CN103529619A - 一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，包括本地光源信号、3dB耦合器、相位调制器、90°光学混合器和电判决模块。本发明提供的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，核心元件--3dB耦合器、相位调制器和90°光学混合器均可以为设计在绝缘体上的硅脊波导结构，因此操控方便、结构紧凑、稳定性好、易于集成。

Description

一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器

技术领域

本发明涉及一种应用于通信系统、传感系统、信号处理系统中的集成型硅基光子模数转换器，属于集成光学技术。

背景技术

模数转换器（ADC）是联系数字世界和现实模拟世界的桥梁，其作用是将客观存在的连续的模拟信号转化为可供现代计算机处理的二进制数字信号。转换速率和转换精度是衡量ADC性能最重要的指标，是影响数字系统性能的关键因素。随着现代信号处理技术和计算机技术的不断发展，速度更快、精度更高的ADC成为电子领域的一个重要研究方向。目前，电子ADC的性能得到了飞速的提升，但是，和现代数字电子技术的发展速度相比，其步伐还远跟不上。究其原因，主要是电子ADC受到海森堡测不准原理、热噪声、孔径抖动等因素的影响，其采样速率和转换位数相互制约。

目前，随着锁模激光器技术和半导体技术的快速发展，光子ADC成为集成光学领域一个研究热点。光子ADC主要有光辅助ADC，光采用、电量化ADC，电采样、光量化ADC和光采样、光量化ADC等种类。光辅助ADC本质上还是电子ADC，在其转换过程中，通过引入一些光辅助手段，系统性能指标得到提升，但是，光辅助ADC系统一般较为复杂，运行过程中受到很多不确定因素干扰，稳定性不好。电采样、光量化ADC在电域实现采样、保持，获得阶梯型输出电压，压控激光器输出光的波长，在光域实现量化，但是，受到激光光源响应时间和非线性效应的影响，其转换位数并未有明显提高。光采样、光量化ADC一般利用光调制器实现采样，借助半导体材料的非线性效应实现量化，但是，由于光子器件的匮乏，搭建此类系统成本较高。光采样、电量化ADC充分利用锁模激光器的稳定特性，在光域实现采样，借助成熟的电子量化手段，在电域实现模数转换，具有易于实现、工艺成熟、便于集成化等特点，取得了广泛的应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种易于实现、结构紧凑、工艺成熟、价格相对低廉的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，可以在硅基芯片上利用成熟的半导体工艺将主要部件实现单片集成，对于硅基光子学的发展有着重要的意义。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，包括本地光源信号、3dB耦合器、相位调制器、90°光学混合器和电判决模块；

所述3dB耦合器为1×2多模干涉耦合器，用于将本地光源信号等分为两路完全一样的光源子信号；

所述相位调制器的外部信号输入端口用于接入待转换模拟电信号，内部输入端口接入其中一路光源子信号，所述相位调制器根据待转换模拟电信号使该路光源子信号产生对应的相位差，并将产生相位差的信号从内部输出端口送出；

所述90°光学混合器的输入信号为另一路光源子信号和相位调制器的内部输出端口输出的信号，用于获得具有正交特性的两路待评判光信号；

所述电判决模块的输入信号为两路待评判光信号，所述电判决模块对两路待评判光信号进行光-电转换、放大和比较，根据待评判光信号的幅度进行二进制码。

优选的，所述90°光学混合器包括2×4多模干涉耦合器、45°相移器和2×2多模干涉耦合器，记2×4多模干涉耦合器的两个输入端口分别为A端口和B端口，四个输出端口分别为1号端口、2号端口、3号端口和4号端口，其中3号端口接入45°相移器的输入端口，45°相移器的输出端口和4号端口接入2×2多模干涉耦合器的两个输入端口，记1号端口为C端口，2×2多模干涉耦合器的其中一个输出端口为D端口；所述A端口和B端口作为90°光学混合器的两个输入端口，C端口和D端口作为90°光学混合器的两个输出端口。

优选的，所述电判决模块包括顺次连接的两路光电二极管、放大器和比较器，两个光电二极管的输入信号分别为一路待评判光信号，所述比较器的阈值为设定值或相应待评判光信号的光强平均值，当待评判光信号的光强大于/大于等于阈值时比较器输出1，否则比较器输出0。

