一种完全可编程的集成拓扑光子器件

本发明涉及集成光子芯片领域，具体为一种利用半导体芯片上设计光学拓扑绝缘体结构的波导环阵列来实现环间耦合强度和波导传输相位均实时可编程的集成拓扑光子器件的方案。

背景技术：

1、集成光子芯片因其具有与cmos工艺兼容、体积小、高集成度和高可调性等优势，是未来光学领域发展的趋势之一，在光通信、光计算、光学信号处理等领域都有重要且广泛应用。

2、面对不同光信号处理任务下的复杂变化的光路设置和实时光信号处理的快速响应需求，单一功能的具有针对性的集成光子芯片被设计和应用在特定的场景中。而当处理任务发生较大变化时，通常需要对光子芯片进行重新设计和替换。而通过简单地提升集成光路规模和增加可调元件个数的来实现多功能的光信号处理的方案，往往会因器件加工误差和环境噪声的影响难以实现预期的光路效果。

技术实现思路

1、为了实现满足多种光信号处理任务下不同光路在单一集成光学芯片上的实现，同时克服大规模可编程光子器件对加工误差和环境噪声敏感的特点，本发明提供一种完全可编程的集成拓扑光子器件的设计方法。本发明在半导体芯片上设计可编程的光学拓扑绝缘体耦合环阵列，针对不同的光信号处理任务需求可以实时改变光路。环阵列排布满足方形的弗洛凯拓扑晶格的排布规则，单个硬件上的元胞具有电学可调的三微环结构，可以将光子传输的光路构造成弗洛凯拓扑绝缘体的边界，并让光子依托拓扑边界模式进行传播。拓扑边界模式能够使器件在存在一定加工误差和工作环境噪声扰动的情况下依旧能实现高性能的光信号处理光路。

2、现有的集成光子芯片大多数为针对特定功能的定制化光芯片，通过大量不可调元件和只在特定位置的少数的可调元件实现单一功能的光信号处理。而少数的针对多功能的可编程光子芯片面临器件规模和光路精度的制衡。小规模可调阵列难以满足多任务需求。大规模可调阵列则引入了大量的可调元件，在现有的光刻工艺下器件存在偏差，同时可调器件应用时的实际加载参数和设定参数间也存在偏差，两种偏差都会在大规模光路种累积放大，使光路偏离设定结构并引入一定的串扰。同时也是误差的影响，使得支持直接光学反馈的含有环形光路结构的可编程集成光子器件难以实现。因此，若能克服大规模可编程光学门阵列对误差和噪声的敏感性，则可以促进通用型的集成光子芯片的发展，并走向更广阔的应用场景。同时，一个具有足够规模的可编程的晶格结构也为不同参数的拓扑材料的性质研究提供了一种全新的及时反馈的研究平台。

3、针对上述目的，本发明所采用的技术方案是：

4、一种完全可编程的集成拓扑光子器件，其特征在于，包括一半导体芯片，所述半导体芯片上设有多个波导谐振环，各所述波导谐振环的排布规则满足弗洛凯拓扑绝缘体的方形晶格的排布规则，构成一二维阵列；

5、相邻两波导谐振环之间通过一第一马赫曾德尔干涉仪耦合，所述第一马赫曾德尔干涉仪用于调节所述波导谐振环间的耦合强度；将与四个第一马赫曾德尔干涉仪具有耦合关系的波导谐振环称为主环，将相邻两主环之间的波导谐振环称为连接环；

6、所述主环的至少一非耦合传输波导上设有一电控相移器，所述连接环的两非耦合传输波导上分别设有一电控相移器；所述电控相移器用于调节波导的传输相位；

7、所述二维阵列最外围的波导谐振环的无近邻波导谐振环的一侧与第二马赫曾德尔干涉仪耦合连接，该第二马赫曾德尔干涉仪剩余的两通道分别与输入、输出波导耦合，用于光学信号的输入和输出。

8、本发明集成拓扑光子器件包括由多个波导谐振环排列成二维阵列、马赫曾德尔干涉仪、电控相移器；所述二维环阵列规则满足弗洛凯拓扑绝缘体的方形晶格，通过三个微环组成元胞，而后元胞在每行每列重复排列形成二维晶格阵列；所述二维阵列中任意两个近邻的波导谐振环间的耦合强度可以通过马赫曾德尔干涉仪实现任意调节，马赫曾德尔干涉仪的组成包括50：50分束器-相移器-50：50分束器，通过调节相移器的相位实现任意分束比的干涉调节。每一段波导的传输相位可以通过电控相移器任意调节；所述二维阵列最外围谐振环的无近邻谐振环的一侧，马赫曾德尔干涉仪的两个通道与输入输出波导耦合，用于光学信号的输入和输出。

