CN106933001A - 基于硅光集成的光子模数转换芯片 - Google Patents

Abstract

一种基于硅光集成的光子模数转换芯片，包含时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器、模式解复用单元、波长解复用单元和光电检测单元，各元件可被单片集成在同一块硅基芯片上。本发明让光波通过不同偏振和不同波导模式使输入光脉冲重复频率进一步提高，从而更容易实现高采样率的光模数转换。

Description

基于硅光集成的光子模数转换芯片

技术领域

本发明涉及光通信中的时分复用(OTDM)、波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)及模分复用(MDM)等技术，是一种基于硅光集成的光子模拟数字信号转换系统芯片。

背景技术

随着科研领域的不断拓展，科学研究中需要处理的模拟信号的带宽越来越高。模拟信号在传输和处理过程中，容易引入噪声，导致信号的失真。将模拟信号数字化能够带来很多优点，特别是数字信号在传输和处理过程中，不会引入额外的噪声，能够保持信号的准确性。在宽带模拟信号和高性能数字处理技术之间，需要高性能的模数转换器作为两者之间的桥梁，把宽带模拟信号转换为数字信号。高性能模数转换器成为现代技术必不可少的一部分。

现有的模数转换器的发展受到电子器件瓶颈的限制，单个电子模数转换器(EADC)的性能已很难提高。电子模数转换器的性能随着采样频率的增加而不断下降：采样频率从2MHz增至4GHz时，采样频率每增加一倍，分辨率下降1比特；采样率越高，抖动越大，精度越低。

随着光纤通信技术的发展，出现了光子模数转换器(Photonic Analog toDigital Converter，以下简称为PADC)。利用光子模数转换器可以替代电子模数转换器实现对超宽带模拟电信号的直接采样和量化。光纤通信领域的光时分复用技术和波分复用技术可以实现对采样光脉冲信号的复用和解复用，有利于实现超高速采样。基于光纤通信技术的光学模数转换器有效地克服了电子模数转换器的瓶颈，具有带宽高、损耗小、稳定性高等优点。

发明内容

本发明是基于现有的光纤通信系统理论和光波导集成技术提出一种基于硅基光电子集成的光子模数转换芯片。该光子模数转换芯片在传统通过时间波长交织提高采样率的基础上，利用光在不同模式(包含偏振)上的正交性，通过复用来进一步提高采样率，从而实现超高速采样。采样后的光脉冲再通过模式、波长解复用，经探测器转变为电信号，由电模数转换器进行后端量化处理。该光子模数转换芯片利用了时间、波长和模式三个维度，更易于实现对宽带模拟信号的高速采样。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于硅基光电子集成的光子模数转换芯片，其结构由左到右依次为时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器单元、模分解复用单元、波长解复用单元和光电探测单元。时分复用单元由延迟波导级联或串联构成，波分复用单元由多级级联马赫-曾德干涉器或阵列波导光栅构成，模分复用单元由定向耦合器构成，多模调制器由多模波导马赫-曾德干涉器并在双臂上嵌入了多模相位调制器构成，模式及波长解复用单元与之前的模式及波长复用单元相同，只是输入和输出端口相反，光电探测单元由硅上生长锗并通过掺杂形成PIN二极管构成。上述各单元依次相连，构成一个完整片上芯片系统。

各单元被集成在同一块芯片上。该芯片的输入采用锁模激光器作为光源，输入光被分成N路后经过等间隔延迟，之后再将N路合为一路，这样就使得脉冲的重复频率增加为原来的N倍，此即为时分复用单元功能。随后，再对光脉冲信号进行波分复用将输入的每个光脉冲分为M个不同波长的脉冲，经过不同延迟，再将其合为一路，使得脉冲重复频率增加为输入时的M倍。最后再利用偏振和模式转换使一路输入光分成T路具有不同偏振和模式特性的输出光，经过不同延迟后耦合到多模波导中，因而在多模波导中脉冲的重复频率又增加了T倍。经过前面的三级时分、波分和模分复用单元后，与芯片输入光脉冲相比，重复频率提高了M×N×T倍，因而可获得超高速采用脉冲。进入到多模波导的光脉冲经多模调制器的调制后对输入微波信号进行采样，调制后的脉冲信号经模分解复用单元后将重复频率降为之前的1/T，再经过波长解复用单元后再将其重复频率为1/M，之后进入光电检测器阵列进行光电转换，由电模数转换单元进行后续处理。

