CN114488651B - 基于微环阵列和gst的光子数模转换器及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器及调控方法，首先，该结构使用连续激光源产生N个不同波长的光信号，经过波分复用，通过微环谐振器阵列。微环谐振器阵列由N个微环谐振器组成，将N比特的数字信号映射为这N个不同波长的光信号功率。另外，通过将Ge₂Sb₂Te₅(GST)材料嵌入光波导中，改变光波导的透射率以此来赋予光信号权重。GST材料高度灵活，具有可编程性，因此在赋予权重的基础上，还能够补偿由于微环谐振器电光调谐导致的功率损耗，大大降低了光子数模转换器的转换误差。本发明有望应用于全光网络以及电光结合网络等，促进一些具有带宽要求的系统的发展。

Description

基于微环阵列和GST的光子数模转换器及调控方法

技术领域

本发明属于光子信号处理领域，具体涉及一种基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器结构及调控方法。

背景技术

数字信号具有大量存储，快速处理的优点，而在自然界中存在的物理量大多是模拟量，因此如果想通过数字信号处理去处理这些物理量，数模转换器是必需的。这也是数模转换器在各个领域广泛使用的原因，例如宽带雷达，卫星通信以及任意波形发生器等。然而这些领域对各种性能指标的要求越来越高，尤其是数模转换的速度和精度，可目前电子数模转换器存在带宽与高定时抖动的瓶颈，这进而限制了这些领域的发展。

得益于硅光子学的不断成熟，光子数模转换器取得了一定程度的发展。相比传统的电子数模转换器，光子数模转换器具有高采样率、大带宽以及低时间抖动等优点。此外，光子数模转换器也能在电子平台与光子平台的结合中发挥着相当大的作用。其可以绕过繁琐的电光转换，简化网络的结构，降低系统能耗。这些独特的优势使得光子数模转换器无论是在全光网络还是电光混合网络中都有着巨大的前景。

公告号为CN101866066A的专利申请公开了一种相变材料辅助的基于微环的光波导开关。包括微环波导谐振腔和与其耦合的两根直波导，相变材料置于除微环波导谐振腔和耦合区域以外的微环波导谐振腔的表面，通过相变控制源控制相变材料状态改变，控制微环波导谐振腔的损耗，以此实现光开关的功能。虽然具有微环波导谐振腔、两根直波导和相变材料这些结构，但其开关控制过程并不适用于数模转换。

发明内容

本发明旨在解决传统电数模转换器带宽限制、高时间抖动以及改善目前一些光子数模转换器有效比特数受限的问题，提出了一种基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器及调控方法。将数字信号的不同比特位映射为不同波长的光信号功率，利用微环谐振器独特的滤波特性将不同波长的光信号分开处理，另外将应用一种光学非易失存储材料，具体为Ge₂Sb₂Te₅(GST)，利用GST赋予不同比特位相应权重，而GST的晶化度可以进行微调进而改变波导的透射率，以此补偿微环导致的功率损耗。相比此前提出的一些光子数模转换方案，其具有高转换速率，低转换误差，复杂度低，占地面积小等优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于微环阵列和GST的光子数模转换器，包括N个连续激光源、两条直波导、N个微环谐振器以及N个相变材料块，其中所述两条直波导包括一条上传直波导和一条下载直波导，所述微环谐振器阵列排列在两条直波导之间，在所述上传直波导中每个微环谐振器的输入端口前嵌入一个相变材料块，将N个连续激光源产生的光信号复合后获得复合光信号，将复合光信号射入输入直波导中。

