一種基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，包括本地光源信號、3dB耦合器、相位調制器、90°光學混合器和電判決模塊。本發(fā)明提供的基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，核心元件--3dB耦合器、相位調制器和90°光學混合器均可以為設計在絕緣體上的硅脊波導結構，因此操控方便、結構緊湊、穩(wěn)定性好、易于集成。
【專利說明】一種基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)中的集成型硅基光子模數(shù)轉換器，屬于集成光學技術。
【背景技術】
[0002]模數(shù)轉換器(ADC)是聯(lián)系數(shù)字世界和現(xiàn)實模擬世界的橋梁，其作用是將客觀存在的連續(xù)的模擬信號轉化為可供現(xiàn)代計算機處理的二進制數(shù)字信號。轉換速率和轉換精度是衡量ADC性能最重要的指標，是影響數(shù)字系統(tǒng)性能的關鍵因素。隨著現(xiàn)代信號處理技術和計算機技術的不斷發(fā)展，速度更快、精度更高的ADC成為電子領域的一個重要研究方向。目前，電子ADC的性能得到了飛速的提升，但是，和現(xiàn)代數(shù)字電子技術的發(fā)展速度相比，其步伐還遠跟不上。究其原因，主要是電子ADC受到海森堡測不準原理、熱噪聲、孔徑抖動等因素的影響，其采樣速率和轉換位數(shù)相互制約。
[0003]目前，隨著鎖模激光器技術和半導體技術的快速發(fā)展，光子ADC成為集成光學領域一個研究熱點。光子ADC主要有光輔助ADC，光采用、電量化ADC，電采樣、光量化ADC和光采樣、光量化ADC等種類。光輔助ADC本質上還是電子ADC，在其轉換過程中，通過引入一些光輔助手段，系統(tǒng)性能指標得到提升，但是，光輔助ADC系統(tǒng)一般較為復雜，運行過程中受到很多不確定因素干擾，穩(wěn)定性不好。電采樣、光量化ADC在電域實現(xiàn)采樣、保持，獲得階梯型輸出電壓，壓控激光器輸出光的波長，在光域實現(xiàn)量化，但是，受到激光光源響應時間和非線性效應的影響，其轉換位數(shù)并未有明顯提高。光采樣、光量化ADC—般利用光調制器實現(xiàn)采樣，借助半導體材料的非線性效應實現(xiàn)量化，但是，由于光子器件的匱乏，搭建此類系統(tǒng)成本較高。光采樣、電量化ADC充分利用鎖模激光器的穩(wěn)定特性，在光域實現(xiàn)采樣，借助成熟的電子量化手段，在電域實現(xiàn)模數(shù)轉換，具有易于實現(xiàn)、工藝成熟、便于集成化等特點，取得了廣泛的應用。

【發(fā)明內容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種易于實現(xiàn)、結構緊湊、工藝成熟、價格相對低廉的基于多模干涉稱合器的娃基光子模數(shù)轉換器，可以在娃基芯片上利用成熟的半導體工藝將主要部件實現(xiàn)單片集成，對于硅基光子學的發(fā)展有著重要的意義。
[0005]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0006]—種基于多模干涉稱合器的娃基光子模數(shù)轉換器，包括本地光源信號、3dB f禹合器、相位調制器、90°光學混合器和電判決模塊；
[0007]所述3dB耦合器為I X 2多模干涉耦合器，用于將本地光源信號等分為兩路完全一樣的光源子信號；
[0008]所述相位調制器的外部信號輸入端口用于接入待轉換模擬電信號，內部輸入端口接入其中一路光源子信號，所述相位調制器根據(jù)待轉換模擬電信號使該路光源子信號產(chǎn)生對應的相位差，并將產(chǎn)生相位差的信號從內部輸出端口送出；
[0009]所述90°光學混合器的輸入信號為另一路光源子信號和相位調制器的內部輸出端口輸出的信號，用于獲得具有正交特性的兩路待評判光信號；
