一种低串扰的高效热光移相器及其应用

1.本说明书一个或多个实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种低串扰的高效热光移相器及其应用。


背景技术：

2.近年来由于硅基光子学领域的蓬勃发展，大幅度增加了对可调谐元件的需求。移相器就是其中之一，从光学相控阵、激光雷达到光子神经网络都是需要集成移相器的。
3.光学移相器是光学信息系统的重要组成部分，其功能是改变集成光传输系统中光信号的光路或逻辑操作。光学移相器的工作是基于硅的折射率对温度的依赖，在soi上添加金属加热器，可以使得靠近加热器的波导中的温度发生改变，从而使波导的有效折射率发生改变，即可实现波导中的光的相位随之改变，这是是热光移相器的基础。高性能热光移相器具有光插入损耗低、功耗低、移相器之间串扰小等特点。
4.然而，当前设计的热光移相器结构中存在着串扰高等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种低串扰的高效热光移相器及其应用，以解决现有热光移相器串扰高的问题。
6.基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种低串扰的高效热光移相器，包括：
7.衬底、设于衬底上的传播波导和对传播波导加热的加热器；
8.加热器设置为环形弯曲结构；
9.传播波导设置为螺旋弯曲结构，且其形状贴合加热器的形状。
10.优选地，传播波导包括依次连接的第一输入波导、调制波导和第一输出波导，第一输入波导、调制波导和第一输出波导连接成螺旋弯曲结构，第一输入波导设置在热光移相器的波导输入端到加热器的始端旁，调制波导紧靠加热器设置，第一输出波导设置在远离加热器的一端。
11.优选地，加热器的材料为铜；第一输入波导、调制波导和第一输出波导的材料均为硅。
12.优选地，传播波导的长度为320μm，宽度为0.4μm，高度为0.2μm，其中调制波导的长度为160μm；
13.加热器的长度为160μm，宽度为0.8μm，高度为0.26μm。
14.优选地，调制波导与加热器之间的间距为0.1μm，第一输出波导与加热器之间的间距为3μm。
15.优选地，加热器包括热电极，热电极的正电极和负电极分别分布在加热器的始端和末端。
16.优选地，正电极和负电极的材料均为铝。
17.优选地，调制波导、第一输出波导和加热器均包裹在二氧化硅层里。
18.本说明书还提供一种应用上述任意一项的热光移相器的光学相控阵，该光学相控阵包括光分束器、光栅天线阵列和上述热光移相器；
19.光分束器包括第二输入波导和第二输出波导，第二输入波导用于将光信号引入光分束器，光分束器用于对进入光分束器的光信号进行等功率分束处理，使一个光信号变成多个光信号；
20.热光移相器的波导输入端与第二输出波导连接；
21.光栅天线阵列与热光移相器的波导输出端连接，用于向自由空间散射光信号。
22.优选地，热光移相器包括设置在加热器的始端的正电极和设置在加热器的末端的负电极，光学相控阵还包括正负热电极控制总线和数模转换器，数模转换器用于将解码数据转换成电压信号输入到正负极电极控制总线，正负热电极控制总线分别与正电极和负电极连接，用于将电压信号输入到热光移相器的正电极和负电极，使加热器工作。
23.从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的低串扰的高效热光移相器及其应用，热光移相器包括衬底、设于衬底上的传播波导和对传播波导加热的加热器，通过将加热器设置为环形弯曲结构，将传播波导设置为螺旋弯曲结构，可以形成紧凑的结构因数和可忽略的串扰，在实现移相器低串扰的同时既解决了移相器集成度不高的问题，也达到了π相移量的高相位调制，解决了现有热光移相器存在的移相效率低、串扰高以及集成度不高的问题。
附图说明
24.为了更清楚地说明本说明书一个或多个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说明书一个或多个实施例，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。
25.图1为本说明书一个或多个实施例的热光移相器结构示意图；
26.图2为本说明书一个或多个实施例的热光移相器截面示意图；
27.图3为本说明书一个或多个实施例的光学相控阵结构示意图；
28.图4为本说明书一个或多个实施例的调制波导和第一输出波导随输入功率变化的温度分布图；
