CN113568094A - 一种基于阵列波导光栅的光信号处理芯片 - Google Patents

一种基于阵列波导光栅的光信号处理芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于阵列波导光栅的光信号处理芯片，包括：AWG、相位与幅度控制阵列以及反射器阵列；AWG将入射光信号的不同频率分量投射到空间中的不同位置上，然后对每个频率分量进行幅度与相位控制，之后每个频率分量通过全反射器返回相位与幅度控制阵列，并沿原路返回，最后回到AWG的输入波导中，并通过循环器与入射信号分开。采用本发明的技术方案，通过控制相移阵列和幅度调制阵列，可在频域内对入射光信号进行处理，实现光学滤波器、波形发生器功能。

Description

一种基于阵列波导光栅的光信号处理芯片
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种基于阵列波导光栅(AWG)的光信号处理芯片
背景技术
随着光通信技术的不断发展，可调谐全光网络正在成为研究热点，可实现光束调制的空间光调制器成为全光网络系统中的核心光电子器件，其性能直接影响系统的综合指标。近年来，空间光调制器的研究和应用在迅速发展，其具有高精度、低电压驱动、高反应灵敏度等优点，由于具有良好的空间中实时调制光束的能力，空间光调制器成为光信息处理、光计算、光电综合系统等系统中的关键器件，在现代光学的很多方向中具有重要的应用，例如信道选通与滤波、显示技术、图像处理、光调制、光计算、光学控制、光学检测、模式识别等。
空间光调制器具有多种类别，例如液晶空间光调制器、变形反射镜空间光调制器、微通道板空间光调制器、光折变空间光调制器等，其中，液晶空间光调制器目前发展得最为迅速且应用最为广泛，其利用液晶在电场作用下具有光学各向异性的特性，可对光束的相位、振幅进行一维或二维空间调制。
基于液晶的光学空间模式控制研究开始较早，在商业上已经比较成熟。美国BNS公司最新研发出1536×1536像素高刷新频率的SLM，驱动电压为12V，刷新频率可达600fps；德国Holoeye公司近日推出一款高相位深度的LCoS，这款LCoS在1550nm下可实现2.6π相位深度，平均反射率为72％，该公司也推出了一款12V电压驱动、像素数为4094x2464的LCoSSLM。
但基于液晶的光学空间模式控制速度比较慢，只有毫秒量级，另外模式控制范围也比较受限，比如光束的偏转角度方面一般小于10度。
基于微机械(MEMS)振镜的光学空间模式控制也有比较多的研究，其中，美国是起步最早、技术最先进的国家，其研究机构有空军实验室、波斯顿大学及其微机械公司、斯坦福大学、加州大学Berkeley分校传感器与执行器中心、加州大学圣克鲁斯分校、劳伦斯国家实验室、朗讯(Lucent)公司、IrisAO公司以及德州仪器(TI)公司等。荷兰Delft大学及其商业合作伙伴OKOTechnology公司在薄膜MEMS空间光调制器研究方面是最先进的，已经有了许多商业化产品。
但是基于MEMS的空间光调制器仍然具有许多问题，如行程普遍较小，不能满足某些系统对大行程的要求；残余应力大，表面质量差，镜面光学质量难以保证；驱动和控制电路复杂，特别是当驱动器单元数增加时，对空间光调制器的控制难度显著增大；成本高，价格昂贵；可靠性差，成品率不高。
近年来由于光子集成技术尤其是硅基光子集成技术的飞速发展，传统的基于光波导的光学空间模式控制又引起了人们极大的研究兴趣。基于光波导可以发展出光学相控阵、阵列波导光栅、光学幅度控制阵列等，所以基于光子集成技术的光学空间模式控制有望突破传统液晶与MEMS技术的瓶颈，在模式控制的功能、范围、模式转换速度等方面都取得突破性进展。这些光学相控阵芯片通过控制发射单元的相位来实现光束的偏转，具有非常广泛的应用潜力。
目前商用的有国外Finisar公司的的单通道waveshaper，主要采用分立的衍射光栅和2维LCoS阵列实现了不同频率光波分波处理，该方案由于采用分立光学器件，器件尺寸和稳定性不易控制，并且限制了其性能提升。
发明内容