[0010]所述電判決模塊的輸入信號為兩路待評判光信號，所述電判決模塊對兩路待評判光信號進行光-電轉換、放大和比較，根據(jù)待評判光信號的幅度進行二進制碼。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述90 °光學混合器包括2 X 4多模干涉耦合器、45 °相移器和2 X 2多模干涉耦合器，記2X4多模干涉耦合器的兩個輸入端口分別為A端口和B端口，四個輸出端口分別為I號端口、2號端口、3號端口和4號端口，其中3號端口接入45 °相移器的輸入端口，45°相移器的輸出端口和4號端口接入2X2多模干涉耦合器的兩個輸入端口，記I號端口為C端口，2 X 2多模干涉耦合器的其中一個輸出端口為D端口 ；所述A端口和B端口作為90°光學混合器的兩個輸入端口，C端口和D端口作為90°光學混合器的兩個輸出端□。
[0012]優(yōu)選的，所述電判決模塊包括順次連接的兩路光電二極管、放大器和比較器，兩個光電二極管的輸入信號分別為一路待評判光信號，所述比較器的閾值為設定值或相應待評判光信號的光強平均值，當待評判光信號的光強大于/大于等于閾值時比較器輸出1，否則比較器輸出O。
[0013]優(yōu)選的，所述3dB耦合器、相位調制器和90°光學混合器均為絕緣體上的硅(SOI)脊波導結構，其工藝相當成熟，也便于集成在一塊芯片上。而電判決模塊由比較成熟的電子器件構成，具有易于實現(xiàn)、價格相對低廉等優(yōu)點。
[0014]優(yōu)選的，所述光源信號為激光信號。
[0015]此外，通過器件的級聯(lián)，能夠獲得具有更高轉化位數(shù)的模數(shù)轉換器，在級聯(lián)的過程中，光源、相位調制器的數(shù)量不變。
[0016]有益效果:本發(fā)明提供的基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，核心元件一3dB耦合器、相位調制器和90°光學混合器均可以為設計在絕緣體上的硅脊波導結構，因此操控方便、結構緊湊、穩(wěn)定性好、易于集成；通過器件的級聯(lián)，可以獲得具有更高轉化位數(shù)的ADC，無論轉化位數(shù)為多少，本發(fā)明僅需要一個光源和一個相位調制器，能夠有效避免由于光源引起的誤差，同時克服了光子ADC需要多個相位調制器的限制，在系統(tǒng)結構上更為簡單、緊湊；用激光器作為光源，信號穩(wěn)定且能夠避免由于原始信號可能引入的誤差，克服了傳統(tǒng)電子ADC的瓶頸，大大提高轉化效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0018]圖2為90°光學混合器的結構示意圖；
[0019]圖3為電判決模塊的結構示意圖；
[0020]圖4為比較器采用待評判光信號的光強平均值作為閾值時的編碼規(guī)則示意圖；
[0021]圖5為硅基脊波導結構的橫截面示意圖；
[0022]圖6為硅基脊波導結構的信號入射/出射端結構示意圖；
[0023]圖7為相移器的結構示意圖；
[0024]圖8為90°光學混合器的傳輸譜；[0025]圖9為級聯(lián)的3bit光子模數(shù)轉換器；
[0026]圖10為級聯(lián)結構比較器采用待評判光信號的光強平均值作為閾值時的編碼規(guī)則示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0028]如圖1所不為一種一種基于多模干涉稱合器的娃基光子模數(shù)轉換器,包括本地光源信號、3dB稱合器、相位調制器、90°光學混合器和電判決模塊；所述光源信號為激光信號。
[0029]所述3dB耦合器為I X 2多模干涉耦合器，用于將本地光源信號等分為兩路完全一樣的光源子信號。
[0030]所述相位調制器的外部信號輸入端口用于接入待轉換模擬電信號，內部輸入端口接入其中一路光源子信號，所述相位調制器根據(jù)待轉換模擬電信號使該路光源子信號產(chǎn)生對應的相位差，并將產(chǎn)生相位差的信號從內部輸出端口送出。
[0031]所述90°光學混合器的輸入信號為另一路光源子信號和相位調制器的內部輸出端口輸出的信號，用于獲得具有正交特性的兩路待評判光信號。具體來說，如圖2所示所述90°光學混合器包括2X4多模干涉耦合器、45°相移器和2X2多模干涉耦合器，記2X4多模干涉耦合器的兩個輸入端口分別為A端口和B端口，四個輸出端口分別為I號端口、2號端口、3號端口和4號端口，其中3號端口接入45°相移器的輸入端口，45°相移器的輸出端口和4號端口接入2X2多模干涉耦合器的兩個輸入端口，記I號端口為C端口，2X2多模干涉耦合器的其中一個輸出端口為D端口 ；所述A端口和B端口作為90°光學混合器的兩個輸入端口，C端口和D端口作為90°光學混合器的兩個輸出端口。
