CN116707659A - 一种可编程可扩展光子处理核心结构 - Google Patents

一种可编程可扩展光子处理核心结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心，包括一种可调谐基本单元TBU，该TBU包括一个可调谐光耦合器以及一个微环谐振器型光开关。其中，可调谐光耦合器内部设置有移相器，通过控制电路实现耦合系数的调节；微环谐振器型光开关为双环结构，并在环波导上设置移相器，可调节其谐振波长与光开关的通带或阻带带宽。多个核心元胞连接到可调谐基本单元TBU以构成预定形状的核心元胞，根据所设置的光耦合系数、相位及波长范围将光信号以预定光路径进行传输。本发明的光子处理核心可重构为对称MZI、不对称MZI、微环谐振器、线性光计算网络、波分复用/解复用系统以及波束形成等。

Description

一种可编程可扩展光子处理核心结构
技术领域
本发明涉及集成微波光子学技术领域，具体涉及一种基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心。
背景技术
集成光路(Photonic Integrated Circuit,PIC)已然成为构建复杂光学系统的强大平台，通过在单片上集成高密度的光学元件，并辅助以编程等手段对有源光器件施加适当的电学控制信号即可实现广泛的应用功能。相较于集成电路在数字运算上的优势，集成光路在传输和处理模拟信号上具有更加突出的优势。
目前，PIC通过沿用集成电子电路的制造工艺，遵循电子产品规模化的发展路径。但大多数PIC的是专用集成光路(Application Specific Photonic Integrated Circuit,ASPIC)的设计方式，设计针对于特定的目标应用，因此很难将设计加工完成的ASPIC用于其他方面，且其还存在论证-仿真-加工-验证的迭代过程，导致了较高的经济成本和时间成本。
近年来，可编程光路(Programmable Photonic Circuit,PPC)的概念引起广泛关注，其特点在于可通过电学编程改变集成光路的光学功能表征，从而应用于各种场景，另一方面，其还可实现一些复杂光路的快速功能验证，是电学领域中现场可编程门阵列的光学对应物。
目前提出的常见的PPC架构为循环可编程光路(Recirculating ProgrammablePhotonic Circuit,R-PPC)，其特点在于整个光路中存在特定形状多个核心元胞，包括三角形、正方形或六边形，元胞本身构成了可“循环”的光环路。元胞间可以相互连接从而构成更大规模的集成光路，可以执行更多更复杂的功能。另外，R-PPC还适用于并行算子、高速光信号处理器、量子干涉仪等。
按照现有方案，R-PPC配置的是基于热光效应的2×2马赫泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)型可调谐光耦合器，而基于热光效应的马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器的调制效率较低，可调谐光耦合器的长度较长，导致例如微环谐振器(Micro-ring Resonator)功能的自由光谱范围较窄，且马赫泽德干涉仪MZI本身的光学响应为宽谱响应，对于诸如波分复用/解复用、时域微分器等波长相关性要求较高的光学功能无法胜任。
发明内容
本发明的目的在于，在保留原有的R-PPC方案中马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器光路由灵活，可实现线性计算等功能等优势，为目前的可编程可扩展光子处理核心提供实现具有较高波长相关性功能的潜力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是采用一种基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心，其特点在于提出了一种新型的可调谐基础单元TBU，其在目前常用的R-PPC架构采用的马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器的基础上直接连接了2×2的MRR型光开关，利用MRR光学响应中的谐振光谱特点，从而为所采用的可调谐基本单元TBU引入一定的波长选择性。基于可调谐基本单元TBU进行所述的核心元胞的构建并扩展，即可获得具有更高功能性的R-PPC架构的可编程可扩展光子处理核心。
