[发明专利]一种基于啁啾布拉格光栅的光延时阵列芯片

说明书

本发明公开了一种基于啁啾布拉格光栅的光延时阵列芯片，包括若干待级联短延时波导和具有一个输入端口和两个输出端口的待级联功分结构，通过待级联功分结构将待级联短延时波导的输出端与其相邻待级联短延时波导的输入端连接，所有待级联短延时波导顺次级联，位于首端的待级联功分结构的输入端输入光信号，每个功分处输出一个特定延时量；本发明的优点在于：通过级联减少延时波导的横向尺寸，通过待级联功分结构构建多通道输出，实现通道间延时路径共用，增加芯片的集成度，大幅度减少芯片加工面积，从而减少加工成本。

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，更具体涉及一种基于啁啾布拉格光栅的光延时阵列芯片。

背景技术

光延时技术在光通信和雷达探测领域有广泛的应用。在相控阵雷达中，传统的基于电学移相器的相控阵列天线在大带宽工作时其波束会发生倾斜，瞬时带宽受限，而基于光学真延时线的相控阵列天线可以很好地解决这个问题。以往的光延时线基于啁啾布拉格光栅光纤实现，随着光延时系统对于体积、重量、精度要求的提高，光延时集成芯片得到人们越来越多的关注。

反向耦合啁啾光栅是近几年提出的一种新的延时线集成方案。这类啁啾光栅延时波导的结构特征和工作原理如图1所示，折射率渐变的锥形波导边缘增加了周期固定的光栅齿形成啁啾光栅波导，不同波长的光在波导的不同位置处反射并耦合到临近的锥形波导中进行传播，通过调节光波长可以调节光的路程，实现对光延时量的调控。

2014年，加拿大麦吉尔大学的Wei Shi课题组首先制作了基于反向耦合啁啾光栅的光延时波导，该延时波导由两根宽度渐变的脊形波导组成，其中一根具有啁啾光栅结构的波导将不同波长的光在其不同位置处反射，反射的光耦合到另外一根普通波导中进行传输，从而完成了反射光与入射光的路径分离。通过调节波长，该延时波导可以实现96ps的可调延时量，损耗小于2db[Optics Letters,2014,39,701-703]。在此基础上，华中科技大学的董建绩课题组做了进一步改进，将锥形脊波导替换成锥形方波导，减小了加工难度和成本[Photonics Research,2018,6,880-886]。进一步地，该课题组对多通道延时阵列做了初步探索，采用正负色散波导实现了4通道延时波导阵列，如图2所示，其阵列结构为无级联的多通道延时阵列[IEEEPhotonics Society Journal of Selected Topics in QuantumElectronics,2020,2983579.]。但是该延时阵列存在以下问题：1、光延时波导为直线型的波导，横向长度过长，实现300ps的延时量需要1.4cm的波导长度，更大的延时量需要更长的长度，不符合集成芯片的小尺寸要求；2、多通道波导之间相互独立，结构松散，加工面积大，成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的光延时阵列芯片横向长度过长以及多通道波导之间相互独立，导致不符合集成芯片的小尺寸要求，加工面积大以及成本高的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：一种基于啁啾布拉格光栅的光延时阵列芯片，包括若干待级联短延时波导和若干具有一个输入端口和两个输出端口的待级联功分结构，通过待级联功分结构将待级联短延时波导的输出端与其相邻待级联短延时波导的输入端连接，同时待级联功分结构分出一个延时量输出端，所有待级联短延时波导顺次级联，位于首端的待级联功分结构的输入端输入光信号，每一级待级联功分结构输出一个带有延时量的光信号。

本发明将单根直线型长延时波导拆分成若干待级联短延时波导，通过待级联功分结构将待级联短延时波导的输出端与其相邻待级联短延时波导的输入端连接，所有待级联短延时波导顺次级联。一方面，通过级联实现延时波导的横向长度折叠，减小延时波导的横向尺寸；另一方面，通过待级联功分结构在一条多级联延时波导中引出多个光延时量输出，构建成多通道输出，实现多通道间延时路径共用，增加芯片的集成度。相比于现有技术中延时通道相互独立的多通道延时阵列，本发明只需截取现有技术中最长的延时波导做拆分、级联、功分，就可以输出所有的延时量，大大减少了延时芯片的面积，减少加工成本。