CN116974096A - 一种pin型光移相器及马赫曾德干涉仪调控单元 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种PIN型光移相器及马赫曾德干涉仪调控单元，属于光学器件技术领域。本申请采用多个条形波导且相邻条形波导在相同的一端连接构成一个折叠型光波导，通过折叠光波导的方式构造PIN结，以实现高密度的PIN型光移相器。一方面减小了PIN型光移相器所占面积，提高了PIN型光移相器的集成度，从而大幅增大光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构的计算密度；另一方面由于折叠型光波导的长度并未减小，因此并不会影响PIN型光移相器的相位调制效果。
Description
技术领域
本申请涉及光学器件技术领域，特别涉及一种PIN型光移相器及马赫曾德干涉仪调控单元。
背景技术
在给定电压条件下，光移相器产生的相位调制与波导长度成正比。因此，传统的具有单一光波导的PIN型光移相器结构的长度一般为毫米量级。在光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构中需要使用成百上千的光移相器，会消耗大量的面积，集成度低，无法满足量子计算、人工智能计算等应用中的高密度算力需求。因此，如何增大光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构的计算密度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种PIN型光移相器及马赫曾德干涉仪调控单元，从而增大光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构的计算密度。
为实现上述目的，本申请提供了一种PIN型光移相器，包括：依次设置的衬底、第一包层、波导和第二包层；
所述波导包括平板层和折叠型光波导；所述折叠型光波导设置在所述平板层背离所述衬底的表面；
所述折叠型光波导两侧的所述平板层中分别设置有p型掺杂平板型波导和n型掺杂平板型波导；所述p型掺杂平板型波导背离所述衬底的表面设置有第一金属引线，所述n型掺杂平板型波导背离所述衬底的表面设置有第二金属引线；所述第一金属引线用于连接电源的正极，所述第二金属引线用于连接所述电源的负极；
所述折叠型光波导是由至少两个条形波导且相邻所述条形波导在相同的一端连接构成的一个波导；所述条形波导与所述p型掺杂平板型波导和所述n型掺杂平板型波导平行。
可选的，当所述条形波导的宽度均相同时，相邻所述条形波导之间的间距大于预设的阈值间距，以使相邻所述条形波导之间无串扰。
可选的，当相邻所述条形波导的宽度不同时，相邻所述条形波导在相同的一端通过锥形波导连接。
可选的，当相邻所述条形波导的宽度相同时，相邻所述条形波导在相同的一端通过圆弧形波导或者欧拉型弯曲波导连接。
可选的，所述折叠型光波导是由奇数个所述条形波导且相邻所述条形波导的首尾之间在相同的一端连接构成的一个波导。
为实现上述目的，本申请还提供了一种马赫曾德干涉仪调控单元，包括：第一分束器、第二分束器、第一干涉臂和第二干涉臂；
所述第一分束器的输出端与所述第一干涉臂的输入端和所述第二干涉臂的输入端连接；所述第二分束器的输入端与所述第一干涉臂的输出端和所述第二干涉臂的输出端连接；
所述第一干涉臂和所述第二干涉臂中的至少一个是如权利要求1至5任一项所述的PIN型光移相器。
可选的，所述第一干涉臂是所述PIN型光移相器；所述第一干涉臂中的第一金属引线用于连接第一电源的正极，第二金属引线用于连接所述第一电源的负极；
所述第二干涉臂是所述PIN型光移相器；所述第二干涉臂中的第一金属引线用于连接第二电源的正极，第二金属引线用于连接所述第二电源的负极。
可选的，所述第一分束器是定向耦合器或者多模干涉器；所述第二分束器是定向耦合器或者多模干涉器。
可选的，所述第一分束器是2×2分束器或者Y型分束器；所述第二分束器是2×2分束器或者Y型分束器。
可选的，当所述第一分束器的输出端的宽度与所述PIN型光移相器的输入端的宽度不同时，所述第一分束器的输出端与所述PIN型光移相器的输入端通过锥形波导连接；
