一种用光相控阵(OPA，OpticalPhased Array)产生角度可调的光束，进而在波导中按照不同路径进行传输，从而实现光信号延时量的灵活调节。
发明内容
针对上述现有实现方案中存在的缺陷，本发明提供一种基于光相控阵的集成光学可调延时线。利用光相控阵波束成型形成具有方向性的波束，调控光信号进入波导中的入射角度，能改变光信号的传播路径，最终得到不同的延时量。具体而言，本发明能够实现大的可调延时量，具有结构与控制简单、集成度高、调节灵活等优点，在光通信、微波光子以及光信号处理中具有极高的应用价值。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于光相控阵的集成光学可调延时线，其特征在于，该集成光学可调延时线包括光相控阵发射单元，平板波导传输单元，光相控阵接收单元；所述的光相控阵发射/接收单元包括但不限于耦合器、分光器、移相器、波导阵列天线等结构。
所述的光相控阵发射单元通过波束成型发射具有方向性的波束，并同平板波导传输单元一端连接，大于全反射临界角的输入光束被约束在波导中实现传输，波导的另一端与光相控阵接收单元连接，依据光路可逆原理，该接收端可以接收来自特定方向的光信号，实现从发射端到接收端光路的建立。
所述的集成光学可调延时线，其特征在于，通过改变光相控阵发射/接收波束的角度，改变光束在平板波导中传播路径的长度，从而来实现光延时的可调。
所述的集成光学可调延时线，其特征在于，光相控阵发射/接收器可以采用相对于传输波导对称放置的结构或者可以将相控阵发射/接收器放置于波导同一侧。
所述的光相控阵发射/接收单元，其特征在于，所述光相控阵的输入耦合器可以采用光栅耦合器、倒锥形波导耦合器等。光信号输入/输出采用水平耦合或垂直耦合实现外部光信号与平面光波导之间的连接,所述的水平耦合采用透镜和芯片上的倒锥形模斑转换器，所述的垂直耦合采用平面光纤和芯片上的光栅耦合器。
所述光相控阵的分束器采用包括但不限于级联多模干涉耦合器，级联Y型分束器，星型耦合器等结构，实现输入光在多个相位通道间的均匀分配。
所述的移相器可以采用基于自由载流子色散效应(FCD)的移相器或基于热光效应(TO)的移相器，该移相器对每一路阵列波导上的光信号相位的调制是通过改变波导的有效折射率实现。
所述的光相控阵具有亚波长间隔密度的天线，能够实现大角度范围的无混叠光束偏转，并且该发射阵列采用包括但不限于弯曲波导阵列、宽度相异的波导阵列、含有仿超材料/超材料的光子禁带等结构，抑制波导阵列天线中光信号的耦合串扰。
所述的光束传输波导利用全反射原理将光束限制在波导内，芯层为硅材料，包层为二氧化硅或者空气，芯层和包层之间界面光滑干净以减小全反射损耗。
所述的光相控阵接受单元具有与发射单元互为镜像的架构，可以采用不同的阵列尺寸、子通道数目、子通道相位调节原理、合束器件以及输出耦合器等。
所述的光相控阵发射/接收器可以但不限于通过增大接收器的阵列尺寸或增加子通道数目来提高接收效率。
本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
1、本发明采用集成光相控阵作为信号的发射端，能够产生高度定向的光束，通过调节外加电压即可改变光束在波导内的传播路径。
2、本发明采用的波导具有较大尺寸，能提供低损耗和低色散的光延迟。光束在波导中传输的光程可以灵活调节，相比于传统的光延迟线，这种结构能够借助固定的波导长度和宽度提供大范围的延时量调节。
3、本发明结构简单，便于控制，系统组件全部采用硅基衬底实现单片集成，具有结构紧凑、调节灵活、控制简单等优点，同时该硅基集成光延迟芯片制造工艺和CMOS工艺兼容，有利于大批量生产，具有低成本的潜在优势。
附图说明
图1为本发明光相控阵发射/接收器相对放置实施例结构图。
图2为本发明光相控阵发射/接收器同侧放置实施例结构图。
图3为本发明中光相控阵实施例采用的(a)垂直光栅耦合器(b)倒锥形耦合器示意图。
图4为本发明光相控阵实施例采用的多模干涉耦合器及其级联分光结构示意图。
图5为本发明光相控阵实施例的金属加热型移相器示意图。
图6为本发明实施例的波导阵列天线示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。请注意，下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。同时，各个实施例涉及到的技术特征只要彼此未构成冲突，就可以相互结合。
参考图1、图2所示，本发明基于光相控阵的集成可调延时线按照功能特点主要分为三部分：光相控阵发射单元(101)，平板波导传输单元(102)，光相控阵接收单元(103)；所述的光相控阵发射单元(101)所示从左到右依次由耦合器、级联分光结构、移相器相位阵列构成，在图1的(101)单元中分别由“耦合器，分光器1×N，固定相位差ΔΦ的多通道波导”表示，所述的光相控阵接收单元(103)从左向右依次由移相器相位阵列、级联分光结构和耦合器构成，这些组成结构与光相控阵发射单元中的组成结构一样，只是摆放顺序不同。
首先，光信号需要通过图3所示的垂直光栅耦合器/倒锥形耦合器耦合进入光相控阵的输入波导中。
接着，输入波导经由图4所示的级联分光结构实现N路均匀分光。
然后，这N路光信号经过图5所示的移相器相位调制阵列进行相位调节，相位调制阵列主要是对光分束器输出的N路光束进行相位的有效调节(调相)，在波导阵列通道间产生固定相位差ΔΦ，通过调控通道间的相位差，从而实现远场衍射主瓣光束的有效偏转，改变远场干涉图样的角分布，形成具有方向性的波束进而改变光相控阵发射/接收波束的角度。
之后，经由图6所示的波导阵列天线输出，获得在某个方向定向发射的光束，进入波导按照特定全反射角度进行多次全反射传输。在波导传输末端，光束由光相控阵接收单元接受，其原理与相控阵发射单元相同，只是光路相反。
