CN109799576B - 一种同侧阵列波导光栅芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同侧阵列波导光栅芯片，包括输入波导结构、输入平板结构、阵列波导结构、输出平板结构和输出波导结构；输入波导结构经输入平板结构与阵列波导结构连接，阵列波导结构经输出平板结构和输出波导结构连接，且输入波导结构的一个输入波导与输出波导结构的输出波导位于同一侧；输入平板结构和输出平板结构对称设置；本发明具有以下有益效果：1）尺寸紧凑，易于和其它器件集成。2）提高测试的效率和准确性。
Description
技术领域
本发明属于数据中心并行互连技术领域，具体涉及一种用于高速数据中心并行互连的同侧阵列波导光栅芯片。
背景技术
在过去的十年中，数据中心及其网络已经成为许多基于互联网应用的技术引擎。到目前为止，传统搜索、在线交互式地图、社交网络、视频流和物联网等大多数流行的互联网应用都在数据中心运行。数据中心所发挥的关键作用将通过云计算的广泛采用得到进一步加强，云计算的大部分计算和存储正在迁移到共享数据中心。
数据中心本质上是一个大规模并行的超级计算基础设施，由在每个集群中互连在一起的几千、上万台服务器组成的集群组成。早期的小型数据中心网络使用基于铜线的互连，但随着带宽需求的扩大，引入了基于光纤的光学互连，并迅速成为最具成本效益的可部署解决方案，用于扩展数据中心。到目前为止，高数据速率和低功耗光学互连已经广泛用于数据中心，用于超过几米的任何链路距离。
数据中心互连最核心的器件就是光发射器和光接收器，即实现电-光、光-电转换的光收发模块，发射器和接收器的性能直接决定着数据中心吞吐能力的大小。在光收发模块中包含 TOSA （光接收器件）和 ROSA（光发射器件），可以同时进行数据的收发。ROSA通过光接口、 解复用器和光电探测器等将接收到的光信号分解成多路信号，再分别转变成电信号，再经后续电路处理将数据并行输出；TOSA 则实现相反的功能。因此高速率、低损耗、低功耗和易于组装等特性是 TOSA 和 ROSA 需要重点关注和解决的问题。
阵列波导光栅结构是被广泛使用的合波和分波器件，阵列波导光栅的波长精确性较好，通道数可以扩展的较大。更重要的是，阵列波导光栅作为平面光波器件，可以利用半导体平面加工技术进行晶元级大规模生产、制造，并且具有与其它器件单片集成的潜力，因此在未来数据中心的应用中具有巨大前景。
数据中心的尺寸、功耗等问题直接决定了数据中心运行成本及稳定性，这就对接收、发射组件尺寸提出了更高的要求。同侧阵列波导光栅芯片可以很大程度降低组件尺寸，提高器件集成度。但传统的测试机台都是基于两侧进行耦合对光测试，同侧阵列波导光栅芯片会对测试效率和准确性造成一定程度的影响。
发明内容
本发明针对同侧阵列波导光栅芯片测试效率、准确性低的缺点，提出了一种新的同侧阵列波导光栅芯片，既可以实现尺寸紧凑，又提高了测试的效率及准确性。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种同侧阵列波导光栅芯片，包括输入波导结构、输入平板结构、阵列波导结构、输出平板结构和输出波导结构；输入波导结构经输入平板结构与阵列波导结构连接，阵列波导结构经输出平板结构和输出波导结构连接，且输入波导结构的一个输入波导与输出波导结构的输出波导位于同一侧；输入平板结构和输出平板结构对称设置。
所述输入波导结构，包括第一输入波导、第二输入波导和第三输入波导；第一输入波导未引出，第二输入波导的输入端和输出波导波导结构中各输出波导的输出端平行并位于同一侧，第三输入波导的输入端远离输出波导波导结构。
所述输入平板结构为波导材料制作而成的扇形平板，所述扇形平板的两端为扇形，为扇形Ⅰ和扇形Ⅱ，扇形Ⅰ大于扇形Ⅱ，扇形Ⅰ与输入波导连接，扇形Ⅱ与阵列波导结构连接。
所述阵列波导结构的波导是由直波导和弯曲波导拼接而成，且各波导之间相互平行。
所述输出平板结构为波导材料制作而成的扇形平板，所述扇形平板的两端为扇形，为扇形Ⅰ和扇形Ⅱ，扇形Ⅰ大于扇形Ⅱ，扇形Ⅰ与阵列波导结构连接，扇形Ⅱ与输出波导连接。
所述输出波导波导结构，包括若干个输出波导，且第二输入波导与输出波导、各输出波导之间的间距均为127μm或250μm的整数倍。
优选地，所述输出波导结构，可以是4个输出波导，包括第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导和第四输出波导。
所述输出波导结构，还可以是8个输出波导，包括第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导、第四输出波导、第五输出波导、第六输出波导、第七输出波导和第八输出波导。