优选的，所述3dB耦合器、相位调制器和90°光学混合器均为绝缘体上的硅（SOI）脊波导结构，其工艺相当成熟，也便于集成在一块芯片上。而电判决模块由比较成熟的电子器件构成，具有易于实现、价格相对低廉等优点。

优选的，所述光源信号为激光信号。

此外，通过器件的级联，能够获得具有更高转化位数的模数转换器，在级联的过程中，光源、相位调制器的数量不变。

有益效果：本发明提供的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，核心元件--3dB耦合器、相位调制器和90°光学混合器均可以为设计在绝缘体上的硅脊波导结构，因此操控方便、结构紧凑、稳定性好、易于集成；通过器件的级联，可以获得具有更高转化位数的ADC，无论转化位数为多少，本发明仅需要一个光源和一个相位调制器，能够有效避免由于光源引起的误差，同时克服了光子ADC需要多个相位调制器的限制，在系统结构上更为简单、紧凑；用激光器作为光源，信号稳定且能够避免由于原始信号可能引入的误差，克服了传统电子ADC的瓶颈，大大提高转化效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为90°光学混合器的结构示意图；

图3为电判决模块的结构示意图；

图4为比较器采用待评判光信号的光强平均值作为阈值时的编码规则示意图；

图5为硅基脊波导结构的横截面示意图；

图6为硅基脊波导结构的信号入射/出射端结构示意图；

图7为相移器的结构示意图；

图8为90°光学混合器的传输谱；

图9为级联的3bit光子模数转换器；

图10为级联结构比较器采用待评判光信号的光强平均值作为阈值时的编码规则示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，包括本地光源信号、3dB耦合器、相位调制器、90°光学混合器和电判决模块；所述光源信号为激光信号。

所述3dB耦合器为1×2多模干涉耦合器，用于将本地光源信号等分为两路完全一样的光源子信号。

所述相位调制器的外部信号输入端口用于接入待转换模拟电信号，内部输入端口接入其中一路光源子信号，所述相位调制器根据待转换模拟电信号使该路光源子信号产生对应的相位差，并将产生相位差的信号从内部输出端口送出。

所述90°光学混合器的输入信号为另一路光源子信号和相位调制器的内部输出端口输出的信号，用于获得具有正交特性的两路待评判光信号。具体来说，如图2所示所述90°光学混合器包括2×4多模干涉耦合器、45°相移器和2×2多模干涉耦合器，记2×4多模干涉耦合器的两个输入端口分别为A端口和B端口，四个输出端口分别为1号端口、2号端口、3号端口和4号端口，其中3号端口接入45°相移器的输入端口，45°相移器的输出端口和4号端口接入2×2多模干涉耦合器的两个输入端口，记1号端口为C端口，2×2多模干涉耦合器的其中一个输出端口为D端口；所述A端口和B端口作为90°光学混合器的两个输入端口，C端口和D端口作为90°光学混合器的两个输出端口。

2×4多模干涉耦合器任意两个相邻输出端口光信号相位相差180°，2×2多模干涉耦合器让3号端口和4号端口的输出信号产生了90°相位的平移，但是1号、2号、3号、4号四个端口输出光信号的功率是不平衡的，而45°相移器调节了90°光学混合器各端口的输出功率，使其满足功率的均衡。

所述电判决模块的输入信号为两路待评判光信号，所述电判决模块对两路待评判光信号进行光-电转换、放大和比较，根据待评判光信号的幅度进行二进制码。具体来说，如图3所示所述电判决模块包括顺次连接的两路光电二极管、放大器和比较器，两个光电二极管的输入信号分别为一路待评判光信号，所述比较器的阈值为相应待评判光信号的光强平均值，当待评判光信号的光强大于/大于等于阈值时比较器输出1，否则比较器输出0。

本发明的工作原理如下：

假设输入90°光学混合器的两路信号分别为E_S（另一路光源子信号）和E_L（和相位调制器的内部输出端口输出的信号），其中E_S和E_L可以表示为如下的复指数形式：