9、进一步的，所述二维阵列为m×n二维阵列；其中m为每行元胞的个数，n为每列元胞的个数。

10、进一步的，通过调节环间耦合强度和波导传输相位，阵列内的相干传输光路可以被任意实时编辑。环间耦合强度调节所用的马赫曾德尔干涉仪透射率可以实现0％至100％任意调节。波导传输相位调节所使用的电控相移器附加的额外相位可以实现0至2π的任意调节。

11、进一步的，通过调节环间耦合强度和波导传输相位，阵列内可以实现环形的光学回路，实现具有直接光学反馈功能的光学线路构造。

12、进一步的，弗洛凯微环晶格支持两种绕向独立的传输模式，某特定环内的顺时针绕向光子在阵列中耦合后再次回到该环依旧为顺时针绕向，不会出现同一环内的两种绕向耦合，因此支持光信号在阵列中的路径上双向传播，不同传播方向的光信号间互不干扰。

13、进一步的，根据光信号在阵列内的传播方向不同，阵列与外界耦合端口同时支持信号的输入和输出。

14、进一步的，支持不同波长的光信号同时在阵列内传输。最外围的不同谐振环所连接的马赫曾德尔干涉仪的输入端口可以输入不同波长的光信号，符合波分复用技术需求，对输入输出端口没有特定需求，主要是拓扑环阵列的频域响应特征。

15、进一步的，支持多路径多端口的光学信号同时在阵列内传输。

16、本发明的内容包括：

17、1.如图1所示，将波导谐振环结构排列成m元胞×n元胞的二维阵列，其中m为每一行的元胞个数，n为每一列的元胞个数，一般要求满足m和n均大于5即可。每一个元胞由三个同周长的波导谐振环组成。环间的耦合装置为马赫曾德尔干涉仪(mzi)。所有环内的非耦合传输波导上都有独立的相移器，可以为光子传输添加额外的传输相位。假设所有的耦合强度和传输相位都设为相同值时，阵列满足弗洛凯拓扑绝缘体(floquet topologicalinsulator)的条件，支持两种赝自旋相关的拓扑边界模式，即根据光子在微环内的绕向不同(顺时针或者逆时针)，可以产生沿材料边界定向传输的拓扑边界模式，具体传输方向由绕向决定。两种绕向的传输模式相互独立，某特定环内的顺时针绕向光子在阵列中耦合后再次回到该环依旧为顺时针绕向，不会出现同一环内的两种绕向耦合。拓扑边界模式具有鲁棒性(robustness)，能够免疫加工带来的器件不完美，环境中的噪声扰动和参数设置的偏差。

18、2.mzi的上电控相移器分别引入额外相位θ，此时环间耦合强度调制的mzi的传输矩阵可以被表示为：

19、

20、当参数θ＝0时，光子的透射率为100％，完全耦合到近邻环内；当参数θ＝π时，光子透射率为0％，此时环间耦合被完全断开。同时θ也可以是0到π之间的任意值，可以构建任意的相干光路分束。

21、3.环内传输波导上的电控相移器分别引入额外相位为光子复振幅增加的额外传输相位。既可以实现谐振环的共振峰调节，也可以在开放光学线路中调节不同路径的相位差。

22、4.通过合理编辑不同空间位置的θ和可以实现任意结构支持的相干光学线路。其中光学谐振环作为集成光学波分复用中最常用的分频和合频器件，还可以支持不同波长的复用。

23、5.在具体的线路中，可以认为将传输路径两侧不参与传输的区域参数设定为不同拓扑相，此时的光学传输路径尽管位于结构内部，但也属于不同拓扑绝缘相的交界面，能够支持具有鲁棒性的光子输运，也可以划分不同区域支持多端口多区域间的独立工作。

24、本发明的有益效果为：

25、本发明提供了一种基于拓扑晶格架构的光学可编程门阵列，拓扑鲁棒性协调了大规模的可编程器件集成中误差累积和阵列规模的矛盾，将高性能的可实时调控的多功能集成光学芯片推向了更大的规模和更复杂的应用场景。同时，这种可编程的晶格结构也为不同参数的拓扑材料的性质研究提供了一种全新的及时反馈的模拟平台。