片上集成放大器

本公开涉及光电，尤其涉及一种片上集成放大器。

背景技术：

1、随着新一轮技术革命的到来，人工智能、物联网、云计算等产业对信息传输和处理提出了更高的技术需求。具有高速、低损耗以及工艺相对成熟的光子芯片有望满足此类技术需求。目前光子集成电路已经在5g通信、大数据中心、光计算等领域开拓了大量新应用。然而大规模集成光子回路必然会引起信号的衰减，需要光放大器对衰减信号进行放大，因此光放大器是集成光子平台的重要组成部分。目前稀土离子掺杂的波导放大器对于小信号功率能实现较大的增益，但是当输入信号功率增大时，会引起信号光的非辐射复合，降低信噪比，从而使增益下降，在一定程度上限制了其在高功率领域的应用。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本公开提供了一种片上集成放大器，以解决上述技术问题。

2、本公开的一个方面提供了一种片上集成放大器，包括：第一输入光波导，用于输入信号光；第二输入光波导，用于输入泵浦光；第一多模干涉结构，连接所述第一输入光波导，用于将所述信号光根据第一光功率比分为两束；第二多模干涉结构，连接所述第二输入光波导，用于将所述泵浦光根据第二光功率比分为两束；光开关，两个输入端口分别连接所述第一多模干涉结构和所述第二多模干涉结构的一路输出，两个输出端口将所述第一多模干涉结构输出的一路信号光和所述第二多模干涉结构输出的一路泵浦光进行位置交换；第一波分复用结构，两个输入端口输入所述第一多模干涉结构输出的另一路信号光和所述光开关输出的一路泵浦光，用于将所述另一路信号光和所述一路泵浦光耦合；第二波分复用结构，两个输入端口输入所述第二多模干涉结构输出的另一路泵浦光和所述光开关输出的一路信号光，用于将所述另一路泵浦光和所述一路信号光耦合；第一波导放大器和第二波导放大器，分别连接所述第一波分复用结构和所述第二波分复用结构，用于放大所述第一波导放大器和所述第二波导放大器输出的耦合光中的信号光；第三波分复用结构和第四波分复用结构，分别连接所述第一波导放大器和所述第二波导放大器，用于将放大后的所述信号光从所述泵浦光中分离出来；第三多模干涉结构，连接所述第三波分复用结构和所述第四波分复用结构，用于将所述信号光合束。

3、根据本公开的实施例，所述第一波导放大器和所述第二波导放大器的波导长度不同，以补偿各路所述信号光的相位差。

4、根据本公开的实施例，输出至所述光开关的一路所述信号光的光功率大于另一路所述信号光，输出至所述光开关的一路所述泵浦光的光功率大于另一路所述泵浦光。

5、根据本公开的实施例，所述第一输入光波导和所述第二输入光波导为直波导。

6、根据本公开的实施例，所述第一波分复用结构、所述第二波分复用结构、第三波分复用结构和第四波分复用结构为倾斜多模干涉仪或多模波导光栅结构。

7、根据本公开的实施例，所述光开关为马赫-曾德尔型或微环型结构。

8、根据本公开的实施例，所述第一波导放大器和所述第二波导放大器为稀土离子掺杂的螺旋状脊形波导放大器。

9、根据本公开的实施例，所述第一波导放大器和所述第二波导放大器的掺杂离子为放大波段为c波段的材料。

10、根据本公开的实施例，所述掺杂离子为饵离子或饵离子与镱离子的组合。

11、根据本公开的实施例，所述信号光位于c波段，所述泵浦光波长为980nm或1480nm。

12、在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

13、本公开提供的片上集成放大器利用多模干涉结构(multiple-modeinterference，mmi)对大/高功率输入信号光和泵浦光进行分束，通过调控光开关的交叉状态改变部分分束后的信号光和泵浦光的位置，形成信号光和泵浦光的交叉排布，以便将泵浦光顺利输入每一个波导放大器中进行放大，实现分束后小信号的最佳增益后再进行合束，解决大信号功率直接输入放大器增益小的问题，提高大信号功率的增益性能；

14、本公开引入片上波分复用(wavelength-division multiplexing，wdm)结构，可在芯片上实现信号光和泵浦光的合束/分束，其核心组成结构均可基于芯片实现，包括多模干涉结构、光开关、波分复用结构和掺杂波导放大器，可实现真正意义上的片上集成波导放大器，可直接与芯片上的其他结构组合使用，集成度高，有利于大规模集成光子回路的应用；

15、本公开通过对大输入信号进行“分束-多通道放大-合束”，避免了集成芯片中芯片输入功率过高引起芯片端面损伤及非线性问题。

技术特征：

1.一种片上集成放大器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，所述第一波导放大器(8)和所述第二波导放大器(9)的波导长度不同，以补偿各路所述信号光的相位差。

3.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，输出至所述光开关(5)的一路所述信号光的光功率大于另一路所述信号光，输出至所述光开关(5)的一路所述泵浦光的光功率大于另一路所述泵浦光。

4.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，所述第一输入光波导(1)和所述第二输入光波导(2)为直波导。

5.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，所述第一波分复用结构(6)、所述第二波分复用结构(7)、第三波分复用结构(10)和第四波分复用结构(11)为倾斜多模干涉仪或多模波导光栅结构。

6.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，所述光开关(5)为马赫-曾德尔型或微环型结构。

7.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，所述第一波导放大器(8)和所述第二波导放大器(9)为稀土离子掺杂的螺旋状脊形波导放大器。

8.根据权利要求7所述的片上集成放大器，其特征在于，所述第一波导放大器(8)和所述第二波导放大器(9)的掺杂离子为放大波段为c波段的材料。

9.根据权利要求8所述的片上集成放大器，其特征在于，所述掺杂离子为饵离子或饵离子与镱离子的组合。

10.根据权利要求1所述的片上集成放大器，其特征在于，所述信号光位于c波段，所述泵浦光波长为980nm或1480nm。

技术总结本公开提供了一种片上集成放大器，包括：第一多模干涉结构和第二多模干涉结构，分别用于将信号光和泵浦光各分为两束；光开关，分别连接第一多模干涉结构和第二多模干涉结构的一路输出，将一路信号光和一路泵浦光进行位置交换；第一波分复用结构，将第一多模干涉结构输出的另一路信号光和光开关输出的一路泵浦光耦合；第二波分复用结构，将另一路泵浦光和一路信号光耦合；第一波导放大器和第二波导放大器，用于放大第一波导放大器和第二波导放大器输出的耦合光中的信号光；第三波分复用结构和第四波分复用结构，用于将放大后的信号光从泵浦光中分离出来；第三多模干涉结构，用于将各路信号光合束。技术研发人员：刘建国,黄嘉瑜,李金野受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/12