CN111399305A - 一种用于光学相控阵芯片的接口、芯片和相位调制方法 - Google Patents

一种用于光学相控阵芯片的接口、芯片和相位调制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于光学相控阵芯片的接口、芯片和相位调制方法，包括：波导、光纤阵列、热光调制器，定向耦合器和锗探测器；光纤阵列与多条波导耦合相连，将接收到的激光传输至波导；多个热光调制器与多个定向耦合器相连，热光调制器对通过的波导进行折射率调节，从而调整波导中的激光的相位；多个耦合器和多个锗探测器相连，获取与其耦合的热光调制器传输的激光作为对比光，传输至锗探测器；锗探测器对比两个耦合器发送的对比光的相位，其中，两个相邻的耦合器与两个不同的热光调制器耦合。通过热光调制器调节波导的折射率，使用锗探测器对比两个对比光的相位，能将所有激光的相位调整至一致，实现分光，提高光子集成芯片中光学相控阵的功率。

Description

一种用于光学相控阵芯片的接口、芯片和相位调制方法
技术领域
本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种用于光学相控阵芯片的接口、芯片和调制方法。
背景技术
目前，光子集成技术依托于成熟半导体工艺，利用波导原理，将光学系统微型化芯片化，具有功耗低、体积小、稳定度高、批量生产下成本低等优势，是光学系统未来的重要发展方向之一。该技术目前主要应用于通信领域，未来随着技术的不断进步，该技术将被广泛应用于传感等更多领域。
将光子集成芯片用于物理量传感领域，需要面对的一个重要挑战是将芯片波导中的光场与可远距离传播的自由空间光场相转换。光子集成芯片，尤其是最具潜力的硅光子波导中的模场尺寸通常为亚微米级，而远距离传感通常要求光束具有毫米甚至厘米级尺寸以降低衍射损耗。相差3-4个数量级(以面积算为6-8个数量级)的光场尺寸错配导致二者之间的转换难度较大，限制了光子集成芯片的应用场景。基于光子集成技术的光学相控阵是实现以上所述模场转换的最重要技术手段。
高功率的光学相控阵是远距离探测应用的重要基础之一，然而，现有的硅基光学相控阵芯片的功率通常被限制在数十毫瓦之内，严重限制其远距离应用。目前光学相控阵功率的提高主要从材料角度入手，使用氮化硅等材料代替硅材料。然而基于氮化硅等材料的光学相控阵带来集成度低、高阶衍射多、热光调制困难、无法制备有源器件等诸多问题。
因此，需要提供一种不需要更换材料就能够提高光子集成芯片中光学相控阵的功率的用于光学相控阵芯片的接口、芯片和相位调制方法。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出了一种用于光学相控阵芯片的接口、芯片和相位调制方法。
一方面，本申请提出一种用于光学相控阵芯片的接口，包括：波导、光纤阵列、多个热光调制器，多个定向耦合器和多个锗探测器；
所述光纤阵列与多条波导耦合相连，用于将接收到的激光传输至波导；
多个热光调制器与多个定向耦合器相连，所述热光调制器用于对通过的波导进行折射率调节，从而调整波导中的激光的相位；
多个耦合器和多个锗探测器相连，用于获取通过所述热光调制器，与耦合器耦合的所述波导传输的激光，作为对比光，传输至锗探测器；
所述锗探测器用于对比两个耦合器发送的所述对比光的相位，其中，两个相邻的耦合器与两个不同的热光调制器耦合。
优选地，所述多个热光调制器与多个定向耦合器相连，具体为：连接于光纤阵列两端出口的热光调制器分别与一个耦合器耦合，连接于光纤阵列其他出口的每个热光调制器与两个耦合器耦合。
优选地，所述多个耦合器和多个锗探测器相连，具体为：相邻的热光调制器所连接的两个定向耦合器连接同一个锗探测器。
优选地，所述光纤阵列还与高功率光纤激光器相连。
第二方面，本申请提出一种芯片，包括：上述的用于光学相控阵芯片的接口。
优选地，所述芯片还包括与波导相连的天线阵列。
优选地，包括：相控阵芯片和光子集成芯片。
