基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，包括N個激光器、一個調制復用一體結構，以及一個光電探測器，其中，該調制復用一體結構包含一條干線波導L0、N個級聯的硅基納米線波導微環諧振器(MRR1、MRR2、......MRRN)和N條彎曲波導(L1、L2、......LN)，N個激光器分別與N個彎曲波導(L1、L2、......LN)的上載端相連接，光電探測器與干線波導L0的直通端相連接，N為自然數。利用本發明，充分發揮硅基波導結構緊湊、功耗低、與CMOS工藝兼容等優點，不僅可以解決DAC過程的高速、高分辨率問題，還可以解決光學DAC的集成化和小型化問題。
【專利說明】基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光信息處理和高帶寬信號處理【技術領域】，尤其涉及一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器。
【背景技術】
[0002]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展。超高速、大分辨率的模數轉換器(Analog-to-digital Converter, ADC)和數模轉換器(Digital-to-analog Converter,DAC)作為模擬世界和數字世界之間的橋梁,在無線通信、生物醫療、工業自動化、雷達與聲納系統、航空航天、衛星通信等高帶寬信號處理領域中起著舉足輕重的作用。
[0003]傳統的電學數模和模數轉換技術受到量子遂穿效應、采樣速率、孔徑抖動等因素的影響，其性能發展面臨巨大瓶頸。考慮到光學轉換方式采樣速率高、孔徑抖動小、不受電磁干擾等優點，人們針對光學數模和模數轉換技術展開了一系列研究，以期打破電學轉換方式的技術限制，為超寬帶通信、高速信號發生器、全光信息處理、傳感網絡等高帶寬信號處理領域的發展注入新的活力。在光學模數轉換技術方面，科研人員已經就光學輔助型、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換技術進行了廣泛深入的研究，逐漸形成系統的理論和技術體系。
[0004]相比之下，光學數模轉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的方法，后來日本大阪大學在所設計的柱透鏡和球透鏡所形成的光學系統的基礎上，結合光柵、分束器、準直器等分立光學元件，實現了間隔為1.65ps、分辨率為4bit的全光數模轉換器。基于自由空間的光學結構雖然體積龐大，且轉換精度不佳，但是它作為轉換原理的雛形，為高性能的光學數模轉換技術的發展指明了方向。
[0005]隨著光電子器件和光電集成技術的發展，人們對光學數模轉換技術的研究日益深入。光學DAC的基本思想是將數字域的每位代碼根據權重在光域實現非相干疊加。在這個基本原理的基礎上，結合高速電光調制、波分復用、光延遲、光色散等技術，衍生出諸多采用分立器件實現光學數模轉換的方案。高速電光調制器作為光開關，是實現高采樣率光學DAC的重要前提。美國伊利諾伊大學和貝爾實驗室(“12.5GHz optically sampledinterference-based photonic arbitrary waveform generator，，，IEEE PhotonicsTechnology 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)調制器以及它們在光學DAC方面的應用展開了研究，獲得了采樣頻率在12.56取、位數為41^〖的信號發生器。為了在低電壓條件下實現調制臂之間光信號的η相位反轉，調制器的長度達到17mm，對于η位分辨率的數模轉換需求，就需要采用多個調制器，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-analogconvers1n 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, photonicdigital-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 visiblelight communicat1ns using LED arrays，，，Vol.1, Iss.2, 2013, pp.92-95，，)、 中國清華大學(“Photonic arbitrary waveform generator based on dispers1nofmultiwavelength pulse sequence”，Optical Engineering, Vol.47, Iss.4,2008,pp.045004)等研究機構針對基于Mach-Zehnder調制器等光開關器件、復用器和解復用器、光色散組件、LED等分立元件的光學DAC結構進行了設計和實驗。所得到的DAC實驗系統采樣率在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，數模轉換系統的體積非常龐大。
[0006]商業化電光調制器可以實現較高的采樣速率，研究人員采用分立器件已經從結構上和原理上對光學DAC進行了論證。然而，光學DAC的結構必須具備可擴展性，實現集成化和小型化，才能在未來的高帶寬信號處理領域中發揮其重要作用。因此人們在集成化的光學DAC方面做了許多努力。
