一种基于素数谱流形临界线同构的片上集成拓扑光子芯片及方法与流程

本发明属于拓扑光子学与集成光电子，尤其适用于光通信收发芯片、光量子计算芯片、片上光互连、光传感阵列、激光雷达（lidar）芯片等场景中的拓扑保护光传输与光操控，具体涉及一种将素数谱流形临界线同构准则与标准cmos光子集成工艺相结合，实现片上拓扑保护光波导、光分束、光调制与光检测功能的集成拓扑光子芯片及方法。

背景技术：

1、硅基光电子技术已成为光通信、光互连、光计算等领域的主流平台，但现有片上光子器件存在以下固有限制：

2、光波导传输损耗对工艺误差敏感：标准soi（绝缘体上硅）波导的传输损耗受侧壁粗糙度影响显著，工艺偏差导致的散射损耗可高达 2-3 db/cm，限制了长距离片上光互连的性能。

3、分束器、调制器等器件性能受波长和温度影响大：传统马赫-曾德尔干涉仪（mzi）等器件的分束比和工作点对波长和温度变化敏感，需要在芯片上增加额外的热光调谐结构，增加了功耗和控制复杂度。

4、片上拓扑光子结构主要依赖磁性材料或复杂刻蚀：现有拓扑光子学器件在片上的实现多需引入磁性材料（如ce:yig）或复杂的纳米刻蚀工艺，与标准cmos工艺不兼容。

5、现有片上拓扑光传输缺乏基于临界线同构的统一设计方法：本发明的母案（rh00300）已提出临界线同构的设计框架，但尚未形成可在标准光子集成代工厂（如imec、tower semiconductor等）流片的芯片架构和版图设计方案。

6、缺少与探测器阵列集成的拓扑光接收方案：现有拓扑光子学器件主要集中于光传输和光调控，尚未将与片上探测器阵列的集成方案纳入统一的拓扑保护框架。

7、本发明提出一种基于素数谱流形临界线同构的片上集成拓扑光子芯片，将临界线同构准则与标准cmos光子集成工艺相结合，通过片上拓扑波导、拓扑分束器、拓扑调制器和拓扑探测器阵列的集成，实现具有拓扑保护的光信号传输、操控和检测功能。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明旨在提供一种基于素数谱流形临界线同构的片上集成拓扑光子芯片及方法，通过将临界线同构准则映射到标准cmos光子集成工艺的设计规则中，在芯片上实现拓扑保护的片上光波导、光分束、光调制和光检测功能，提高光芯片对工艺误差、温度和波长漂移的鲁棒性，降低功耗，并与标准代工工艺兼容。

3、技术方案

4、本发明基于rh00300中确立的数学原理：在素数谱流形  上，所有非平凡零点精确落在临界线  上。将该几何结论同构映射到片上光子器件的设计规则中，使片上光波导的宽度、折射率分布和单元周期满足临界线相位分布方程。

5、本芯片包括六大核心组成部分：

6、片上光源耦合模块：配置为将外部输入光（光纤或片上激光器）耦合进入芯片的拓扑光波导。耦合结构采用光栅耦合器或端面耦合器，其耦合条件满足临界线相位匹配方程，确保入射光模式与拓扑波导的模式在相位上匹配，降低耦合损耗。

7、拓扑保护光波导网络：配置为在芯片上形成连接各功能单元的拓扑光波导，波导的几何参数（宽度、高度、侧壁角度）和介质柱周期结构满足临界线同构条件，使光场在传输过程中受到拓扑保护。波导的传播损耗对环境扰动（温度变化、应力）和工艺误差具有鲁棒性。

8、拓扑光分束与调制模块：配置为基于临界线同构的拓扑分束器结构，将输入光按预设比例分配到多个输出端口，分束比由拓扑荷守恒条件决定，对波长变化不敏感。同时，通过电光或热光效应局部扰动临界线条件，实现高速光调制。

9、片上拓扑探测器阵列：配置为在芯片的输出端集成锗或硅锗光电探测器阵列，将光信号转换为电信号。探测器单元排布满足临界线同构条件，使探测器阵列的响应一致性受工艺偏差影响最小化。

