跨波段混合解复用硅基光电子芯片

本发明属于光通信，尤其设计一种宽跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片。

背景技术：

1、信息技术、人工智能等领域的蓬勃发展对光互连网络有更高的需求，主要体现在更大的通信容量和更高的信号质量上。为了提高单通道的信息容量，人们发展了波分复用(wdm)、空分复用(sdm)等复用技术，其中sdm技术为信道容量扩展提供了空间域的新维度，sdm技术中的模分复用(mdm)因其高的空间利用率在高容量光互连网络中展示出了巨大潜力。为了提高传输信号质量，人们利用光放大技术来补偿因为光纤损耗导致的信号功率损失，从而降低接收端信号的误码率。相比于单模放大，少模放大技术可以进一步提高光放大的增益，更适合用于大功率放大系统。片上集成的高性能模分复用器是实现高信道容量通信和实现单片少模放大芯片的重要器件。

2、目前在wdm方向已经发布了许多工作。如使用定向耦合器微环谐振器的模分复用系统，利用混合波长、模式和偏振混合复用技术的复用系统，基于多模干涉仪mmi结构的模分复用系统，利用亚波长光栅结构的模式复用系统，等等。然而，这些工作大都仅面向c波段，很少有工作能实现单个模分复用芯片的跨波段复用。跨波段的模分复用系统为多信息维度高性能光电计算，多波段协同通信提供了技术支撑，同时，跨波段的模分复用系统是实现少模波导放大器的片上平台，实现放大器的泵浦光和信号光的耦合，减少波导放大器中对dc、ybranch等无源器件的依赖。

3、不同波段信号之间的串扰是跨波段复用系统的设计的主要难点。目前已有的可以降低跨波段串扰的结构主要有三波导结构耦合器结构与微环结构。但已有的结构并不能同时提供低损耗与宽带宽的性能指标，对多波段系统实现增加了限制。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的问题，本发明提供一种宽带宽混合波长-偏振-模式(解)复用芯片。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，包括信号耦合模块、信号光转换模块、跨波段信号光上传\下载模块以及信号处理模块，其特征在于，还包括实现跨波段(解)复用模块；所述跨波段(解)复用模块为在耦合结构中引入特定刻蚀结构形成的；

4、可选的，所述的特定蚀结构中包括渐变锥形结构、脊型结构、光栅等周期性结构、等结构；

5、可选的，所述跨波段(解)复用模块中特定刻蚀结构深度和宽度根据通过信号光处理模块后的光场分布以及所需加载或下载的信道进行调整；

6、可选的，特定刻蚀结构包括为：渐变锥形、脊型、亚波长光栅等结构；

7、可选的，芯片支持至少两个，和/或多个波段；

8、可选的，芯片支持至少一个，和/或多个模式；

9、可选的，所述信号输入输出模块由耦合器组成；

10、可选的，所述耦合器结构包括光栅耦合器、光纤耦合阵列、波导定向耦合器、绝热耦合器等耦合结构；

11、可选的，所述信号光转换模块，由偏振转换结构组成；

12、可选的，所述偏振转换结构包括切趾结构、亚波长光栅结构、渐变锥形结构、脊型波导结构，和/或

13、所述的结构基础的组合结构；

14、可选的，所述的信号处理模块包括信号传输、信号放大、信号处理、光电计算等处理方式。

15、可选的，所述芯片由绝缘体上硅(soi)、氮化硅、铌酸锂、碳化硅等平台上设计。

16、本发明还提供一种跨波段支持方法，对整个硅基光电子集成芯片或系统需要跨波段(解)复用的部分进行局部处理，在所需跨波段的耦合结构中引入部分刻蚀结构，刻蚀结构的工作参数针对所跨波段进行设计，有效实现宽带宽跨波段的(解)复用，为硅基光电子芯片系统是实现跨波段提供支持。

17、本发明采用以上技术方案和现有技术相比，至少具有以下技术效果：

18、(1)本发明基于耦合理论，通过对耦合结构部分进行部分刻蚀的设计，实现不同波段信号光的上传和下载，由于部分刻蚀引入的新的相位匹配条件，可以很好地针对不同波段进行设计，具有很低的串扰和传输损耗，并具有很宽的工作带宽。

19、(2)本发明仅对耦合部分局部处理，实现方法简单，可以很好地适配已有的生产工艺。

20、(3)本发明可以支持多个波段，为现有光通信领域硅基光电子芯片提供了新的维度，直接地拓展单片硅基光电子芯片的工作波段，从而可以进一步提高芯片的数据互联容量，同时，跨波段的实现也是实现单片集成的片上光放大技术的基础。跨波段复用器是实现如高容量复用芯片、片上光放大芯片等多波段光电系统的关键器件。

技术特征：

1.一种跨波段混合解复用硅基光电子芯片，其特征在于，包括耦合模块、信号光转换模块、跨波段信号光上传\下载模块以及信号处理模块；

2.根据权利要求1所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，输入\输出的n个波段信号：第一个波段含有x1路信号，分别为ch11，ch12，……ch1x1；第二个波段含有x2路信号，分别为ch21，ch22，ch2x2；……；第n个波段含有xn路信号，分别为chn1，chn2，chnxn。