在上述方案的基础上，垂直光栅耦合器采用图3(a)的结构，目的是将光信号耦合进传输波导中，其中硅波导的高度是220nm，刻蚀的光栅高度为70nm，形成的光栅周期为630nm，占空比50％，共有27个光栅周期。光栅中硅波导宽度为12μm，长度为30μm，宽波导通过锥形波导逐渐过渡到单模窄波导。光纤以8°角入射和波导达到良好的模斑匹配，从而实现较高的耦合效率。
在上述方案的基础上，采用的分光器如图4所示，由2个四级树状结构的1×2分光单元的MMI并联构成，共有16条光路。
在上述方案的基础上，移相器采用图5所示的金属加热型移相器，在相邻的波导间刻蚀出空气槽，用于抑制波导间的热串扰，进而减小波导间相位串扰。采用的金属为氮化钛(TiN)，因为TiN金属的电阻率较高，适合作为热源产生热量，热量经氧化硅传导到硅波导，进而改变波导有效折射率产生相移，为了确保产生足够的相移，这里设计的TiN宽度为2μm，厚度为120nm，移相器的长度为400μm。在TiN正下方是条形单模硅波导，16路移相器加电压后，可以实现不同的相移量，从而最终控制从波导阵列天线发射的光束偏转角度。
在上述方案的基础上，波导输出天线采用图6所示的结构，为了将阵列波导从较宽的间距过渡到较窄的间距，我们设计两段S型过渡段的结构，可见最初的OPA间距是50.5μm，经过2.5μm间隔的波导(图6上方插图所示)过渡到输出阵列间隔3.3μm，又经过一段特殊设计的S型弯曲过渡到阵列间距0.8μm(图6下方插图所示)。常规的设计是只过渡到2.5μm的间隔，这里2.5μm(远大于半波长)的间隔已经是硅波导去耦合的极限值，因此远场中存在旁瓣，限制了主瓣光束有效的偏转角度范围。我们通过后续设计一段S型波导弯曲过渡到只有0.8μm的阵列间隔，理论上接近实现在远场中无旁瓣，主瓣光束扫描角度范围无限制。
在上述方案的基础上，我们可以通过调节光相控阵发射单元的外置电压即可使金属加热型产生不同的热量进而改变波导有效折射率产生相移，从而调控光信号进入波导的角度，改变光信号的传播光路，产生不同的延时量。具体而言，本发明能够实现大的可调延时量，具有结构与控制简单、集成度高的优点，在信号处理、微波光子、光通信等领域有潜在的应用价值。
同领域的科研或产业部门人员容易理解，以上内容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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，包括光相控阵发射单元(101)、平板波导传输单元(102)和光相控阵接收单元(103)；所述的光相控阵发射单元(101)的输出端与所述的平板波导传输单元(102)的一端相连，所述的平板波导传输单元(102)的另一端与所述的光相控阵接收单元(103)连接，所述的光相控阵发射单元(101)依次由耦合器、级联分光结构、移相器相位阵列构成，所述的光相控阵接收单元(103)依次由移相器相位阵列、级联分光结构和耦合器构成。
2.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述的光相控阵发射单元(101)和光相控阵接收单元(103)相对于所述的平板波导传输单元(102)对称放置,或置于所述的平板波导传输单元(102)的同一侧。
3.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述的光相控阵发射单元(101)通过波束成型发射具有方向性的波束，并同平板波导传输单元(102)一端连接，大于全反射临界角的输入光束被约束在波导中传输，波导的另一端与光相控阵接收单元(103)连接。
4.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，通过移相器相位阵列调控通道间的相位差，改变远场干涉光斑，形成具有方向性的波束从而改变光相控阵发射单元(101)或光相控阵接收单元(103)的波束的角度，进而改变光束在平板波导中传播路径的长度。
5.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，其特征在于，所述的光相控阵的输入耦合器采用光栅耦合器或倒锥形波导耦合器，光信号输入/输出采用水平耦合或垂直耦合实现外部光信号与平面光波导之间的连接,所述的水平耦合采用透镜和芯片上的倒锥形模斑转换器，所述的垂直耦合采用平面光纤和芯片上的光栅耦合器。
6.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述光相控阵的级联分光结构采用级联多模干涉耦合器、级联Y型分束器或星型耦合器。
7.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述的移相器采用基于自由载流子色散效应移相器或基于热光效应移相器。
8.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述的光相控阵具有亚波长间隔的天线密度，并且该发射阵列采用弯曲波导阵列，宽度相异的波导阵列，或含有超材料的光子禁带结构。
9.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述的光相控阵接收单元具有与发射单元互为镜像的架构，采用不同的阵列尺寸、子通道数目、子通道相位调节原理、合束器件以及输出耦合器。
10.如权利要求1所述的基于光相控阵的硅基集成光学可调延时线，其特征在于，所述的光相控阵接收单元(103)通过增大接收器的阵列尺寸或增加子通道数目来提高接收效率。
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