CN101571658B - 一种用于光学adc的波导型光学编码器件 - Google Patents

Abstract

一种用于光学ADC的波导型光学编码器件，属于光学技术领域，涉及光信号处理和集成光学器件。器件由单片集成的2^N-1个纵向波导和N个横向波导构成；纵向波导与横向波导之间通过波导连接结构单元A、B或C相连，或十字交叉相连或不相连。本发明的实质是基于光全内反射原理，设计出不同的波导连接结构单元，用于实现光传输及光功率分配，波导连接结构单元在编码器上的空间位置与其二进制编码相对应，从而完成ADC中的编码过程。本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件，具有编码速度快、性能稳定可靠、设计简单、制作难度低、成本低廉、体积小等优点；且编码器与波导阵列光栅可进行集成，有利于进一步提高系统的稳定性、可靠性和降低成本。

Description

一种用于光学ADC的波导型光学编码器件 

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及光信号处理和集成光学器件，具体涉及在光学模数转换器(ADC)中对波长量化后的光信号进行自动、实时编码的器件。 

背景技术

通常，自然界的信号是以连续形式存在的(即模拟信号)，为便于信号的存储、处理和传输，须将模拟信号转换成数字信号，其核心器件是以二进制技术为基础的模数转换器(ADC，Analog-to-digital convertor)，它是将模拟世界同数字世界联系起来的不可替代的桥梁和纽带。 

ADC的采样速率与转换精度是衡量ADC性能的关键技术指标。随着科学技术的发展，数字系统对ADC的性能提出了越来越高的要求，既高(精度)又快(采样)成为人们对ADC发展的期望。目前，实现ADC的方法主要有基于电子技术和光学技术两种。对于电子ADC，其技术已相当成熟，但由于其内部载流子迁移速率与导线尺度限制而存在物理极限，因而进一步提高其采样速率的发展空间十分有限。相对电子ADC，基于光学ADC在速度上具有很大优势，它是实现高速信号数字化的最具潜力的方法和途径，同时也是目前国际上的研究热点之一。随着下一代全光通信网络技术以及光计算的发展，也迫切需要更高性能的ADC以解决高速、并行的数字光学信息处理，它在网络交换、同步以及逻辑运算等方面都将发挥重要作用。 

通常，光学模数转换包括光学采样、光学量化和光学编码三个过程。这三个过程之间互为基础、共同依赖，即前一过程所采用的技术、方案直接影响后一过程的技术、方案的选择，后一过程所采用的技术、方案的选取须以前一过程为基础与前提。 

目前，用于实现光学模数转换的具体方案较多，这些已报道的方案通常存在较大不足或缺陷，在实际应用中受到很大限制，例如：1)在基于马赫-曾德尔干涉波导型ADC方案中，由于其调制电极长度随位数增加而指数增长，以致其渡越时间急剧增加，从而限制其采样速率提高，同时限制了有效位数的增加，这是影响ADC性能提高的关键因素；2)在光脉冲强度调制采样+电子ADC方案中，模拟信号对高重频光脉冲进行强度调制，实现采样，经光电转换后采用电子ADC进行量化、编码，该方案涉及电-光-电转换，存在速度瓶颈；再者，由于采样后信号强烈依赖于脉冲光强，因而光源稳定性以及传输过程中各种损耗因素将影响ADC有效精度；最后，该方案导致整个系统庞大，结构复杂、费用高昂；3)在光脉冲强度调制采样+波长量化+滤波编码方案中，模拟信号对高重频光脉冲进行强度调制，实现采样，然后采用高非线性光纤实现光脉冲光功率到光频率转换，实现量化过程，再将光脉冲均分成 多路，输入到带通滤波器实现编码过程，该方案虽能有效避免采样速率和有效位数相互制约，但对光脉冲源稳定性、滤波器精细度、光纤的频谱转换宽度要求高，而且随着有效位数的增加，对滤波器精细度和频谱调制宽度要求也急剧增加。 

编码是模数转换的最后一个环节，同时也是一个关键环节。近年来已引起各国研究人员的关注，提出了许多全光编码的方法。现有的光学编码方法多采用光纤互联的编码办法，该方法需要分束比精确控制的光纤耦合器，且数量较多，成本费用高；另外，光纤与色分离元件(如阵列波导光栅)的耦合端口很多，不利于封装，器件的性能稳定性与可靠性差。现有的光学编码方法也有采用基于矩形函数型滤波器的方法，但该方法需要高精度的矩形函数型滤波器，且随着编码位数的增加，其要求矩形滤波带宽呈几何级数递减，这种滤波器的制作存在难度大、费用高的缺点。 

