本發(fā)明屬于光通信，尤其設(shè)計一種寬跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片。

背景技術(shù)：

1、信息技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展對光互連網(wǎng)絡(luò)有更高的需求，主要體現(xiàn)在更大的通信容量和更高的信號質(zhì)量上。為了提高單通道的信息容量，人們發(fā)展了波分復用(wdm)、空分復用(sdm)等復用技術(shù)，其中sdm技術(shù)為信道容量擴展提供了空間域的新維度，sdm技術(shù)中的模分復用(mdm)因其高的空間利用率在高容量光互連網(wǎng)絡(luò)中展示出了巨大潛力。為了提高傳輸信號質(zhì)量，人們利用光放大技術(shù)來補償因為光纖損耗導致的信號功率損失，從而降低接收端信號的誤碼率。相比于單模放大，少模放大技術(shù)可以進一步提高光放大的增益，更適合用于大功率放大系統(tǒng)。片上集成的高性能模分復用器是實現(xiàn)高信道容量通信和實現(xiàn)單片少模放大芯片的重要器件。

2、目前在wdm方向已經(jīng)發(fā)布了許多工作。如使用定向耦合器微環(huán)諧振器的模分復用系統(tǒng)，利用混合波長、模式和偏振混合復用技術(shù)的復用系統(tǒng)，基于多模干涉儀mmi結(jié)構(gòu)的模分復用系統(tǒng)，利用亞波長光柵結(jié)構(gòu)的模式復用系統(tǒng)，等等。然而，這些工作大都僅面向c波段，很少有工作能實現(xiàn)單個模分復用芯片的跨波段復用?？绮ǘ蔚哪７謴陀孟到y(tǒng)為多信息維度高性能光電計算，多波段協(xié)同通信提供了技術(shù)支撐，同時，跨波段的模分復用系統(tǒng)是實現(xiàn)少模波導放大器的片上平臺，實現(xiàn)放大器的泵浦光和信號光的耦合，減少波導放大器中對dc、ybranch等無源器件的依賴。

3、不同波段信號之間的串擾是跨波段復用系統(tǒng)的設(shè)計的主要難點。目前已有的可以降低跨波段串擾的結(jié)構(gòu)主要有三波導結(jié)構(gòu)耦合器結(jié)構(gòu)與微環(huán)結(jié)構(gòu)。但已有的結(jié)構(gòu)并不能同時提供低損耗與寬帶寬的性能指標，對多波段系統(tǒng)實現(xiàn)增加了限制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種寬帶寬混合波長-偏振-模式(解)復用芯片。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，包括信號耦合模塊、信號光轉(zhuǎn)換模塊、跨波段信號光上傳\下載模塊以及信號處理模塊，其特征在于，還包括實現(xiàn)跨波段(解)復用模塊；所述跨波段(解)復用模塊為在耦合結(jié)構(gòu)中引入特定刻蝕結(jié)構(gòu)形成的；

4、可選的，所述的特定蝕結(jié)構(gòu)中包括漸變錐形結(jié)構(gòu)、脊型結(jié)構(gòu)、光柵等周期性結(jié)構(gòu)、等結(jié)構(gòu)；

5、可選的，所述跨波段(解)復用模塊中特定刻蝕結(jié)構(gòu)深度和寬度根據(jù)通過信號光處理模塊后的光場分布以及所需加載或下載的信道進行調(diào)整；

6、可選的，特定刻蝕結(jié)構(gòu)包括為：漸變錐形、脊型、亞波長光柵等結(jié)構(gòu)；

7、可選的，芯片支持至少兩個，和/或多個波段；

8、可選的，芯片支持至少一個，和/或多個模式；

9、可選的，所述信號輸入輸出模塊由耦合器組成；

10、可選的，所述耦合器結(jié)構(gòu)包括光柵耦合器、光纖耦合陣列、波導定向耦合器、絕熱耦合器等耦合結(jié)構(gòu)；

11、可選的，所述信號光轉(zhuǎn)換模塊，由偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組成；