本发明的一种可编程可扩展光子处理核心结构，所述光子处理核心结构是基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元，包括半导体基板、位于半导体基板内部的多个核心元胞，以及位于半导体基板表面的控制电路；
核心元胞为方形单元结构、正六边形单元结构(专利中具体采用的构型)和三角形单元结构中的一种，相邻的核心元胞共边，形成有多个核心元胞的网状结构。核心元胞根据所设置的光耦合系数、相位及波长范围将光信号以预定光路径进行传输；
至少一个核心元胞与输入端口相连接，以接收外部输入的光信号；至少一个核心元胞与输出端口相连接，以输出处理后的光学信号。
核心元胞包括多个可调谐基本单元(Tunable Basic Unit,TBU)，相邻可调谐基本单元之间通过波导连接，每个核心元胞中的基本可调谐基本单元TBU之间连接成六边形单元结构、正方形单元结构或三角形单元结构，用于对耦合到多个相互连接的可调谐基本单元TBU的光信号执行滤波或任意功率比分束等光域处理；例如：核心元胞为正六边形单元结构时，可调谐基本单元TBU分别位于核心元胞的每条边上。
控制电路设置于多个互相连接的可调谐基本单元TBU的正上方，用于调整对应的可调谐基本单元TBU中至少一个相位调制器的相位设置，以实现所述的可编程可扩展的光子处理核心的功能变化。
进一步的，可调谐基本单元TBU包括一个基于马赫泽德干涉仪的2×2可调谐光耦合器与一个基于微环谐振器的2×2光开关，2×2可调谐光耦合器的两个输出端口与2×2微环谐振器型光开关的两个输入端口直接连接。
进一步的，可调谐光耦合器包括两个耦合器、连接在两个耦合器之间的两根干涉臂、以及位其中一个干涉臂上的第一移相器，用于实现分束后功率比的控制，第一移相器上还设置有控制电极。
进一步的，可调谐光耦合器包括三种状态，分别为Bar状态、Cross状态以及Coupler状态，可调谐光耦合器根据相移量的大小确定所处理的光信号处于直通bar态、耦合coupler态和交叉cross态中的一种。
当第一移相器相移量时，可调谐光耦合器处于Bar状态，此时波导间不存在传输信号的耦合，光信号进沿现有的光路传输。
当第一移相器相移量时，可调谐光耦合器处于Cross状态，波导间的耦合达到最大值。
当第一移相器相移量处于0和π之间时，波导间存在部分耦合，传输光路径存在重叠。
进一步的，微环谐振器型光开关包括交叉波导、两个环波导、以及分别设置在两个环波导上的第二移相器和第三移相器，第二移相器和第三移相器上还设置有控制电极。由环波导上的移相器完成两处微环谐振峰的独立控制。两个环波导关于交叉波导中心呈中心对称设置，不影响单环光开关路径的情况下可以通过调节其中一环的环内移相器实现一定的谐振峰错位，从而调整滤波器带宽，可调谐光耦合器两个输出端口分别连接两个直波导的输入端口；
两环半径相同，以保证谐振峰对齐；两个环与直波导的耦合间距均相同，以达到较好的凹陷深度或峰值高度；
进一步的，所述的可调谐基本单元TBU中的2×2微环谐振器型光开关中根据MRR中环波导相移量的大小确定所处理的光信号的通过或滤除波段范围；
进一步的，微环谐振器型光开关有两个状态，分别为调谐状态一和调谐状态二；
当第二移相器和第三移相器的相移量时，光开关处于调谐状态一，所述调谐状态一是指调谐后输出光谱仅一个高消光比的凹陷峰；
当第二移相器和第三移相器的相移量时，光开关处于调谐状态二，所述调谐状态二是指两环的谐振波长发生错位，在调谐后输出光谱中出现两个凹陷峰；
一种基于发明可编程可扩展光子处理核心结构的应用系统，包括至少一个物理层和软件层；将具体应用功能映射、配置为所述的可编程可扩展光子处理核心结构的执行块，包括如下步骤：
步骤1，选择所需的基础应用；
步骤2，输入具体的性能要求；
步骤3，规划需要使用的可编程可扩展光子处理核心的核心元胞个数及区域构成执行块；
