硅基光学任意波形发生芯片的制作方法

本发明属于光通信领域，特别是一种硅基光学任意波形发生芯片。

背景技术：

随着现代通信网、计算机网等业务的迅猛增加，数据量呈爆炸式增长，人们对带宽有着更高的要求。为了满足日益增长的对信息容量的需求，光通信网络将仍是下一代网络的核心。由于光通信容量的不断增加，下一代全光网络对有源器件，特别是光源提出了更高的要求。超短脉冲光源是目前激光技术和高速光通信应用领域中最具活力的研究课题之一，有着巨大的应用前景。在实际应用中，我们不仅需要产生质量较高的超短光脉冲，并且还希望脉冲的形状可以进行调节。因此，光学任意波形发生技术引起了人们极大的兴趣和关注。

光学任意波形发生是基于傅里叶合成原理，通过控制光脉冲谱线的幅度和相位，实现光学频率范围内任意波形产生的一种技术。这项技术在光学超宽带信号产生、多通道无线通信、大容量光传输、光通信的色散补偿、光通信系统的测试以及激光探测与测量等方面发挥了关键作用。

光学任意波形发生主要包括时域合成方法和频谱操作方法。由于目前缺乏实用的光延时器件，因此使用多个延时线产生光脉冲的时域合成方法并不常用。在传统的光学任意波形发生技术中，大部分频域操作方法都使用体光栅、阵列波导光栅和光纤布拉格光栅等器件来引入色散，并与空间光调制器或者光电调制器共同作用。这类方案的本质就是对信号频谱每一单独频率分量的幅度和相位进行控制，通过频谱合成得到所需的光学任意波形。这需要光学频率梳来提供信号频谱的频率分量，然后利用脉冲整形器对光谱中每一条谱线的幅度和相位进行独立的控制，从而实现脉冲整形，产生任意波形。

之后，随着锁模激光器的出现，其谱线的稳定性在光谱测量和光学包络的相位控制中起了关键性的作用。锁模激光器可以产生周期性超短脉冲序列，这些超短脉冲序列在频域中表现为一系列连续的谱线，即光学频率梳。近年来的研究还发现，利用微型谐振器连续波参量振荡的非线性过程也可以产生光学频率梳，并且由于微型谐振器具有集成度高和频率点对准性好等优点，近年来受到较多关注。尽管如此，目前光学任意波形发生系统在速度、功耗、集成程度等方面仍存在许多技术性问题，等待科研工作者去攻克。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种硅基光学任意波形发生芯片，该芯片具有损耗低、稳定性好、体积小和集成度高等特点，能在光通信系统及网络中发挥关键作用，具有很高的应用价值。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种硅基光学任意波形发生芯片，其特点在于，该芯片包括光学频率梳产生模块、滤波模块和幅度相位调节阵列模块，所述的光学频率梳产生模块包括一个氮化硅可调微环谐振器，所述的滤波模块包括一个由级联马赫曾德干涉器构成的宽带矩形滤波器，所述的幅度相位调节阵列模块包括反馈型阵列波导光栅及n组可调光衰减器(voa)和移相器(ps)，其中n为1以上的正整数。

所述的光学频率梳产生模块的可调微环滤波器是基于氮化硅材料制作而成的，利用氮化硅的非线性克尔效应产生光学频率梳，并且根据氮化硅材料的热光效应，通过热光调制来实现光学频率梳波长的调谐。

所述的滤波模块采用基于级联马赫曾德结构的宽带矩形滤波器，该滤波器从光学频率梳中等间隔地选择n个波长，其中n为1以上的正整数。

所述的幅度相位调节阵列模块包含反馈型阵列波导光栅及n组可调光衰减器和移相器，其中反馈型阵列波导光栅既是多波长分离器，又是多波长复用器。每一组可调光衰减器和移相器与反馈型阵列波导光栅对应的一条反馈延时线相连，用来实现n个不同波长光信号幅度和相位的调节。