第三方面，本申请提出一种用于光学相控阵芯片相位调制的方法，包括：
光纤阵列获取激光，传输至热光调制器；
热光调制器调节波导的折射率，对接收到的激光进行相位调整；
耦合器获取通过所述热光调制器，与耦合器耦合的所述波导传输的激光作为对比光；
锗探测器对比两个耦合器发送的所述对比光的相位。
本申请的优点在于：通过热光调制器调节波导的折射率，同时使用锗探测器对比两个耦合器发送的对比光的相位，能够将光纤阵列发送的所有激光的相位调整至一致，从而实现分光，降低单条波导上承载的功率，提高光子集成芯片中光学相控阵的功率，不需要更换芯片材料。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请提供的一种用于光学相控阵芯片的接口的示意图；
图2是本申请提供的一种用于光学相控阵芯片的接口的定向耦合器与波导耦合连接的示意图；
图3是本申请提供的一种用于光学相控阵芯片的接口的与天线阵列连接的示意图；
图4是本申请提供的一种用于光学相控阵芯片的相位的调制方法的步骤示意图；
附图标记
1光纤阵列2热光调制器
3定向耦合器4锗探测器
5波导6天线阵列
51第一波导52第二波导
53第三波导54第四波导
31定向耦合器32定向耦合器
33定向耦合器34定向耦合器
35定向耦合器36定向耦合器
37定向耦合器38定向耦合器
61单条天线62单条天线
63单条天线64单条天线
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
第一方面，根据本申请的实施方式，提出一种用于光学相控阵芯片的接口，如图1所示，包括：波导、光纤阵列、多个热光调制器，多个定向耦合器和多个锗探测器；光纤阵列与多条波导耦合相连，用于将接收到的激光传输至波导；
多个热光调制器与多个定向耦合器相连，热光调制器用于对通过的波导进行折射率调节，从而调整波导中的激光的相位；多个耦合器和多个锗探测器相连，用于获取通过热光调制器，与耦合器耦合的波导传输的激光，作为对比光，传输至锗探测器；锗探测器用于对比两个耦合器发送的对比光的相位，其中，两个相邻的耦合器与两个不同的热光调制器耦合。
多个热光调制器与多个定向耦合器相连，具体为：连接于光纤阵列两端出口的热光调制器分别与一个耦合器耦合，连接于光纤阵列其他出口的每个热光调制器与两个耦合器耦合。
多个耦合器和多个锗探测器相连，具体为：相邻的热光调制器所连接的两个定向耦合器连接同一个锗探测器。
光纤阵列还与高功率光纤激光器相连。
下面，对本申请的实施方式的工作原理进行进一步说明。
硅基相控阵功率难以提高的主要原因在于高功率激光可以引发双光子吸收，导致硅波导过热而烧毁芯片，单模硅波导功率上限大约在十毫瓦量级。
硅材料具有较强的热光效应，即硅材料在温度升高时折射率会提升。通过加热电阻对波导进行加热，可以调节硅基波导的折射率，从而实现光程调节，也就是实现波导内光波的相位调节，不会对波导内的光场产生其他影响。
如图2所示，光在波导内传播时，波导外存在倏逝波，当两条波导靠近时，可以依靠倏逝波耦合效应实现光场由一条波导向另一条波导的耦合。通过控制平行波导的长度和波导间的距离，可以控制耦合强度。本申请实施方式中所使用的定向耦合器，具有较低的耦合强度，对输入光强的损耗非常微弱。
锗探测器利用光电效应探测由两条波导内引出来的光干涉之后的光强，当两条波导内的光是完全同相位时，才有最高的干涉光强，因此通过调整热光调制器，直到锗探测器具有最高功率就可以确定两条波导内的光为同相位。
由于最初耦合入各条波导的激光相位是随机的，无法直接用于相控阵的天线阵列，因此需要热光调制器、定向耦合器和锗探测器，用于各条波导内激光相位的调制和锁定。
多条波导中的每条波导的端头都具有耦合器件，与光纤阵列中的光纤对准从而实现耦合，其中，一条波导对应一条光纤。
