[發明專利]基于硅光集成的光子模數轉換芯片

有效

• 申請號: 201710309474.8
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN106933001B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 周林杰;景嘉鈺;王心怡;陸梁軍;吳龜靈;陳建平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02F7/00
• 分類號: G02F7/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于硅光集成的光子模數轉換芯片，包含時分復用單元、波分復用單元、模分復用單元、多模調制器、模式解復用單元、波長解復用單元和光電檢測單元，各元件可被單片集成在同一塊硅基芯片上。本發明讓光波通過不同偏振和不同波導模式使輸入光脈沖重復頻率進一步提高，從而更容易實現高采樣率的光模數轉換。

技術領域

本發明涉及光通信中的時分復用(OTDM)、波分復用(WDM)、偏振復用(PDM)及模分復用(MDM)等技術，是一種基于硅光集成的光子模擬數字信號轉換系統芯片。

背景技術

隨著科研領域的不斷拓展，科學研究中需要處理的模擬信號的帶寬越來越高。模擬信號在傳輸和處理過程中，容易引入噪聲，導致信號的失真。將模擬信號數字化能夠帶來很多優點，特別是數字信號在傳輸和處理過程中，不會引入額外的噪聲，能夠保持信號的準確性。在寬帶模擬信號和高性能數字處理技術之間，需要高性能的模數轉換器作為兩者之間的橋梁，把寬帶模擬信號轉換為數字信號。高性能模數轉換器成為現代技術必不可少的一部分。

現有的模數轉換器的發展受到電子器件瓶頸的限制，單個電子模數轉換器(EADC)的性能已很難提高。電子模數轉換器的性能隨著采樣頻率的增加而不斷下降：采樣頻率從2MHz增至4GHz時，采樣頻率每增加一倍，分辨率下降1比特；采樣率越高，抖動越大，精度越低。

隨著光纖通信技術的發展，出現了光子模數轉換器(Photonic Analog toDigital Converter，以下簡稱為PADC)。利用光子模數轉換器可以替代電子模數轉換器實現對超寬帶模擬電信號的直接采樣和量化。光纖通信領域的光時分復用技術和波分復用技術可以實現對采樣光脈沖信號的復用和解復用，有利于實現超高速采樣。基于光纖通信技術的光學模數轉換器有效地克服了電子模數轉換器的瓶頸，具有帶寬高、損耗小、穩定性高等優點。

發明內容

本發明是基于現有的光纖通信系統理論和光波導集成技術提出一種基于硅基光電子集成的光子模數轉換芯片。該光子模數轉換芯片在傳統通過時間波長交織提高采樣率的基礎上，利用光在不同模式(包含偏振)上的正交性，通過復用來進一步提高采樣率，從而實現超高速采樣。采樣后的光脈沖再通過模式、波長解復用，經探測器轉變為電信號，由電模數轉換器進行后端量化處理。該光子模數轉換芯片利用了時間、波長和模式三個維度，更易于實現對寬帶模擬信號的高速采樣。

為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下：

一種基于硅基光電子集成的光子模數轉換芯片，其結構由左到右依次為時分復用單元、波分復用單元、模分復用單元、多模調制器單元、模分解復用單元、波長解復用單元和光電探測單元。時分復用單元由延遲波導級聯或串聯構成，波分復用單元由多級級聯馬赫-曾德干涉器或陣列波導光柵構成，模分復用單元由定向耦合器構成，多模調制器由多模波導馬赫-曾德干涉器并在雙臂上嵌入了多模相位調制器構成，模式及波長解復用單元與之前的模式及波長復用單元相同，只是輸入和輸出端口相反，光電探測單元由硅上生長鍺并通過摻雜形成PIN二極管構成。上述各單元依次相連，構成一個完整片上芯片系統。

各單元被集成在同一塊芯片上。該芯片的輸入采用鎖模激光器作為光源，輸入光被分成N路后經過等間隔延遲，之后再將N路合為一路，這樣就使得脈沖的重復頻率增加為原來的N倍，此即為時分復用單元功能。隨后，再對光脈沖信號進行波分復用將輸入的每個光脈沖分為M個不同波長的脈沖，經過不同延遲，再將其合為一路，使得脈沖重復頻率增加為輸入時的M倍。最后再利用偏振和模式轉換使一路輸入光分成T路具有不同偏振和模式特性的輸出光，經過不同延遲后耦合到多模波導中，因而在多模波導中脈沖的重復頻率又增加了T倍。經過前面的三級時分、波分和模分復用單元后，與芯片輸入光脈沖相比，重復頻率提高了M×N×T倍，因而可獲得超高速采用脈沖。進入到多模波導的光脈沖經多模調制器的調制后對輸入微波信號進行采樣，調制后的脈沖信號經模分解復用單元后將重復頻率降為之前的1/T，再經過波長解復用單元后再將其重復頻率為1/M，之后進入光電檢測器陣列進行光電轉換，由電模數轉換單元進行后續處理。