进一步，所述N个连续激光源产生N个不同波长的光信号，其波长分别与N个微环谐振器外加电压后的谐振峰值处的波长相对应。

进一步，所述复合光信号利用波分复用技术获得。

进一步，所述N个微环谐振器排列为一排。

所述N个相变材料块具有不同的晶化度，以赋予不同比特位相应权重。还能够降低由于微环谐振器的电光调谐引起的数模转换器整体转换误差。具体体现为，GST材料嵌入相邻微环谐振器的通过端口和输入端口之间，因此不同波长的光信号在耦合进入相应微环谐振器前通过的GST材料数量也不同，也就是被赋予的权重各不相同，这是在量化时还原每个比特位的关键所在。此外由于电光调谐，硅材料的吸收系数将会增大，进而导致微环谐振器的透射率降低。而每个比特位被赋予的权重为微环谐振器的透射率与通过的所有嵌入了GST的波导的透射率的乘积。由于微环谐振器的透射率低于理想值，所以可以通过微调GST的晶化度影响所嵌入光波导的透射率，补偿由于微环谐振器透射率的降低带来的转换精度损失，将转换误差控制在10％以内。对于该数模转换器，误差主要来自微环谐振器的电光调谐，也就是输入数字信号中“1”的占比越高，误差越大。在这里，根据GST晶化度的不同，嵌入GST的光波导的透射率能实现0到1之间的可调。通过测得微环谐振器的实际损耗，再经过计算可得到光波导的期望透射率，然后可根据波导透射率得到所对应的GST晶化度。

通过所述微环谐振器将数字信号不同比特位分开处理，使用输入的数字信号代表微环谐振器的工作状态；当输入信号为“1”时，与微环谐振器此时谐振波长相对应的光信号将会从微环谐振器的下降端口输出；当输入信号为“0”时，微环处于关闭状态，光信号从微环谐振器的通过端口输出。

基于以上的数模转换器，还提供一种调控方法，对于一个微环谐振器的下降端口输出为光信号的功率、微环谐振器的透射率以及光信号此前通过的每个相变材料块透射率的乘积，调控权重时，从第一个相变材料块开始调整，直到第N个，最终数模转换器的输出公式如下：

其中G_i为第i个GST所嵌入波导的透射率，T_i为第i个微环谐振器的透射率，a_i为控制第i个微环谐振器的数字信号，P为输入光信号的功率。

相变材料块所嵌入波导透射率的调整公式为：

G_i＝T_i-1/(2·T_i)

(i＝1，2，…，n，where T₀＝1)。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出的基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器。首先，将数字信号不同比特位映射为不同波长的光信号功率，将计算的维度从电域扩展到光域；其次，利用微环谐振器将不同波长的光信号分开处理。微环谐振器具有体积小，易集成的优点，且能够进行电光调谐，因此将输入数字信号映射为微环的调制信号，以此控制微环谐振器的工作状态。最后，引入了一种非易失性相变材料GST，在传统的基于微环谐振器的光子数模转换方案中，均利用分光器对光信号加权。相比分光器，GST材料有着体积小，易集成，可编程性等优势。通过将GST嵌入输入直波导中，不同波长的光信号通过的GST数量也不同。GST的晶态与非晶态之间有着高对比度，通过调整GST的晶化度继而影响所嵌入光波导的透射率。且由于其可编程性，可以灵活的改变波导透射率，然后对电光调谐导致的功率损耗进行补偿，使得微环谐振器的下降端口输出接近理想值。本发明所提出的光子数模转换方案致力于突破由于电子数模转换瓶颈带来的各种有带宽要求的系统的发展限制，在此基础上也对一些光子数模转换方案有效比特数受限的问题进行了改善。

附图说明

图1为本发明所提出结构中微环谐振器工作状态示意图；

图2为本发明所提出结构中GST在光波导上的应用以及对波导透射率的影响示意图；

图3为能够进行N比特的数模转换结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细的描述。

图1为本发明所提出的光子数模转换器中微环谐振器如何进行工作的示意图。对微环谐振器外加电压将会改变谐振器调制部分的载流子浓度，进而影响调制部分的有效折射率，最终使得微环谐振器传输特性的改变。图1(b)中虚线部分表示未施加电压时的微环谐振器传输曲线，此时输入数字信号为“0”，对应图1(a)中的“关闭”状态，此时光信号将会从通过端口输出；图1(b)中实线部分表示外加电压后的微环谐振器传输曲线，此时输入数字信号为“1”，对应图1(a)中的“开启”状态，此时相应谐振波长的光信号将会发生谐振，最终从微环谐振器的下降端口输出。从图1(b)中可以看出，当对微环谐振器外加电压时，载流子浓度除了影响硅材料的折射率以外还对硅材料的吸收系数造成了影响，因此微环的谐振峰值相比理想值“1”有较大的误差，这将会增大整个光子数模转换器的转换误差，因此针对这点进行突破是获得高转换精度的基于微环谐振器的光子数模转换器的重点。