值得一提的是，近来有一些非常新颖的全光ADC的量化编码方法报道，例如，美国的Sharkway等人提出利用平面光子晶体实现全光ADC量化编码的方法，并完成了2bits全光ADC的实验验证，其ADC结构紧凑，易于与其它器件集成，但由于该ADC是由自导型(self-guided)的光子晶体构成，它对信号光的偏振态是敏感的，且仅能在一个很窄的带宽上对光模拟信号进行全光模数转换；白俄罗斯Igor A.Goncharenko等人提出了基于微环谐振器的光学量化编码方法，该方法是通过模拟光波信号控制微环的折射率，从而实现调谐滤波，不同输出波长代表其量化编码，他们也给出了相应的仿真结果，至今仍无实验结果报道。要在实验上实现这一方法，需解决其波导结构中微环谐振器的工艺制备以及光控制微环的折射率等技术难题。 

发明内容

本发明提供一种用于光学ADC的波导型光学编码器件，该编码器件基于光全内反射原理，设计波导连接结构单元，用于实现编码所需要的光传输及光功率分配，再把相应光功率通过波导传输到输出端口，这种用于实现光传输及光功率分配的波导结构单元在编码器上的空间位置与其二进制编码方式相对应。当光信号从光波导进入编码器，将自动、快速完成信号光波的编码，从而完成模/数转换，实现数字光信号输出。该编码器件具有编码速度快、性能稳定可靠、设计简单、制作难度和成本费用低等优点。另外，由于将量化后不同波长的光实现空间分离的阵列波导光栅也是由波导结构构成，因而有望将波导阵列光栅与编码器直接进行集成，有利于进一步提高系统的稳定性与可靠性，降低成本费用等潜在优势。 

本发明技术方案如下： 

一种用于光学ADC的波导型光学编码器件，如图1、2所示，为波导结构型编码器件，由上包层材料、下包层材料和芯层材料构成。所述上包层材料折射率为n₁，所述下包层材料折射率为n₃，所述芯层材料折射率为n₂，且n₂＞n₁，n₂＞n₃。所述芯层材料为脊形结构，具有分别与2^N-1个输入端口相连的2^N-1个纵向波导和分别与N个输出端口相连的N个横向波导，其中N为整个波导型光学编码器件的编码位数。2^N-1个纵向波导中，从左至右依次为第1纵向波导、第2纵向波导，直至第2^N-1纵向波导，分别与a₁输入端口、a₂输入端口，直至a₂ ^N _-1输入端口相连；N个横向波导中，从下往上依次为第1横向波导、第2横向波导，直至第N横向波导，分别与b₁、b₂，直至b_N输出端口相连；相应编号的横向波导输出端口与N位二进制编码的相应位数相对应：即b₁横向波导输出端口对应于N位二进制编码从右往左的第1位，b₂横向波导输出端口对应于N位二进制编码从右往左的第2位，b_N横向波导输出端口对应于N位二进制编码从右往左的第N位。所述2^N-1个纵向波导中，第i(i从1至2^N-1)个纵向波导根据其编号i所对应的N位二进制编码，与相应N位二进制编码中为“1”的具体位数所对应的横向波导通过波导连接结构单元A、B或C相连，而与相应N位二进制编码中为“0”的具体位数所对应的横向波导十字交叉相连或不相连。

所述波导连接结构单元A如图3(a)所示，为一分别与纵向波导和横向波导连接的弯曲形波导，该弯曲形波导由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导。 

所述波导连接结构单元B如图3(b)所示，为一“Y”形分支波导结构，由一弯曲形波导和一直波导构成；其中：直波导就是横向波导中的一段；弯曲形波导分别与纵向波导和横向波导相连，且由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导，并与横向波导相切连接。 