所述的光学频率梳产生模块、幅度相位调节阵列模块的光信号输入/输出采用水平耦合或垂直耦合方式实现外部信号与平面光波导之间的连接。所述的水平耦合采用透镜和芯片上的倒锥形模斑转换器实现，所述的垂直耦合采用平面光纤和芯片上的光栅耦合器实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明所有不同功能模块所对应的器件均可分别集成在一块芯片上，芯片尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性高，与cmos工艺兼容，有利于降低成本，进行大规模生产。

2、本发明使用级联马赫曾德结构构成宽带矩形滤波器，实现滤波功能。该结构具有带宽大、通带平坦、损耗低等优势。

3、本发明利用反馈型阵列波导光栅、可调光衰减器及移相器构成幅度相位调节阵列模块，在该模块中，不同波长的光信号分别对应一组可调光衰减器和移相器，以实现不同波长光信号幅度和相位的独立控制。另外，反馈型阵列波导光栅同时作为多波长分离器和多波长复用器，消除了在波长分离过程中由于波长偏移带来的误差。

附图说明

图1为本发明硅基光学任意波形发生芯片的整体原理示意图。

图2为本发明硅基光学任意波形发生芯片的宽带矩形滤波器的结构。

图3为本发明硅基光学任意波形发生芯片的宽带矩形滤波器各子模块的结构示意图。

图4为本发明硅基光学任意波形发生芯片的幅度相位调节阵列模块的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图，对本发明作进一步详细的说明。本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明硅基光学任意波形发生芯片的整体原理示意图。如图1所示，本发明硅基光学任意波形发生芯片按照功能特点分为三个部分：光学频率梳产生模块101、滤波模块102和幅度相位调节阵列模块103。

单一频率的光信号从氮化硅波导输入，首先经过由氮化硅可调微环谐振器及直波导组成的光学频率梳产生模块101。单一频率的光信号通过微环谐振器之后，当输入光功率高于非线性克尔效应阈值功率时，在输出端将会产生具有一定波长间隔的一系列谐振峰，即光学频率梳。在这里需要注意的是，为了得到满足条件的光学频率梳，要求微环谐振器有很高的q值，这对微环的损耗控制、耦合间距设计等都有着很高的要求。在光学频率梳产生过程中，利用氮化硅材料的热光效应，通过调节氮化硅波导中微加热器的所加电压，可以改变氮化硅波导的有效折射率，从而改变微环谐振器的谐振波长，实现光学频率梳波长的调节。

接着，由微环谐振器产生的光学频率梳进入滤波模块102进行滤波处理。在这一模块中，由马赫曾德干涉器级联构成的宽带矩形滤波器将从光学频率梳中选出等间隔的n个波长，并将这n个波长的光信号输出，作为下一模块的输入信号。在这里，为了准确地选出n个波长的光学频率梳，并使滤波过程对光信号的影响减到最小，滤波器需要具有平坦的通带、足够宽的带宽以及尽量小的插入损耗，通过调节马赫曾德干涉器的臂长差来得到足够宽的通带带宽。两臂的臂长差越小，所得到的带宽越大。

然后，由滤波模块选出的含有n个波长的光信号进入幅度相位调节阵列模块103，并且首先进入阵列波导光栅进行第一次传输。之后，不同波长的光信号将被分成n路，每一路都与一组可调光衰减器和移相器相连。可调光衰减器可以调节光信号的幅度，移相器可以调节光信号的相位。通过调节每组可调光衰减器和移相器的所加电压，可以实现对每一路光信号幅度和相位的独立调节，使不同波长的光信号分别达到我们所需要的状态。不同波长的光信号通过可调光衰减器以及移相器之后，再一次进入阵列波导光栅中传输，并最终合成为一路信号，从该模块的输出端输出，得到幅度、相位均经过调节的光学频率梳。最后再通过光电探测器和示波器进行观测，实现光学任意波形发生。

