一种4×4光波导编码器

本发明属于光子集成，具体涉及一种4×4光波导编码器。

背景技术：

1、随着光通信技术的快速发展，光交换网络因其信息容量大、抗干扰能力强的优势逐步取代电气交换网络成为现代通信的主流发展方向，自由空间光学器件和平面光学器件是光交换网络的两种重要组成部分。而平面光交换网络的高信号响应速度更适于制备兼容性强、高效率的多功能光子芯片。特别是基于光码分多址(ocdma)技术的片上光波导编码器件，由于具有集成度高、功耗低、响应速度快等特点在光计算系统中备受关注。但由于多元件级联方式的影响，对整体编码器的扩容性及逻辑门的可重构性造成了限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提升编码器的扩容性及逻辑门的可重构性，提出了一种4×4光波导编码器，通过对光波导有效折射率的热光调制，利用光波导耦合技术提供了光波导编码器，适用于构建高速高集成度的光学编码系统。本发明通过以热光开关为单元的驱动方式，在移相、交叉、合束单元的配合下，实现可重构光逻辑门式的高密度集成4×4光波导编码器，其技术适用于可编程光子集成网络的构建，在大数据中心及超快计算系统中具有广阔的应用前景。

2、本发明所述的4×4光波导编码器，采用以下技术方案：

3、如图1(a)所示，本发明所述的4×4光波导编码器自下而上由衬底层1、下包层2、芯层3、上包层4和电极5组成，图1(a)中β处截面如图1(b)所示，在与光传输方向相垂直的截面上芯层3为矩形结构，芯层3和上包层4共同位于下包层2的上表面且芯层3被包覆在上包层4之中，电极5位于上包层4的表面，由窄矩形金属热电极、宽矩形金属连接线和方形外电源连接引线组成；方形外电源连接引线和外部稳压电源连接，为4×4光波导编码器提供调制电压；方形外电源连接引线输出的电流通过宽矩形金属连接线传递至窄矩形金属热电极；窄矩形金属热电极电阻较高，施压后会产生高热量，从而改变窄矩形金属热电极下方芯层3的折射率，实现调制效果。

4、本发明所述的4×4光波导编码器的芯层3结构如图1c所示，根据芯层3的布设方案可将光波导编码器分为16个开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)、8个移相器单元(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)、12个交叉波导单元(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)和16个合束器单元(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)组成；开关单元(a11-a14)、移相器单元(b11、b12)、交叉波导单元(c11-c13)和合束器单元(d11-d14)构成第一4×1光波导编码器，开关单元(a21-a24)、移相器单元(b21、b22)、交叉波导单元(c21-c23)和合束器单元(d21-d24)构成第二4×1光波导编码器，开关单元(a31-a34)、移相器单元(b31、b32)、交叉波导单元(c31-c33)和合束器单元(d31-d34)构成第三4×1光波导编码器，开关单元(a41-a44)、移相器单元(b41、b42)、交叉波导单元(c41-c43)和合束器单元(d41-d44)构成第四4×1光波导编码器，第一～第四4×1光波导编码器依次连接后构成4×4光波导编码器。

5、本发明所述的开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)结构如图1d所示，沿光传输方向由3-db耦合器(aa)、调制区(ab)和定向耦合区(ac)三部分组成；调制区(ab)由两条平行直波导组成，将位于光传输方向右侧的直波导作为调制臂，在与其位置对应的上包层4的上表面设置有电极5；3-db耦合器(aa)由输入单直波导、末端带有弯曲耦合波导的输出双直波导组成，输入单直波导和输出双直波导相互平行，输出双直波导尺寸相同且对称地设置在输入单直波导的两侧，输出双直波导末端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后分别与调制区(ab)的两条平行直波导相连接；定向耦合区(ac)由首、末端均带有弯曲耦合波导的双直波导组成，该双直波导尺寸相同且相互平行，其首端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后与调制区(ab)的两条平行直波导分别相连接，其末端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后形成第一输出端和第二输出端；定向耦合区(ac)的双直波导间距较小，形成定向耦合结构。