29.图5为本说明书一个或多个实施例的调制波导与第一输出波导的耦合关系图；
30.图6为本说明书一个或多个实施例的热光移相器输入功率和相移量的曲线图。
具体实施方式
31.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。
32.需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面
的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
33.本说明书实施例提供一种低串扰的高效热光移相器3，如图1所示，包括衬底、设于衬底上的传播波导和对传播波导加热的加热器3-6，其中加热器3-6设置为环形弯曲结构，传播波导设置为螺旋弯曲结构，且其形状贴合加热器3-6的形状。
34.本说明书实施例提供的低串扰的高效热光移相器3，通过将加热器3-6设置为环形弯曲结构，将传播波导设置为螺旋弯曲结构，可以形成紧凑的结构因数和可忽略的串扰，在实现移相器低串扰的同时既解决了移相器集成度不高的问题，也达到了π相移量的高相位调制。
35.作为一种实施方式，传播波导包括依次连接的第一输入波导3-1、调制波导3-2和第一输出波导3-3，且第一输入波导3-1、调制波导3-2和第一输出波导3-3连接成螺旋弯曲结构，其中第一输入波导3-1设置在热光移相器3的波导输入端到加热器3-6的始端旁，调制波导3-2紧靠加热器3-6设置，第一输出波导3-3设置在远离加热器3-6的一端，该结构保证了光信号在同根波导中实现输入和输出，不需要通过其他波导耦合，降低了移相器内部的热串扰。
36.作为一种实施方式，加热器3-6的材料为铜(cu)，金属铜材料导热系数为401(w/m.k)，不仅有传热性能好，延展性好以及耐腐蚀能力强的优点，而且在自然界储量非常丰富，性能优良，价格便宜且加工方便。
37.作为一种实施方式，第一输入波导3-1、调制波导3-2和第一输出波导3-3的材料均为硅(si)，si材料的折射率对温度有依赖性，于是就可以通过调控si材料的温度变化来改变其折射率变化。同时，si材料对光具有高的折射率(n＝3.42)远远优于其他材料，并且在自然界储量非常丰富，成本便宜，有利于大量生产。
38.进一步的，加热器3-6的金属铜材料传热性能好的优势使得产生的热量对si材料波导的折射率变化范围影响更大，有利于光信号的相位调制。
39.调制波导3-2、所述第一输出波导3-3和所述加热器3-6均包裹在二氧化硅层3-7里，并在二氧化硅层3-7中填充空气形成空气层，空气层位于加热器3-6和第一输出波导3-3上方，制作空气层，是为了减少纵向热导。
40.参照图2，为本发明热光移相器的截面图，可知实现低串扰的高效移相器结构需要设计加热器3-6对调制波导3-2产生影响的间距、加热器3-6对输出波导3-3无热串扰的间距以及调制波导3-2与输出波导3-3无耦合的最小间距。
41.作为一种实施方式，调制波导3-2与加热器3-6之间的间距为0.1μm，第一输出波导3-3与加热器3-6之间的间距为3μm。该结构使加热器3-6产生的热量改变了调制波导3-2的si材料的折射率，从而使进入调制波导3-2的光信号达到π相移量的相位调制，同时还避免与输出波导产生热串扰。
42.进一步的，热光移相器3的半导体衬底3-8可以根据实际情况选用，包括不限于硅材料、氮化硅、iii-v族化合物等半导体材料。
43.作为一种实施方式，加热器3-6包括热电极，热电极的正电极3-4和负电极3-5分别
分布在加热器3-6的始端和末端，举例来说，正电极3-4和负电极3-5的材料均为铝。
44.本说明书还提供一种应用上述热光移相器3的光学相控阵，如图3所示，除包括热光移相器3外，还包括光分束器2和光栅天线阵列6。光分束器2包括第二输入波导1和第二输出波导，第二输入波导1将光信号引入光分束器2，光分束器2用于对进入光分束器2的光信号进行等功率分束处理，使一个光信号变成多个光信号；热光移相器3的波导输入端与第二输出波导连接，光信号经过光分束器2分束过后，输入到移相器的输入波导，光栅天线阵列6与热光移相器3的波导输出端连接，经过相位调制的光信号再从移相器的输出波导中输出到光栅天线阵列6中向自由空间散射。