当所述第一分束器的输出端的宽度与所述PIN型光移相器的输入端的宽度相同时，所述第一分束器的输出端与所述PIN型光移相器的输入端通过具有相同宽度的波导连接。
可选的，当所述第二分束器的输入端的宽度与所述PIN型光移相器的输出端的宽度不同时，所述第二分束器的输入端与所述PIN型光移相器的输出端通过锥形波导连接；
当所述第二分束器的输入端的宽度与所述PIN型光移相器的输出端的宽度相同时，所述第二分束器的输入端与所述PIN型光移相器的输出端通过具有相同宽度的波导连接。
显然，本申请提供的一种PIN型光移相器，采用多个条形波导且相邻条形波导在相同的一端连接构成一个折叠型光波导，通过折叠光波导的方式构造PIN结，以实现高密度的PIN型光移相器。一方面减小了PIN型光移相器所占面积，提高了PIN型光移相器的集成度，从而大幅增大光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构的计算密度；另一方面由于折叠型光波导的长度并未减小，因此并不会影响PIN型光移相器的相位调制效果。本申请还提供一种马赫曾德干涉仪调控单元，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种PIN型光移相器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种PIN型光移相器的横截面示意图；
图3为本申请实施例提供的一种马赫曾德干涉仪调控单元的结构示意图。
附图标记说明如下：
1-硅衬底；2-第一二氧化硅包层；3-硅波导；4-第二二氧化硅包层；
31-平板层；32-折叠型光波导；
311-p型掺杂平板型波导；312-n型掺杂平板型波导；
51-第一金属引线；52-第二金属引线；
61-第一分束器；611-第一分束器的输入波导；612-第一分束器的输出波导；62-第二分束器；621-第二分束器的输入波导；622-第二分束器的输出波导；
w1、w2、w3-条形波导的宽度；g1、g2-相邻条形波导之间的间距。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
光学移相器是光电子集成电路中的基本单元，与定向耦合器、马赫曾德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）等集成光学结构相结合，可以实现光开关、光相控阵、光子矩阵计算网络、光量子比特调控网络、光量子计算网络等功能结构，广泛应用于光通信网络、光学相控阵、光子神经网络、光量子网络等。光学移相器主要依靠集成光波导结构来实现，其工作机理大都通过电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应、自由载流子色散效应等来改变光波导结构有效折射率来实现光波导中光的相位调制。其中，自由载流子色散效应是硅基光子学领域的一种主要电光调制方法。其原理为：在外加电场的作用下，材料中载流子浓度会发生改变，相应的材料折射率的实部和虚部都会改变，从而实现对于光场的调制。
PIN型移相器是基于自由载流子色散效应的载流子注入型光移相器，具有调制速率快、损耗小的优点。现有技术通过在单一光波导两侧的平板层分别进行p型掺杂和n型掺杂，在光波导横向方向形成PIN结，通过该方式来实现光波导中光相位的调控。然而，在给定电压条件下，光移相器产生的相位调制与波导长度成正比，所以具有单一光波导的PIN型光移相器所需长度较长，一般为毫米量级。在光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构中需要使用成百上千的光移相器，会消耗大量的面积，集成度低，无法满足量子计算、人工智能计算等应用中的高密度算力需求。因此，本申请提供了一种PIN型光移相器及马赫曾德干涉仪调控单元，通过折叠光波导的方式构造PIN结，以实现高密度的PIN型光移相器，从而大幅增大光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构的计算密度。
本申请实施例提供了一种PIN型光移相器，该PIN型光移相器可以包括：依次设置的衬底、第一包层、波导和第二包层；
