CN107256863B - 一种单片集成的光电芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单片集成的光电芯片，包括集成在衬底上的至少一个输入端、光信号处理单元、至少一个光探测器、至少一个电信号调理单元和至少一个模数转换模块；光信号由输入端经光波导输入至光信号处理单元，接着进入光探测器进行光电转换或拍频，然后依次通过电放大器和电信号调理单元进行信号的放大和滤波，得到所需的信号，最后通过模数转换器进行模数转换，输出数字信号。本发明的光电芯片将多种功能光器件与相关的模数转换电路和信号处理电路集成在单一芯片上，极大减小了芯片的尺寸，实现了高密度、低成本、高性能和低能耗，满足未来信息社会环保绿色的需求。

Description

一种单片集成的光电芯片
技术领域
本发明涉及光电处理芯片，特别是涉及一种单片集成的光电芯片。
背景技术
在信息技术的发展进程中，微电子集成电路技术扮演着重要角色，超大规模、高性能的微处芯片提供了核心技术支撑。将微电子和光电子结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势成为信息技术发展的必然和业界的普遍共识。
目前，光电子器件种类繁多，价格昂贵，制约其大规模的应用。近年来，光电子集成技术的发展，新技术新器件日新月异。2013年IBM报道了在90nm CMOS工艺线集成了电路和光路的25Gb/s WDM系统，第一次实现了真正意义的单片光电集成。2015年，人们基于CMOS绝缘体上硅技术完成了7千万个晶体管和850个光器件的单片集成，实现了芯片间通信的片上光互连。但这些技术都没有实现用单片集成的光电芯片将输入光信号进行模数转换和数字信号处理。
因此，在高性能计算、光通信、微波光子学等领域，片上光互连技术、单一芯片光电集成技术、微波光子信号处理芯片技术已经成为亟待解决的关键性技术。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种单片集成的光信号模数转换和数字化处理芯片。
技术方案：一种单片集成的光电芯片，包括集成在衬底上的至少一个输入端、光信号处理单元、至少一个光探测器、至少一个电信号调理单元和至少一个模数转换器；
光信号由输入端经光波导输入至光信号处理单元，接着进入光探测器进行光电转换或拍频，然后通过电信号调理单元进行电信号处理，得到所需的信号，最后通过模数转换器进行模数转换，输出数字信号至数字信号处理单元。
其中，所述光信号处理单元为光混合耦合器、光解复用器和光混合耦合器的组合、双输出端口电光调制器或光功率分配器和双输出端口电光调制器的组合。
所述光信号处理单元为光功率分配器与光延时波导以及光耦合器的组合、光解复用器与光延时波导以及光复用器的组合或光混合耦合器与光偏振分束器以及光耦合器的组合。
所述光信号为单个光波长的信号或是含有多个光波长的信号。
所述输入端是输入端口耦合器或模斑转换器；输入端口耦合器为光栅耦合或端面耦合，耦合器的外表面镀有增透膜；所述光波导为集成光波导。
所述光探测器为独立的光探测器或平衡光探测器。
所述模数转换器的内部结构是逐次逼近结构、闪速结构、流水线结构、折叠与内插结构或是以上结构组成的混合结构，模数转换器中电数字信号的输出端口是串行输出或是含多根并排信号线的并行输出。
所述衬底的材质为半导体材料或有机化合物材料。
另一实施例，一种单片集成的光电芯片，包括集成在衬底上依次连接的输入端、光信号处理单元、光探测器、电信号调理单元和模数转换器；
其中，光信号由输入端经光波导输入至光信号处理单元；
光信号处理单元，用于将输入的光信息进行耦合处理、光解复用和耦合处理、电光调制、功率分配和电光调制处理、光功率分配和延时以及耦合处理、光解复用和延时以及光复用的组合处理或耦合和偏振分束处理；
光探测器包括独立光探测器和平衡光探测器，用于对光信号进行光电转换或拍频；
电信号调理单元，用于对放大后的电信号进行放大、滤波、单端到差分信号转换或它们的组合处理，得到所需的信号；
模数转换器，用于将模拟电信号转换成数字电信号，输出给数字信号处理单元；
数字信号处理单元对接收到的数字信号进行处理，输出所需的数字电信号。
又一实施例，一种单片集成的光电芯片，包括集成在衬底上的输入端、光信号处理单元、N路光电处理单元和数字信号处理单元；所述光信号处理单元包括光功率分配器和N路双输出端口电光调制器的组合；N路光电处理单元包括依次连接的平衡光探测器、电信号调理单元和模数转换器；
其中，光信号由输入端经光波导输入至光功率分配器；
光功率分配器，用于把接收的光信息等分成N路；