$E_S=\sqrt{P_S}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{S}t}\·e^{-{\mathrm{j\φ}}_S}---\left(1\right)$

$E_L=\sqrt{P_L}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_{L}t}\·e^{-{\mathrm{j\φ}}_L}---\left(2\right)$

其中，P_S、ω_S、φ_S分别为E_S的功率、角频率和相位，而P_L、ω_L、φ_L分别为E_L的功率、角频率和相位。

当E_S和E_L入射到90°光学混合器时，得到1号、2号、3号、4号四个端口输出信号的表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\\ E_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{MMI}2}\end{array}\right]\·\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{PS}}\end{array}\right]\end{array}\·\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{MMI}1}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{E}_S\\ E_L\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，[T_MMI2]为2×4多模干涉耦合器的传输矩阵，[T_PS]为相移器的传输矩阵，[T_MMI1]为2×2多模干涉耦合器的传输矩阵，K₂₄为2×4多模干涉耦合器的功分比，K₂₂为2×2多模干涉耦合器的功分比，θ为相移器产生的附加相移，具体表达式如下：

$\left[T_{\mathrm{MMI}1}\right]=\sqrt{K_{24}}\left[\begin{array}{cc}1& e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{4}}\\ e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}& 1\\ e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}& 1\\ e^{-\mathrm{j\π}}& e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\left[T_{\mathrm{PS}}\right]=\sqrt{K_{24}}\left[\begin{array}{cccc}1& & & \\ & 1& & \\ & & e^{-\mathrm{j\θ}}& \\ & & & 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

$\left[T_{\mathrm{MMI}2}\right]=\sqrt{K_{22}}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\\ 0& 0& e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}& 1\end{array}\right]---\left(6\right)$

结合式（3）～（6），可得到E₁～E₄的表达式为：

$E_1=\sqrt{K_{22}\·K_{24}}\·(E_S+E_L{e}^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{4}})---\left(7\right)$

$E_2=\sqrt{K_{22}\·K_{24}}\·e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·(E_S+E_L{e}^{j\frac{\mathrm{\π}}{4}})---\left(8\right)$

$E_3=\sqrt{K_{22}\·K_{24}}\·[e^{j(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{4})}+e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}]\·(E_S+E_L{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}}{4}}\frac{\cos \mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{2}-\cos \mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ}})---\left(9\right)$

$E_4=\sqrt{K_{22}\·K_{24}}\·[e^{j(\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})}+e^{-\mathrm{j\π}}]\·(E_S+E_L{e}^{-j\frac{5\mathrm{\π}}{4}}\frac{\cos \mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{2}+\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}})---\left(10\right)$

从式（7）～（10）可以看出，90°光学混合器的四个输出通道表现出完美的正交相位特性；根据式（9）和式（10）可计算出，当θ=45°时，E₁～E₄的幅值相等。

3dB耦合器将本地光源信号等分为两个完全一样的光源子信号，其中，其中一路光源子信号经过相位调制器，根据模拟信号强度的不同，产生相应的相位变化。两个强度一样、相位相差某一定值的光信号进入90°光学混合器，其A、B、C和D四个端口输出的光强随着相位差的不同而变化。将电判决模块阈值电压设置为相应待评判光信号的光强平均值，大于阈值的信号编码为‘1’，小于阈值的信号编码为‘0’，即可获得模拟信号对应的二进制码。图4是2bit ADC编码规则，对于相位相差90°的两路输出电压信号，低于阈值电压时，比较器输出“0”，高于或等于阈值电压时，比较器输出“1”。

所述3dB耦合器、相位调制器和90°光学混合器均为绝缘体上的硅（SOI）脊波导结构；如图5所示为本发明中硅基脊波导结构横截面图。对于波长为1.55μm的光信号，二氧化硅、硅、空气的折射率分别为1.46、3.48、1.00。图6为硅基脊波导结构的信号入射\出射端的结构，信号入射\出射波导与多模干涉区通过一个锥形接入波导相连，对于信号入射\出射波导，波导宽度W=0.5μm。

