一种处理多模光信号的光子集成芯片
阅读说明：本技术 一种处理多模光信号的光子集成芯片 (Photon integrated chip for processing multimode optical signal ) 是由 林天营 孙旭 汪军平 陈晓刚 胡朝阳 于 2021-03-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种处理多模光信号的光子集成芯片,包括衬底和设置在衬底上的光波导结构,光波导结构包括依次排列的输入波导、干涉耦合器模块、波导阵列合束器以及输出波导,输入波导为多模波导,输出波导为单模波导,输入波导与干涉耦合器模块的输入端连接,干涉耦合器模块的输出端具有若干单模波导,波导阵列合束器的输入端与单模波导连接,波导阵列合束器的输出端与输出波导连接。所述处理多模光信号的光子集成芯片能够将输入的多模光转换为单根输出的单模光；所述处理多模光信号的光子集成芯片调节灵活性强,且拓展性强,且适合大规模集成。(The invention discloses a photonic integrated chip for processing multimode optical signals, which comprises a substrate and an optical waveguide structure arranged on the substrate, wherein the optical waveguide structure comprises an input waveguide, an interference coupler module, a waveguide array beam combiner and an output waveguide which are sequentially arranged, the input waveguide is a multimode waveguide, the output waveguide is a single-mode waveguide, the input waveguide is connected with the input end of the interference coupler module, the output end of the interference coupler module is provided with a plurality of single-mode waveguides, the input end of the waveguide array beam combiner is connected with the single-mode waveguides, and the output end of the waveguide array beam combiner is connected with the output waveguide. The photonic integrated chip for processing the multimode optical signal can convert input multimode light into single-mode light which is output by a single light source; the photonic integrated chip for processing the multimode optical signal has strong adjustment flexibility and strong expansibility, and is suitable for large-scale integration.)
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，更准确的说涉及一种处理多模光信号的光子集成芯片。
背景技术