12、可選的，所述偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括切趾結(jié)構(gòu)、亞波長光柵結(jié)構(gòu)、漸變錐形結(jié)構(gòu)、脊型波導結(jié)構(gòu)，和/或

13、所述的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)；

14、可選的，所述的信號處理模塊包括信號傳輸、信號放大、信號處理、光電計算等處理方式。

15、可選的，所述芯片由絕緣體上硅(soi)、氮化硅、鈮酸鋰、碳化硅等平臺上設(shè)計。

16、本發(fā)明還提供一種跨波段支持方法，對整個硅基光電子集成芯片或系統(tǒng)需要跨波段(解)復用的部分進行局部處理，在所需跨波段的耦合結(jié)構(gòu)中引入部分刻蝕結(jié)構(gòu)，刻蝕結(jié)構(gòu)的工作參數(shù)針對所跨波段進行設(shè)計，有效實現(xiàn)寬帶寬跨波段的(解)復用，為硅基光電子芯片系統(tǒng)是實現(xiàn)跨波段提供支持。

17、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案和現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有以下技術(shù)效果：

18、(1)本發(fā)明基于耦合理論，通過對耦合結(jié)構(gòu)部分進行部分刻蝕的設(shè)計，實現(xiàn)不同波段信號光的上傳和下載，由于部分刻蝕引入的新的相位匹配條件，可以很好地針對不同波段進行設(shè)計，具有很低的串擾和傳輸損耗，并具有很寬的工作帶寬。

19、(2)本發(fā)明僅對耦合部分局部處理，實現(xiàn)方法簡單，可以很好地適配已有的生產(chǎn)工藝。

20、(3)本發(fā)明可以支持多個波段，為現(xiàn)有光通信領(lǐng)域硅基光電子芯片提供了新的維度，直接地拓展單片硅基光電子芯片的工作波段，從而可以進一步提高芯片的數(shù)據(jù)互聯(lián)容量，同時，跨波段的實現(xiàn)也是實現(xiàn)單片集成的片上光放大技術(shù)的基礎(chǔ)?？绮ǘ螐陀闷魇菍崿F(xiàn)如高容量復用芯片、片上光放大芯片等多波段光電系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。

技術(shù)特征：

1.一種跨波段混合解復用硅基光電子芯片，其特征在于，包括耦合模塊、信號光轉(zhuǎn)換模塊、跨波段信號光上傳\下載模塊以及信號處理模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，輸入\輸出的n個波段信號：第一個波段含有x1路信號，分別為ch11，ch12，……ch1x1；第二個波段含有x2路信號，分別為ch21，ch22，ch2x2；……；第n個波段含有xn路信號，分別為chn1，chn2，chnxn。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于光信號轉(zhuǎn)換模塊，包括第1波段，第2波段……第n波段光轉(zhuǎn)換模塊；第1波段光信號轉(zhuǎn)換器包含x1條波導，且分別與對應(yīng)波段輸入信號ch11，ch12……ch1x1，其中有t1條波導(t1<x1)中采用特定淺刻蝕，包括漸變錐形結(jié)構(gòu)、脊型結(jié)構(gòu)、光柵等周期性結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，ch11，ch12，……，ch1t1的光信號經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)之后，偏振偏轉(zhuǎn)90度，并隨著其他路信號并行輸入到跨波段上傳\下載模塊中；第2波段光信號轉(zhuǎn)換器包含x2條波導，其中有t2條波導(t2<x2)，ch21，ch22……ch2t2輸入信號的波導中采用特定淺刻蝕，這一部分光信號經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)之后，偏振偏轉(zhuǎn)90度，并隨著其他路信號并行輸入到跨波段上傳\下載模塊中；……；第n波段光信號轉(zhuǎn)換器包含xn條波導，其中有tn條波導(tn<xn)，chn1，chn2……chntn輸入信號的波導中采用特定淺刻蝕，這一部分光信號經(jīng)過這些結(jié)構(gòu)之后，偏振偏轉(zhuǎn)90度，并隨著其他路信號并行輸入到跨波段上傳\下載模塊中；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述跨波段上傳下載模塊將并行接收輸入的第1波段，第2波段……第n波段的所有信號光，每路信號光都有單獨通道(ch11，ch12……ch1x1，ch21，ch22……ch2x2，……，chn1，chn2……chnxn)。其中第1波段中x1路信號ch11，ch12，…，ch1t1，…，ch1x1，將加載到總線中的第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路信號ch21，ch22，…，ch2t2，…，ch2x2，將加載到總線中的第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路信號chn1，chn2，…，chntn，…，chnxn，將加載到總線中的第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傳輸光；