将应用功能通过控制电路映射到执行块。
进一步的，将步骤1-3由用户通过软件层进行配置或软件层自动配置，控制电路层及物理层应对用户透明。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：本发明提出的一种基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心，其基于目前已经较为成熟的R-PPC架构，将其中可调谐基本单元TBU由原本单纯的马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光处理器替换为2×2MZI型可调谐光处理器+2×2MRR型光开关，一是解决了原本R-PPC架构直接重构成微环谐振器相关应用时存在的自由光谱范围过小，难以达到临界耦合等问题；另一方面，通过对可调谐基本单元TBU中的MRR型光开关的环结构进行单独的调谐，可以实现包括波分复用/解复用器、时域微分器及可调延时线等波长相关性强的功能，大大提高光子处理核心的可重构性与通用性。另外，在微环的自由光谱范围内，MRR型光开关对于马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器处于透明状态，即，微环的光谱响应不影响马赫泽德干涉仪MZI的光谱表征，因此可以在这个波长范围内实现目前R-PPC可实现的其他功能，频谱资源利用更加丰富；此外，每个可调谐基本单元TBU的调谐互相之间独立，互不干扰，控制简单，通过采用集成光子技术，还具有尺寸小、功耗低等优点。
附图说明
图1是本发明可编程可扩展光子处理核心体系结构的应用方案图；
图2是本发明可编程可扩展光子处理核心可使用的核心元胞形状示意图。
图3是本发明可编程可扩展光子处理核心所使用的可调谐基本单元TBU的结构示意图。
图4是可调谐基本单元TBU中的2×2MZI型可调谐光耦合器示意图及其实际使用时的状态图。
图5是可调谐基本单元TBU中的2×2MRR型可调谐光开关结构示意图及其实际使用时存在的状态图。
图6是可调谐基本单元TBU中马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器在1550nm输入光下，透过率及两端口相位差关于加热功率的变化曲线图。
图7是可调谐基本单元TBU中MRR型可调谐光开关在不同控制电压下的输出光谱。
图8是本发明可编程可扩展光子处理核心所能实现的部分配置下的光谱响应图。
其中，光子处理核心结构100，耦合装置110，光电探测器120，射频调制器130，外部腔激光器140，电学控制信号输入端口150，射频信号连接器160；计算机170；
核心元胞101；
六边形单元结构200，正方形单元结构210，三角形单元结构220；
可调谐基本单元TBU300，光学结构310，控制电极301，第一移相器311，第二移相器312，第三移相器313；
可调谐光耦合器400，输入光401，耦合器输出光束二403，耦合器输出光束一402，Bar状态410，Cross状态420，Coupler状态430；
谐振器型光开关500，宽谱输入光501，调谐后输出光谱一502，调谐后输出光谱二503，调谐状态一510，调谐状态二520。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步阐释本发明。应当理解，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明。此外，下述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此未发生冲突即可互相结合。参照附图用于更充分地描述本公开内容，附图中显示了本发明的部分使用示例，不应被解释为局限于在此阐述的使用示例。