优选地，所述输入波导结构、输入平板结构、阵列波导结构、输出平板结构和输出波导结构均由波导材料制作而成，所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合。
本发明具有以下有益效果：1）尺寸紧凑，易于和其它器件集成。2）提高测试的效率和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明4通道同侧阵列波导光栅芯片结构。
图2为本发明4通道同侧阵列波导光栅芯片截面尺寸示意图。
图3为本发明4通道同侧阵列波导光栅芯片模拟传输光谱（输入12）。
图4为本发明4通道同侧阵列波导光栅芯片模拟传输光谱（输入13）。
图5为本发明4通道同侧阵列波导光栅芯片测试过程示意图。
图6为本发明8通道同侧阵列波导光栅芯片结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1所示，一种4通道的同侧阵列波导光栅芯片，包括输入波导结构1、输入平板结构2、阵列波导结构3、输出平板结构4和输出波导结构5；输入波导结构1经输入平板结构2与阵列波导结构3连接，阵列波导结构3经输出平板结构4和输出波导结构5连接，且输入波导结构1的一个输入波导与输出波导结构5的输出波导位于同一侧；输入平板结构2和输出平板结构4对称设置。
所述输入波导结构1、输入平板结构2、阵列波导结构3、输出平板结构4和输出波导结构5均由波导材料制作而成。所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合物等其他半导体材料。
在本实施例中，波导材料为不同掺杂的二氧化硅材料，相对折射率差为1.5%，其计算公式见式（1），如图2所示，其中结构100为衬底，材料为石英，折射率为n2=1.445，结构101为芯区，为掺锗的二氧化硅材料，折射率为n1=1.4672，截面尺寸为5μm×5μm，结构102上包层为掺硼、磷的二氧化硅材料，折射率为n2=1.445。
具体地，所述输入波导结构1包括第一输入波导11、第二输入波导12和第三输入波导13。第一输入波导11未引出，第二输入波导12的输入端和输出波导波导结构5中各输出波导的输出端平行并位于同一侧，第三输入波导13的输入端远离输出波导波导结构5。
所述输入平板结构2为波导材料制作而成的扇形平板，所述扇形平板的两端为扇形，为扇形Ⅰ和扇形Ⅱ，扇形Ⅰ大于扇形Ⅱ，扇形Ⅰ与输入波导连接，扇形Ⅱ与阵列波导结构连接。
所述阵列波导结构3的波导是由直波导和弯曲波导拼接而成，且各波导之间相互平行。
所述输出平板结构4为波导材料制作而成的扇形平板，所述扇形平板的两端为扇形，为扇形Ⅰ和扇形Ⅱ，扇形Ⅰ大于扇形Ⅱ，扇形Ⅰ与阵列波导结构连接，扇形Ⅱ与输出波导连接。
所述输出结构5包括第一输出波导51、第二输出波导52、第三输出波导53和第四输出波导54。
所述第二输入波导12、第一输出波导结构51、第二输出波导结构52、第三输出波导结构53和第四输出波导结构54的之间的间距均为500μm。
本实施例中，第一输出波导51中心波长为1.271μm，第二输出波导52中心波长为1.291μm、第三输出波导53中心波长为1.311μm和第四输出波导中心波长为1.331μm。
采用光束传播法对结构进行模拟分析，在第二输入波导12输入1.25μm~1.35μm的连续光，四个输出通道的输出波形如图3所示，其第一输出波导51中心波长为1.271μm，第二输出波导52中心波长为1.291μm、第三输出波导53中心波长为1.311μm和第四输出波导中心波长为1.331μm，基本和设计一致。四个输出通道的损耗分别为-1.44dB、-1.42dB、-1.54dB和-1.71dB。
在第三输入波导13输入从1.23μm~1.33μm的连续光，四个输出通道的输出波形如图4所示，其第一输出波导51中心波长为1.251μm，第二输出波导52中心波长为1.271μm、第三输出波导53中心波长为1.291μm和第四输出波导中心波长为1.311μm，因设计为左右对称设计，和设计偏差了20nm。
在实际芯片测试的过程中，其示意如图5所示，左侧为单通道光纤阵列A，中间部分为4通道阵列波导光栅芯片B，右侧为5通道光纤阵列C。在测试过程中，单通道光纤阵列A的通道61作为芯片输入，输出端分别连接5通道光纤阵列C的第二通道72、第三通道73、第四通道74和第五通道75，等调试完成后，5通道光纤阵列C的第一通道71作为芯片测试输入，进行4通道阵列波导光栅芯片性能测试。
实施例2：如图6所示，一种8通道的同侧阵列波导光栅芯片，包括输入波导结构1、输入平板结构2、阵列波导结构3、输出平板结构4和输出波导结构5；输入波导结构1经输入平板结构2与阵列波导结构3连接，阵列波导结构3经输出平板结构4和输出波导结构5连接，输入波导结构1的一个输入波导与输出波导结构5的输出波导位于同一侧；输入平板结构2和输出平板结构4对称设置。
