CN115473585A - 多功能可配置光电转换阵列芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能可配置光电转换阵列芯片，该芯片基于集成光子技术，构建二维光栅耦合器阵列，并配合光开关阵列、本振光栅耦合器阵列、光电探测器阵列、低噪声放大器阵列，能够实现空间光信号的接收、微波信号多通道并行输出、通道选择性输出、微波信号光域下变频和微波信号放大等多种功能，并能够根据实际场景需要，进行多种功能的灵活配置，具有集成度高、稳定性强、功能可配置等优势。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，具体涉及集成微波光子领域的多功能可配置光电转换阵列芯片技术研究。
背景技术
随着5G的大规模商用，全球业界已经开启对下一代移动通信技术（6G）的研究探索。相比于5G的高速率、大连接、低延时，高可靠的特点，6G带来的是沉浸化、智慧化、全域化等全新趋势。为满足未来6G更加丰富的业务应用以及极致的性能需求，需要探索新的物理维度，以实现信息传输方式的革命性突破。智能全息无线电是利用电磁波的全息干涉原理实现电磁空间的动态重构和实时精密调控，将实现从射频全息到光学全息的映射，通过射频空间谱全息和全息空间波场合成技术实现超高分辨率空间复用，可满足未来6G的超高谱效率、超高数据密度和超高容量等需求。
智能全息无线电技术将光子技术引入大规模射频处理领域，基于微波光子学的射频和光学的相互转换，不仅可以全面地记录全空间射频信号的振幅和相位，而且能合成复杂的空间电磁分布，在无线通信领域将会有广泛应用前景。为了实现智能全息无线电中空间光学信号到射频信号的转换，需要使用多阵元二维光电探测器阵列，完成光学全息到射频全息的下转换。但是，目前关于光电探测阵列芯片的研究大部分都聚焦在单一的光电转换功能，只能通过分立的功能器件或模块实现通道选择、光域变频和微波信号放大等复杂功能，导致系统稳定性差，无法满足6G技术集成化、芯片化和多样化的应用需求。因此，迫切需要一种多功能光电探测器阵列芯片，为6G技术的发展奠定基础。
发明内容
为解决上述需求，本发明提供一种多功能光电转换阵列芯片，基于集成光子技术，结合集成主光栅耦合器阵列、光开关阵列、光电探测器阵列、本振光栅耦合器阵列以及异质集成低噪声放大器阵列，可实现多通道微波并行输出、通道选择性输出、微波光域下变频、微波放大等多种功能，具有集成度高、稳定性强、多功能可配置等优势，极具应用前景。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种多功能可配置光电转换阵列芯片，其包括主光栅耦合器阵列以接收空间光信号，用于将所述的光栅耦合器阵列接收的空间光信号传输至其他的功能单元；光电探测器阵列，用于将所述空间光信号光电转换为微波信号；其中，自所述主光栅耦合器阵列中的一个光栅耦合器，经过一个光波导传输至所述光电探测器阵列中的一个光电探测器构成一条通道。
进一步的，在上述方案中的每个通道配置光开关，通过控制所述光开关的开关电压可实现通道的切换，进而实现多路微波信号的选择性输出功能。
其中，所述的光开关是基于热光效应的热光开关，其能够实现微秒级通道选择；或是基于载流子效应的电光开关，可实现纳秒级高速的通道选择性输出。
进一步的，在上述方案中通过为每个通道配置本振光栅耦合器给每个通道加入本振信号，能够实现光信号的微波光域下变频功能。
其中，在加载本振信号的过程中，为了避免光学本振的输入端口过多，封装过程困难，以通过级联多个2×1的分路器的方式实现多路光本振的输入，或根据需要设计N×1的分路器。
进一步的，在上述方案中，通过键合技术，能够将所述的光电探测器阵列和低噪声放大器阵列芯片进行异质集成，实现微波信号放大功能。
需要进一步明确的是，上述本发明提到多功能可配置光电转换阵列芯片，根据具体应用场景，可选择性的配置光开关阵列、本振光栅耦合器阵列及异质集成低噪声放大器阵列，降低系统的复杂度，以实现多功能可配置光电转换阵列芯片。
本发明的有益效果
本发明基于主光栅耦合器阵列能够实现空间光信号的接收，配合光电探测器阵列能够实现微波信号多通道并行输出，利用光开关阵列能够实现通道选择性输出，通过给光电光探测器输入本振光能够在光域上实现微波信号光域下变频，通过键合（bonding）技术形成键合结构以异质集成低噪声放大器阵列实现微波信号的放大等多种功能，并能够根据实际场景需要，进行多种功能的灵活配置。本发明基于集成光子技术具有灵活性强、集成度高、稳定性强等优势。