本发明提出了一种基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心结构。如图1所示，为根据本发明公开的可编程可扩展光子处理核心使用的整体应用系统的示意图。本发明公开的示例的可编程可重构光子处理核心结构100包括半导体基板、位于半导体基板内部的多个核心元胞。输入输出光纤通过耦合装置110与片上波导耦合，实现外部光输入或处理后光信号的对外输出。作为本发明公开的一种使用例，可编程可扩展光子处理核心结构100可以与光电探测器120相连，将特定波长处搭载的微波信号进行输出，从而实现光电探测器120的信号处理。此外，作为本发明公开的一种使用例，可编程可扩展光子处理核心结构100可以连接到射频调制器130，通过300控制来自射频调制器130的输入信号，从而作为一种光域的射频滤波器进行相关操作。另外，作为本发明公开的一种使用例，所述的可编程可扩展光子处理核心可以与外部腔激光器140进行连接，从而实现光学并行矩阵乘法器功能。上述的光子处理核心结构100、输入输出耦合器110、光电探测器120、射频调制器130以及外部腔激光器140为所述整体应用系统的光学物理层，该层直接执行各种光学运算或处理任务，并实现光学、电学信号的直接输入输出。
图1中，电学控制信号输入端口150以如图示方式排布在光学物理层外围或上层(立体封装)，其与铺设在每个核心元胞101上的控制电极连接，通过在对应的电学控制信号输入端口150施加直流控制信号实现可调谐基本单元TBU300的调谐控制，实现分光比、谐振波长、滤波波段等因素的改变。射频信号连接器160为物理层提供相应的射频信号的输入，例如射频调制器130。此二者构成了所述整体应用系统的控制电路层，用于接收所提供的电学输入信号，从而完成对光学物理层的功能、性能切换。
图1中，以计算机170为代表的上层高级硬件设备与控制电路层相连，并通过搭载在计算机160中的控制软件实现：1、选择所需的基础应用；2、输入具体的性能要求；3、规划需要使用的可编程可扩展光子处理核心的核心元胞个数及区域构成执行块；4、将应用功能通过控制电路层映射到执行块。软件将用户输入的需求转化成控制电路层所需的各个电学控制信号输入端口所需的信息并进行输出，因此用户无需理解控制电路层及光学物理层的具体构造即可使用所述的可编程可扩展光子处理核心，即下层对用户透明。
图2展示了所述的基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心可使用的核心元胞形状示意图，其中图2中的(a)是六边形元胞；图2中的(b)是正方形元胞；图2中的(c)是三角形元胞，核心元胞包括多个基本可调谐单元(TunableBasic Unit,TBU)，相邻基本可调谐单元之间通过波导连接，可调谐基本单元TBU300之间的连接方式可为六边形单元结构200、正方形单元结构210与三角形单元结构220。其中六边形单元结构为本发明示例所用结构，其在节点处具有更高的能量效率。
图3展示了所述的基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心所使用的可调谐基本单元TBU300的结构示意图。可调谐基本单元TBU300包括光学结构310及其匹配的控制电极301，光学结构310如图所示，为2×2MZI型可调谐光耦合器与2×2MRR型光开关直接级联构成的新型可调谐基本单元(Tunable Basic Unit,TBU)。其中可调谐光耦合器的控制由干涉臂上的第一移相器311实现，完成功率比的控制。谐振器型光开关的控制由环波导上的第二移相器312和第三移相器313实现，完成两处微环谐振峰的独立控制。即图中所示的控制电极301包括第一移相器311的控制电极、第二移相器312的控制电极、第三移相器313的控制电极。
图4展示了所使用的可调谐基本单元TBU300中的2×2MZI型可调谐光耦合器400示意图及其实际使用时的存在的状态。图中，输入光401从可调谐光耦合器的一个端口输入，经可调谐光耦合器400分束为两束光，分别为耦合器输出光束二403和耦合器输出光束一402，两束输出光束的功率比由干涉臂上的第一移相器311定量控制。具体地，该可调谐光耦合器存在三种状态，分别为Bar状态410、Cross状态420以及Coupler状态430。当移相器相移量时，可调谐光耦合器处于Bar状态410，此时波导间不存在传输信号的耦合，光信号进沿现有的光路传输。当/>时，可调谐光耦合器处于Cross状态420，波导间的耦合达到最大值，光信号从交叉端口通过传输。当/>处于0和π之间时，波导间存在部分耦合，传输光路径存在一定的重叠。定量地，耦合器输出光束一402的光振幅与输入光的比值为耦合器输出光束二403的光振幅与输入光的比值为/>