[0007]文獻“All-optical digital-to-analog convers1n using nonlinear opticalloop mirrors，，(IEEE Photonics Technology Letters,Vol.18,Iss.5,2006,pp.703-705)采用光纖環鏡實現了分辨率為2bit、轉換速率為IMHz的全光集成數模轉換器，由于光纖的長度及光學相位難以精確控制，因此該技術在轉換精度和擴展性方面存在限制。文獻“Integrated optical digital-to-analogue converter and its applicat1n to pulsepattern recognit1n” (Electronics Letters, Vol.37, Iss.20,2001，pp.1237-1238)報道了基于硅基光波導延遲線的集成數模轉換結構，但是要實現高分辨率的DAC必須采用更長的波導，與小型化目標相悖。此外，由于光信號在各波導之間傳輸后的相位差是固定的，器件只能工作在某一固定的采樣速率。
【發明內容】
[0008](一 )要解決的技術問題
[0009]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，以充分發揮硅基波導結構緊湊、功耗低、與CMOS工藝兼容等優點，解決DAC過程的高速、高分辨率問題，以及解決光學DAC的集成化和小型化問題。
[0010](二)技術方案
[0011]為達到上述目的，本發明提供了一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，該片上集成光學數模轉換器包括N個激光器、一個調制復用一體結構，以及一個光電探測器，其中，該調制復用一體結構包含一條干線波導L0、N個級聯的硅基納米線波導微環諧振器(MRR1、MRR2.......MRRN)和N條彎曲波導(L1、L2.......LN)，N個激光器分別與
N個彎曲波導(L1、L2.......LN)的上載端相連接，光電探測器與干線波導LO的直通端相連接，N為自然數。
[0012]上述方案中,所述N個激光器輸出N個功率恒定的連續單波長光信號,該N個功率恒定的連續單波長光信號分別耦合進入N條彎曲波導(L1、L2.......LN)的上載端，其中第i路(i = 1，2，3，......N)激光器的輸出波長為Xi，功率為P/2n'
[0013]上述方案中，所述波長為λ i的光信號被耦合進入第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi，并被第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi調制復用到干線波導LO中。
[0014]上述方案中，每個硅基納米線波導微環諧振器上具有氮化鈦熱調結構，二進制的電學脈沖信號(Electrical Pulse Signal,EPS)經放大并加偏置信號后按位并行加載在娃基納米線波導微環諧振器的氮化鈦熱調結構上，對硅基納米線波導微環諧振器中的光信號進行調制。
[0015]上述方案中，待轉換的N位二進制數字信號按位分別加載在N個硅基納米線波導微環諧振器(MRR1、MRR2、......MRRN)上，通過熱光效應或電光效應對微環諧振器的諧振波長進行調節，當微環諧振器MRRi在工作波長λ i處不諧振時，波長為λ i的光信號幾乎不受微環諧振器影響，直接由下載端輸出；當微環諧振器MRRi諧振時，波長為Xi的光信號被耦合進入環形波導，進而耦合到干線波導后由直通端輸出。
[0016]上述方案中，直通端輸出的光信號經過光電探測器接收并進行光電轉換后，得到輸入數字量轉換所得的模擬信號。
[0017]上述方案中，每一個硅基納米線波導微環諧振器都具有波長選擇性，第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi只對波長為λ i的光信號起作用。
[0018](三)有益效果
[0019]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0020]I)本發明提出了一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，目前已有的文獻所報道的相關技術研究都是基于電光調制器、復用器、光纖延遲線等分立器件而實現的，系統體積龐大，難以實現小型化。本發明提出的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器的加工工藝與CMOS加工工藝兼容，可以實現集成化和小型化。
[0021]2)本發明提出基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，充分發揮了微環諧振器陣列的波長可重構特性和濾波特性，可以同時實現多個波長光信號的高速并行調制和上載復用功能，使集成光學數模轉換器的轉換位數具有可擴展性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是依照本發明實施例的單個硅基納米線光波導微環諧振器構成的調制結構的示意圖。
[0023]圖2是依照本發明實施例的微環諧振器的環形波導熱調制機構的剖面圖。
[0024]圖3是依照本發明實施例的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器的示意圖。
[0025]圖4是依照本發明實施例的3bit片上集成數模轉換器的輸入數字量-輸出模擬量的曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0027]需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明。
[0028]本發明在材料加工方面采用的是絕緣體上娃(Silicon on Insulator, SOI)技術，SOI波導芯層硅的材料折射率為3.5，包層為空氣或二氧化硅，二者的折射率分別為I和
1.44。由于包層和芯層之間的折射率差很大，基于SOI技術的納米線波導結構具有很強的光場限制能力和很低的彎曲損耗。