图7为45°相移器的结构图，两个完全一样的锥形波导对称相接，其中心宽度比两端小△W，由于光在锥形波导内与相同长度的直波导内经历不同的受限作用，产生对应的相位差。改变L_PS长度，可以实现不同的相位差。本案例中，△W=0.1μm，L_PS=30.94μm。图8是本例中90°光学混合器的传输谱，对A、B、C和D四个端口输出中任意两个相位差为90°的输出信号进行编码，如C端口和D端口，可实现2bit模数转换。

本例中用到了多个多模干涉耦合器，包括一个1×2多模干涉耦合器、一个2×4多模干涉耦合器和一个2×2多模干涉耦合器。多模干涉耦合器的传输特性可以描述为：光入射到单模波导，经过锥形波导进入多模干涉区，发生多模干涉效应，在出射端，模场经过锥形波导收敛到输出波导。三个多模干涉耦合器的宽度依次分别为6μm、12μm和6μm，经过有限差分束传播法数值计算，其长度分别为33.45μm、87.80μm和44.10μm。

此外，通过器件的级联，能够获得具有更高转化位数的模数转换器。级联的结构仍然只需要一个光源和一个相位调制器，有效地避免了由于光源引起的误差。图9为通过级联实现的3bit ADC结构，首先3dB耦合器输出的两路完全一样的信号：一路进入相位调节器，经相位调节器输出后再经一个完全一样的第一3dB耦合器，将输入光信号分成两路一样的信号；另一路进入一个完全一样的第二3dB耦合器，将输入光信号分成两路完全一样的信号；其中一个90°光学混合器的输入信号为第一3dB耦合器的一路输出信号，和第二3dB耦合器的一路输出信号；另一个90°光学混合器的输入信号为第一3dB耦合器的另一路输出信号，和第二3dB耦合器的另一路输出信号经一个45°相移器的输出信号；记录一个90°光学混合器的输出端口为C端口和D端口，另一个90°光学混合器的输出端口为C’端口和D’端口，将C端口、D端口、C’端口和D’端口接入到一个四路电判决模块中，即可实现3bit编码，图10为对应的编码规则。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，其特征在于：包括本地光源信号、3dB耦合器、相位调制器、90°光学混合器和电判决模块；

所述3dB耦合器为1×2多模干涉耦合器，用于将本地光源信号等分为两路完全一样的光源子信号；

所述相位调制器的外部信号输入端口用于接入待转换模拟电信号，内部输入端口接入其中一路光源子信号，所述相位调制器根据待转换模拟电信号使该路光源子信号产生对应的相位差，并将产生相位差的信号从内部输出端口送出；

所述90°光学混合器的输入信号为另一路光源子信号和相位调制器的内部输出端口输出的信号，用于获得具有正交特性的两路待评判光信号；

所述电判决模块的输入信号为两路待评判光信号，所述电判决模块对两路待评判光信号进行光-电转换、放大和比较，根据待评判光信号的幅度进行二进制码。

2.根据权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，其特征在于：所述90°光学混合器包括2×4多模干涉耦合器、45°相移器和2×2多模干涉耦合器，记2×4多模干涉耦合器的两个输入端口分别为A端口和B端口，四个输出端口分别为1号端口、2号端口、3号端口和4号端口，其中3号端口接入45°相移器的输入端口，45°相移器的输出端口和4号端口接入2×2多模干涉耦合器的两个输入端口，记1号端口为C端口，2×2多模干涉耦合器的其中一个输出端口为D端口；所述A端口和B端口作为90°光学混合器的两个输入端口，C端口和D端口作为90°光学混合器的两个输出端口。

3.根据权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，其特征在于：所述电判决模块包括顺次连接的两路光电二极管、放大器和比较器，两个光电二极管的输入信号分别为一路待评判光信号，所述比较器的阈值为设定值或相应待评判光信号的光强平均值，当待评判光信号的光强大于/大于等于阈值时比较器输出1，否则比较器输出0。

4.根据权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，其特征在于：所述3dB耦合器、相位调制器和90°光学混合器均为绝缘体上的硅脊波导结构。

5.根据权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，其特征在于：所述本地光源信号为激光信号。

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