45.作为一种实施方式，热光移相器3包括设置在加热器3-6的始端和正电极3-4和设置在加热器3-6的末端的负电极3-5，光学相控阵还包括正负热电极控制总线4和数模转换器5，其中数模转换器5是设置在正负热电极控制总线4顶端的倒三角结构，用于将解码数据转换成电压信号输入到正负热电极控制总线4，正负热电极控制总线4分别与正电极3-4和负电极3-5连接，用于将电压信号输入到热光移相器3的热电极和负电极3-5，使加热器3-6工作，加热器3-6产生的热量使调制波导3-2的折射率发生改变，从而对调制波导3-2中的光信号的相位进行调制。数模转换器5将转换得到的电压信号迅速地加在正负热电极。这缩短了加热器3-6的启动时间并且提高了热光移相器3运行的效率。
46.设置上述的热光移相器3，让加热器3-6处于温度300k的环境下，并且在加热器3-6上施加30-40mw的输入功率以及在调制波导3-2上放置温度检测器用来观察调制波导3-2周围的温度变化。参照图4，为30mw的输入功率下调制波导3-2和输出波导周围的温度变化分布图。从图4热分布观察发现调制波导3-2周围区域有大约26k的温度变化，说明了加热器3-6产生的热量很好地影响了调制波导3-2的材料折射率变化，可以使得光信号达到π相移量的相位调制。本发明的加热器3-6不能对输出波导产生热串扰，否则会影响光信号的相位调制。所以依图4可知输出波导周围区域几乎没有温度变化，说明加热器3-6对输出波导无热串扰，满足设计要求。
47.参照图5，图5为本发明中调制波导3-2与第一输出波导3-3的耦合关系图。当两个波导发生耦合时，两波导间彼此会存在电场e。参数电场e也会随着两波导的间距变化而变化，所以根据参数电场e的变化可得到调制波导3-2与第一输出波导3-3之间发生耦合的情况。因为本发明要保证光信号在调制波导3-2内发生相移后输入进第一输出波导3-3，在第一输出波导3-3输出的过程中不能够再与调制波导3-2发生耦合，否则就会导致热光移相器3的相位调制失效并且还要提高热光移相器3的集成度，所以要依据参数电场e找到调制波导3-2与第一输出波导3-3之间不发生耦合的最小间距。因此，依据图5分析可知当调制波导3-2与第一输出波导3-3的间距d《46nm时两者之间存在电场，这说明两个波导之间发生耦合；当两波导之间的间距d≥46nm时，两波导之间的电场强度趋于0，这说明两波导几乎不发生耦合；所以调制波导3-2和第一输出波导3-3之间的最小距离设计为46nm。
48.进一步的,在本发明中光信号通过移相器的相位变化和调制波导3-2温度变化δt，则调制波导3-2的长度l可表示为
49.50.其中λ为光信号的波长1550nm以及为波导si材料的热光系数的倒数，对于si材料而言，该热光系数为1.86
×
10-4
k-1
。
51.进一步的，本发明中调制波导3-2的温度变化δt如图4所示可知为26k,因此通过上述公式计算出当光的相位调制达到π的相移量时，调制波导3-2长度l＝160μm。因此本发明中的波导设计总长设置为320μm，宽为0.4μm，高为0.2μm，其中调制波导3-2长度l为160μm。
52.进一步的，在本发明中的加热器3-6以环形弯曲结构给调制波导3-2加热，不涉及对第一输出波导3-3的影响，因此加热器3-6设置为长为160μm，宽为0.8μm，高为0.25μm。
53.参照图6，为本发明热光移相器3所加输入功率p与相移量的关系图。设置所加的输入功率为30-40mw，再将上述调制波导3-2随输入功率变化的温度数据处理后，用于计算环境温度为300k下的有效折射率。然后记录结果数据，作为公式函数的有效指数n
eff
。最后根据得到的有效指数n
eff
，通过公式来计算出输入功率函数的相位变化。
54.上式中为移相器的相移量，arr
p
为输入功率长度的数组值,n
eff0
为有效指数n
eff
的整数部分，λ为入射光信号的波长且取1550nm，l为波导的长度且取320μm。从图6的关系图中看出当相移量变化了π的相移量，此时输入功率为36mw。同时依据图6为输入功率与相移量的线性关系图可推算出该结构的移相器发生2π的相移量所需的输入功率为72mw。
55.综上所述，本发明相比于传统的移相器，采用热光调控使其具有低光损耗、低功耗以及响应时间快的优势。本发明设计成了螺旋弯曲结构，该结构具有紧凑的结构因数和可忽略的串扰，在实现移相器低串扰的同时既解决了移相器集成度不高的问题，也达到了π相移量的高相位调制。并且本发明具备应用的可行性，制作工艺与cmos相兼容。
56.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
57.本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。