[0032]2X4多模干涉耦合器任意兩個相鄰輸出端口光信號相位相差180°，2X2多模干涉耦合器讓3號端口和4號端口的輸出信號產(chǎn)生了 90°相位的平移，但是I號、2號、3號、4號四個端口輸出光信號的功率是不平衡的，而45°相移器調節(jié)了 90°光學混合器各端口的輸出功率，使其滿足功率的均衡。
[0033]所述電判決模塊的輸入信號為兩路待評判光信號，所述電判決模塊對兩路待評判光信號進行光-電轉換、放大和比較，根據(jù)待評判光信號的幅度進行二進制碼。具體來說，如圖3所示所述電判決模塊包括順次連接的兩路光電二極管、放大器和比較器，兩個光電二極管的輸入信號分別為一路待評判光信號，所述比較器的閾值為相應待評判光信號的光強平均值，當待評判光信號的光強大于/大于等于閾值時比較器輸出1，否則比較器輸出O。
[0034]本發(fā)明的工作原理如下:
[0035]假設輸入90°光學混合器的兩路信號分別為Es (另一路光源子信號)和El (和相位調制器的內部輸出端口輸出的信號)，其中Es和可以表示為如下的復指數(shù)形式:
[0036]Es =^Fse J"K1-e iA(I)
[0037]E1(2)
[0038]其中，Ps、ω5> (j5s分別為Es的功率、角頻率和相位，而1\、分別為的功
率、角頻率和相位。[0039]當Es和El入射到90°光學混合器時，得到I號、2號、3號、4號四個端口輸出信號的表達式為:
[0040]
【權利要求】
1.一種基于多模干涉稱合器的娃基光子模數(shù)轉換器，其特征在于:包括本地光源信號、3dB稱合器、相位調制器、90°光學混合器和電判決模塊； 所述3dB耦合器為I X 2多模干涉耦合器，用于將本地光源信號等分為兩路完全一樣的光源子信號； 所述相位調制器的外部信號輸入端口用于接入待轉換模擬電信號，內部輸入端口接入其中一路光源子信號，所述相位調制器根據(jù)待轉換模擬電信號使該路光源子信號產(chǎn)生對應的相位差，并將產(chǎn)生相位差的信號從內部輸出端口送出； 所述90°光學混合器的輸入信號為另一路光源子信號和相位調制器的內部輸出端口輸出的信號，用于獲得具有正交特性的兩路待評判光信號； 所述電判決模塊的輸入信號為兩路待評判光信號，所述電判決模塊對兩路待評判光信號進行光-電轉換、放大和比較，根據(jù)待評判光信號的幅度進行二進制碼。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，其特征在于:所述90°光學混合器包括2X4多模干涉耦合器、45°相移器和2X2多模干涉耦合器，記2X4多模干涉耦合器的兩個輸入端口分別為A端口和B端口，四個輸出端口分別為I號端口、2號端口、3號端口和4號端口，其中3號端口接入45°相移器的輸入端口，45°相移器的輸出端口和4號端口接入2 X 2多模干涉耦合器的兩個輸入端口，記I號端口為C端口，2X2多模干涉耦合器的其中一個輸出端口為D端口 ；所述A端口和B端口作為90°光學混合器的兩個輸入端口，C端口和D端口作為90°光學混合器的兩個輸出端口。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，其特征在于:所述電判決模塊包括順次連接的兩路光電二極管、放大器和比較器，兩個光電二極管的輸入信號分別為一路待評判光信號，所述比較器的閾值為設定值或相應待評判光信號的光強平均值，當待評判光信號的光強大于/大于等于閾值時比較器輸出1，否則比較器輸出O。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，其特征在于:所述3dB耦合器、相位調制器和90°光學混合器均為絕緣體上的硅脊波導結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于多模干涉耦合器的硅基光子模數(shù)轉換器，其特征在于:所述本地光源信號為激光信號。
【文檔編號】G02F7/00GK103529619SQ201310496486
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權日:2013年10月21日
【發(fā)明者】肖金標, 王鐘龍 申請人:東南大學