CN114745057B - 通用型硅基集成光学频率传递芯片 - Google Patents

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Abstract

一种通用型硅基集成光学频率传递芯片，采用片上激光器实现对输入光学频率参考信号的锁定放大，放大后的信号可向多路下一级链路传递，用于实现下一级链路的相位稳定；当存在上一级链路时可向上一级链路回传放大后的信号，实现上一级链路的相位稳定。本发明通过型硅基集成芯片可同时用于主端收发、从端收发和中继收发，具有噪声低、结构紧凑、通用性高的优点。

Description

通用型硅基集成光学频率传递芯片
技术领域
本发明涉及光学频率传递集成化领域，特别是一种通用型硅基集成光学频率传递芯片。
背景技术
光学原子钟的频率比微波原子钟的频率高几个数量级。因此，理论上光学原子钟包括光离子钟和光晶格钟可实现更高的频率稳定度和准确度，目前频率准确度已经接近10-19量级，比现有的微波原子钟高一个量级以上，还有巨大的提升空间，已经成为下一代时间频率基准的有力竞争者。基于光纤链路光学频率传输技术被多次证明是突破现有技术限制、实现长距离传递一种有效解决方案。但是目前光纤光学频率传递的一部分性能受限于系统带外噪声的影响，为了克服这一问题，2020年日本NTT采用PLC光子集成实现了激光中继站，该芯片主要集成了无源光器件，采用光子集成技术有效抑制带外噪声的影响。但是PLC光子集成的尺寸较大，不适合CMOS兼容的光电集成[参见Akatsuka，T.，Goh，T.，Imai，H.，Oguri，K.，Ishizawa，A.，Ushijima，I.，Ohmae，N.，Takamoto，M.，Katori，H.，Hashimoto，T.and Gotoh，H.，2020.Optical frequency distribution using laserrepeater stations with planar lightwave circuits.Optics express，28(7)，pp.9186-9197.]。此外，现有的光学频率传递，主、从和中继都采用不同设计，不具备通用性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种通用型硅基集成光学频率传递芯片。本发明通过型硅基集成芯片可同时用于主端收发、从端收发和中继收发，具有噪声低、结构紧凑、通用性高的优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特点在于，包括反射型半导体放大器、反射镜、微环滤波器、1到N型耦合器、第一耦合器、第二耦合器、第一光电转换器、偏振控制器、第一偏振旋转分束器、第三耦合器、第四耦合器、第二光电转换器、第二偏振旋转分束器、移频器；所述的反射型半导体放大器的输出端与所述的反射镜的输入端相连，所述的反射镜的输出端与所述的微环滤波器的输入端相连，所述的微环滤波器的输出端与所述的1到N型耦合器的输入端相连，所述的1到N型耦合器的第N输出端口与所述的第一耦合器的第1端口相连，所述的第一耦合器的第2、3端口分别与所述的偏振控制器的第4端口、所述的第二耦合器第2端口相连，所述的第二耦合器第1、3端口分别与所述的第一光电转换器的光信号输入端口、所述的偏振控制器的第3端口相连，所述的偏振控制器的第1、2端口分别与所述的第一偏振旋转分束器的第3、2端口相连，所述的第一偏振旋转分束器的第1端口与输入/输出信号相连，所述的1到N型耦合器的第1输出端口与所述的第三耦合器的第1端口相连，所述的第三耦合器的第 2、3端口分别与所述的第二偏振旋转分束器的第3端口、所述的第四耦合器第2 端口相连，所述的第四耦合器第1、3端口分别与所述的第二光电转换器的光信号输入端口、所述的第二偏振旋转分束器的第2端口相连，所述的第二偏振旋转分束器的第1端口与所述的移频器的第1端口相连，所述的移频器的第2端口与输入/输出相连；
所述的反射型半导体光放大器的一端具有高反射率(反射率≥90％)，另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即反射型半导体光放大器的输出端；
所述的微环滤波器(103)采用临界耦合微环结构，其中微环中心波长可通过热调方式进行调节。
所述反射镜为布拉格光栅等结构。
所述的1到N型耦合器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四光耦合器集成在绝缘体上硅(SOI)基底上，可采用定向耦合器、多模干涉器等结构实现；
除反射型半导体光放大器外的其余部件都由硅波导实现，反射型半导体光放大器和硅芯片可以通过对接耦合等方式进行对准
本发明的技术效果如下：
本发明通过型硅基集成芯片可同时用于主端收发、从端收发和中继收发，具备对输入信号的放大，用于中继是可有效提高系统的补偿带宽，提高长距离光纤光学频率传递能力，具有噪声低、结构紧凑、通用性高的特点。
附图说明
图1是本发明通用型硅基集成光学频率传递芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例1 N＝3的结构示意图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例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和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明通用型硅基集成光学频率传递芯片包括反射型半导体放大器101，以及集成在绝缘体上硅基底上的反射镜102、微环滤波器103、1到N 型耦合器104、第一输入/输出模块、第二输入/输出模块模块、……，和第N输入/输出模块；所述的第一输入/输出模块、第二输入/输出模块模块……、第N-1 输入/输出模块均包括第一耦合器、第二耦合器、第一光电转换器、第一偏振旋转分束器和移频器；所述的第N输入/输出模块包括第三耦合器、第四耦合器、第二光电转换器、偏振控制器和第二偏振旋转分束器；所述的反射型半导体放大器101的输出端与所述的反射镜102的输入端相连，该反射镜102的输出端与所述的微环滤波器的输入端相连，该微环滤波器的输出端与所述的1到N型耦合器的输入端相连；所述的1到N型耦合器的第1输出端口、第2输出端口、……、第n-1输出端口分别与各自的输入/输出模块模块的第一耦合器的第1端口相连，该第一耦合器的第2、3端口分别与所述的第一偏振旋转分束器的第3端口、所述的第二耦合器的第2端口相连，所述的第二耦合器第1、3端口分别与所述的第一光电转换器的光信号输入端口、所述的第一偏振旋转分束器的第2端口相连，所述的第一偏振旋转分束器的第1端口与所述的移频器的第1端口相连，所述的移频器的第2端口与输入/输出相连；所述的1到N型耦合器的第N输出端口与所述的第三耦合器的第1端口相连，该第三耦合器的第2、3端口分别与所述的偏振控制器的第4端口、所述的第四耦合器第2端口相连，该第四耦合器第1、 3端口分别与所述的第二光电转换器的光信号输入端口、所述的偏振控制器的第 3端口相连，所述的偏振控制器的第1、2端口分别与所述的第二偏振旋转分束器的第3、2端口相连，该第二偏振旋转分束器的第1端口与输入/输出信号相连。
对于采用N＝3的1到3型耦合器的实施例如图2所示，本发明通用型硅基集成光学频率传递芯片包括反射型半导体放大器101，以及集成在绝缘体上硅基底上的反射镜102、微环滤波器103、1到3型耦合器104、第一输入/输出模块、第二输入/输出模块模块和第三输入/输出模块。第一输入/输出模块和第二输入/ 输出模块模块均包括第一耦合器110，115、第二耦合器111，116、第一光电转换器112，117、第一偏振旋转分束器113，118和移频器114，119。第三输入/输出模块包括第三耦合器105、第四耦合器106、第二光电转换器107、偏振控制器108 和第二偏振旋转分束器108；模块间的连接方式与上述过程类似。
在图1和图2中，所述的反射型半导体光放大器的一端具有高反射率(反射率≥90％)，另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即反射型半导体光放大器的输出端；
在图1和图2中，所述的微环滤波器103采用临界耦合微环结构，微环的 FSR可根据芯片的移频量进行设计，其中微环中心波长可通过热调方式进行调节。所述反射镜为布拉格光栅等结构。所述的1到N型耦合器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四光耦合器集成在绝缘体上硅(SOI)基底上，可采用定向耦合器、多模干涉器等结构实现。除反射型半导体光放大器外的其余部件都由硅波导实现，反射型半导体光放大器和硅芯片可以通过对接耦合等方式进行对准。
本发明通过硅芯片实现光学频率系统，具有系统噪声低、结构紧凑、封装简单和可靠性高的优点。

