CN115840323A - 基于光学捕获原理的光子模数转换系统及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光学捕获原理的光子模数转换系统及芯片，该光子模数转换芯片利用多路连续光加载被采样模拟信号并通过光延时线控制各路模拟信号等时间间隔进入光学捕获单元实现信号在时间域的离散化。本发明利用光学捕获单元产生幅度由被采样信号调制的光抽样脉冲序列，将连续激光代替锁模激光器，利用异质集成工艺实现单片集成光子模数转换芯片。本发明采用多光源同时输入的设计大大提高了光子模数转换芯片输出光功率，抵消了片上光功率损耗对光子模数转换芯片转换精度的影响。本发明是一种实现单片集成高速高精度光子模数转换芯片的解决方案。

Description

基于光学捕获原理的光子模数转换系统及芯片

技术领域

本发明涉及光电子集成技术，具体是一种基于光学捕获原理的光子模数转换系统及芯片。

背景技术

自然界中的信号均为连续变化的模拟信号，模拟信号在传输和处理过程中面临着易失真、抗干扰能力差、难储存和难处理等问题，而将模拟信号离散化成数字信号则可以使这些问题迎刃而解，这也促使了数字化时代和大数据时代的到来。而模数转换器就是连接模拟信号和数字信号的核心器件。随着信息社会的发展进步，人类对信息量和信息速率的需求越来越高，模数转换性能也在持续地升级换代。

传统的模数转换器是基于电子技术设计实现的，即电子模数转换器。电子模数转换器受限于孔径抖动、比较模糊等因素，难以实现对高频模拟信号的高有效位数采样量化，同时受制于高速电时钟产生技术，电子模数转换器的采样速率也难以进一步提升，传统的电子模数转换器已遭遇到“电子瓶颈”。结合微波光子技术诞生的光子模数转换技术，具有高采样速率、大模拟输入带宽和低时间抖动等诸多优点，拓宽了模数转换器的输入带宽、提高了采样速率和有效位数，成为了模数转换器未来发展的一个重要方向。

为了进一步提升光子模数转换技术的实用性并拓宽其应用场景，光子模数转换系统逐步朝集成化光子模数转换芯片发展，以不断降低体积、功耗，提升可靠性和稳定性。针对集成化光子模数转换芯片，研究者们提出了众多方案，然而大部分方案仅仅是将原有的分立光电器件搬移到片上，这样很难实现单片集成的光子模数转换芯片。已有报道的光子模数转换芯片中仍然采用分立大体积的锁模激光器作为光子采样脉冲[Mehta,N.,et al.,“An Optically Sampled ADC in 3D Integrated Silicon-Photonics/65nm CMOS.”2020IEEE Symposium on VLSI Technology,2020,1-2.]。此外，受双光子吸收效应限制，光子模数转换芯片输入光功率有限，而集成光电器件的损耗远大于分立器件，这意味着光子模数转换芯片仅能实现低有效位数[A.Khilo,et al.,“Photonic ADC:overcoming thebottleneck of electronic jitter.”Optics Express.Vol.20,No.4,4454-4469,2012.]。因此，实现单片集成的光子模数转换芯片，摆脱体积庞大的锁模激光器，抵消片上光功率损耗对光子模数转换系统转换精度的影响，才能最大化地增强光子模数转换器的实用性。

发明内容

本发明提出一种基于光学捕获原理的光子模数转换系统及其芯片，该光子模数转换芯片利用多路连续光加载被采样模拟信号并通过光延时线控制各路模拟信号等时间间隔进入光学捕获单元实现信号在时间域的离散化。本发明利用光学捕获单元产生幅度由被采样信号调制的光抽样脉冲序列，将连续激光代替锁模激光器，利用异质集成工艺实现单片集成光子模数转换芯片。本发明采用多光源同时输入的设计大大提高了光子模数转换芯片输出光功率，抵消了片上光功率损耗对光子模数转换芯片转换精度的影响。本发明是一种实现单片集成高速高精度光子模数转换芯片的解决方案。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于光学捕获原理的光子模数转换系统，其特点在于，包括依次相连的光源阵列、由N个电光调制器并列构成的调制器阵列、由N个延时量不同的延时线并列构成的光延时线阵列、波分复用器、光学捕获模块、波分解复用器、由N个PD单元并列构成的光电探测器阵列，以及由N个电子模数转换器并列构成的电子模数转换器阵列，其中，N≥2；