N个双输出端口电光调制器，分别把接收来的光信号用预定频率和相位的同相电信号或正交电信号调制，并分别输出调制后的光信号；
平衡光探测器，用于接收双输出端口电光调制器输出的光信号，并进行光电转换，得到所需带宽内的电信号，实现光信号的I/Q解调；
电信号调理单元，用于对转换来的电信号进行放大、滤波、单端到差分信号转换或它们的组合处理；
模数转换器，用于将模拟电信号转换成数字电信号，输出给数字信号处理单元；
数字信号处理单元对接收到的数字信号进行处理，输出所需的数字电信号。
有益效果：本发明采用光子集成技术可以将微电子与光电子结合起来构成单片集成的光信号数字化处理芯片，可充分发挥微电子先进成熟的工艺技术、高度集成化、低成本等的优势，具有广泛的市场前景。另外，该光信号数字化处理芯片可以对光信号进行光信号处理、光电转换、模数转换和数字化处理，有利于形成集成的光信号输入、数字电信号输出的光电集成电路芯片。该芯片将多种功能光器件与相关的模数转换电路、信号处理电路集成在单一芯片上，极大减小了芯片的尺寸，实现高密度、低成本、高性能、低能耗，可以满足未来信息社会环保绿色的需求，具有广泛的市场前景。
附图说明
图1是光电芯片示意图；
图2是采用两输入两输出端口90度光混合耦合器的单片集成的光电芯片示意图；
图3是采用两输入四输出端口的90度光混合耦合器实现光信号I/Q解调的光电芯片示意图；
图4是采用光解复用器的光电芯片结构示意图；
图5是采用双输出端口电光调制器的光电芯片结构示意图；
图6是采用光功率分配器和双输出端口电光调制器的光电芯片结构示意图；
图7是微波光子滤波器芯片结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。
实施例1：如图1所示，该光电集成芯片包括一个芯片输入端口耦合器1、一个光信号处理单元2、一个光探测器3、一个电信号调理单元4和一个模数转换器(ADC)5。芯片输入端口耦合器接收光信号，经光波导与光信号处理单元的输入端口连接；光信号处理单元的输出端经光波导与光探测器的输入端连接，光探测器的输出端与电信号调理单元的输入端连接，电信号调理单元的输出端与模数转换器ADC的输入端连接，模数转换器的输出端与信号处理器连接。
光信号可以是单波长调制信号，也可以是多波长光信号。输入光信号通过输入端口耦合器将光信号耦合进入集成光波导，经过光信号处理单元，利用光探测器进行光电转换或拍频，将输入光信号转换成电信号；然后通过电信号调理单元进行信号的放大和滤波，得到所需带宽内的信号；最后通过模数转换器进行模数转换，完成对电信号的采样、量化和编码，方便后续进行数字信号处理。
其中，所述的光信号可以是单个光波长的信号，也可以是含有多个光波长的信号，这些波长的光信号还可以分别经过调制。芯片输入端口耦合器可通过光纤与外部网络实现互连互通，或直接与其它器件的光输出端口相连，或接收来自空间的光信号，其可以是光栅耦合或端面耦合，耦合可以是偏振敏感亦可以是偏振不敏感，但不限于此。光波导，属于集成光波导，完成不同光器件的互连互通，比如光输入端口耦合器、光混合耦合器和光解复用器等，也完成光器件与光探测器输入端的相连。光信号处理单元不限于以下单个或多个器件，比如：光混合耦合器、光放大器、光复用器、光解复用器、电光调制器、光功率分配器、光耦合器、光偏振控制器、光偏振分束器、微波光子信号调理单元、光延时或多个光延时器的组合或非线性光学器件。其中，非线性光学器件可以有但不限于以下功能：产生与输入光信号的光波长不同的光信号、对某个光波长的光信号进行放大、衰减特定波长的光信号。光探测器，完成光电转换和拍频，可以是单个独立的光探测器。当接收来自光混合耦合器输出端的光信号时，每个端口可以使用单个独立的光探测器，也可以将两个输出端口的信号分别输出至一个平衡探测器的两个输入端。电信号调理单元的电放大器拥有足够的带宽对电信号进行放大，送给后续的电信号调理单元的电滤波器，而后电信号调理单元的电滤波器抑制带外干扰和杂散信号，滤出所需带宽内的信号，然后将信号送至模数转换器将所述的电信号量化成数字信号。电放大器可以是跨阻放大器也可以是低噪声放大器，但不限于此，信号调理单元后面可以有单端到差分信号的转换电路。模数转换器内部可含有校正电路，其内部结构可以是逐次逼近结构、闪速结构、流水线结构、折叠与内插结构，亦可以是以上结构组成的混合结构，模数转换器中电数字信号的输出端口可以是串行输出，也可以是含多根并排信号线的并行输出。
该实施例中所有器件都集成在一个衬底上，衬底可以选用但不限于硅材料。