优选的，整个系统包括时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器、模分解复用单元、波分解复用单元、时分解复用单元以及光探测单元都可被集成到一块芯片上。

优选的，该系统在进行光时分复用时采用多级串联或两级并联光真延迟线。

优选的，该系统中波分复用单元包含波长复用器、延迟线和波长解复用器。其中波长复用/解复用器可以通过阵列波导光栅、级联马赫-增德尔干涉器或级联微环谐振器等结构实现。

优选的，该系统中模分复用单元包含分路器、偏振转换器、延迟线和多模耦合器。前一级波分复用单元输出光分成两路，其中一路光偏振不变，而另一路光通过偏振转换器转变为正交偏振模式，这两路光又分别通过分路器分为多路，经过不同延迟线长度后，再与多模波导进行耦合，激发多模波导内的不同模式。

优选的，该系统中偏振转换器的作用是实现波导偏振模式从横电场模式到纵电场模式(或反过来)的转换。该偏振转换器可由两根不同宽度的脊型波导耦合构成，当一根波导的某一种偏振模式有效折射率与另外一根波导的另一种偏振模式有效折射率相等时，即能实现光在两根波导间的耦合，且耦合后输出光偏振模式发生了转变。

优选的，该系统中多模耦合器是将多路不同偏振光分别与一根各部分宽度不同的直波导进行耦合，由于直波导各部分宽度不同，故可以激发不同阶数的模式。不同宽度波导的过渡由锥形波导实现，以保证光在波导中的低损耗传播。

优选的，该系统中多模调制器基于马赫-曾德干涉结构，每个干涉臂上均集成了交织型PN结，PN的耗尽区与多个模式均有交叠，从而实现对多个模式的同时高效调制。

优选的，该系统中模式/波长解复用单元，分别由一个T路模式解复用器和T个M路并行波长解复用器实现，将高重复频率光脉冲解复用为低重复频率光脉冲。

优选的，该系统中光探测单元由T×M个并行光电探测器构成，将光信号转换为低速电信号。光电探测器通过在硅上外延生长锗或锗硅材料，并制作纵向或横向PIN结来实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明将依次相连的时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器单元、模分解复用单元、波长解复用单元和光电探测单元均集成在同一个芯片上，芯片尺寸小、功耗低、稳定性高。

2)在传统的时间波长交织系统的基础上增加了模分复用，经过三级时分复用单元、波分复用单元和模分复用单元后，与芯片输入光脉冲相比，重复频率提高了M×N×T倍，因而可获得超高速采用脉冲。进入到多模波导的光脉冲经多模调制器的调制后对输入微波信号进行采样，调制后的脉冲信号经模分解复用单元后将重复频率降为之前的1/T，再经过波长解复用单元后再将其重复频率为1/M，之后进入光电检测器阵列进行光电转换，由电模数转换单元进行后续处理。大大地提高了采样脉冲的重复频率。

附图说明

图1为本发明基于硅基光集成的PADC系统的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明基于硅基光集成的PADC系统的并行的时分复用单元的实施例的示意图。