图2为本发明所提出结构中GST在波导上的应用以及对波导透射率的影响示意图。为了赋予光信号相应权重，通过将GST材料嵌入光学波导中进而改变波导的透射率，如图2(a)所示。GST的特点是在晶态与非晶态之间有着高对比度，且能通过热刺激在这两种状态之间相互转化。在不同晶化度下，GST对光信号的吸收效应强弱也不同，晶态GST的吸收效应强，反之吸收效应则弱。因此，可以根据改变GST材料的吸收效应强弱调制波导的透射率。GST材料在不同晶化度下，光波导透射率的改变如图2(b)所示。具体操作方案如下：

写入操作：使用强光脉冲诱导GST材料相变，若吸收能量足够高，其温度能够到达转变温度，那么GST材料将被熔化，此时迅速冷却即能保持这种原子无序状态。

擦除操作：同样输入强光脉冲，使GST材料温度到达结晶温度但未到达熔化温度，此时保持几纳秒即可恢复原子有序性，即结晶态。

读操作：输入一个低功率光脉冲，GST材料吸收能量不足以将其温度加热至转变温度，此时该脉冲功率与波导透射率乘积即为输出光信号功率。

在近几年提出的光子数模转换器中，经常使用分光器赋予光信号相应权重。但使用GST材料会是一个更好的选择，GST材料相比分光器，占地面积更小，且更加灵活。此外，在正常工作温度下，GST材料在几十年内都将保持高度稳定，避免了对数模转换器频繁的校准。

图3是能够进行N比特数模转换的光子数模转换结构示意图。该结构包含N个连续激光源、两根直波导、N个可进行电光调谐的微环谐振器以及N个嵌入输入直波导的不同晶化度的GST材料。所述微环阵列排列在两条直波导之间，在所述上传直波导中每个微环谐振器的输入端口前嵌入一个GST。

所述结构中连续激光源用于产生N个不同谐振波长的光信号。N个光信号通过波分复用技术复合后从输入直波导中输入。光信号的波长需要根据微环谐振器选取，对每个微环谐振器外加电压，得到每个微环谐振器经过调谐的传输曲线，进而可得到每个微环谐振器谐振峰值处的波长。这N个波长即为所产生光信号的波长。

所述结构中微环谐振器用于将不同波长的光信号分开处理。微环谐振器可进行电光调谐，因此可将数字信号的每个比特位映射为不同波长的光信号功率。数字信号的不同比特位被赋予的权重也不同，因此需要将不同波长的光信号分开处理。当比特位为“0”时，对应微环将处于“关闭”状态，光信号从通过端口输出；当比特位为“1”时，对应微环将会外加电压，此时处于“开启”状态，对应谐振波长的光信号将从下降端口输出。

GST能够赋予不同比特位相应权重，且能够降低由于微环谐振器的电光调谐引起的数模转换器整体转换误差。具体体现为，通过对微环谐振器外加正向电压，波导中的载流子浓度会增大，进而会改变硅材料的折射率Δn以及对光的吸收系数Δα，公式如下：

其中e是电子电荷量，λ是光信号的波长，c是光速，ε₀是自由空间介电常数，n是硅材料的原折射率，ΔN_e、

以及μ_e分别是自由电子的变化量、有效质量以及迁移率，ΔN_h、

以及μ_h分别是空穴的变化量、有效质量以及迁移率。载流子浓度增大后，有效折射率减小，谐振频率发生蓝移，吸收系数增大，因此相应的光损耗也会增大，所以微环谐振器的透射率低于理想值“1”。传统的基于微环谐振器的光子数模转换器由微环谐振器与分光器组成，分光器的分光比为1/2，微环谐振器外加电压后的透射率为1，如此每个比特位才能获得理想的权重。然而，由于微环谐振器的透射率无法达到1，这将会增大光子数模转换器的转换误差。因此使用GST代替传统的分光器。在这里，根据GST晶化度的不同，嵌入GST的光波导的透射率能实现0到1之间的可调。通过测得微环谐振器的实际损耗，再经过计算可得到光波导的期望透射率，然后可根据波导透射率得到所对应的GST晶化度。

