[发明专利]基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片

说明书

一种基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特点在于：包括一块硅基相控阵发射芯片和一块硅基相控阵接收芯片，且相对平行放置，所述的硅基相控阵发射芯片，由N×N个光相控阵单元构成二维阵列，每个光相控阵单元由前端输入口的光分束器、中间相位调制器和末端光发射口构成，本发明具有严格无阻塞、高速、低插损、低串扰等特点，能满足光通讯和光互连网络对大容量数据交换的需求。

技术领域

本发明涉及光学相控阵，特别是一种基于相控阵的大规模集成光开关芯片。

背景技术

互联网的不断发展对光纤网络的数据传输带宽和延迟量提出了更高的要求。传统的机械光开关速度慢、体积大、不易大规模集成，难以适应光传送网传输需求。除了在光纤传输骨干网中使用外，集成光开关也会在计算机和数据中心光互连网络中扮演重要的作用。光学相控阵是在传统的微波相控阵的基础上发展而来的，是一种新型的光束成型和指向调控方式。光学相控阵可以工作在近红外波段乃至可见光波段。相比于微波相控阵，光学相控阵的单元尺寸更小，阵列规模可以做到很大，具有更好的集成度和更小的功耗。

基于光学相控阵实现超大规模集成光开关是一种新型的技术，拥有工作带宽大、规模易扩展、损耗串扰小等诸多优点。光学相控阵的概念来源于微波相控阵，但它又不同于微波相控阵的一种光束调控技术。其光束指向的基本原理是通过调节从各个光学移相器辐射出的光波之间的相位关系，使之在设定光束出射方向上彼此同相，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束，而其他方向上从各移相器辐射出的光波都不满足彼此同相的条件，干涉结果彼此相消，因此辐射强度接近于零。

发明内容

本发明是基于现有的光子学理论和相控阵技术，针对传统平面集成波导光开关面临的问题，提出的一种基于相控阵的大规模集成光开关芯片，该集成光开关芯片具有严格无阻塞、高速、低插损、低串扰等特点，能满足光通讯和光互连网络对大容量数据交换的需求。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于光学相控阵的大规模集成光开关芯片，其特点在于：包括一块硅基相控阵发射芯片和一块硅基相控阵接收芯片，且相对平行放置，所述的硅基相控阵发射芯片，由N×N个光相控阵单元构成二维阵列，每个光相控阵单元由前端输入口的光分束器、中间相位调制器和末端光发射口构成，所述的末端光发射口由M×M个波导光栅紧密排列构成；所述的硅基相控阵接收芯片和所述的硅基相控阵发射芯片的结构相同，只是光路相反，即接收芯片的接收口与发射芯片的发射口结构相同，由M×M个波导光栅紧密排列构成，接收芯片输出口的合束器即发射芯片输入口的分束器；每个相控阵单元均可以发射或接收光束并通过调控光束在两芯片间的指向偏转，实现光信号从N×N个输入端口到N×N个输出端口的严格无阻塞交换，所述的M、N均为2以上的正整数。

所述的每个相控阵单元的发射光束的出射角度由所述的相位调制器调节。

所述的光分束器用于对输入的单路相干光源进行分束，分束光进入到对应的相位调制器；该相位调制器通过外加电信号改变波导有效折射率从而实现对波导相位的调节；相位调节后的各路光进入光栅阵列发射口，光束按照特定方向输出。

所述的分束器的输入端与相干光源通过光波导端面直接耦合或通过平面光栅垂直耦合。

所述的分束器为级联多模干涉器、Y型分束器、或单个星形耦合器。

所述相位调制器为载流子注入型相位调制器，即在硅波导上集成PN结或者PIN结，加正向偏置电压后，载流子注入到波导区域，从而导致波导有效折射率发生改变，实现调相。