波导包括平板层和折叠型光波导；折叠型光波导设置在平板层背离衬底的表面；
折叠型光波导两侧的平板层中分别设置有p型掺杂平板型波导和n型掺杂平板型波导；p型掺杂平板型波导背离衬底的表面设置有第一金属引线，n型掺杂平板型波导背离衬底的表面设置有第二金属引线；第一金属引线用于连接电源的正极，第二金属引线用于连接电源的负极；
折叠型光波导是由至少两个条形波导且相邻条形波导在相同的一端连接构成的一个波导；条形波导与p型掺杂平板型波导和n型掺杂平板型波导平行。
本实施例并不限定衬底的具体种类，可以根据实际需求确定衬底的具体种类，例如衬底可以是硅衬底。本实施例并不限定波导的具体种类，可以根据实际需求确定波导的具体种类，例如波导可以是硅波导。本实施例并不限定第一包层的具体种类，可以根据实际需求确定第一包层的具体种类，例如第一包层可以是二氧化硅包层。本实施例并不限定第二包层的具体种类，可以根据实际需求确定第二包层的具体种类，例如第二包层可以是二氧化硅包层。
本实施例并不限定条形波导的具体数量，只要保证条形波导的数量大于等于两个即可。进一步的，为了便于PIN型光移相器与其他光学器件集成，可以将折叠型光波导的输入端和输出端设置在不同侧，因此本实施例中折叠型光波导可以是由奇数个条形波导且相邻条形波导的首尾之间在相同的一端连接构成的一个波导。
本实施例并不限定每个条形波导的宽度是否相同，例如可以是条形波导的宽度均相同；也可以是部分条形波导的宽度相同；还可以是条形波导的宽度均不同。本实施例并不限定每个条形波导的具体宽度，可以根据实际需求确定每个条形波导的具体宽度。
本实施例并不限定每个相邻条形波导之间的间距是否相同，例如可以是相邻条形波导之间的间距均相同；也可以是部分相邻条形波导之间的间距相同；还可以是相邻条形波导之间的间距均不同。本实施例并不限定每个相邻条形波导之间的具体间距，可以根据每个条形波导的具体宽度确定每个相邻条形波导之间的具体间距，例如当条形波导的宽度均相同时，相邻条形波导之间的间距要求相对较大，此时折叠型光波导较为松散；当部分条形波导的宽度相同时，相邻条形波导之间的间距要求相对较小，此时折叠型光波导较为紧凑；当条形波导的宽度均不同时，相邻条形波导之间的间距要求相对较小，此时折叠型光波导较为紧凑。本实施例并不限定p型掺杂平板型波导或n型掺杂平板型波导与相邻条形波导之间的具体间距，可以根据实际需求确定p型掺杂平板型波导或n型掺杂平板型波导与相邻条形波导之间的具体间距。
进一步的，本实施例中当条形波导的宽度均相同时，相邻条形波导之间的间距可以大于预设的阈值间距，以使相邻条形波导之间无串扰。
本实施例并不限定相邻条形波导的具体连接方式，可以根据相邻条形波导的具体宽度确定相邻条形波导的具体连接方式，例如当相邻条形波导的宽度不同时，相邻条形波导在相同的一端可以通过锥形波导连接；当相邻条形波导的宽度相同时，相邻条形波导在相同的一端可以通过圆弧形波导或者欧拉型弯曲波导连接。需要说明的是，使用欧拉型弯曲波导在连接处产生的损耗更低。
基于上述实施例，本申请采用多个条形波导且相邻条形波导在相同的一端连接构成一个折叠型光波导，通过折叠光波导的方式构造PIN结，以实现高密度的PIN型光移相器。一方面减小了PIN型光移相器所占面积，提高了PIN型光移相器的集成度，从而大幅增大光量子网络、光子神经网络、激光雷达、光通信网络等结构的计算密度；另一方面由于折叠型光波导的长度并未减小，因此并不会影响PIN型光移相器的相位调制效果。
本申请实施例还提供了一种马赫曾德干涉仪调控单元，该马赫曾德干涉仪调控单元可以包括：第一分束器、第二分束器、第一干涉臂和第二干涉臂；
第一分束器的输出端与第一干涉臂的输入端和第二干涉臂的输入端连接；第二分束器的输入端与第一干涉臂的输出端和第二干涉臂的输出端连接；
第一干涉臂和第二干涉臂中的至少一个是如上述所述的PIN型光移相器。
进一步的，本实施例中第一干涉臂可以是PIN型光移相器；第一干涉臂中的第一金属引线用于连接第一电源的正极，第二金属引线用于连接第一电源的负极；第二干涉臂可以是PIN型光移相器；第二干涉臂中的第一金属引线用于连接第二电源的正极，第二金属引线用于连接第二电源的负极。需要说明的是，本实施例通过在两个干涉臂的PIN型光移相器上施加不同的电压，可以实现两干涉臂中光相位的独立调控，最终实现马赫曾德干涉仪调控单元的强度调控、路由等功能。该马赫曾德干涉仪调控单元可用于光开光网络、光神经网络、光量子调控网络等。