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于所述的第1波段光信處理模塊中的ch11，ch12，……，ch1t1波導中的淺刻蝕區(qū)域，其中的結(jié)構(gòu)的深度、寬度與結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)第1波段的輸入信號光的光場分布進行設(shè)計，將傳輸光軸偏轉(zhuǎn)45°，以實現(xiàn)通道信號的偏振轉(zhuǎn)換；第2波段光信處理模塊中的ch21，ch22，……，ch2t2波導中的淺刻蝕區(qū)域，其中的結(jié)構(gòu)的深度、寬度與結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)第2波段的輸入信號光的光場分布進行設(shè)計，將傳輸光軸偏轉(zhuǎn)45°，以實現(xiàn)通道信號的偏振轉(zhuǎn)換；……；第n波段光信處理模塊中的chn1，chn2，……，chnt1波導中的淺刻蝕區(qū)域，其中的結(jié)構(gòu)的深度、寬度與結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)第n波段的輸入信號光的光場分布進行設(shè)計，將傳輸光軸偏轉(zhuǎn)45°，以實現(xiàn)通道信號的偏振轉(zhuǎn)換。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述跨波段上傳\下載模塊的淺刻蝕區(qū)域，包括漸變錐形結(jié)構(gòu)、脊型結(jié)構(gòu)、光柵周期性結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，各通道(ch11，ch12……ch1x1，ch21，ch22……ch2x2，……，chn1，chn2……chnxn)的結(jié)構(gòu)的深度、寬度與結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)傳輸信號光處的光場分布以及所需加載或下載的信道(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))進行設(shè)計，讓每個通道耦合條件單獨滿足。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述特定刻蝕結(jié)構(gòu)包括為：漸變錐形、脊型、亞波長光柵結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述芯片支持至少兩個，和/或多個波段；支持至少一個，和/或多個模式。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述信號耦合器結(jié)構(gòu)包括光柵耦合器、光纖耦合陣列、波導定向耦合器和絕熱耦合器。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述信號光轉(zhuǎn)換模塊，由偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組成；所述偏振轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括切趾結(jié)構(gòu)、亞波長光柵結(jié)構(gòu)、漸變錐形結(jié)構(gòu)、脊型波導結(jié)構(gòu)，和/或所述的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段混合(解)復用硅基光電子芯片，其特征在于，所述的信號處理模塊包括信號傳輸、信號放大、信號處理、光電計算處理方式。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種寬帶寬波段混合波長?偏振?模式（解）復用芯片及跨波段支持方法，芯片包括信號耦合模塊、信號光轉(zhuǎn)換模塊以及跨波段信號光上傳\下載模塊；信號轉(zhuǎn)換模塊包括為通過在至少一根傳輸波導上引入特定結(jié)構(gòu)形成；跨波段信號光上傳\下載模塊通過至少一個耦合結(jié)構(gòu)，并在耦合結(jié)構(gòu)中引入特定刻蝕結(jié)構(gòu)形成的。本發(fā)明實施對整個硅基光電子集成芯片中所需多波段混合復用的系統(tǒng)進行局部處理，實現(xiàn)低傳輸損耗和低串擾的（解）復用，為硅基光電子集成芯片提供靈活的多波段混合復用平臺。

技術(shù)研發(fā)人員：馬德岳,何希文,周治平,陳衛(wèi)標,劉繼橋,周琛,肖茗月
受保護的技術(shù)使用者：中國科學院上海光學精密機械研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/17