所述输出结构5包括第一输出波导51、第二输出波导52、第三输出波导53、第四输出波导54、第五输出波导55、第六输出波导56、第七输出波导57和第八输出波导58。
所述第二输入波导12、第一输出波导结构51、第二输出波导结构52、第三输出波导结构53、第四输出波导结构54、第五输出波导55、第六输出波导56、第七输出波导57和第八输出波导58之间的间距均为250μm，其余均与实施例1相同。
并且在本实施例中，所述输入波导结构1、输入平板结构2、阵列波导结构3、输出平板结构4和输出波导结构5均由波导材料制作而成。所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合物等其他半导体材料。在本实施例中，波导材料为不同掺杂的二氧化硅材料，相对折射率差为1.5%，如图2所示，其中结构100为衬底，材料为石英，折射率为n2=1.445，结构101为芯区，为掺锗的二氧化硅材料，折射率为n1=1.4672，截面尺寸为5μm×5μm，结构102上包层为掺硼、磷的二氧化硅材料，折射率为n2=1.445。
本实施例中，第一输出波导51中心波长为1271nm，第二输出波导52中心波长为1291nm、第三输出波导53中心波长为1311nm、第四输出波导中心波长为1331nm、第五输出波导55中心波长为1351nm、第六输出波导56中心波长为1371nm、第七输出波导57中心波长为1391nm和第八输出波导58中心波长为1411nm。
上述结构只是选取代表作为分析，本发明可以通过结构参数设计可以实现任意波长下的任意分光比调节。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：包括输入波导结构（1）、输入平板结构（2）、阵列波导结构（3）、输出平板结构（4）和输出波导结构（5）；输入波导结构（1）经输入平板结构（2）与阵列波导结构（3）连接，阵列波导结构（3）经输出平板结构（4）和输出波导结构（5）连接，且输入波导结构（1）的一个输入波导与输出波导结构（5）的输出波导位于同一侧；输入平板结构（2）和输出平板结构（4）对称设置；所述输入波导结构（1），包括第一输入波导（11）、第二输入波导（12）和第三输入波导（13）；第一输入波导（11）未引出，第二输入波导（12）的输入端和输出波导波导结构（5）中各输出波导的输出端平行并位于同一侧，第三输入波导（13）的输入端远离输出波导波导结构（5）。
2.根据权利要求1所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述输入平板结构（2）为波导材料制作而成的扇形平板。
3.根据权利要求1所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述阵列波导结构（3）的波导是由直波导和弯曲波导拼接而成，且各波导之间相互平行。
4.根据权利要求1所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述输出平板结构（4）为波导材料制作而成的扇形平板。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述输出波导波导结构（5）包括若干输出波导，第二输入波导（12）与输出波导、各输出波导之间的间距均为127μm或250μm的整数倍。
6.根据权利要求5所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述输出波导结构（5），包括第一输出波导（51）、第二输出波导（52）、第三输出波导（53）和第四输出波导（54）。
7.根据权利要求6所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述输出波导结构（5），包括第一输出波导（51）、第二输出波导（52）、第三输出波导（53）、第四输出波导（54）、第五输出波导（55）、第六输出波导（56）、第七输出波导（57）和第八输出波导（58）。
8.根据权利要求1所述的同侧阵列波导光栅芯片，其特征在于：所述输入波导结构、输入平板结构、阵列波导结构、输出平板结构和输出波导结构均由波导材料制作而成，所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合。
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