CN107748473B - 一种InP基单片集成全光模数转换器结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种InP基单片集成全光模数转换器结构，该结构主要包括：半导体锁模激光器、电吸收调制器、1×2分束器、移相器。其中，半导体锁模激光器作为采样脉冲光源输出采样脉冲信号，电吸收调制器用于对采样脉冲信号进行强度调制，实现对模拟电信号的光采样，1×2分束器结构用于对采样脉冲信号进行分束处理，移相器结构用于引入π/2的相移。本发明可以实现有源器件和无源器件的单片集成，是实现单片集成器件批量化和产业化的理想材料。采用半导体锁模激光器作为采样脉冲光源，可以实现低至亚皮秒量级的光脉冲宽度和低至亚飞秒量级的脉冲时间抖动。

Description

一种InP基单片集成全光模数转换器结构

技术领域

本发明涉及一种全光模数转换器结构，特别是一种InP基单片集成全光模数转换器结构，属于全光信息处理领域。

背景技术

自21世纪以来，人类社会已经全面进入数字化信息时代。这是由于数字信号具有传输速率高、稳定性好、保密性好等模拟信号不具备的优势，然而，我们日常生活中的信息都以模拟信息形式存在，需要通过模数转换器将其转换为数字信号，才能进行信号的传输和处理。模数转换器作为连接模拟信号和数字信号的桥梁，在卫星通信、医学成像、相控阵雷达系统、电子侦察等领域中发挥着至关重要的作用。

电子模数转换器作为当前主流的模数转换方法，由于受到采样保持电路的带宽、采样时钟抖动和比较器的弛豫时间等因素的限制，已经难以满足日益增长的高带宽、高采样率和高量化精度的应用需求。而基于光子技术的光模数转换器具有低脉冲时间抖动、高采样速率、高量化精度和高处理带宽等优势，在未来高速全光网络、全光信息处理等领域具有广泛的应用前景和研究价值。

全光模式转换器作为光模数转换器的一个种类，采样和量化均在光域上完成，编码和判决属于后续操作，在这里不考虑。相比于其他类型的光模数转换器，可以完全避开电子模数转换器的瓶颈问题，是未来光模数转换器的发展趋势。目前，大多数的全光模数转换器由多个分立光学器件组成，存在系统结构复杂、体积巨大、稳定性较差等缺点。也有的全光模数转换器采用硅基混合集成光学波导的方案，具有耦合损耗高、成品率低、制作容差小等劣势。相较于硅基材料，InP属于直接带隙半导体材料，基于InP材料的InGaAsP、AlInGaAs是非常理想的光源制备材料，而且InP材料体系可以实现有源器件和无源器件的单片集成、工艺成熟、没有对准耦合的问题，正在朝着批量化和产业化的方向发展。InP基单片集成全光模数转换器结构没有对准耦合损耗的问题，而且体积小、结构简单、性能稳定，将会成为未来全光信息处理领域的重要研究方向。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有电子模数转换器由于受到自身固有电子瓶颈的限制，存在采样保持电路带宽受限、采样时钟抖动严重和比较器不稳定等缺陷，以及目前大多数的全光模数转换器由多个分立光学器件组成，存在系统结构复杂、体积巨大、稳定性较差等缺陷，提出了一种InP基单片集成全光模数转换器结构。在该结构中，采样和量化均在光域上完成，可以完全避开电子模数转换器的瓶颈问题，具有低脉冲时间抖动、高采样速率、高量化精度和高处理带宽等优势。另外，该结构采用InP材料为基底，可以实现有源器件和无源器件的单片集成，解决了由分立器件组成的全光模数转换器中存在的系统结构复杂、体积巨大、稳定性较差、耦合损耗高等问题。

本发明的技术方案是：一种InP基单片集成全光模数转换器结构，包括半导体锁模激光器、电吸收调制器、1×2分束器结构a、1×2分束器结构b和移相器结构，其中：

所述的半导体锁模激光器作为采样脉冲光源输出采样脉冲信号；

所述的1×2分束器结构a用于对半导体锁模激光器输出的采样脉冲信号进行分束处理，其中一个输出端作为InP基单片集成全光模数转换器结构的第一输出端，另外一个输出端连接至电吸收调制器；

