具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关及其集成可调光延时线

本发明属于集成光电子器件，具体涉及一种具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关及其集成可调光延时线。

背景技术：

1、近年来，集成可调光延时线得到了广泛的报道，为微波光子系统链路提供了小型化延时调控器件。尤其在微波光子相控阵领域，基于集成可调光学延时线的微波光子波束形成网络具备大带宽、尺寸紧凑、低损耗、抗电磁干扰等优异特性，受到研究者的广泛关注。

2、目前，集成可调延时线主要基于氮化硅平台、铌酸锂平台和soi平台。基于氮化硅平台的集成可调延时线具有损耗低的优势，但是目前氮化硅平台的延时线只能基于热光效应实现各个延时状态之间的切换，响应时间在微秒量级，且氮化硅平台无法和调制器、光电探测器等有源器件实现单片集成，这阻碍了微波光子片上系统的整体构建。2022年上海交通大学的h.sun等人报道了一种基于氮化硅平台具有二叉树结构的1×8波束形成网络芯片，具备低损耗、尺寸紧凑的特点[h.sun,l.lu,y.liu,z.ni,j.chen,l.zhou,j.lightwavetechnol.,2022,40,6919.]，然而其校准过程比较复杂。基于铌酸锂平台的集成可调延时线具有响应速度快的显著优势，且可以与调制器进行单片集成，但是目前铌酸锂的刻蚀较难，难以保证制作出来的延时线通道一致性，且尺寸较大，限制了其在诸多领域的实际应用。2020年中山大学的w.ke等人报道了一种基于铌酸锂平台制造的集成可调光延时线，该延时线中单个光开关的响应速度达到了13ns[w.ke,y.lin,m.he,m.xu,j.zhang,z.lin,s.yu,x.cai,photon.res.,2022,10,2575.]。基于soi平台的集成可调延时线可以同时实现较高的响应速度和较低的损耗，并且有能力和调制器、光电探测器等有源器件实现单片集成[w.ke,y.lin,m.he,m.xu,j.zhang,z.lin,s.yu,x.cai,photon.res.,2022,10,2575.]，因此非常适合作为集成延迟线的材料平台。

3、然而，目前报道的硅基可调光延时线绝大多数基于热光效应进行延时状态的切换，响应速度较慢。微秒量级的响应时间大大限制了集成可调光延时线的应用范围。基于载流子色散效应的硅基可调光延时线虽然可以实现纳秒量级高速延迟切换，但由于伴随载流子吸收效应，延迟线的带内串扰提升，导致信号的信噪比发生恶化。此外，由于工艺水平的限制，集成可调光延时线中的可调器件(主要是光开关)初始状态往往是随机的，芯片制造完成后，片上各个可调器件的初始状态差别大，使得集成可调光延时线校准过程变得复杂且耗时长，无法对延时线进行大规模批量生产。这给延时线的实际应用带来了挑战。

4、因此,目前集成光延时线的相关研究依然面临切换速度慢和工艺容差小的问题，要满足无线通信系统和雷达探测系统的实际工程应用，需要突破上述两个关键限制因素。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，针对目前集成可调光延时线由于工艺误差限制无法大规模生产和切换速度慢的问题，本发明提供一种具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关及其集成可调光延时线。采用具有三种不同宽度的脊形波导、两个3-db耦合器和两个基于p-i-n二极管移相器组成的具大高工艺容差和π/2初始相位差的推挽式马赫曾德电光开关，可实现对工艺误差不敏感并具备高切换速度的多通道集成光可调延时线。该种延时线利用片上集成的光开关的状态切换实现芯片上不同光行进路径的切换，从而实现不同延时量的切换，具备大工艺容差和高延时切换速度的特性。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一方面，本发明提供一种具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关，包括：

4、输入耦合器，包括用于接收光信号的两个输入端口；

5、被称为上臂和下臂的第一波导和第二波导连接到所述输入耦合器，用于传输所述光信号,并具有有效相位差；

6、输出耦合器,连接到所述上臂和下臂,且包括用于输出光信号的两个输出端口(2c,2d)；其特征在于，

7、所述上臂和下臂均由三段不同宽度的脊形波导构成，且宽度分别为w1、w2、w3；且中间段的脊形波导为宽度渐变的脊型波导；

8、所述上臂和下臂的各段的长度差为δl1、δl2、δl3，即δl1＝l上1-l下1、δl2＝l上2-l下2、δl3＝l上3-l下3，且δl1+δl2+δl3＝0；

9、所述上臂和下臂的相位差为π/2,即

10、neff1·δl1+neff2·δl2+neff3·δl3＝λ/4，其中neff1、neff2、neff3分

11、别为三段不同宽度的脊形波导的有效折射率；

12、通过设计所述上臂(2)和下臂(3)中波导的宽度w1、w2、w3，满足如下公式：其中指的是波导有效折射率随波导宽度的变化率；

13、进一步，包括两个基于p-i-n二极管移相器，分别位于所述上臂和下臂上；上移相器的p++(n++)区域与下移相器的n++(p++)区域相连。

14、开关采用推挽驱动方式，对上移相器的p-i-n二极管加正向电压，使得上移相器移相-π/2，则开关处于交叉状态，即从1a(1b)端口输入的光从2d(2c)端口输出；对上移相器的p-i-n二极管加反向电压，使得下移相器移相-π/2，则开关处于直通状态，即从1a(1b)端口输入的光从2c(2d)端口输出。

15、另一方面，本发明还提供一种集成可调光延时线，包括上述具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关，以及可调光衰减器和延迟波导。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

17、1.利用具有三段宽度不同的脊形波导实现马赫曾德电光开关初始相位差的恒定，通过选取适当的脊形波导宽度和各宽度波导上下两臂的长度差，使得光开关单元的两臂具备π/2的初始无源相位差，且该相位差具备大工艺容差，这使得大规模制备易校准乃至免校准的集成可调延时线芯片成为可能；

18、2.光开关初始相位差为π/2,采用推挽驱动方式，开关状态切换只需要移相-π/2，降低了光开关的串扰和损耗；

19、3.使用p-i-n二极管移相器使光开关响应时间达到10ns左右，提高了延时线在各个延时状态之间切换的切换速度，这可以使微波光子波束形成网络中波束的切换速度获得大幅度提升。

技术特征：

1.一种具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关，包括：

2.根据权利要求1所述的具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关，其特征在于，还包括两个基于p-i-n二极管移相器(5,6)，分别位于所述上臂(2)和下臂(3)上；

3.一种集成可调光延时线，包括权利要求1或2所述的具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关，以及可调光衰减器和延迟波导。

技术总结一种具备大工艺容差的高速马赫曾德电光开关及其集成可调光延时线，开关采用具有三种不同宽度的脊形波导、两个3‑dB耦合器和两个基于p‑i‑n二极管移相器组成的具备高工艺容差和π/2初始相位差的推挽式马赫曾德电光开关，可实现对工艺误差不敏感并具备高切换速度的多通道集成光可调延时线。该种延时线利用片上集成的光开关的状态切换实现芯片上不同光行进路径的切换，实现不同延时量的切换，具备高工艺容差、低带内串扰和高延时切换速度的特性。技术研发人员：陆梁军,倪子恒,周林杰,陈建平,金敏慧受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19