[發(fā)明專利]基于硅基納米線波導的片上集成光學數(shù)模轉(zhuǎn)換器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410394851.9
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN104133336A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周平;楊林;丁建峰;張凡凡
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02F7/00
• 分類號: G02F7/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光信息處理和高帶寬信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)

近年來，隨著信息化生活水平的不斷提高，人們所存在的實際物理世界和數(shù)字化信息處理的虛擬世界之間的信息交互和融合正向著多樣化、精細化和高速化的方向發(fā)展。超高速、大分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital?Converter，ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-analog?Converter，DAC)作為模擬世界和數(shù)字世界之間的橋梁，在無線通信、生物醫(yī)療、工業(yè)自動化、雷達與聲納系統(tǒng)、航空航天、衛(wèi)星通信等高帶寬信號處理領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。

傳統(tǒng)的電學數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)受到量子遂穿效應(yīng)、采樣速率、孔徑抖動等因素的影響，其性能發(fā)展面臨巨大瓶頸。考慮到光學轉(zhuǎn)換方式采樣速率高、孔徑抖動小、不受電磁干擾等優(yōu)點，人們針對光學數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)展開了一系列研究，以期打破電學轉(zhuǎn)換方式的技術(shù)限制，為超寬帶通信、高速信號發(fā)生器、全光信息處理、傳感網(wǎng)絡(luò)等高帶寬信號處理領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。在光學模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，科研人員已經(jīng)就光學輔助型、光學采樣電學量化型、電學采樣光學量化型、全光采樣和量化型等轉(zhuǎn)換技術(shù)進行了廣泛深入的研究，逐漸形成系統(tǒng)的理論和技術(shù)體系。

相比之下，光學數(shù)模轉(zhuǎn)換方面的研究起步較晚，人們從上世紀80年代開始進行一些有益的探索，早期的關(guān)于光學DAC的研究是英國科學家C.L.West提出的基于自由空間光學系統(tǒng)的方法，后來日本大阪大學在所設(shè)計的柱透鏡和球透鏡所形成的光學系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合光柵、分束器、準直器等分立光學元件，實現(xiàn)了間隔為1.65ps、分辨率為4bit的全光數(shù)模轉(zhuǎn)換器。基于自由空間的光學結(jié)構(gòu)雖然體積龐大，且轉(zhuǎn)換精度不佳，但是它作為轉(zhuǎn)換原理的雛形，為高性能的光學數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

隨著光電子器件和光電集成技術(shù)的發(fā)展，人們對光學數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究日益深入。光學DAC的基本思想是將數(shù)字域的每位代碼根據(jù)權(quán)重在光域?qū)崿F(xiàn)非相干疊加。在這個基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速電光調(diào)制、波分復用、光延遲、光色散等技術(shù)，衍生出諸多采用分立器件實現(xiàn)光學數(shù)模轉(zhuǎn)換的方案。高速電光調(diào)制器作為光開關(guān)，是實現(xiàn)高采樣率光學DAC的重要前提。美國伊利諾伊大學和貝爾實驗室(“12.5GHz?optically?sampled?interference-based?photonic?arbitrary?waveform?generator”，IEEE?Photonics?Technology?Letters，Vol.17，Iss.12，2005，pp.2727-2729)針對基于鈮酸鋰(LiNbO₃)、磷化銦(InP)的高速馬赫曾德(Mach-Zehnder，MZ)調(diào)制器以及它們在光學DAC方面的應(yīng)用展開了研究，獲得了采樣頻率在12.5GHz、位數(shù)為4bit的信號發(fā)生器。為了在低電壓條件下實現(xiàn)調(diào)制臂之間光信號的π相位反轉(zhuǎn)，調(diào)制器的長度達到17mm，對于n位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換需求，就需要采用多個調(diào)制器，再加上分立的復用器、分束器等器件后，光學DAC的體積會非常龐大，難以集成化。此外，美國加州大學和IPITEK公司(“Digital-to-analog?conversion?using?electrooptic?modulators”，IEEE?Photonics?Technology?Letters，Vol.15，Iss.1，2003，pp.117-119)、美國海軍研究實驗室(Weighted，summing，photonic?digital-to-analog?converter，Electronics?Letters，Vol.42，Iss.1，2006，pp.54-55)、澳大利亞莫納什大學(“Optical?domain?digital-to-analog?converter?for?visible?light?communications?using?LED?arrays”，Vol.1，Iss.2，2013，pp.92-95”)、中國清華大學(“Photonic?arbitrary?waveform?generator?based?on?dispersion?ofmultiwavelength?pulse?sequence”，Optical?Engineering，Vol.47，Iss.4，2008，pp.045004)等研究機構(gòu)針對基于Mach-Zehnder調(diào)制器等光開關(guān)器件、復用器和解復用器、光色散組件、LED等分立元件的光學DAC結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和實驗。所得到的DAC實驗系統(tǒng)采樣率在80Msps至2Gsps之間，分辨率在2bit至4bit之間，但是由于均是采用的分立器件，數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的體積非常龐大。