所述的电吸收调制器用于对1×2分束器结构a发送来的采样脉冲信号进行强度调制，实现对模拟电信号的光采样，并发送至1×2分束器结构b；

所述的1×2分束器结构b用于对经过电吸收调制器调制后的采样脉冲信号进行分束处理，其中一个输出端作为InP基单片集成全光模数转换器结构的第二输出端，另外一个输出端连接至移相器结构；

所述的移相器结构用于对1×2分束器结构b的其中一个输出端引入π/2的相移后，其输出作为InP基单片集成全光模数转换器结构的第三输出端。

所述的半导体锁模激光器、电吸收调制器、1×2分束器结构a、1×2分束器结构b和移相器结构采用的材料基底均为InP材料。

所述的半导体锁模激光器和电吸收调制器均为多量子阱有源结构。

所述的1×2分束器结构a、1×2分束器结构b和移相器均为无源结构。

所述的有源区域和无源区域实现单片集成的方案为对接生长技术。

所述的半导体锁模激光器由增益区和可饱和吸收区两部分组成。

所述的1×2分束器结构a和1×2分束器结构b采用Y波导、定向耦合器、多模干涉耦合器中的任意一种结构。

所述的移相器结构通过采用不同半径的弯曲波导、蝶形楔形波导结构、改变波导宽度、改变波导芯层厚度的任意一种方式实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所述的InP基单片集成全光模数转换器结构，采样和量化均在光域上完成，相比于其他类型的光模数转换器，可以完全避开电子模数转换器的瓶颈问题，是未来光模数转换器的发展趋势。

(2)本发明所述的InP基单片集成全光模数转换器结构采用半导体锁模激光器作为采样脉冲光源，可以实现低至亚皮秒量级的光脉冲宽度和低至亚飞秒量级的脉冲时间抖动，从而可以实现超高采样率和较高的有效量化分辨率。而且，半导体锁模激光器结构是由增益区和可饱和吸收区两部分组成的单片集成锁模结构，具有体积小、结构简单、性能稳定、易于与其他InP基有源和无源光子器件集成的优势。

(3)本发明所述的InP基单片集成全光模数转换器结构中采用电吸收调制器对光脉冲进行强度调制，具有驱动电压低、调制带宽大、体积小、适于与激光器单片集成等优势。

(4)本发明所述的InP基单片集成全光模数转换器结构，采用InP材料为基底，相较于目前大多数采用的硅基材料，InP材料可以实现有源器件和无源器件的单片集成，而且制备工艺成熟、没有对准耦合的问题，是实现单片集成器件批量化和产业化的理想材料。InP基单片集成全光模数转换器结构没有对准耦合损耗的问题，而且体积小、结构简单、性能稳定。

(5)本发明所述的InP基单片集成全光模数转换器结构，有源区域和无源区域实现单片集成的方案为对接生长技术，具有工艺制备简单，而且可以分别对不同的材料结构进行优化设计的优势。

附图说明

图1为本发明的InP基单片集成全光模数转换器结构；

图2为依据本发明实施的InP基单片集成全光模数转换器的系统结构示意图。

图3为2-bit全光模数转换器的量化编码曲线。

图4为对接生长技术示意图。

图5为InP基1×2多模干涉耦合器结构的模场分布图。

图6为光信号模式的相移变化为π/2时所需的移相区长度随移相器波导芯层厚度变化关系。

具体实施方式

依据本发明实施的一种InP基单片集成全光模数转换器结构的系统结构示意图如图1、2所示。该系统结构主要包括两个部分：InP基单片集成全光模数转换器结构和后续的电处理模块。InP基单片集成全光模数转换器结构主要由半导体锁模激光器、电吸收调制器有源器件和1×2分束器、移相器无源器件组成。电处理模块主要由探测器、放大器和比较器构成。InP基单片集成全光模数转换器结构可以完全在光域上完成采样和量化，而后续的编码和判决操作由电处理模块完成。

具体工作原理为：从半导体锁模激光器输出的采样脉冲信号被1×2分束器结构a均分为两束：一束光信号通过电吸收调制器实现对模拟电信号的光采样，我们设定电吸收调制器的半波电压为V_π，选取输入模拟电信号的变化幅度2V_π为一个周期；另外一束作为参考光信号，不做任何处理。之后，经过电吸收调制器调制的光信号被1×2分束器结构b均分为两束：一束经过移相器结构，被引入π/2的相移；另一束不做处理。这样，相邻两通道的输出光信号之间具有π/2的相移差。最后，这两束输出光信号和参考光信号一起被送入到电处理模块中进行后续的编码和判决操作，实现2-bit的数字格雷码输出，其量化编码曲线如图3所示。