6、本发明所述的移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)结构如图1e所示，顺次由输入直波导、两个对称设置的梯形结构波导、输出直波导相连接组成，沿光传输方向两个对称设置的梯形结构波导的宽度先变宽后变窄；本发明所述的交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)结构如图1f所示，由两条波导交叉连接构成，形成第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端和第二输入端相互平行，第一输出端和第二输出端相互平行；本发明所述的合束器单元(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)结构如图1g所示，为两个弯曲耦合波导、第一曲面波导、第二曲面波导、梯形波导和直波导顺次连接构成的对称多曲面结构，两个弯曲耦合波导形成合束器单元的第一输入端和第二输入端，直波导形成合束器单元的输出端；合束器单元的曲面宽度按指数函数变化，先增后减形成第一曲面，然后再先增后减形成第二曲面，最后由梯形波导将第二曲面波导和直波导相连接，用以控制衍射级数变化，可实现逻辑或门作用，两路信号光沿两个弯曲耦合波导输入后将被合成一路信号光由直波导输出，也可将沿任一个弯曲耦合波导传输的一路信号光由直波导输出。本发明所述的4×4光波导编码器具有4个输入端口(in1～in4)和4个输出端口(out1～out4)。

7、具体的，第一4×1光波导编码器中，移相器(b11)的输入直波导与开关单元(a11)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，移相器(b11)的输出直波导与合束器(d11)的第一输入端相连接；移相器(b12)的输入直波导与开关单元(a14)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，移相器(b12)的输出直波导与合束器(d14)的第二输入端相连接；交叉波导(c11)的第一输入端与开关单元(a11)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c11)的第二输入端与开关单元(a12)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c11)的第一输出端与合束器(d11)的第二输入端相连接，交叉波导(c11)的第二输出端与合束器(d12)的第一输入端相连接；交叉波导(c12)的第一输入端与开关单元(a12)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c12)的第二输入端与开关单元(a13)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c12)的第一输出端与合束器(d12)的第二输入端相连接，交叉波导(c12)的第二输出端与合束器(d13)的第一输入端相连接；交叉波导(c13)的第一输入端与开关单元(a13)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c13)的第二输入端与开关单元(a14)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c13)的第一输出端与合束器(d13)的第二输入端相连接，交叉波导(c13)的第二输出端与合束器(d14)的第一输入端相连接。经合束器单元(d11-d14)合束后的信号光分别作为第二4×1光波导编码器的输入信号，其余依次类推。

8、如图1(h)所示，电极5由16个电极单元(e11-e14、e21-e24、e31-e34、e41-e44)组成，每个电极单元均由2个方形外电源连接引线、1个窄矩形金属热电极和2个宽矩形金属连接线组成，分别作用于开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)调制区(ab)的调制臂上，方形外电源连接引线均匀分布于4×4光波导编码器的两侧，窄矩形金属热电极布设在开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)调制区(ab)中调制臂对应位置上包层4的表面，窄矩形金属热电极与方形外电源连接引线由宽矩形金属连接线进行连接，金属连接线的宽度一致。

9、所述衬底层1材料为磷化铟(inp)、砷化镓(gaas)、硅(si)中的任意一种。

10、所述的下包层2材料为二氧化硅(sio2)、epoclad、fsu-8、su-8、p(mma-co-gma)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)中的一种。

11、所述的芯层3材料为硅(si)、fsu-8、su-8 2002、su-8 2005、聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)中的一种。

12、所述的上包层4材料为二氧化硅(sio2)、epoclad、fsu-8、su-8、p(mma-co-gma)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)中的一种。在同一器件中，上、下包层的材料可以相同，也可以不相同。芯层材料的折射率要大于包层材料的折射率。