如图3所示，以一个四输出的光纤阵列为例，以第一波导为参照波导，利用与其耦合相连的定向耦合器耦合出微量激光(例如1％)作为参照光。利用定向耦合器从第二波导引出同样比例的激光，与第一波导的参照光进行干涉并利用锗探测器测定干涉后的光功率。由于本申请实施方式的第一波导与第二波导之间的结构完全对称，只有当第二波导中激光的相位与第一波导一致时，锗探测器才具有最大功率。通过调节第二波导上的热光调制器的电流对第二波导中的激光进行相位调节，直至第二波导与第一波的相位完全一致。第一波导和第四波导只与一个定向耦合器耦合连接，而第三波导以及第四波导都同时与两个定向耦合器耦合连接。
之后，以第二波导为参考，对第三波导中的激光相位进行调节并锁定。以此类推，直至所有波导的相位一致，从而将同相位激光输入至各并列排布的天线阵列，如图3所示，实现协同输出。
本申请的实施方式中，光纤阵列与硅基光子集成芯片的多条输入波导实现耦合，在单条波导功率保持恒定的情况下，实现芯片承载总功率的提升。
波导包括：硅基光波导。
第二方面，根据本申请的实施方式，还提出一种芯片，包括：上述的用于光学相控阵芯片的接口。
芯片还包括与波导相连的天线阵列。
本申请的实施方式包括：相控阵芯片和光子集成芯片。
第三方面，根据本申请的实施方式，还提出一种用于光学相控阵芯片相位调制的方法，如图4所示，包括：
S101，光纤阵列获取激光，传输至热光调制器；
S102，热光调制器调节波导的折射率，对接收到的激光进行相位调整；
S103，耦合器获取通过热光调制器，与耦合器耦合的波导传输的激光作为对比光；
S104，锗探测器对比两个耦合器发送的对比光的相位。
本申请的系统中，通过热光调制器调节波导的折射率，同时使用锗探测器对比两个耦合器发送的对比光的相位，能够将光纤阵列发送的所有激光的相位调整至一致，从而实现分光，降低单条波导上承载的功率，在单条波导功率保持恒定的情况下，实现芯片承载总功率的提升，提高光子集成芯片中光学相控阵的功率，不需要更换芯片材料，节省开发成本。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于光学相控阵芯片的接口，其特征在于，包括：波导、光纤阵列、多个热光调制器，多个定向耦合器和多个锗探测器；
所述光纤阵列与多条波导耦合相连，用于将接收到的激光传输至波导；
多个热光调制器与多个定向耦合器相连，所述热光调制器用于对通过的波导进行折射率调节，从而调整波导中的激光的相位；
多个耦合器和多个锗探测器相连，用于获取通过所述热光调制器，与耦合器耦合的所述波导传输的激光，作为对比光，传输至锗探测器；
所述锗探测器用于对比两个耦合器发送的所述对比光的相位，其中，两个相邻的耦合器与两个不同的热光调制器耦合。
2.如权利要求1所述的接口，其特征在于，所述多个热光调制器与多个定向耦合器相连，具体为：连接于光纤阵列两端出口的热光调制器分别与一个耦合器耦合，连接于光纤阵列其他出口的每个热光调制器与两个耦合器耦合。
3.如权利要求1所述的接口，其特征在于，所述多个耦合器和多个锗探测器相连，具体为：相邻的热光调制器所连接的两个定向耦合器连接同一个锗探测器。
4.如权利要求1所述的接口，其特征在于，所述光纤阵列还与高功率光纤激光器相连。
5.一种芯片，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的接口。
6.如权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括与波导相连的天线阵列。
7.如权利要求5所述的芯片，其特征在于，包括：相控阵芯片和光子集成芯片。
8.一种用于光学相控阵芯片相位调制的方法，其特征在于，包括：
光纤阵列获取激光，传输至热光调制器；
热光调制器调节波导的折射率，对接收到的激光进行相位调整；
耦合器获取通过所述热光调制器，与耦合器耦合的所述波导传输的激光作为对比光；
锗探测器对比两个耦合器发送的所述对比光的相位。
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