InP基单片集成全光模数转换器结构中既包括半导体锁模激光器和电吸收调制器多量子阱有源区域，也包括1×2分束器、移相器等无源区域。其中，半导体锁模激光器由增益区和可饱和吸收区两部分组成。InP基材料结构可通过金属有机物化学气相沉积进行外延生长。有源区域和无源区域实现单片集成的方案为对接生长技术，其示意图如图4所示。该技术具有工艺简单、可以分别对不同结构的材料结构进行优化设计的优势。

对于InP基单片集成全光模数转换器结构中的1×2分束器结构，可以采用Y波导、定向耦合器、多模干涉耦合器等。其中，多模干涉耦合器结构具有结构紧凑、插入损耗低、工艺制作简单、工作带宽较宽、适于与其它器件集成等优势，得到广泛的应用。我们通过采用三维束传播法对全光模数转换器中的1×2多模干涉耦合器结构进行了仿真分析，其模场分布如图5所示。可见，基于InP材料的1×2多模干涉耦合器可以很好的实现功率均分的功能。

对于InP基单片集成全光模数转换器结构中的移相器结构，可以通过采用不同半径的弯曲波导、蝶形楔形波导结构、改变波导宽度、改变波导芯层厚度等方式实现。其中，改变波导芯层厚度的方式可以实现对光信号相位的精确控制，而且器件尺寸小、工艺简单、制作容差大，非常适于与其他器件集成。因此，我们对通过改变波导芯层厚度实现π/2相移的移相器结构进行了仿真设计，InP基单片集成全光模数转换器中的其它无源波导芯层厚度定义为350nm，光信号模式的相移变化为π/2时所需的移相区长度随移相器波导芯层厚度变化关系如图6所示。可见，随移相器波导芯层厚度的逐渐增加，所需的移相器长度呈逐渐减小的趋势。考虑到外延材料的质量随着外延材料厚度的增加而可能发生恶化，我们设计移相器的波导芯层厚度为450nm，对应的移相器长度为14.1μm。该移相器结构尺寸非常小，非常适合用于制作单片集成器件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：包括半导体锁模激光器、电吸收调制器、1×2分束器结构a、1×2分束器结构b和移相器结构，其中：

所述的半导体锁模激光器作为采样脉冲光源输出采样脉冲信号；

所述的1×2分束器结构a用于对半导体锁模激光器输出的采样脉冲信号进行分束处理，其中一个输出端作为InP基单片集成全光模数转换器结构的第一输出端，另外一个输出端连接至电吸收调制器；

所述的电吸收调制器用于对1×2分束器结构a发送来的采样脉冲信号进行强度调制，实现对模拟电信号的光采样，并发送至1×2分束器结构b；

所述的1×2分束器结构b用于对经过电吸收调制器调制后的采样脉冲信号进行分束处理，其中一个输出端作为InP基单片集成全光模数转换器结构的第二输出端，另外一个输出端连接至移相器结构；

所述的移相器结构用于对1×2分束器结构b的其中一个输出端引入π/2的相移后，其输出作为InP基单片集成全光模数转换器结构的第三输出端。

2.根据权利要求1所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：所述的半导体锁模激光器、电吸收调制器、1×2分束器结构a、1×2分束器结构b和移相器结构采用的材料基底均为InP材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：所述的半导体锁模激光器和电吸收调制器均为多量子阱有源结构。

4.根据权利要求3所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：所述的1×2分束器结构a、1×2分束器结构b和移相器均为无源结构。

5.根据权利要求4所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：采用有源结构的有源区域和无源结构的无源区域实现单片集成的方案为对接生长技术。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：所述的半导体锁模激光器由增益区和可饱和吸收区两部分组成。

7.根据权利要求1或2或4或5所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：所述的1×2分束器结构a和1×2分束器结构b采用Y波导、定向耦合器、多模干涉耦合器中的任意一种结构。

8.根据权利要求1或2或4或5所述的一种InP基单片集成全光模数转换器结构，其特征在于：所述的移相器结构通过采用不同半径的弯曲波导、蝶形楔形波导结构、改变波导宽度、改变波导芯层厚度的任意一种方式实现。

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