13、所述的电极5材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种组成的合金。

14、开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)的工作原理如图2(a)所示，信号光自作为输入端口的输入单直波导输入后，在3-db耦合器(aa)处因波导间耦合作用，使得信号光分成幅度相等相位相同的两束光并向两侧的输出双直波导传输，经弯曲耦合波导送入调制区(ab)的两条平行直波导内；当未给调制臂上方电极施加电压时，两条平行直波导输出幅度相等相位相同的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下，沿定向耦合区(ac)的第一输出端和第二输出端分别输出幅度相等相位相同的两束信号光，两束信号光强度分别为开关单元入射信号光强度的1/2；当给调制臂上方电极施加电压u1时，金属热电极产生的热量使得调制臂区域的下包层2、芯层3和上包层4的折射率发生改变，调制区(ab)的两条平行直波导输出幅度相等相位相差π的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下沿定向耦合区(ac)的第一输出端输出，输出的信号光强度与开关单元入射信号光强度一致；当给调制臂上方电极施加电压u2时，金属热电极产生的热量使得调制臂区域的下包层2、芯层3和上包层4的折射率发生改变，调制区(ab)的两条平行直波导输出幅度相等相位相差-π的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下沿定向耦合区(ac)的第二输出端输出，输出的信号光强度与开关单元入射信号光强度一致；进而实现开关单元信号3种开关状态的切换功能。

15、移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)、交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)的工作原理如图2(b)所示，由于信号光在弯曲的交叉波导中会沿着其弯曲方向继续传输，因此自交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)项部分第一输入端输入的信号光将会沿着交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)底部的第二输出端输出，沿交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)底部的第二输入端输入的信号光将会沿着交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)顶部的第一输出端输出，形成交叉传输状态；信号光在经过反向对称梯形结构波导时相位变化会变快，使得经移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)输出的信号光相位与同等长度直波导输出的信号光相位不同，通过优化梯形结构长度使其与交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)输出端输出的信号光相位一致。合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)的工作原理如图2(c)所示，自移相器或交叉波导输入的相位相同、幅度相同或不同的信号光经合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)后，由合束器输出端输出的信号光强度是输入信号光强度的累加。

16、所述的4×4光波导编码器最少输入信号光数量为1，最多输出信号光数量为4，此状态下单路输出信号光强为输入信号光强的25％，可设定检测门限即为单路信号光强度的20％，超过检测门限判定编码状态为1，低于检测门限判定编码状态为0。在16组电极的作用下，控制16个开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)的工作，实现自输入端入射光{in1,in2,in3,in4}至输出端{out1,out2,out3,out4}的任意切换能力的光波导编码器功能。以in1和in4端口输入为例，16组电极中e11、e22、e33和e44接外部电压u2，e14、e23、e32和e41接外部电压u1输入时，由out1和out4端口输出，光传输路径如图3(a)所示；当电极e11、e22、e33和e44接外部电压u2，e14、e23和e32接外部电压u1时由out1、out2和out4端口输出，如图3(b)所示；当电极e11、e22、e33、e41和e44接外部电压u2，e14和e32接外部电压u1时由out2和out4端口输出，如图3(c)所示。

17、所述的4×4光波导编码器以1端口输入的编码状态为例(单端口输入与多端口输入工作原理相同)，如表1所示(入射端{in1,in2,in3,in4}中0代表无信号光输入，1代表有信号光输入；输出端{out1,out2,out3,out4}中0代表无信号光输出，1代表有信号光输出；电极单元(e11-e44)中0代表无外部电压，1代表有外部电压u1，2代表有外部电压u2)。

18、与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：

19、一、相比于传统编码器，本发明采用多个金属热电极级联的方案，可极大简化电路控制方案。

20、二、相比于传统聚合物光波导定向耦合开关阵列，本发明采用金属热电极加热的方式控制耦合状态的方案，可减小单元结构的尺寸规模，提升集成度。

21、附表说明

22、表1为本发明所述的4×4光波导编码器入射光{in1,in2,in3,in4}为0001编码状态表。

23、表1：入射光{in1,in2,in3,in4}为0001编码状态表

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