所述波导连接结构单元C如图3(c)所示，由一“倒Y”字形光分束波导结构和一“十”字形交叉波导结构复合而成；所述“倒Y”字形光分束波导结构将纵向波导中传输的光分成两束光，一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的纵向波导传输，另一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的弯曲形波导传输；弯曲形波导分别与纵向波导和横向波导相连，且由三段波导串接而成(如图4所示)：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导；所述“十”字形交叉波导结构由一段纵向波导和一段横向波导垂直交叉构成，原纵向或横向波导中的光信号在“十”字形交叉波导结构中将沿原方向向前传播，不会相互影响；“倒Y”字形光分束波导结构中的纵向波导就是“十”字形交 叉波导结构中的纵向波导，“倒Y”字形光分束波导结构中的弯曲形波导与“十”字形交叉波导结构中的横向波导相切连接。 

本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件，其工作过程如下： 

对于一个N位光学编码器件，设当前采样时刻的量化输出光对应的十进制量级为i(i从1至2^N-1)，将该量级的量化输出光从整个编码器件的第ai个输入端口输入，器件的N个输出端口的输出信号就对应着该量化输出光的二进制编码相应位数上的输出；由于当前时刻采样的量化输出光和下一时刻采样的量化输出光之间存在一个时间差，所以一个采样周期内整个编码器件输出的光信号对应着相应的二进制编码，不会存在当前时刻采样光与下一时刻采样光的相互影响。对于N位编码器而言，由于最低量化级的输出光为“0”，即没有光输出，所以本发明提供的编码器件没有“0”输入端口，但这并不意味着本发明提供的编码器件不能对数字“0”进行编码，因为若在某一时刻，所有输出端口都没有信号输出，则对应输出二进制数“0”。 

需要说明的是，由于本发明的整个编码器件的纵向波导和横向波导存在光传输路程的差异，如果在采样频率足够高的情况下，将不可避免地出现当前时刻编码输出信号和下一时刻编码输出信号之间的相互影响。为了消除当前时刻编码输出信号和下一时刻编码输出信号之间的相互影响，可在纵向波导之前增加光纤延迟线，并在横向波导之后增加光纤延迟线，使得每一路光传输通道的光程相等，就可以消除当前时刻编码输出信号和下一时刻编码输出信号之间的相互影响。 

本发明所述的用于光学ADC的波导型光学编码器件，所述用于光学ADC的波导型光学编码器件通过光纤与波导阵列光栅连接进行集成。 

本发明的实质是基于光全内反射原理，设计出波导连接结构单元A、B或C，用于编码器中实现所需要的光传输及光功率分配，从而完成模/数转换中的编码过程。 

本发明的有益效果是： 

本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件，具有编码速度快、性能稳定可靠、设计简单、制作难度低、成本低廉、体积小等优点；且编码器与波导阵列光栅可进行集成，有利于进一步提高系统的稳定性与可靠性，降低成本费用。 

附图说明

图1本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件截面示意图。 

图2本发明提供的用于光学ADC的波导型4位光学编码器件结构示意图。 

图3本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件中的波导连接结构单元A、B、C 的结构示意图。其中(a)是波导连接结构单元A的结构示意图；(b)是波导连接结构单元B的结构示意图；(c)是波导连接结构单元C的结构示意图。 

图4本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件中波导连接结构单元C的“倒Y”字形光分束波导结构示意图。 

图5本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件中波导连接结构单元C的“倒Y”字形光分束波导结构左右分支光功率输出随偏移量Δx的变化关系。 