所述的光源阵列产生N路波长不同的连续激光，每路通过各路电光调制器将N路被采样信号加载至N个波长不同的连续激光上；加载被采样信号的N路连续激光分别输入N个光延时线单元，设计N个光延时线单元每路相对延时为1/Nfs，其中第n个光延时线单元产生的延时量为(n-1)/Nfs，使得原本完全相同的N路被采样信号每路依次在时域上错开1/Nfs的时间量，其中n＝1，2，3……N，fs是光学捕获频率；

N路延时错开的光信号经所述的波分复用器合成一束光后进入所述的光学捕获模块，该光学捕获模块以fs的捕获频率同时对不同波长上加载的被采样信号实现时域离散化处理；

所述的波分解复用器为反向使用的波分复用器，将时域离散化后的光信号按波长再次分为N路，并分别由所述的N个PD单元转换为N路电信号，N路电信号分别经N个电子模数转换器转换为N路电数字信号，N路电数字信重构交织后即可得到原始电模拟信号的信息。

所述的光学捕获模块由双平行调制器、或级联强度调制器相位调制器、或光学微腔组成，所述的光电探测器阵列由N个光电探测器组成，所述的电子模数转换器阵列由N个电子模数转换器组成。

各部件的连接方式为：光源阵列的N个输出端分别连接调制器阵列中N个调制器的光输入端，N路被采样信号输入调制器阵列中N个调制器的射频输入端，调制器阵列中N个调制器的输出端分别连接光延时线阵列中N个光延时线单元的输入端，光延时线阵列中N个光延时线单元的输出端分别连接波分复用器的N个通道端口，波分复用器的合波输出端连接光学捕获模块的输入端，光学捕获模块的输出端连接波分解复用器的合波输入端，波分解复用器的N个输出通道连接光电探测器阵列中N个PD单元的输入端，光电探测器阵列中N个PD单元的输出端连接电子模数转换器阵列中N个电子模数转换器的输入端，其中N为大于等于2的正整数。

另一方面，本发明还提供一种芯片，含有上述基于光学捕获原理的光子模数转换系统，其特点在于，所述的光源阵列、调制器阵列、光延时线阵列、波分复用器、光学捕获模块、波分解复用器、光电探测器阵列，以及电子模数转换器阵列，使用异质集成工艺依次相连地集成在单片上。

所述的光源阵列、调制器阵列、光延时线阵列、波分复用器、光学捕获模块、波分解复用器、光电探测器阵列、电子模数转换器阵列均使用异质集成工艺集成在单片上。

所述的光源阵列由Ⅲ-Ⅴ族发光材料在硅平台上运用异质集成工艺实现。

所述的调制器阵列中的调制器为电光强度调制器，运用等离子色散效应或者电光效应，通过改变马赫-曾德尔干涉器上下两臂的光程差改变调制器透过率，对连续激光进行强度调制，从而实现将被采样信号调制到连续激光上。

所述的光延时线阵列由不同物理长度的光延时线组成，对不同通道不同波长的光信号产生不同延时量进行延时调节。

所述的波分复用器与波分解复用器可以使用级联马赫-曾德尔干涉器、阵列波导光栅或级联微环谐振器实现。

所述的光学捕获模块用于产生幅度由被采样信号调制的光抽样脉冲序列，可以采用但不限于一个双平行调制器、级联相位调制器和强度调制器、级联强度调制器、光学微腔等方案。

所述的光电探测器阵列由N个光电探测器组成，用于将光信号转换为电信号，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，本发明具有以下优点：

1、采用连续激光代替锁模激光器作为光子模数转换芯片的光源，并结合异质集成工艺能够实现所有光电器件单片集成的光子模数转换芯片，显著提升光子模数转换芯片的集成度，降低芯片尺寸，提高光子模数转换芯片的实用性和稳定性。

2、使用多波长光源阵列与调制器阵列相连，在不引起双光子吸收效应的情况下提高了芯片总输入光功率，有效抵消片上光功率损耗对光子模数转换芯片转换精度的影响。

3、波分复用技术与光学捕获技术结合，使得用一个光学捕获模块产生多路同步光抽样脉冲成为可能。各路脉冲间高度同步，由此避免了延时误差带来的信号失真，无需再对各通道脉冲进行同步调节。