实施例2：如图2所示的光电芯片，其与实施例1的不同为：输入的光信号为两种波长的光信号：光信号1和光信号2，芯片输入端口耦合器为两个，选用的光信号处理单元为光混合耦合器6，探测器为平衡光探测器7，电信号调理单元包括放大器和滤波器。光信号1和光信号2通过两个芯片输入端口耦合器，经过光波导传递，在光混合耦合器6中按特定相位差混合。然后将光混合耦合器的两个输出端口的信号分别输出至一个平衡探测器的两个输入端，经平衡光探测器将光信号转换为电信号，再经过电信号调理单元的电放大器和电滤波器进行放大和滤波，最后由模数转换模块输出数字量到数字信号处理单元。平衡探测器可以抑制光信号的共模噪声，例如光信号1或光信号2中的幅度噪声。
其中，光混合耦合器使信号光1和信号光2彼此混合，并从特定的端口输出，输出端口的功率和相位可根据需要设定。为了让信号光1和信号光2产生有效的合成场，两者的偏振态至关重要，因此，光混合耦合器是保偏耦合器则更为有利，如果有让信号光1和信号光2的偏振态匹配的需求，可以在光混合耦合器前端设计偏振控制器和偏振分束器。光混合耦合器可以是180度光混合耦合器、120度光混合耦合器、90度光混合耦合器、72度光混合耦合器、60度光混合耦合器、45度光混合耦合器或其它满足相干探测条件度数的光混合耦合器。如图2中使用的是90度光混合耦合器。
如图3所示，光混合耦合器为90度光混合耦合器，I1和I2端口经平衡光探测器的平衡探测后组成I通道8，Q1和Q2端口经平衡光探测器的平衡探测后组成Q通道9，实现光信号的I/Q解调,得到信号的强度信息和相位信息，以便进一步进行数字信号处理。该实施例使用平衡光探测器可以提高共模抑制比、抑制噪声和提高信号噪声比。
其它结构与实施例1中的相同。该实施例中所有器件都集成在一个衬底上，衬底可以选用但不限于InP材料。
实施例3：如图4所示的光电芯片，其与实施例2的区别为：为了减少芯片输入端口耦合器1的数量，光电芯片外的光波分复用器先将两个不同波长的光信号1和光信号2复用到一个光纤波导，并耦合到集成光电芯片的芯片输入端口耦合器，光解复用器10将光波分复用的多波长信号光解复用，并分别输出到光混合耦合器两个不同的输入端口。
其中，光解复用器是将波分复用的多光波长信号分别耦合至不同的光波导，并输出给后续的光器件。
其它结构与实施例2中图2所示的使用90度光混合耦合器的光电芯片结构相同。该实施例中所有器件都集成在一个衬底上，衬底可以选用但不限于砷化镓材料。
实施例4：如图5所示的光电芯片，其与实施例2的不同为：光信号通过芯片输入端口耦合器1输入到双输出端口的电光调制器11中，光信号通过电光调制器被特定频率和相位的电信号调制，将电光调制器的两个输出端口的信号分别输出至一个平衡探测器的两个输入端，然后调制光信号在平衡光探测器中经过光电转换，得到所需带宽内的电信号。平衡探测器可以抑制光信号的共模噪声。
其它结构与实施例2中的相同。该实施例中所有器件都集成在一个衬底上，衬底可以选用但不限于锗硅材料。
实施例5：如图6所示的光电芯片，其与实施例2中图3的不同为：光信号通过芯片输入端口耦合器进行耦合，经由光波导传递到光功率分配器12中，光信号被等分成两路，并分别通过两个双输出端口的电光调制器，分别被特定频率和相位的同相电信号和正交电信号调制，将电光调制器的两个输出端口的信号分别输出至平衡探测器的两个输入端，调制光信号在平衡光探测器中进行光电转换，得到所需带宽内的信号，实现光信号的IQ解调。I通道8和Q通道9的其它结构与实施例4中的结构相同。最后I/Q通道电数字信号送入数字信号处理单元13。所述的数字信号处理单元包含失调误差、增益误差及时钟失配误差的软件校准功能和多通道采样输出、复用合成、信号重建与处理等功能。
其中，光功率分配器实现光信号分配且功率和相位可根据需要设定，可以是Y波导分支或多模干涉耦合器或定向耦合器。光信号通过双输出端口电光调制器被特定频率和相位的电信号调制。数字信号处理单元可以包含但不限于失调误差、增益误差及时钟失配误差的软件校准功能、多通道采样输出、复用合成、信号重建与处理、数字信号调理单元、矢量解调等功能。数字信号处理单元可以是现场可编程门阵列或可编程逻辑器件亦或是用户定制的专用集成电路。对模数转换器输出信号的校准亦可先进行硬件电路校准然后送入数字信号处理单元进行数字信号处理。
该实施例中所有器件都集成在一个衬底上，衬底可以选用但不限于铟镓砷材料。
实施例6：如图7所示，光电芯片包括微波光子滤波器14，微波光子滤波器包括解复用器、延时、系数加权单元和复用器。不同波长的已调制光信号,通过芯片输入端口耦合器经过解复用器被解复用成多路并行的单波长光信号，通过适当控制每个波长光信号的延时N·△t和信号强度，信号强度通过系数加权单元aN进行放大或衰减，再将各个支路信号经复用器合并在一起即得到光载波上调制的电信号的滤波特性，然后进入电光调制器被电本振信号调制，并在光探测器进行光电转换，在光探测器的输出端即可得到光载波上调制的电信号的下变频信号。当N取有限值时，则该芯片上的微波光子滤波器为有限冲激响应滤波器。