Claims (6)

1.一种通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特征在于，包括反射型半导体放大器（101），以及集成在绝缘体上硅基底上的反射镜（102）、微环滤波器（103）、1到N型耦合器（104）、第一输入/输出模块、第二输入/输出模块、…，和第N输入/输出模块；
所述的第一输入/输出模块、第二输入/输出模块、…、第N-1输入/输出模块均包括第一耦合器、第二耦合器、第一光电转换器、第一偏振旋转分束器和移频器；
所述的第N输入/输出模块包括第三耦合器、第四耦合器、第二光电转换器、偏振控制器和第二偏振旋转分束器；
所述的反射型半导体放大器（101）的输出端与所述的反射镜（102）的输入端相连，该反射镜（102）的输出端与所述的微环滤波器的输入端相连，该微环滤波器的输出端与所述的1到N型耦合器的输入端相连；所述的1到N型耦合器的第1输出端口、第2输出端口、…、第n-1输出端口分别与各自的输入/输出模块的第一耦合器的第1端口相连，该第一耦合器的第2、3端口分别与所述的第一偏振旋转分束器的第3端口、所述的第二耦合器的第2端口相连，所述的第二耦合器第1、3端口分别与所述的第一光电转换器的光信号输入端口、所述的第一偏振旋转分束器的第2端口相连，所述的第一偏振旋转分束器的第1端口与所述的移频器的第1端口相连，所述的移频器的第2端口与输入/输出相连；所述的1到N型耦合器的第N输出端口与所述的第三耦合器的第1端口相连，该第三耦合器的第2、3端口分别与所述的偏振控制器的第4端口、所述的第四耦合器第2端口相连，该第四耦合器第1、3端口分别与所述的第二光电转换器的光信号输入端口、所述的偏振控制器的第3端口相连，所述的偏振控制器的第1、2端口分别与所述的第二偏振旋转分束器的第3、2端口相连，该第二偏振旋转分束器的第1端口与输入/输出信号相连。
2.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特征在于，所述的反射型半导体放大器（101）的输入端具有高反射率，即反射率≥90％,输出端具有低反射率，即反射率≤0.005％。
3.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特征在于，所述的微环滤波器（103）采用临界耦合微环结构，其中微环中心波长通过热调方式进行调节。
4.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特征在于，所述反射镜为布拉格光栅。
5.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特征在于，所述的1到N型耦合器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四光耦合器采用定向耦合器或多模干涉器实现。
6.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光学频率传递芯片，其特征在于，除反射型半导体光放大器外的其余部件都由硅波导实现，反射型半导体光放大器和硅芯片通过对接耦合方式进行对准。
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