图6本发明提供的用于光学ADC的波导型光学编码器件中波导连接结构单元C的“倒Y”字形光分束波导结构左右分支光功率输出随偏向角θ₂的变化关系。 

具体实施方式

下面结合附图，以4位编码器进一步说明本发明。 

如图1、2所示，本发明提供的用于光学ADC的波导型4位光学编码器件，由上包层材料、下包层材料和芯层材料构成；所述上包层材料为紫外固化环氧NOA61，折射率为n₁＝1.55，所述下包层材料为紫外固化环氧UV15，折射率为n₃＝1.50，所述芯层材料为聚砜，折射率n₂＝1.67，芯层的厚度、宽度以及脊高设为d＝1.0μm、W＝5μm、h＝0.8μm；所述芯层材料为脊形结构，具有分别与15个输入端口相连的15个纵向波导和分别与4个输出端口相连的4个横向波导；15个纵向波导中，从左至右依次为第1纵向波导、第2纵向波导，直至第15纵向波导，分别与a₁输入端口、a₂输入端口，直至a₁₅输入端口相连；4个横向波导中，从下往上依次为第1横向波导、第2横向波导、第3横向波导和第4横向波导，分别与b₁、b₂、b₃和b₄输出端口相连；相应编号的横向波导输出端口与4位二进制编码的相应位数相对应：即b₁横向波导输出端口对应于4位二进制编码从右往左的第1位，b₂横向波导输出端口对应于4位二进制编码从右往左的第2位，b₄横向波导输出端口对应于4位二进制编码从右往左的第4位；所述15个纵向波导中，第i，i从1至15，个纵向波导根据其编号i所对应的4位二进制编码，与相应N位二进制编码中为“1”的具体位数所对应的横向波导通过波导连接结构单元A、B或C相连，而与相应N位二进制编码中为“0”的具体位数所对应的横向波导十字交叉相连或不相连。 

所述波导连接结构单元A如图3(a)所示，为一分别与纵向波导和横向波导连接的弯曲形波导，该弯曲形波导由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导。 

所述波导连接结构单元B如图3(b)所示，为一“Y”形分支波导结构，由一弯曲形波 导和一直波导构成；其中：直波导就是横向波导中的一段；弯曲形波导分别与纵向波导和横向波导相连，且由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导，并与横向波导相切连接。 

所述波导连接结构单元C如图3(c)所示，由一“倒Y”字形光分束波导结构和一“十”字形交叉波导结构复合而成；所述“倒Y”字形光分束波导结构将纵向波导中传输的光分成两束光，一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的纵向波导传输，另一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的弯曲形波导传输；弯曲形波导分别与纵向波导和横向波导相连，且由三段波导串接而成(如图4所示)：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导；所述“十”字形交叉波导结构由一段纵向波导和一段横向波导垂直交叉构成，原纵向或横向波导中的光信号在“十”字形交叉波导结构中将沿原方向向前传播，不会相互影响；“倒Y”字形光分束波导结构中的纵向波导就是“十”字形交叉波导结构中的纵向波导，“倒Y”字形光分束波导结构中的弯曲形波导与“十”字形交叉波导结构中的横向波导相切连接。 

为了消除由于采样频率过高情况下带来的当前时刻编码输出信号和下一时刻编码输出信号之间的相互影响，在纵向波导之前增加光纤延迟线，并在横向波导之后增加光纤延迟线，使得每一路光传输通道的光程相等，就可以消除当前时刻编码输出信号和下一时刻编码输出信号之间的相互影响。如图2所示，设纵向波导间距为l₁，横向波导间距为l₂，以输入端口a₁₅到输出端口b₄为基点，则从输入端口a_i到输出端口b_j的光信号相对延时为： 

Δt_ij＝[(15-i)*l₁+(4-j)*l₂]/v    (1) 

其中v为光信号在波导中的传播速度。例如，假设横向、纵向波导间隔均为2mm，波导折射率为1.5，则最大时延为0.17ns，这对于10Gbit或更高模数转换速度的影响则不能忽略，其波导间距增大，则时延增大。 

这个时延可分解成两部分：1)因传播横向波导长度为(15-i)*l₁/v而产生的时延；2)因传播纵向波导长度(4-j)*l₂/v而产生的时延。对于第一部分时延，可将与各输入端口相连的光纤补偿不同长度，与输入端口相连的光纤的长度变化量分别为： 

Δl_i＝(i-1)*l₁*n₂/n₄    (2) 

其中n₂、n₄分别表示芯层材料与光纤的折射率。对于第二部分时延，可通过对与输出端口相连的光纤增加不同长度，与输出波导相连的光纤的长度变化量分别为： 

Δl_j＝[(i-1)*l₂*n₂/n₄    (3) 

需要特别说明的是： 

所述波导连接结构单元C由一“倒Y”字形光分束波导结构和一“十”字形交叉波导结构复合而成。其中所述“倒Y”字形光分束波导结构将纵向波导中传输的光分成两束光后，一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的纵向波导传输，另一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的圆弧形波导传输。 