其它结构与实施例1中的相同。该实施例中所有器件都集成在一个衬底上，衬底可以选用但不限于Si材料。

Claims (10)

1.一种单片集成的光电芯片，其特征在于：包括集成在同一衬底上的至少一个输入端、光信号处理单元、至少一个光探测器、至少一个电信号调理单元和至少一个模数转换器；
集成光波导完成不同光器件的互连互通；
光信号由输入端经集成光波导输入至光信号处理单元，接着进入光探测器进行光电转换或拍频，然后通过电信号调理单元进行电信号处理，得到所需的信号，最后通过模数转换器进行模数转换，输出数字信号至数字信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述光信号处理单元为集成在同一衬底上的光混合耦合器、光解复用器和光混合耦合器的组合、双输出端口电光调制器或光功率分配器和双输出端口电光调制器的组合。
3.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述光信号处理单元为集成在同一衬底上的光功率分配器与光延时波导以及光耦合器的组合、光解复用器与光延时波导以及光复用器的组合或光混合耦合器与光偏振分束器以及光耦合器的组合。
4.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述光信号为单个光波长的信号或是含有多个光波长的信号。
5.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述输入端是输入端口耦合器或模斑转换器；输入端口耦合器为光栅耦合或端面耦合，耦合器的外表面镀有增透膜。
6.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述光探测器为独立的光探测器或平衡光探测器。
7.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述模数转换器的内部结构是逐次逼近结构、闪速结构、流水线结构、折叠与内插结构或是以上结构组成的混合结构，模数转换器中电数字信号的输出端口是串行输出或是含多根并排信号线的并行输出。
8.根据权利要求1所述的一种单片集成的光电芯片，其特征在于：所述衬底的材质为硅材料或锗硅材料或砷化镓材料或铟稼砷材料或InP材料。
9.一种单片集成的光电芯片，其特征在于：包括集成在同一衬底上依次连接的输入端、光信号处理单元、光探测器、电信号调理单元和模数转换器；
集成光波导完成不同光器件的互连互通；
其中，光信号由输入端经光波导输入至光信号处理单元；
光信号处理单元，用于将输入的光信息进行耦合处理、光解复用和耦合处理、电光调制、功率分配和电光调制处理、光功率分配和延时以及耦合处理、光解复用和延时以及光复用的组合处理或耦合和偏振分束处理；
光探测器包括独立光探测器和平衡光探测器，用于对光信号进行光电转换或拍频；
电信号调理单元，用于对光电转换后的电信号进行放大、滤波、单端到差分信号转换或它们的组合处理，得到所需的信号；
模数转换器，用于将模拟电信号转换成数字电信号，输出给数字信号处理单元；
数字信号处理单元对接收到的数字信号进行处理，输出所需的数字电信号。
10.一种单片集成的光电芯片，其特征在于：包括集成在衬底上的输入端、光信号处理单元、N路光电处理单元和数字信号处理单元；所述光信号处理单元包括光功率分配器和N路双输出端口电光调制器的组合；N路光电处理单元包括依次连接的平衡光探测器、电信号调理单元和模数转换器；
其中，光信号由输入端经光波导输入至光功率分配器；
光功率分配器，用于把接收的光信息等分成N路；
N个双输出端口电光调制器，分别把接收来的光信号用预定频率和相位的同相电信号或正交电信号调制，并分别输出调制后的光信号；
平衡光探测器，用于接收双输出端口电光调制器输出的光信号，并进行光电转换，得到所需带宽内的电信号，实现光信号的I/Q解调；
电信号调理单元，用于对转换来的电信号进行放大、滤波、单端到差分信号转换或它们的组合处理；
模数转换器，用于将模拟电信号转换成数字电信号，输出给数字信号处理单元；
数字信号处理单元对接收到的数字信号进行处理，输出所需的数字电信号。
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