附图说明

图1为本发明基于光学捕获原理的光子模数转换芯片实施例的整体架构图。

图2为应用异质集成方法将Ⅲ-Ⅴ族连续激光直接键合到硅晶片上的示意图。

图3为调制器实施例的示意图；图3(a)为马赫-曾德尔强度调制器架构图；图3(b)为马赫-曾德尔强度调制器上下两臂的相位调制结构图；图3(c)为脊波导掺杂形成PN结的示意图。

图4为三种波分解复用器实施例的示意图，波分复用器为反向使用的波分解复用器；图4(a)为基于级联马赫-曾德尔干涉器的波分复用器和波分解复用器；图4(b)为基于任意波导光栅的波分复用器和波分解复用器；图4(c)基于微环谐振器级联的波分复用器和波分解复用器。

图5为光学捕获模块实施例的架构示意图；图5(a)是一种级联强度调制器和相位调制器的光学捕获模块实施例的架构；图5(b)是一种双平行调制器的光学捕获模块实施例的架构。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明专利的一个具体实施例。本实施例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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参见图1，图1为本发明基于光学捕获原理的光子模数转换芯片实施例的整体架构图，由图可见，包括光源阵列1、调制器阵列2、光延时线阵列3、波分复用器4、光学捕获模块5、波分解复用器6、光电探测器阵列7、电子模数转换器阵列8组成。所述的光源阵列1由N个不同波长连续激光光源组成，所述的波分复用器4由级联马赫-曾德尔干涉器、阵列波导光栅或级联微环谐振器组成，所述的波分解复用器6为反向使用的波分复用器4，所述的调制器阵列2由N个调制器组成，所述的光延时线阵列3由N个延时量不同的延时线组成，所述的光学捕获模块5由双平行调制器、或级联强度调制器相位调制器、或光学微腔组成，所述的光电探测器阵列7由N个在硅上生长锗并通过掺杂形成PIN二极管组成，所述的电子模数转换器阵列8由N个电子模数转换器组成。各部件的连接方式为：光源阵列1的N个输出端分别连接调制器阵列2中N个调制器的光输入端，N路被采样信号输入调制器阵列2中N个调制器的射频输入端，调制器阵列2中N个调制器的输出端分别连接光延时线阵列3中N个光延时线单元的输入端，光延时线阵列3中N个光延时线单元的输出端分别连接波分复用器4的N个通道端口，波分复用器4的合波输出端连接光学捕获模块5的输入端，光学捕获模块5的输出端连接波分解复用器6的合波输入端，波分解复用器6的N个输出通道连接光电探测器阵列7中N个PD单元的输入端，光电探测器阵列7中N个PD单元的输出端连接电子模数转换器阵列8中N个电子模数转换器的输入端，其中N为大于等于2的正整数。

光源阵列1产生N路波长不同的连续激光，通过各路中的电光调制器将N路被采样信号加载至N个波长不同的连续激光上；加载被采样信号的N路连续激光分别输入光延时线阵列3中N个光延时线单元，设计N个光延时线单元每路相对延时为1/Nfs，其中第n个光延时线单元产生的延时量为(n-1)/Nfs，这使得原本完全相同的N路被采样信号每路依次在时域上错开1/Nfs的时间量，其中n＝1，2，3……N，fs是光学捕获频率；N路延时错开的光信号经由波分复用器4合成一束光后进入所述的光学捕获模块5，光学捕获模块5以fs的捕获频率同时对不同波长上加载的被采样信号实现时域离散化处理。时域离散化后的光信号经由波分解复用器6再次按波长分为N路并分别由N个PD单元实现光电转换得到N路电信号，再经N个电子模数转换器得到N路电数字信号，N路电数字信号重构交织即可得到原始电模拟信号的信息。

所述的光源阵列1通过异质集成的方法将Ⅲ-Ⅴ族材料键合到硅晶片上实现光子模数转换芯片的单片集成，键合技术包括但不限于直接键合、共晶键合、阳极键合、热压键合和超声键合，下面提供直接键合技术的具体实施方法：如图2所示，经过清洗、氧等离子体处理、湿法晶圆表面处理直接键合、250～300℃温度1MPa压强下退火、刻蚀去除InP衬底等操作处理后，硅和III-V彼此间形成强共价键，通过范德华力或氢键结合在一起，由此可以实现光源阵列1和光子模数转换芯片中其他光电子器件的单片集成。

所述的调制器阵列2由N个硅基马赫-曾德尔强度调制器(图3(a))构成，在马赫-曾德尔干涉器上下两臂上添加相位调制(图3(b))，通过对脊波导进行掺杂形成PN结(图3(c))，应用载流子色散效应调节上下两臂折射率影响光程差，改变调制器透过率进而实现光信号的强度调制。