图3为本发明基于硅基光集成的PADC系统的串行的时分复用单元的实施例的示意图。

图4为本发明基于硅基光集成的PADC系统的波分复用单元实施例的示意图。

图5为本发明基于硅基光集成的PADC系统的模分复用单元的一个实施例的示意图。

图6为本发明基于硅基光集成的PADC系统的多模耦合单元的一个实施例的示意图。

图7为本发明基于硅基光集成的PADC系统的交织型PN结多模调制器的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明基于硅基光集成的PADC系统的一个实施例的结构示意图。由图可见，本发明基于硅基光电子集成的光子模数转换芯片从左到右的单元依次为：时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器、模分解复用单元、波分解复用单元、光电检测器以及电模数转换单元。所述的时分复用单元由延迟波导级联或串联构成，所述的波分复用单元由阵列波导光栅构成，所述的模分复用单元由定向耦合器构成，所述的多模调制器由多模波导马赫-曾德干涉器并在双臂上嵌入了多模相位调制器构成，所述的模式解复用单元与所述的模式复用单元相同，只是输入和输出端口相反，所述的波长解复用单元与所述的波长复用单元相同，只是输入和输出端口相反，所述的光电探测单元由硅上生长锗并通过掺杂形成PIN二极管构成。上述各单元依次相连，构成一个完整片上芯片系统。芯片输入采用锁模激光器作为脉冲光源，重复频率为250MHz。首先通过并行或串行时分复用单元(如图2和图3所示)，将输入光分成4路后分别经过0、1ns、2ns和3ns相对时间延迟，再将4路合并为一路输出，输出脉冲的重复频率增加到1GHz。之后再对信号进行波分复用(如图4所示)，将输入光在频域上分割为4个波长，分别经过0、0.25ns、0.5ns和0.75ns相对时间延迟后再合为一路输出，输出脉冲的重复频率增加到4GHz。最后再通过模分复用单元(如图5所示)，利用偏振转换和分路器使输入1路光变成4路光，经过0、1/16ns、1/8ns和3/16ns相对时间延迟后，耦合到多模波导中，激发4种正交模式(如图6所示)，脉冲的重复频率增加为16GHz。进入到多模波导的光脉冲经多模调制器调制后对输入微波信号进行采样(如图7所示)，调制后的信号经模式解复用单元后将频率降为4GHz，再经过波长解复用单元后将其频率降为1GHz，之后进入光电检测器阵列进行光电转换，由电模数转换单元进行后续处理。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，该芯片包括时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器、模式解复用单元、波长解复用单元和光电探测单元，采用CMOS集成电路兼容工艺将所述的时分复用单元、波分复用单元、模分复用单元、多模调制器、模式解复用单元、波长解复用单元和光电探测单元依次相连地集成在同一芯片上，构成一个完整片上芯片系统。

2.根据权利要求1所述的基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，所述的时分复用单元由延迟波导级联或串联构成，将输入光脉冲分成N路，每路进行等间隔时延，然后再将时延后的N路合并为一路输出，从而将光脉冲重复频率增加为原来的N倍；所述的时分复用单元的并行波导结构由N条长度依次增加的波导并联构成，所述的串行波导结构由多级双波导延迟线级联构成。

3.根据权利要求1所述的基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，所述的波分复用单元由多级级联马赫-曾德干涉器或阵列波导光栅构成，将光脉冲分为M个波长，每个波长经过等间隔时延后再合为一路，从而将光脉冲重复频率增加为原来的M倍，所述的波分复用单元由级联微环谐振器构成。

4.根据权利要求1所述的基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，所述的模分复用单元，由定向耦合器构成，将输入光脉冲分为T路，每路经过等间隔时延，与多模波导耦合，激发多模波导中的T个模式，从而将光脉冲重复频率增加为原来的T倍。

5.根据权利要求1所述的基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，所述的多模调制器由马赫-增德尔干涉器实现，输入波导内的光脉冲被均分到马赫-增德尔干涉器的两个臂上，微波信号加载到调制器上，通过PN结改变两个臂的相位差，从而实现对脉冲幅度的调制，PN结覆盖多个模式模场区域，实现对多个模式的均匀调制。

6.根据权利要求1所述的基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，所述的模式解复用单元和波长解复用单元，分别由一个T路模式解复用器和T个M路并行波长解复用器实现，将高重复频率光脉冲解复用为低重复频率光脉冲；所述的模式解复用单元和模式复用单元的结构相同，只是输入和输出端口相反；所述的波长解复用单元与所述的波长复用单元结构相同，只是输入和输出端口相反。

7.根据权利要求1所述的基于硅光集成的光子模数转换芯片，其特征在于，所述的光探测单元，由T×M个并行的光电探测器构成，该光电探测器将光信号转换为低速电信号，所述的光电探测器通过在硅上外延生长锗或锗硅材料，并制作纵向或横向PIN结来实现。