所述结构中GST材料用于赋予光信号相应的权重。由于微环谐振器的滤波特性，不同波长的光信号通过的GST数量也不同，因此被赋予的权重也不同。理论上，嵌入GST的波导部分透射率应该设置为1/2，这样，相应微环谐振器谐振波长的光信号的权重将是1/2、1/4、1/8...1/2ⁿ。理想情况下输出公式如下：

其中a_i代表控制第i个微环谐振器的数字信号，P为输入光信号的功率。

然而实际应用中，往往因为微环谐振器的电光调谐导致透射率的减小，进而使得输出偏离理想值。因此为了平衡电光调谐带来的损耗，减小实际输出与理想输出之间的误差，GST需要进行微调。对于一个微环谐振器，它的“下降”端口输出为光信号的功率、微环谐振器的透射率以及光信号此前通过的每个GST透射率的乘积。因此从第一个GST开始调整，直到第N个，经过调整，光子数模转换器的转换误差将会大幅度降低。因此实际情况下数模转换器的输出公式如下：

其中G_i为第i个GST所嵌入波导的透射率，T_i为第i个微环谐振器的透射率。

为了使实际输出尽可能接近理想输出，GST所嵌入波导透射率的调整公式如下：

G_i＝T_i-1/(2·T_i)

(i＝1，2，…，n，where T₀＝1)

上述实施例阐明了这种低转换误差的基于微环阵列与相变材料的光子数模转换器的工作过程。光子数模转换器相对电数模转换器具有高带宽，高采样率以及低时间抖动等优点，有助于目前的一些具有带宽要求的系统的发展。并且此前提出的一些光子数模转换方案中，存在由于各种非理想性导致系统的有效比特数受限，因此在本发明中，针对这点进行了改善，利用GST材料的可编程性对来自微环谐振器电光调谐的功率损耗进行了补偿，大大降低了光子数模转换的转换误差。此外，也充分发挥了光信号处理的优势，其转换速度能够达到25Gbps，并且使用的微环谐振器与GST材料都具有体积小与易集成的优势。本发明有望在数据中心、特定任务计算加速器以及网络边缘应用处理应用程序等多个领域进行应用。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器，其特征在于：包括N个连续激光源、两条直波导、N个微环谐振器以及N个相变材料块，其中所述两条直波导包括一条上传直波导和一条下载直波导，所述微环谐振器阵列排列在两条直波导之间，在所述上传直波导中每个微环谐振器的输入端口前嵌入一个相变材料块，将N个连续激光源产生N个不同谐振波长的光信号复合后获得复合光信号，将复合光信号射入上传直波导中，所述相变材料选用Ge₂Sb₂Te₅。

2.根据权利要求1所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器，其特征在于：所述N个连续激光源产生N个不同谐振波长的光信号，其波长分别与N个微环谐振器外加电压后的谐振峰值处的波长相对应。

3.根据权利要求1所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器，其特征在于：所述复合光信号利用波分复用技术获得。

4.根据权利要求1所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器，其特征在于：所述N个微环谐振器排列为一排。

5.根据权利要求1所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器，其特征在于：所述N个相变材料块具有不同的晶化度，以赋予不同比特位相应权重。

6.根据权利要求5所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器，其特征在于：通过所述微环谐振器将数字信号不同比特位分开处理，使用输入的数字信号代表微环谐振器的工作状态；当输入信号为“1”时，与微环谐振器此时谐振波长相对应的光信号将会从微环谐振器的下降端口输出；当输入信号为“0”时，微环处于关闭状态，光信号从微环谐振器的通过端口输出。

7.权利要求1-6任一项所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器的调控方法，其特征在于：对于一个微环谐振器的下降端口输出为光信号的功率、微环谐振器的透射率以及光信号此前通过的每个相变材料块透射率的乘积，调控权重时，从第一个相变材料块开始调整，直到第N个，最终数模转换器的输出公式如下：

其中G_i为第i个GST所嵌入波导的透射率，T_i为第i个微环谐振器的透射率，a_i为控制第i个微环谐振器的数字信号，P为输入光信号的功率。

8.根据权利要求7所述基于微环阵列和相变材料的光子数模转换器的调控方法，其特征在于：相变材料块所嵌入波导透射率的调整公式为：

G_i＝T_i-1/(2·T_i)

(i＝1，2，…，n，where T₀＝1)。

Images