所述的光延时线阵列3由不同物理长度的光延时线组成，对不同通道不同波长的光信号产生不同延时量进行延时调节。

所述的波分复用器4和波分解复用器6用于将不同波长的激光进行合波与分波，波分复用器4为反向使用的波分解复用器5，其结构包括但不限于级联马赫-曾德尔干涉器的波分复用器(图4(a))、任意波导光栅的波分复用器(图4(b))、基于微环谐振器级联的波分复用器(图4(c))。

所述的光学捕获模块5用于产生幅度由被采样信号调制的光抽样脉冲序列，其方案可采用但不限于级联相位调制器和强度调制器(图5(a))、或双平行调制器(图5(b))等方案。

所述的光电探测器阵列由N个光电探测器组成，用于将光信号转换为电信号，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。

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 (10)

1.一种基于光学捕获原理的光子模数转换系统，其特征在于，包括依次相连的光源阵列(1)、由N个电光调制器并列构成的调制器阵列(2)、由N个延时量不同的延时线并列构成的光延时线阵列(3)、波分复用器(4)、光学捕获模块(5)、波分解复用器(6)、由N个PD单元并列构成的光电探测器阵列(7)，以及由N个电子模数转换器并列构成的电子模数转换器阵列(8)，其中，N≥2；

所述的光源阵列(1)产生N路波长不同的连续激光，每路通过各路电光调制器将N路被采样信号加载至N个波长不同的连续激光上；加载被采样信号的N路连续激光分别输入N个光延时线单元，设计N个光延时线单元每路相对延时为1/Nfs，其中第n个光延时线单元产生的延时量为(n-1)/Nfs，使得原本完全相同的N路被采样信号每路依次在时域上错开1/Nfs的时间量，其中n＝1，2，3……N，fs是光学捕获频率；

N路延时错开的光信号经所述的波分复用器(4)合成一束光后进入所述的光学捕获模块(5)，该光学捕获模块(5)以fs的捕获频率同时对不同波长上加载的被采样信号实现时域离散化处理；

所述的波分解复用器(6)为反向使用的波分复用器(4)，将时域离散化后的光信号按波长再次分为N路，并分别由所述的N个PD单元转换为N路电信号，N路电信号分别经N个电子模数转换器转换为N路电数字信号，N路电数字信重构交织后即可得到原始电模拟信号的信息。

2.根据权利要求1所述的光学捕获原理的光子模数转换系统，其特征在于，所述的光源阵列(1)由N个不同波长连续激光光源组成。

3.根据权利要求1所述的光学捕获原理的光子模数转换系统，其特征在于，所述的光学捕获模块(5)采用一个双平行调制器、级联相位调制器和强度调制器、级联强度调制器、或者光学微腔。

4.一种光子模数转换芯片，含有权利要求1-3任一所述的光子模数转换系统，其特征在于，所述的光源阵列(1)、调制器阵列(2)、光延时线阵列(3)、波分复用器(4)、光学捕获模块(5)、波分解复用器(6)、光电探测器阵列(7)，以及电子模数转换器阵列(8)，使用异质集成工艺依次相连地集成在单片上。

5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述的光源阵列(1)通过异质集成法将Ⅲ-Ⅴ族材料键合到硅晶片上进行单片集成。

6.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述的调制器阵列(2)中均为电光强度调制器，运用等离子色散效应或电光效应，通过改变马赫-曾德尔干涉器上下两臂的光程差改变调制器透过率，实现将被采样信号调制到连续激光上。

7.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述的光学捕获模块(5)用于产生幅度由被采样信号调制的光抽样脉冲序列，可以采用但不限于一个双平行调制器、级联相位调制器和强度调制器、级联强度调制器、光学微腔。

8.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述的波分复用器(4)和所述的波分解复用器(6)为基于级联马赫-曾德尔干涉器的波分复用器和波分解复用器、或基于任意波导光栅的波分复用器和波分解复用器或者基于微环谐振器级联的波分复用器和波分解复用器。

9.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述的光电探测器阵列(7)由N个在硅上生长锗并通过掺杂形成PIN二极管组成，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。

10.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述的光源阵列通过键合技术将Ⅲ-Ⅴ族材料键合到硅晶片上进行异质集成，键合方式包括直接键合、共晶键合、阳极键合、热压键合和超声键合。

Images