针对现有技术存在缺陷，本发明提出一种基于阵列波导光栅(AWG)的光信号处理芯片，可在频域内对入射光信号进行处理，实现光学滤波器、波形发生器等功能。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于阵列波导光栅的光信号处理芯片，可以对入射光信号的不同频率分量进行相位与幅度的控制，包括：AWG、相位与幅度控制阵列以及反射器阵列，其中，入射光信号经循环器的第一端口输入，第二端口输出并耦合进入AWG的输入波导，AWG作为分波器件，将入射光信号的不同频率分量投射到空间中的不同位置上，然后对每个频率分量进行幅度与相位控制，之后每个频率分量通过全反射器返回相位与幅度控制阵列，并沿原路返回，最后回到AWG的输入波导中，通过循环器第三端口输出。
作为优选，AWG每个输出波导后面接一个等臂长的马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪包含：第一分束器、第二分束器，在第一分束器、第二分束器之间的两根波导上各覆盖条状电极，通过在条状电极上施加电压来对信号进行幅度和相位调制。
作为优选，反射器由基于环形镜的全反射器构成，包括：分束器和弯曲波导，分束器的左侧端口作为光输入端，右侧端口通过弯曲波导连接成环。
作为优选，所有频率分量在离开AWG，经过相位与幅度控制阵列和反射器阵列，最后回到AWG的过程中，所经过的光程是完全相同的。
本发明的有益效果是：本发明将AWG、相位与幅度控制阵列以及反射器阵列单片集成，实现对入射光波不同频率成分的相位和幅度控制。且不同的频率分量之间的相位差完全由相位与幅度控制阵列决定。整个光信号处理芯片采用反射式的结构，进一步减小了整个芯片的体积，在成本控制和制作工艺上具有优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明光信号处理芯片示意图；
图2为本发明一个具体实例的AWG透射谱仿真图；
图3为本发明一个具体实例的AWG与输入输出波导之间过渡结构示意图；
图4为本发明一个具体实例的AWG与阵列波导之间喇叭状结构示意图；
图5为本发明中所用喇叭状结构对光场形状改变示意图；
图6为本发明中一个输出通道的相位与幅度控制部分示意图；
图7为本发明全反射器的示意图；
图8为本发明相邻两个全反射器排列方式的示意图。
具体实施方式
下文将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供一种基于阵列波导光栅(AWG)的光信号处理芯片，所述光信号处理芯片基于反射式的结构，由AWG、相位与幅度控制阵列以及反射器连接组成。
在本实例中，阵列波导光栅、相位与幅度控制阵列以及反射器均在z切薄膜铌酸锂材料上单片集成，实现对入射光波不同频率成分的相位和幅度控制。采用薄膜铌酸锂材料作为波导层，可以实现很低的波导损耗(<0.1dB/cm)，因而降低整个光信号处理芯片的损耗。相对于传统的硅基或铟磷基的光学相控阵，本发明的损耗和功耗都具有明显优势；光相位控制、幅度控制阵列利用铌酸锂的一阶电光效应来实现，相对于热光相移器和电注入相移器几乎没有功耗，本发明整体电功耗会非常小，模式变化速度会非常快。
整个光信号处理芯片采用反射式结构，入射光信号经循环器的第一端口1输入，第二端口2输出并耦合进入AWG的输入波导，AWG作为分波器件，将入射光信号的不同频率分量投射到空间中的不同位置上，然后对每个频率分量进行幅度与相位控制，之后每个频率分量通过全反射器返回相位与幅度控制阵列，并沿原路返回，最后回到AWG的输入波导中，并通过循环器与入射信号分开。通过控制相移阵列和幅度调制阵列，可在频域内对入射光信号进行处理，实现光学滤波器、波形发生器等功能。
AWG被设计为具有625GHz的FSR，同时信道间隔为6.25GHz，共100个输出通道，波长分辨率为50pm。AWG透射谱仿真如图2所示。由于本发明需要实现的频率分辨率非常高，所用AWG尺寸比较大，因此需要采用设计减小整体尺寸。
输入输出波导在罗兰圆，也即是平板波导上的周期也是影响AWG尺寸的重要因素。周期越小，整个AWG的尺寸也越小，但是当波导周期太小的时候，波导之间的间隔太小会导致波导之间的模式发生耦合。因此在输入输出波导与平板波导连接处采用梯形过渡结构，如图3所示，在保证波导间间隔足够的同时减小了整个AWG的尺寸。
在平板区和阵列波导区的交界处，如果阵列波导模式具有和输入波导相同的余弦形状则会引入比较大的损耗，因此我们使用如图4所示喇叭状结构将阵列波导模式从余弦改变为更方形的形状。喇叭状结构入口宽度2μm，出口宽度4μm，长度12μm。图5出了结构如何改变模式形状。