图5展示了可调谐基本单元TBU300中的2×2MRR型可调谐光开关500结构示意图及其实际使用时存在的状态。图中，宽谱输入光501从可调谐光开关的一个端口输入，经器件处理后分别输出调谐后输出光谱一502、调谐后输出光谱二503两种光谱，类似于add-drop型微环谐振器Through端与Drop端的光谱。具体地，当时，光开关处于调谐状态一510，由于器件中的微环的耦合间距、半径均相同，两环的谐振波长对准重合，在调谐后输出光谱一502仅一个高消光比的凹陷峰(对应于调谐后输出光谱二503的高透过率峰)；当时，光开关处于调谐状态二520，两环的谐振波长发生错位，在调谐后输出光谱二502中出现两个凹陷峰，理论上两凹陷峰消光比均小于调谐状态一510中的消光比(同理调谐后输出光谱二503的峰透过率也应小于调谐状态一510中的透过率)。
为验证本发明实际应用，特举验证例进行说明。
本验证例采用时域有限差分法及传输矩阵法联合计算分析。仿真所用的材料体系为SOI，所采用的具体参数有：采用矩形波导制程，波导截面尺寸为500nm×220nm。MZI型可调谐光耦合器中所用分光器件为2×2的多模干涉仪，其多模波导区尺寸为41.8μm×6μm，干涉臂波导长度200μm。MRR型光开关中耦合间距为100nm，环半径10μm，中心处交叉波导宽波导尺寸5.5μm×1.4μm。为减小损耗，上述直波导与宽波导连接时均引入Taper波导降低尺寸。本验证例中采用的调谐手段为热调谐，其基于SOI材料体系中，芯层硅材料的热光系数1.84×10-4，包层/衬底二氧化硅的热光系数为1×10-5，二者存在一个量级的差距，因此通过对硅波导加热可以对波导有效折射率实现有效控制。
图6展示了所述可调谐基本单元TBU300中马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器在1550nm输入光下，透过率及两端口相位差关于加热功率的变化曲线。由图6可知，马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器工作状态实现从Bar状态410到Cross状态420切换所需功率约为30.5mW。
图7展示了所述可调谐基本单元TBU300中MRR型可调谐光开关在不同控制电压下的输出光谱。图7的(a)中加在第二移相器312、第三移相器313的电压分别为V1＝0V，V2＝0V；图7的(b)中V1＝0.1V，V2＝0V；图7的(c)中V1＝0.5V，V2＝0V。由所加电压可知，MRR型光开关对加热敏感，较小的电压即可产生客观的波长偏移。
外部光从耦合装置110进入光子处理核心，用户使用软件层输入相关需求，通过控制电路层对所选定光子处理核心区域的对应控制电极进行控制信号的输入，从而对输入光进行响应的处理或运算，反馈得用户期望的光谱响应或光学功能或其它形式的输出。图8展示了目前通过时域有限差分法及传输矩阵法构建的所述的一定规模的光子处理核心的部分光学功能展示，验证了其强大丰富的功能性。如图8(a)-(e)所示为所述光子处理核心相较于传统的R-PPC架构光子处理器的优势功能，即高波长相关性功能。图8中的(a)为波分复用/解复用系统，通过热调谐可改变输出波长及光谱带宽。图中的(b)为带通/带阻滤波器，通过调谐微环的谐振波长可以改变滤波器的通带或阻带。图8中的(c)为时域微分器，由于微环半径较小，其环内损耗可忽略，则单环接近临界耦合状态，其相频特性可知，微环在谐振波长处的相移接近π。图8(d)到(e)为传统R-PPC架构光学处理器可实现功能的部分重现，其在微环的自由光谱范围内得到了较好的复现。图8中的(d)为不对称MZI；图8中的(e)为MRR(六个TBU构成)。