随着信息技术的不断发展，物联网、虚拟现实、大数据、云计算、人工智能、第五代移动通信（5G）等技术不断涌现，对信息通信网络的传输容量、传输速度等都提出了更高的要求。以光纤通信技术为主要代表的激光信息技术是现代通信网络的重要组成部分。光纤通信技术在连接诸如长途骨干网、中距离城域网、短距离区域网、数据中心网络等各类通信网络中起到“大动脉”的作用。光纤通信技术的基本要素是光源、光纤和光电探测器。对于光源部分，由于半导体激光器其体积小、质量轻、效率高、波长范围广等优点，成为了重要的光源器件，是光纤传输系统的基石。目前，广泛应用的半导体激光器有垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）、法布里-珀罗激光器（Fabry-perot Laser，FP）、分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）、可调谐激光器等几种激光器。其中，垂直腔面发射激光器是面发射激光器，其出光方向垂直于激光器的顶部表面，由于垂直腔面发射激光器的腔长短，有源区体积小，反射率高等特点，因此容易实现单纵模激光输出。因此垂直腔面发射激光器主要用于超短距的光通信场景（<100米），使用多模光纤作为信息媒介进行传输。在更远距离的传输应用中，由于多模光纤的色散以及不同模式相位、损耗的不同，导致在接收端无法解调光信号，因此无法进一步拓展其应用的距离。
综上，本领域需要一种能够将多模转换为单模的无源器件，可以将垂直腔面发射激光器输出的多模光转成单模光进行传输，利用单模光纤，将低成本的垂直腔面发射激光器技术进一步扩展至更远距离的应用场景中。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种处理多模光信号的光子集成芯片，能够将激光器输出的具有多个模式的光转换为单模光。
为了达到上述目的，本发明提供一种处理多模光信号的光子集成芯片，包括衬底和设置在所述衬底上的光波导结构，所述光波导结构包括依次排列的输入波导、干涉耦合器模块、波导阵列合束器以及输出波导；所述输入波导为多模波导，所述输出波导为单模波导；所述输入波导与所述干涉耦合器模块的输入端连接，所述干涉耦合器模块的输出端具有若干单模波导，且所述单模波导的数量不少于两个，所述波导阵列合束器的输入端与若干所述单模波导连接，所述波导阵列合束器的输出端与所述输出波导连接；多模光通过所述输入波导进入所述干涉耦合器模块，所述干涉耦合器模块将入射的所述多模光转换为若干单模光并通过若干所述单模波导分别输出，若干所述单模光被所述波导阵列合束器合成一束实现最大值输出的基模光波，并输入至所述输出波导。
优选地，所述干涉耦合器模块为多模干涉耦合器。
优选地，所述干涉耦合器模块为罗盘环干涉耦合器。
优选地，所述干涉耦合器模块为级联定向耦合器。
优选地，所述波导阵列合束器由若干合束单元组成树状结构；所述合束单元为二合一结构，沿从所述干涉耦合器模块到所述输出波导的方向多次合束，至与所述输出波导连接位置合为一束。
优选地，所述波导阵列合束器由若干基本单元组成三角型拓扑排列结构；所述基本单元为马赫-曾德尔干涉仪。
优选地，所述波导阵列合束器由若干基本单元组成矩型拓扑排列结构；所述基本单元为马赫-曾德尔干涉仪。
优选地，所述波导阵列合束器为多合一的多模干涉耦合器结构，所述多模干涉耦合器结构具有N个输入波导，N个所述输入波导上均带有一个相位调制器。
优选地，所述波导阵列合束器为多合一的罗盘环干涉耦合器结构，所述罗盘环干涉耦合器结构具有N个输入波导，N个所述输入波导上均带有一个相位调制器。
优选地，所述光波导结构为平面波导结构。
优选地，所述输入波导为多模波导，所述输出波导为单模波导。
优选地，通过所述输入波导输入的光波和通过所述输出波导输出的光波的偏振模式相同。
与现有技术相比，本发明公开的一种处理多模光信号的光子集成芯片的优点在于：所述处理多模光信号的光子集成芯片能够将输入的多模光转换为单根输出的单模光，有利于后续光的调制、复用以及长距离传输，有利于拓展激光器长距离传输的应用场景；所述处理多模光信号的光子集成芯片调节灵活性强，且拓展性强，易于集成；所述处理多模光信号的光子集成芯片采用平面波导结构，适合大规模集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示为本发明一种处理多模光信号的光子集成芯片的结构示意图。
如图2所示为本发明一种处理多模光信号的光子集成芯片的原理框图。
如图3所示为本发明一种处理多模光信号的光子集成芯片的光波导结构的示意图。
如图4所示为干涉耦合器为多模干涉耦合器时多模转单模光波的功能示意图。
如图5A所示为单模波导为6个时的波导阵列合束器的示意图。
如图5B所示为单模波导为7个时的波导阵列合束器的示意图。
如图6所示为干涉耦合器为罗盘环干涉耦合器时的结构示意图。
如图7所示为干涉耦合器为级联定向耦合器时的结构示意图。
如图8A所示为波导阵列合束器采用三角形拓扑排列结构时的示意图。
如图8B所示为波导阵列合束器采用矩型拓扑排列结构时的示意图。