3.根据权利要求1所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于光信号转换模块，包括第1波段，第2波段……第n波段光转换模块；第1波段光信号转换器包含x1条波导，且分别与对应波段输入信号ch11，ch12……ch1x1，其中有t1条波导(t1<x1)中采用特定浅刻蚀，包括渐变锥形结构、脊型结构、光栅等周期性结构等结构，ch11，ch12，……，ch1t1的光信号经过这些结构之后，偏振偏转90度，并随着其他路信号并行输入到跨波段上传\下载模块中；第2波段光信号转换器包含x2条波导，其中有t2条波导(t2<x2)，ch21，ch22……ch2t2输入信号的波导中采用特定浅刻蚀，这一部分光信号经过这些结构之后，偏振偏转90度，并随着其他路信号并行输入到跨波段上传\下载模块中；……；第n波段光信号转换器包含xn条波导，其中有tn条波导(tn<xn)，chn1，chn2……chntn输入信号的波导中采用特定浅刻蚀，这一部分光信号经过这些结构之后，偏振偏转90度，并随着其他路信号并行输入到跨波段上传\下载模块中；

4.根据权利要求1所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述跨波段上传下载模块将并行接收输入的第1波段，第2波段……第n波段的所有信号光，每路信号光都有单独通道(ch11，ch12……ch1x1，ch21，ch22……ch2x2，……，chn1，chn2……chnxn)。其中第1波段中x1路信号ch11，ch12，…，ch1t1，…，ch1x1，将加载到总线中的第1波段的模式和偏振的信道中(tm10，tm11，……，tm1(t1-1)；te10，te11，……，te1(x1-t1-1))；其中第2波段中x2路信号ch21，ch22，…，ch2t2，…，ch2x2，将加载到总线中的第2波段的模式和偏振的信道中(tm20，tm21，……，tm2(t2-1)；te20，te21，……，te2(x2-t2-1))；……；其中第n波段中xn路信号chn1，chn2，…，chntn，…，chnxn，将加载到总线中的第n波段的模式和偏振的信道中(tmn0，tmn1，……，tmn(tn-1)；ten0，ten1，……，ten(xn-tn-1))耦合入多波段多模式的传输光；

5.根据权利要求3所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于所述的第1波段光信处理模块中的ch11，ch12，……，ch1t1波导中的浅刻蚀区域，其中的结构的深度、宽度与结构参数，根据第1波段的输入信号光的光场分布进行设计，将传输光轴偏转45°，以实现通道信号的偏振转换；第2波段光信处理模块中的ch21，ch22，……，ch2t2波导中的浅刻蚀区域，其中的结构的深度、宽度与结构参数，根据第2波段的输入信号光的光场分布进行设计，将传输光轴偏转45°，以实现通道信号的偏振转换；……；第n波段光信处理模块中的chn1，chn2，……，chnt1波导中的浅刻蚀区域，其中的结构的深度、宽度与结构参数，根据第n波段的输入信号光的光场分布进行设计，将传输光轴偏转45°，以实现通道信号的偏振转换。

6.根据权利要求4所述的所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述跨波段上传\下载模块的浅刻蚀区域，包括渐变锥形结构、脊型结构、光栅周期性结构等结构，各通道(ch11，ch12……ch1x1，ch21，ch22……ch2x2，……，chn1，chn2……chnxn)的结构的深度、宽度与结构参数，根据传输信号光处的光场分布以及所需加载或下载的信道(tm10，tm11，……，tm1(t1-1)；te10，te11，……，te1(x1-t1-1)；tm20，tm21，……，tm2(t2-1)；te20，te21，……，te2(x2-t2-1)；……；tmn0，tmn1，……，tmn(tn-1)；ten0，ten1，……，ten(xn-tn-1))进行设计，让每个通道耦合条件单独满足。

7.根据权利要求1-6任一所述的所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述特定刻蚀结构包括为：渐变锥形、脊型、亚波长光栅结构。

8.根据权利要求1-6任一所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述芯片支持至少两个，和/或多个波段；支持至少一个，和/或多个模式。

9.根据权利要求1-6任一所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述信号耦合器结构包括光栅耦合器、光纤耦合阵列、波导定向耦合器和绝热耦合器。

10.根据权利要求1所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述信号光转换模块，由偏振转换结构组成；所述偏振转换结构包括切趾结构、亚波长光栅结构、渐变锥形结构、脊型波导结构，和/或所述的结构基础的组合结构。

11.根据权利要求1所述的跨波段混合(解)复用硅基光电子芯片，其特征在于，所述的信号处理模块包括信号传输、信号放大、信号处理、光电计算处理方式。

技术总结本发明提供一种宽带宽波段混合波长‑偏振‑模式（解）复用芯片及跨波段支持方法，芯片包括信号耦合模块、信号光转换模块以及跨波段信号光上传\下载模块；信号转换模块包括为通过在至少一根传输波导上引入特定结构形成；跨波段信号光上传\下载模块通过至少一个耦合结构，并在耦合结构中引入特定刻蚀结构形成的。本发明实施对整个硅基光电子集成芯片中所需多波段混合复用的系统进行局部处理，实现低传输损耗和低串扰的（解）复用，为硅基光电子集成芯片提供灵活的多波段混合复用平台。技术研发人员：马德岳,何希文,周治平,陈卫标,刘继桥,周琛,肖茗月受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/17