综上，与现有技术相比，本发明提出的一种基于马赫泽德干涉仪及微环谐振器单元结构的可编程可扩展光子处理核心，其基于目前已经较为成熟的R-PPC架构，将其中可调谐基本单元TBU300由原本单纯的马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光处理器替换为2×2MZI型可调谐光处理器+2×2MRR型光开关，一是解决了原本R-PPC架构直接重构成微环谐振器相关应用时存在的自由光谱范围过小，难以达到临界耦合等问题；另一方面，通过对可调谐基本单元TBU300中的MRR型光开关的环结构进行单独的调谐，可以实现包括波分复用/解复用器、时域微分器及可调延时线等波长相关性强的功能，大大提高光子处理核心的可重构性与通用性。另外，在微环的自由光谱范围内，MRR型光开关对于马赫泽德干涉仪MZI型可调谐光耦合器处于透明状态，即，微环的光谱响应不影响马赫泽德干涉仪MZI的光谱表征，因此可以在这个波长范围内实现目前R-PPC可实现的其他功能，频谱资源利用更加丰富；此外，每个可调谐基本单元TBU300的调谐互相之间独立，互不干扰，控制简单，通过采用集成光子技术，还具有尺寸小、功耗低等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，包括半导体基板、位于半导体基板内部的多个核心元胞，以及位于半导体基板表面的控制电路；
所述多个核心元胞互相连接，核心元胞均设置在半导体基板内部，控制电路与核心元胞连接；
核心元胞包括多个可调谐基本单元TBU，相邻可调谐基本单元之间通过波导连接，每个核心元胞中的基本可调谐基本单元TBU之间连接成六边形单元结构、正方形单元结构或三角形单元结构，
控制电路用于对可调谐基本单元TBU进行调制。
2.根据权利要求1所述一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，基本可调谐基本单元TBU包括一个基于马赫泽德干涉仪的2×2可调光耦合器与一个基于微环谐振器的2×2光开关，2×2可调谐光耦合器的两个输出端口与2×2微环谐振器型光开关的两个输入端口直接连接。
3.根据权利要求2所述一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，可调光耦合器包括两个耦合器、连接在两个耦合器之间的两根干涉臂、以及位其中一个干涉臂上的第一移相器；用于实现分束后光束功率比的控制。
4.根据权利要求3所述一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，可调谐光耦合器包括三种状态，分别为直通Bar状态、交叉Cross状态以及耦合Coupler状态；
可调谐光耦合器根据相移量的大小确定所处理的光信号处于直通bar态、耦合coupler态和交叉cross态中的一种；
当第一移相器相移量时，可调谐光耦合器处于Bar状态，此时波导间不存在传输信号的耦合，光信号进沿现有的光路传输；
当第一移相器相移量时，可调谐光耦合器处于Cross状态，波导间的耦合达到最大值；
当第一移相器相移量处于0和π之间时，波导间存在部分耦合，传输光路径存在重叠。
5.根据权利要求2所述一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，微环谐振器型光开关包括交叉波导、两个环波导、以及分别设置在两个环波导上的第二移相器和第三移相器；
两个环波导关于交叉波导中心呈中心对称设置，可调光耦合器两个输出端口分别连接两个直波导的输入端口；
两个环波导两环半径相同，两个环与交叉波导的耦合间距均相同。
6.根据权利要求5所述一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，所述微环谐振器型光开关根据环波导相移量的大小确定所处理的光信号的通过或滤除波段范围。
7.根据权利要求6所述一种可编程可扩展光子处理核心结构，其特征在于，微环谐振器型光开关有两个状态，分别为调谐状态一和调谐状态二；
当第二移相器和第三移相器的相移量时，微环谐振器型光开关处于调谐状态一，所述调谐状态一是指调谐后输出光谱仅一个高消光比的凹陷峰；
当第二移相器和第三移相器的相移量时，微环谐振器型光开关处于调谐状态二；所述调谐状态二是指两环的谐振波长发生错位，在调谐后输出光谱中出现两个凹陷峰。
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