图1中所示器件结构上方的幅频响应图可以更直观地反映每一模块的功能。首先，波长为λ0的单频光信号从输入端输入，经过光学频率梳产生模块101变成具有多个波长的光学频率梳。之后，滤波模块102从光学频率梳中选出n个波长，并将其输入到幅度相位调节阵列模块103。在幅度相位调节阵列模块103中，不同波长的光信号的幅度和相位会得到独立的调节，进而实现光学任意波形的发生。

在上述说明的基础上，滤波模块102采用图2及图3所示的结构。在该结构中，有三类不同的滤波子模块，分别为102_1、102_2和102_3，这三类子模块构成二叉树型的滤波器结构，具体如图2所示。整个滤波模块102共有8个输出端，我们从其中任选一个作为102模块的输出即可。不同类型子模块的作用不同，其具体结构也不同。图3展示了不同类型子模块的具体结构。假设光学频率梳产生模块所产生的光频梳中共有8×n个波长。作为第一级滤波子模块102_1的作用是将输入的光学频率梳波长数量减半，即第一级滤波子模块102_1的每一路输出分别为含有4×n个波长的光学频率梳。之后，第二级滤波子模块102_2将第一级滤波子模块102_1输出的光学频率梳中波长的数量减半，变为2×n个。接着，第三级滤波子模块102_3再将第二级滤波子模块102_2输出的光学频率梳波长数量减半，变成n个，并最终输出，其中n为正整数。各不同子模块的具体结构如图3所示，第一级滤波子模块102_1由3个不等臂mzi级联而成，其滤波曲线通带平坦、通带之间间隔较小并且阻带对信号的抑制较强，因此作为第一级滤波子模块；第二级滤波子模块102_2由2个不等臂mzi级联而成，其滤波曲线通带间隔相对第一级滤波子模块102_1要大一倍，通带仍相对平坦，用作第二级滤波子模块；第三级滤波子模块102_3只包含1个不等臂mzi。光学频率梳经过前两级滤波子模块的处理之后，其波长之间的间隔变得相对较大，用滤波曲线形状是周期性三角函数的第三级滤波子模块102_3来滤波，足够将相邻波长的光信号分离开。为了使滤波模块102的输出能容纳n个波长，我们要求滤波模块102有足够宽的通带带宽。这可以通过调节马赫曾德干涉器的臂长差来实现，两臂的臂长差越小，得到的带宽越大。

在上述说明的基础上，幅度相位调节阵列模块103采用图4所示的具体结构，所述的幅度相位调节阵列模块103包括一个反馈型阵列波导光栅、n组可调光衰减器voa和移相器ps，其中虚线框部分是反馈型阵列波导光栅，含有n个波长的光学频率梳进入所述的幅度相位调节阵列模块103之后，首先在阵列波导光栅中传输。之后，不同波长的光信号被分成n路，每一路都与一组可调光衰减器voa及移相器ps相连，对不同波长光信号的幅度和相位进行独立调节。在光信号通过可调光衰减器及移相器之后，再一次进入该阵列波导光栅中传输，并最后合成为一路信号输出，得到每一波长点幅度、相位均经过调节的光学频率梳，实现光学任意波形的发生。就图4来说，首先光学频率梳从左方的输入端进入阵列波导光栅中传输。光信号第一次从第1个平板波导到达第2个平板波导时，不同波长的光信号将会进入不同的反馈延时线中进行传输，每一路反馈延时线都与一组可调光衰减器和移相器相连，用来单独调节每一路光信号的幅度和相位。在不同波长光信号的幅度和相位调节完毕之后，n路光信号再一次进入阵列波导光栅中传输，并在第二次从第1个平板波导到达第2个平板波导时合为一路光，从输出端输出。

综上所述，按照本发明实现的硅基光学任意波形发生芯片可以实现光学频域内任意波形的发生，具有尺寸小、集成度高、损耗低、稳定性好等特点，能在光通信网络及系统中发挥关键作用。

最后应说明的是，以上内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的普通技术人员应当理解。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。