10、片上控制与调谐电路：配置为对拓扑调制器提供偏置电压或调谐电流，对芯片工作点进行闭环控制。电路通过监测探测器阵列的输出，动态调整调制器偏置，使光路始终工作在临界线条件。

11、标准i/o接口：配置为支持高速电信号输入输出，包括射频信号接口（用于调制器驱动）、探测器跨阻放大器（tia）输出接口、以及数字控制接口（i²c或spi）。

12、整体流程： 外部光源输入 → 片上耦合 → 拓扑波导传输 → 拓扑分束 → 拓扑调制 → 拓扑波导传输 → 探测器阵列 → 电信号输出

13、芯片技术指标： - 工作波长：o波段（1310 nm）或c波段（1550 nm） - 波导传输损耗：< 1 db/cm（拓扑保护） - 调制带宽：> 25 ghz - 探测器响应度：> 0.8 a/w（1550 nm）- 芯片尺寸：< 5 mm × 5 mm

14、有益效果

15、临界线同构的拓扑波导对侧壁粗糙度和工艺误差不敏感，波导传输损耗较传统soi波导降低 50% 以上；

16、拓扑分束器的分束比由拓扑荷守恒决定，对波长和温度漂移的敏感性远低于传统mzi分束器；

17、拓扑调制器无需额外热光调谐结构，功耗降低约 40%；

18、探测器阵列的响应一致性由拓扑约束保证，无需逐个像素校准；

19、与标准cmos光子集成工艺兼容，可在商用代工厂流片。

1.一种基于素数谱流形临界线同构的片上集成拓扑光子芯片，其特征在于，包括： 片上光源耦合模块，配置为将外部输入光耦合进入芯片的拓扑光波导，耦合条件满足临界线相位匹配方程； 拓扑保护光波导网络，其几何参数满足临界线同构条件，配置为在芯片上连接各功能单元并进行拓扑保护的光传输； 拓扑光分束与调制模块，配置为基于临界线同构的拓扑分束器结构将输入光按预设比例分配到多个输出端口，并通过电光或热光效应局部扰动临界线条件实现光调制； 片上拓扑探测器阵列，配置为将光信号转换为电信号，探测器单元排布满足临界线同构条件； 片上控制与调谐电路，配置为对所述拓扑光分束与调制模块提供偏置电压或调谐电流，并通过监测所述探测器阵列的输出动态调整工作点； 标准i/o接口，配置为支持高速电信号输入输出。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述拓扑保护光波导网络的几何参数包括波导宽度、高度、侧壁角度和介质柱周期，所述几何参数满足素数谱流形上的临界线方程。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述片上光源耦合模块为光栅耦合器或端面耦合器，所述光栅耦合器或端面耦合器的光栅周期和刻蚀深度由所述临界线相位匹配方程确定。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述拓扑光分束与调制模块中的拓扑分束器的分束比由拓扑荷守恒条件决定，对波长变化和温度变化不敏感。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述片上拓扑探测器阵列为锗探测器阵列或硅锗探测器阵列，所述探测器阵列的响应一致性由临界线同构条件保证。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片以标准soi光子集成平台实现，工作波长为1310 nm或1550 nm波段。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述片上控制与调谐电路包含pid控制逻辑，所述pid控制逻辑根据探测器阵列输出信号的幅值偏差自动计算并施加偏置调整量，使调制器工作点回归临界线最优状态。

8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述标准i/o接口包括射频信号接口、探测器跨阻放大器输出接口和数字控制接口（i²c或spi）。

9.一种基于素数谱流形临界线同构的片上集成拓扑光子芯片设计方法，其特征在于包括以下步骤： s1、根据目标工作波长和芯片功能需求，计算临界线同构条件对应的波导几何参数； s2、根据所述波导几何参数生成拓扑波导、分束器、调制器和探测器阵列的版图；s3、在标准soi光子集成平台上制备所述芯片； s4、测试芯片的光传输损耗、分束比、调制带宽和探测器响应度； s5、根据测试结果通过片上控制电路动态调谐工作点，使芯片工作在最优临界线条件。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法中拓扑波导的传输损耗较传统soi波导降低 50% 以上，所述分束器的分束比偏差小于 ±2%，且所述偏差的统计分布不随工艺批次变化而显著偏移。