不同频率的光信号从AWG输出波导输出，进入如图6所示的相位与幅度控制阵列。相位与幅度控制阵列包含：第一分束器、第二分束器，在第一分束器、第二分束器之间的两根波导上各覆盖条状电极。AWG每个输出波导后面接一个等臂长的马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪的输入输出为第一分束器、第二分束器。条状电极覆盖在马赫曾德干涉仪的两个臂上，可以通过在电极上施加电压来控制每个臂的相位。在两个臂上施加电压即可利用铌酸锂的一阶电光效应对光信号进行调制。每个频率分量对应的不同输出通道的电压均可单独控制，因此可以对不同频率的信号进行分别的幅度和相位调制。
当马赫曾德干涉仪的两臂不施加电压时，入射光信号从第一分束器11的上端口输入，功率均分进入第二分束器12，此时第二分束器12的两个输入端是等相位的，因此会从第二分束器12的下端口输出进入散射区13完全消耗，此时该输出通道没有输出，可以视作关断状态。当马赫曾德干涉仪的两臂施加一定电压时，到达第二分束器12的两个输入端的光信号将不再是等相位的，因此第二分束器12的上输出端有信号输出，可以进入后面的反射区域。
如图7所示的反射区域由分束器和弯曲波导构成，分束器的两个输出端通过弯曲波导连接成环。当光信号进入分束器后，被分为完全相同的两路分别传输。各自经过弯曲波导传输相同距离后进入分束器的另一个输出端。由于经过了相同的路程，因此在传输一周重新进入分束器时两个端口的光信号依旧是等相位的，两路等相位的光信号经过分束器重新合为一路，与入射时完全相同，因此可以得到高反射率的反射区域。
为了减小器件的整体尺寸，反射器采用交错的排列方式，压缩了相邻两个反射器之间的间隔。为了保证不同频率分量在经过对应的反射器后具有相同的相位改变，本发明采用了如图8所示的结构，其中第二直波导20的长度等于两倍的第一直波导10的长度，从而保证不同频率分量的光信号在反射器内经过了相同的路程。
基于同样的考虑，采用了额外的直波导来保证从AWG输出端进入相位与幅度控制通道之前具有相同的光程，从而避免引入额外的相位差。因此从AWG输出的不同频率分量之间的差别仅取决于其在相位与幅度控制阵列中受到的调制。
从反射器返回的光信号重新经过相位与幅度控制阵列，不同频率的光信号经过各自的相位与幅度控制阵列后进入AWG重新合波，从AWG的输入波导处输出，之后由循环器的第三端口3输出。至此，本发明所述的光信号处理芯片对于所有频率分量的入射光信号全进全出，且可以对每个频率分量单独进行调制。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实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，可以对本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 (4)

1.一种基于阵列波导光栅的光信号处理芯片，其特征在于，包括：AWG、相位与幅度控制阵列以及反射器阵列，其中，入射光信号经循环器的第一端口输入，第二端口输出并耦合进入AWG的输入波导，AWG作为分波器件，将入射光信号的不同频率分量投射到空间中的不同位置上，然后对每个频率分量进行幅度与相位控制，之后每个频率分量通过全反射器返回相位与幅度控制阵列，并沿原路返回，最后回到AWG的输入波导中，通过循环器第三端口输出。
2.如权利要求1所述的基于阵列波导光栅的光信号处理芯片，其特征在于，AWG每个输出波导后面接一个等臂长的马赫曾德干涉仪，马赫曾德干涉仪包含：第一分束器、第二分束器，在第一分束器、第二分束器之间的两根波导上各覆盖条状电极，通过在条状电极上施加电压来对信号进行幅度和相位调制。
3.如权利要求1所述的基于阵列波导光栅的光信号处理芯片，其特征在于，反射器由基于环形镜的全反射器构成，包括：分束器和弯曲波导，分束器左侧端口作为光输入端，右侧端口通过弯曲波导连接成环。
4.如权利要求1所述的基于阵列波导光栅的光信号处理芯片，其特征在于，所有频率分量在离开AWG，经过相位与幅度控制阵列和反射器阵列，最后回到AWG的过程中，所经过的光程完全相同。
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