如图4所示，设计“倒Y”字形光分束波导结构时，其中圆弧形波导首先相对纵向波导发生θ₁＝θ偏向，θ的大小小于发生全内反射临界角θ_max，然后相对纵向波导发生θ₂＝3θ偏向，以使其入射方向与该波导走向一致，这样设计的目的是为了减少光波导传输损耗(如图6所示)；通过对“倒Y”字形光分束波导结构的分支点位置进行合理偏离Δx，从而可以获得所希望的非对称光分束(如图5所示)，例如，对于输入端口a₁₅，其输入光信号通过“倒Y”字形光分束波导结构连接到四条横向波导以实现(1，1，1，1)数字信号输出，因而其四个输出端口的光功率应近似均等，为此三个对应的“倒Y”字形光分束波导结构的光功率分束比应接近1∶3、1∶2、1∶1(从上到下顺序)。 

从具体实施例可知，本发明的编码方法具有编码速度快、性能稳定可靠、设计简单、制作难度和成本费用低等优点；且编码位数不受限制，只与量化阶有关；存在将波导阵列光栅与编码器直接进行集成的潜在优势，本发明为全光模数转换系统提供了一种实用的光学编码方法，具有重要的应用价值。 

Claims (3)

1.一种用于光学ADC的波导型光学编码器件，为波导结构型编码器件，由上包层材料、下包层材料和芯层材料构成；所述上包层材料折射率为n₁，所述下包层材料折射率为n₃，所述芯层材料折射率为n₂，且n₂＞n₁，n₂＞n₃；所述芯层材料为脊形结构，具有分别与2^N-1个输入端口相连的2^N-1个纵向波导和分别与N个输出端口相连的N个横向波导，其中N为整个波导型光学编码器件的编码位数；2^N-1个纵向波导中，从左至右依次为第1纵向波导、第2纵向波导，直至第2^N-1纵向波导，分别与a₁输入端口、a₂输入端口，直至a₂ ^N _-1输入端口相连；N个横向波导中，从下往上依次为第1横向波导、第2横向波导，直至第N横向波导，分别与b₁、b₂，直至b_N输出端口相连；相应编号的横向波导输出端口与N位二进制编码的相应位数相对应：即b₁横向波导输出端口对应于N位二进制编码从右往左的第1位，b₂横向波导输出端口对应于N位二进制编码从右往左的第2位，b_N横向波导输出端口对应于N位二进制编码从右往左的第N位；所述2^N-1个纵向波导中，第i，i从1至2^N-1，个纵向波导根据其编号i所对应的N位二进制编码，与相应N位二进制编码中为“1”的具体位数所对应的横向波导通过波导连接结构单元A、B或C相连，而与相应N位二进制编码中为“0”的具体位数所对应的横向波导十字交叉相连或不相连；

所述波导连接结构单元A为一分别与纵向波导和横向波导连接的弯曲形波导，该弯曲形波导由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导；

所述波导连接结构单元B为一“Y”形分支波导结构，由一弯曲形波导和一直波导构成；其中：直波导就是横向波导中的一段；弯曲形波导分别与纵向波导和横向波导相连，且由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导，并与横向波导相切连接；

所述波导连接结构单元C由一“倒Y”字形光分束波导结构和一“十”字形交叉波导结构复合而成；所述“倒Y”字形光分束波导结构将纵向波导中传输的光分成两束光，一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的纵向波导传输，另一束光沿“倒Y”字形光分束波导结构的弯曲形波导传输；弯曲形波导分别与纵向波导和横向波导相连，且由三段波导串接而成：第一段直波导相对纵向波导右偏θ₁＝θ角度，且θ＜θ_max，θ_max为波导全内反射临界角θ_max；第二段直波导相对纵向波导右偏θ₂＝3θ角度，以使其入射方向与该波导走向一致；第三段波导为圆弧形波导；所述“十”字形交叉波导结构由一段纵向波导和一段横向波导垂直交叉构成；“倒Y”字形光分束波导结构中的纵向波导就是“十”字形交叉波导结构中的纵向波导，“倒Y”字形光分束波导结构中的弯曲形波导与“十”字形交叉波导结构中的横向波导相切连接。

2.根据权利要求1所述的用于光学ADC的波导型光学编码器件，其特征在于，在纵向波导之前增加光纤延迟线，并在横向波导之后增加光纤延迟线，使得每一路光传输通道的光程相等。

3.根据权利要求1所述的用于光学ADC的波导型光学编码器件，其特征在于，所述用于光学ADC的波导型光学编码器件通过光纤与波导阵列光栅连接进行集成。

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