[发明专利]基于M级二叉树的1×N光开关的光子集成芯片

说明书

一种基于M级二叉树的1×N光开关的光子集成芯片，由N‑1个集成光子芯片上的1×2光开关组成，且N＝2^M；每个1×2光开关由1个输入端，以及第一输出端和第二输出端构成；N‑1个1×2光开关在光子芯片沿y轴方向中心对齐，排列成一维阵列，相邻两个1×2光开关的间距相等，且间距恰好通过一条光波导，每个1×2光开关之间按一定规则进行波导走线。本发明可以在不改变二叉树拓扑结构、无波导交叉且不改变输出波导顺序的前提下，可以大幅减小总的1×N光开关所占用的矩形芯片面积。

技术领域

本发明涉及一种光子集成芯片结构设计，特别是一种基于M级二叉树的1×N 光开关的光子集成芯片。

背景技术

1×N光开关在集成光子芯片中广泛存在，其包含一个输入端和N个输出端。平面集成光子芯片中，直接实现1×N光开关(N2)较为不便，一般采用将1×2 光开关进行二叉树级联的方式来实现，二叉树的每一个分叉节点都是一个1×2光开关。此时输出端口数量N是2的指数幂，即N＝2^M，M是二叉树的级数，N和M 都是正整数。通过控制每一级1×2光开关的输出选通，就可以将输入光信号引导到任意一个输出端输出。若要实现可支持宽光谱工作且高速的光开关，则需要使用基于电光效应的马赫曾德型光开关，如硅基光子波导中的基于载流子色散效应的马赫曾德型光开关，或铌酸锂波导中基于Pockels效应的马赫曾德型光开关。这类1×2 光开关的特点是其长宽比非常大，典型的长度可以达到1cm，而宽度通常只有百微米级别，长宽比可以达到几十甚至更大。若在二叉树结构中采用顺序逐级排列的拓扑设计，即二叉树的每一级都占据纵向一列的面积，总的1×N光开关会占用非常大的矩形芯片面积。因此需要一种新的结构设计方案，能够大幅减小1×N光开关所占用的矩形芯片面积，并仍然能保持二叉树的拓扑结构、避免波导交叉、不改变输出波导顺序且输入端到每个输出端的路径延时相同。

发明内容

针对现有方案的不足，本发明提供一种由大长宽比1×2光开关构成的二叉树开关的光子集成芯片结构设计方案。本发明通过交错排列大长宽比1×2光开关，可大幅减小总的1×N光开关所占用的矩形芯片面积，并且能保持二叉树的拓扑结构，无波导交叉，不改变输出波导顺序，且输入端到每个输出端的路径延时相同。因此可提升矩形芯片面积利用率，降低芯片成本。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于M级二叉树的1×N光开关的光子集成芯片，其特点在于，由N-1 个集成光子芯片上的1×2光开关组成，且N＝2^M；每个1×2光开关由1个输入端，以及第一输出端和第二输出端构成；M是二叉树的级数；

设第1级有1个1×2光开关，编号1..1；第2级有2个1×2光开关，编号2..1 和2..2，其中编号1..1光开关的第一输出端连接编号2..1光开关的输入端，编号1..1 光开关的第二输出端连接编号2..2光开关的输入端；以此类推，第j级有2^(j-1)个光开关，编号分别是j..1到j..2^(j-1)，其中上一级编号(j-1)..k的光开关的第一和第二输出端分别连接编号j..(2k-1)和j..2k的光开关的输入端相连，其中j和k都是正整数，且2≤j≤M，1≤k≤2^(j-2)；

设1×2光开关的长度方向为x轴方向，宽度方向为y轴方向；

N-1个1×2光开关在光子芯片沿y轴方向中心对齐，按以下规则A排列成一维阵列，相邻两个1×2光开关的间距相等，且间距恰好可以走一条光波导，N-1 个1×2光开关之间按以下规则B波导走线；所述1×2光开关的输入波导和输出波导沿x轴方向，且位于所述1×2光开关的x轴方向两侧，光信号在光开关中的传播方向沿+x轴

规则A：1×2光开关排列方式：

步骤A1：将1..1光开关首先放置，例如1..1光开关中心放置在坐标x＝0，y＝0。