如图8C所示为图8A和图8B中基本单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种处理多模光信号的光子集成芯片1包括衬底10和设置在衬底10上的光波导结构，光波导结构包括依次排列的输入波导21、干涉耦合器模块22、波导阵列合束器23以及输出波导24，输入波导21为多模波导，输出波导24为单模波导，输入波导21与干涉耦合器模块22的输入端连接，干涉耦合器模块22的输出端具有若干单模波导，波导阵列合束器23的输入端与单模波导连接，波导阵列合束器23的输出端与输出波导24连接。参见图2，激光器通过耦合器件100（多模光纤、棱镜或透镜等）输入波导21连接，激光器发出的多模光通过输入波导21进入干涉耦合器模块22，干涉耦合器模块22将入射的多模光转换为若干单模光并通过若干单模波导分别输出，若干单模光被波导阵列合束器23合成一束基模光波，输入至输出波导24，通过输出波导24输入至单模光纤200即可进行传输并进行后续处理。通过所述处理多模光信号的光子集成芯片可以将激光器输出的多模光转换为一束单模光。
值得注意的是，光波导结构为平面波导结构，适合大规模集成。光波导结构的材料可以选用硅、氮化硅、二氧化硅等。输入波导21和输出波导24均为条形波导。通过输入波导21的输入光波和通过输出波导24的输出光波的偏振模式相同。
具体的，参见图3，干涉耦合器模块22为多模干涉耦合器221，多模干涉耦合器221的输出端具有若干单模波导222，输入波导21与多模干涉耦合器221的输入端连接。多模干涉耦合器221的工作过程参见图4，通过输入波导21进入多模干涉耦合器221的多模光的每个模式会发生扩散，多模干涉耦合器221起到自由衍射区域的功能，并与多模干涉耦合器221输出端不同通道（即不同单模波导222）光的强度和相位有着映射关系。通过优化调节多模干涉耦合器221的长度及宽度（宽度与单模波导222的数量正相关），可以调节使得单模波导222输出光的总透射能量最大，调节灵活性强。
值得注意的是，干涉耦合器模块22不限于采用多模干涉耦合器221。如图6所示，干涉耦合器模块22A为罗盘环干涉耦合器221A，罗盘环干涉耦合器221A的输出端具有若干单模波导222A。如图7所示，干涉耦合器模块22B为级联定向耦合器221B，级联定向耦合器221B的输出端具有若干单模波导222B。
参见图3、图5A以及图5B，波导阵列合束器23由若干合束单元231组成树状结构，合束单元231为二合一结构，沿从干涉耦合器模块22到输出波导24的方向多次合束（合束次数与单模波导222的数量正相关），至与输出波导24连接位置合为一束，合束单元231包括两个合束波导2311，两个合束波导2311中的至少一个安装移相器2312。通过移相器2312可以调节输入光的相位使两束输入光满足相干叠加的条件，通过分别调节移相器2312可以使得每个合束单元231都能实现光的相干输出（最大值输出）。值得注意的是，合束单元231可以采用Y型分叉结构或者多模干涉耦合器或者定向耦合器等二合一的合束结构。
图5A所示，单模波导222的数量为6个，每两个单模波导222对应连接一个合束单元231。当单模波导222数量满足2的n次方关系时，每两个单模波导222均对应连接一个合束单元231。如图5B所示，当单模波导222的数量为奇数个时，会有一个单模波导222缺少配对的单模波导222，此时采用图5B中的结构，该单模波导222不进行第一次合束，直接进行第二次合束。综上，波导阵列合束器23采用由若干合束单元231组成的树状结构可以对任意数量的单模波导222进行合束，最终合为一束单模光。
值得注意的是，波导阵列合束器23不限于采用由若干合束单元231组成树状结构。如图8A所示，波导阵列合束器23A采用三角型拓扑排列结构，如图8B所示，波导阵列合束器23A采用矩型拓扑排列结构。参见图8C上述两种拓扑排列结构由若干基本单元231A组成，基本单元231A为马赫-曾德尔干涉仪，基本单元231A包括两个2×2的多模干涉耦合器或者定向耦合器2311A，基板单元231A上的通道上安装至少两个相位调制器2312A，通过调节相位调制器2312A，可以使光在波导阵列合束器23A输出端某一特定通道以最大光强输出，即合为一束单模光输出。
此外，波导阵列合束器还可以采用多合一的多模干涉耦合器结构，多模干涉耦合器结构具有N个输入波导，N个输入波导上均带有一个相位调制器；波导阵列合束器还可以采用多合一的罗盘环干涉耦合器结构，罗盘环干涉耦合器结构具有N个输入波导，N个输入波导上均带有一个相位调制器。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。