本实施例并不限定第一分束器和第二分束器的具体种类，例如第一分束器可以是定向耦合器或者多模干涉器；第二分束器可以是定向耦合器或者多模干涉器。本实施例并不限定第一分束器和第二分束器的具体类型，可以根据实际应用需要确定第一分束器和第二分束器的具体类型，例如第一分束器可以是2×2分束器或者Y型分束器；第二分束器可以是2×2分束器或者Y型分束器。
本实施例并不限定第一分束器输出端与PIN型光移相器输入端的具体连接方式，可以根据第一分束器输出端的宽度与PIN型光移相器输入端的宽度确定第一分束器输出端与PIN型光移相器输入端的具体连接方式，例如当第一分束器的输出端的宽度与PIN型光移相器的输入端的宽度不同时，第一分束器的输出端与PIN型光移相器的输入端通过锥形波导连接；当第一分束器的输出端的宽度与PIN型光移相器的输入端的宽度相同时，第一分束器的输出端与PIN型光移相器的输入端通过具有相同宽度的波导连接。需要说明的是，第一分束器的输入端和输出端分别为输入波导和输出波导。
本实施例并不限定第二分束器输入端与PIN型光移相器输出端的具体连接方式，可以根据第二分束器输入端的宽度与PIN型光移相器输出端的宽度确定第二分束器输入端与PIN型光移相器输出端的具体连接方式，例如当第二分束器的输入端的宽度与PIN型光移相器的输出端的宽度不同时，第二分束器的输入端与PIN型光移相器的输出端通过锥形波导连接；当第二分束器的输入端的宽度与PIN型光移相器的输出端的宽度相同时，第二分束器的输入端与PIN型光移相器的输出端通过具有相同宽度的波导连接。需要说明的是，第二分束器的输入端和输出端分别为输入波导和输出波导。
基于上述实施例，本申请提供的马赫曾德干涉仪调控单元包括上述所述的PIN型光移相器，同样具有上述PIN型光移相器的有益效果。
下面结合具体的实例说明上述PIN型光移相器及马赫曾德干涉仪调控单元的工作原理。
请参考图1和图2，图1为本申请实施例提供的一种PIN型光移相器的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种PIN型光移相器的横截面示意图。该PIN型光移相器包括依次设置的硅衬底1、第一二氧化硅包层2、硅波导3和第二二氧化硅包层4；硅波导3包括1根折叠型光波导32，1段p型掺杂平板型波导311和1段n型掺杂平板型波导312；p型掺杂平板型波导311通过第一金属引线51与电源的正极连接，n型掺杂平板型波导312通过第二金属引线52与电源的负极连接；折叠型光波导32中条形波导的个数为3；条形波导的宽度分别为w1、w2和w3，相邻条形波导之间的间距分别为g1和g2。三个条形波导的宽度可以相同，即w1=w2=w3；g1和g2可以相同，也可以不同。三个条形波导可以使用两种不同宽度的波导间隔排列，即w1=w3≠w2；g1和g2可以相同，也可以不同。三个波导的宽度也可以各不相同，即w1≠w2≠w3；g1和g2可以相同，也可以不同。
本实施例提出的PIN型光移相器是一种载流子注入型移相器，基于自由载流子色散效应实现。通过在折叠型光波导32两端的平板层31分别进行p型掺杂和n型掺杂，形成p型掺杂平板型波导311和n型掺杂平板型波导312。中间折叠型光波导32所在区域没有掺杂，称之为本征区，由此构成一个在波导横向方向的PIN结。p型掺杂平板型波导311和n型掺杂平板型波导312分别连接电源的正极和负极，在正向偏压下，空穴和电子均会从高浓度区域向低浓度区域进行扩散，自由载流子注入到没有掺杂的本征波导区，波导中自由载流子浓度增加，实现对本征波导区传输的光场进行调制。
请参考图3，图3为本申请实施例提供的一种马赫曾德干涉仪调控单元的结构示意图。该马赫曾德干涉仪调控单元包括2个2×2分束器，2个PIN型光移相器；第一分束器61的输出波导612分别与2个PIN型光移相器的输入端连接，2个PIN型光移相器的输出端分别与第二分束器62的输入波导621连接。本实施例中光从第一分束器61的输入波导611输入，经过第一分束器61分成两束光后进入两个干涉臂，通过在两个干涉臂的PIN型光移相器上施加不同的电压U1+和U2+，实现两干涉臂中光相位的独立调控，调控后的两束光经第二分束器62的输入波导621进入并经输出波导622输出。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，且各个实施例间为递进关系，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (11)