附图说明
图1是根据本申请的实施例的二维高速光电转换阵列芯片示意图。其中，附图标记如下：光栅耦合器阵列2、光开关阵列3、本振光栅耦合器阵列5、光电探测器阵列4、低噪声放大器阵列6、空间光信号1、键合结构7
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员能够更好地理解本发明并予以实施。
本方案的系统框图如图1所示，本发明提出的二维高速光电转换阵列芯片主要包括：主光栅耦合器阵列2、光开关阵列3、本振光栅耦合器阵列5、光电探测器阵列4、低噪声放大器阵列6以及键合结构7。
空间光信号1通过主光栅耦合器阵列2中的不同光栅耦合器分别接收，然后经由波导传输至光电探测器阵列4，将光信号转换为多个微波信号，不同的微波信号从不同的通道分别输出，实现微波信号多通道并行输出功能。
在芯片上配置光开关阵列3，通过控制光开关的开关电压，控制各个通道中光信号的大小，实现通道选择性输出功能。
光开关阵列3的基本单元主要采用马赫-曾德尔干涉仪结构的硅基光开关，从作用机理上可以分为两种：一种是基于热光效应的热光开关，利用热电极发热，改变马赫-曾德尔干涉仪其中一个臂的折射率，实现光开关功能，具有损耗低、功耗低及工艺简单等优势；另一种是基于掺杂硅波导载流子效应的电光开关，通过调节马赫-曾德尔干涉仪其中一个臂的掺杂硅波导所加的电压，改变硅材料的折射率，实现光开关功能，具有速度快的优势。在实际的实施过程中根据应用场景的不同，可选用不同种类的光开关。
当接收到的光信号1只包含携带微波信号的光边带信号时，可通过光纤阵列与本振光栅耦合器阵列5，为每个光电探测器输入一个本振信号，实现微波信号光域下变频的功能。为了避免光学本振的输入端口过多，封装过程困难，以通过级联多个2×1的分路器实现多路光本振的输入，也可根据需要设计N×1的分路器。
当光电探测器阵列4转换的微波信号较弱，无法满足应用系统的需要时，可将低噪声放大器阵列6芯片与二维高速光电转换阵列芯片通过键合结构7方式进行异质集成，实现高功率微波信号的输出功能。
综上所述，按照本发明实现的二维高速光电转换阵列芯片能够实现空间光信号的接收、微波信号多通道并行输出、通道选择性输出、微波信号光域下变频和微波信号放大等多种功能，并能够根据实际场景需要，进行多种功能的灵活配置，具有集成度高、稳定性强、功能可配置等优势，在集成微波光系统中发挥关键作用，具有很高的应用价值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.多功能可配置光电转换阵列芯片，其特征在于：包括
主光栅耦合器阵列，用于接收空间光信号；
光波导，用于将所述的光栅耦合器阵列接收的空间光信号传输至其他的功能单元；
光电探测器阵列，用于将所述空间光信号光电转换为微波信号；
低噪声放大器阵列，其通过键合异质集成于所述光电探测器阵列以接收所述微波信号并将其放大；
其中，自所述主光栅耦合器阵列中的一个光栅耦合器，经过一个光波导传输至所述光电探测器阵列中的一个光电探测器构成一条通道。
2.根据权利要求1所述的多功能可配置光电转换阵列芯片，其特征在于：每条通道光开关阵列的一个光开关，通过控制所述光开关的开关电压可实现通道的切换，进而实现多路微波信号的选择性输出功能。
3.根据权利要求2所述的多功能可配置光电转换阵列芯片，其特征在于：所述光开关是基于热光效应的热光开关，其能够实现微秒级通道选择；或是基于载流子效应的电光开关，能够实现纳秒级高速的通道选择性输出。
4.根据权利要求1所述的多功能可配置光电转换阵列芯片，其特征在于：还包括本振光栅耦合器阵列，其包括多个本振光栅耦合器，每个本振光栅耦合器用于为每个通道加入本振信号，以将光信号在光域进行下变频。
5.根据权利要求1所述的多功能可配置光电转换阵列芯片，其特征在于：还包括低噪声放大器阵列，其包括多个低噪声放大器，通过键合结构异质集成于所述的光电探测器阵列，将微波信号放大。
6.根据权利要求4所述的多功能可配置光电转换阵列芯片，其特征在于：还包括多个2×1的分路器或者N×1的分路器级联结构，用于减少所述本振光栅耦合器阵列数目。
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