1.一种PIN型光移相器，其特征在于，包括：依次设置的衬底、第一包层、波导和第二包层；
所述波导包括平板层和折叠型光波导；所述折叠型光波导设置在所述平板层背离所述衬底的表面；
所述折叠型光波导两侧的所述平板层中分别设置有p型掺杂平板型波导和n型掺杂平板型波导；所述p型掺杂平板型波导背离所述衬底的表面设置有第一金属引线，所述n型掺杂平板型波导背离所述衬底的表面设置有第二金属引线；所述第一金属引线用于连接电源的正极，所述第二金属引线用于连接所述电源的负极；
所述折叠型光波导是由至少两个条形波导且相邻所述条形波导在相同的一端连接构成的一个波导；所述条形波导与所述p型掺杂平板型波导和所述n型掺杂平板型波导平行。
2.根据权利要求1所述的PIN型光移相器，其特征在于，当所述条形波导的宽度均相同时，相邻所述条形波导之间的间距大于预设的阈值间距，以使相邻所述条形波导之间无串扰。
3.根据权利要求1所述的PIN型光移相器，其特征在于，当相邻所述条形波导的宽度不同时，相邻所述条形波导在相同的一端通过锥形波导连接。
4.根据权利要求1所述的PIN型光移相器，其特征在于，当相邻所述条形波导的宽度相同时，相邻所述条形波导在相同的一端通过圆弧形波导或者欧拉型弯曲波导连接。
5.根据权利要求1所述的PIN型光移相器，其特征在于，所述折叠型光波导是由奇数个所述条形波导且相邻所述条形波导的首尾之间在相同的一端连接构成的一个波导。
6.一种马赫曾德干涉仪调控单元，其特征在于，包括：第一分束器、第二分束器、第一干涉臂和第二干涉臂；
所述第一分束器的输出端与所述第一干涉臂的输入端和所述第二干涉臂的输入端连接；所述第二分束器的输入端与所述第一干涉臂的输出端和所述第二干涉臂的输出端连接；
所述第一干涉臂和所述第二干涉臂中的至少一个是如权利要求1至5任一项所述的PIN型光移相器。
7.根据权利要求6所述的马赫曾德干涉仪调控单元，其特征在于，所述第一干涉臂是所述PIN型光移相器；所述第一干涉臂中的第一金属引线用于连接第一电源的正极，第二金属引线用于连接所述第一电源的负极；
所述第二干涉臂是所述PIN型光移相器；所述第二干涉臂中的第一金属引线用于连接第二电源的正极，第二金属引线用于连接所述第二电源的负极。
8.根据权利要求6所述的马赫曾德干涉仪调控单元，其特征在于，所述第一分束器是定向耦合器或者多模干涉器；所述第二分束器是定向耦合器或者多模干涉器。
9.根据权利要求6所述的马赫曾德干涉仪调控单元，其特征在于，所述第一分束器是2×2分束器或者Y型分束器；所述第二分束器是2×2分束器或者Y型分束器。
10.根据权利要求6所述的马赫曾德干涉仪调控单元，其特征在于，当所述第一分束器的输出端的宽度与所述PIN型光移相器的输入端的宽度不同时，所述第一分束器的输出端与所述PIN型光移相器的输入端通过锥形波导连接；
当所述第一分束器的输出端的宽度与所述PIN型光移相器的输入端的宽度相同时，所述第一分束器的输出端与所述PIN型光移相器的输入端通过具有相同宽度的波导连接。
11.根据权利要求6所述的马赫曾德干涉仪调控单元，其特征在于，当所述第二分束器的输入端的宽度与所述PIN型光移相器的输出端的宽度不同时，所述第二分束器的输入端与所述PIN型光移相器的输出端通过锥形波导连接；
当所述第二分束器的输入端的宽度与所述PIN型光移相器的输出端的宽度相同时，所述第二分束器的输入端与所述PIN型光移相器的输出端通过具有相同宽度的波导连接。
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2023
- 2023-09-22 CN CN202311227876.5A patent/CN116974096A/zh active Pending
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