[0029]圖1為彎曲波導L1、微環諧振器(Micro-ring resonator, MRR)MRRi和干線波導LO構成的單個調制結構，輸入上載端口的是一個固定波長、恒定功率的光信號，光信號進入波導Li后，沿著Li的方向向前傳播。由于SOI納米線波導折射率差大，光場限制能力強，只有少量倏逝波彌散到波導之外。當光信號靠近環形波導時，由于光場會向折射率高的區域傳播，波導Li中的光場將有一部分通過倏逝場耦合進入環形波導中，微環諧振器MRRi中的信號也會通過倏逝場耦合進入干線波導LO中。如果光信號的波長滿足諧振條件(πι*λ=neff*2 π *R，m為正整數，neff為波導的有效折射率，R為微環諧振器的半徑)，光脈沖在微環諧振器MRRi中傳播若干圈后，光能量將幾乎全部由波導Li耦合進入MRRi中，并由環形波導MRRi耦合進干線波導LO中。不滿足諧振波長的光信號則不會受微環諧振器MRRi的影響，直接由下載端輸出，并通過下載端的光柵耦合器耗散到空氣中。以上分析的是微環調制結構的靜態工作特性，即MRRi對某些波長信號(波長滿足諧振條件)進行上載后由直通端輸出，某些波長信號(波長不滿足諧振條件)不被上載，不在直通端輸出。
[0030]實際工作時，進入波導Li的光信號的波長是固定的λ i。需要使MRRi的諧振波長入^動態可調，使λ^的取值在Xi= 和λ^之間切換。微環諧振器的半徑在工藝完成后就確定下來，由諧振條件公式m* λ = neff*2 *R可知，要調節諧振波長以實現動態濾波，只能通過調節環形波導的有效折射率來改變微環諧振器的諧振波長，而有效折射率與材料折射率有關。本發明可以采取兩種方法來改變波導材料的折射率:一是通過熱光效應來實現，即通過對波導材料加熱(具體辦法是在硅波導上通過MOCVD淀積一層金屬作為加熱電極)以改變材料的溫度，從而改變其折射率。二是通過載流子注入或抽取來改變材料的折射率(電光效應)，一般在高速系統中，即集成DAC需要高采樣率時采用電光效應。
[0031]本發明實施例利用熱光效應來說明器件的工作原理。當給硅基微環光波導加熱時，硅材料的折射率增大，如圖1中所示的單個微環諧振器在不加熱時，輸入光信號的波長(Ai)不等于微環諧振器的諧振波長(Xt)，即λ MRRi處于非諧振狀態(邏輯“0”)，直通端不輸出光信號。當微環諧振器加熱時，諧振峰產生移動，使得Xi= XyMRRi處于諧振狀態(邏輯“I”)，直通端輸出光信號。這樣，加載在MRRi上的電邏輯信號則在直通端產生了被調制的光信號。
[0032]圖2為依照本發明實施例的微環諧振器的環形波導熱調制機構的剖面圖，加電后金屬電極發熱，熱場傳導至波導，使波導的溫度發生變化，環形波導的有效折射率nrff發生變化，微環諧振器的諧振波長λ J逭之產生變化，從而實現MRRi的動態濾波。優選的，金屬電極層采用的材料為氮化鈦(TiN)。
[0033]圖3是依照本發明實施例的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器的不意圖，該片上集成光學數模轉換器包括N個激光器(Laser D1de, LD)、一個調制復用一體結構，以及一個光電探測器，其中，該調制復用一體結構包含一條干線波導L0、N
個級聯的硅基納米線波導微環諧振器(MRR1、MRR2.......MRRN)和N條彎曲波導(L1、
L2.......LN)，N個激光器分別與N個彎曲波導(L1、L2.......LN)的上載端相連接，光電探測器與干線波導LO的直通端相連接，N為自然數。
[0034]下面通過熱光效應來闡述該器件的工作原理。N個激光器輸出N個功率恒定的連續單波長光信號，該N個功率恒定的連續單波長光信號分別耦合進入N條彎曲波導(L1、
L2.......LN)的上載端，其中第i路(i = 1，2，3，......N)激光器的輸出波長為Xi，功率為Ρ/2Ν'波長為Xi的光信號被耦合進入第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi，并被第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi調制復用到干線波導LO中。每個硅基納米線波導微環諧振器上具有氮化鈦熱調結構，二進制的電學脈沖信號(Electrical Pulse Signal,EPS)經放大并加偏置信號后按位并行加載在硅基納米線波導微環諧振器的氮化鈦熱調結構上，對硅基納米線波導微環諧振器中的光信號進行調制。
[0035]待轉換的N位二進制數字信號按位分別加載在N個硅基納米線波導微環諧振器
(MRR1、MRR2、......MRRN)上，通過熱光效應或電光效應對微環諧振器的諧振波長進行調節，當微環諧振器MRRi在工作波長λ i處不諧振時，波長為λ i的光信號幾乎不受微環諧振器影響，直接由下載端輸出；當微環諧振器MRRi諧振時，波長為λ 光信號被耦合進入環形波導，進而耦合到干線波導后由直通端輸出。直通端輸出的光信號經過光電探測器接收并進行光電轉換后，得到輸入數字量轉換所得的模擬信號。
[0036]在本發明中，輸入數模轉換器的數字量位數為N位(bit)，第bit(1-l)位加載在第i個MRR的熱調結構上。每一個硅基納米線波導微環諧振器都具有波長選擇性，例如第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi只對波長為Xi的光信號起作用。當微環諧振器MRRi在工作波長Xi處不諧振時，波長為Xi的光信號幾乎不受微環諧振器影響，直接由下載端輸出；當微環諧振器MRRi諧振時，波長為λ 光信號被耦合進入環形波導，進而耦合到干線波導LO后由直通端輸出；其他波長的光信號幾乎不受影響地由下載端的光柵耦合器終端耗散掉。所有與微環諧振器發生共振的光信號被上載后在直通端實現非相干疊加，結果被光電探測器接收。令當微環諧振器諧振時，加載在其調制結構上的數字量％為1，當其不諧振時，加載的數字量Si為O。直通端輸出功率由公式(一)所示。
[0037]Poul: = (^αι ?2' ').!>/2N ' 公式(一)
I
[0038]公式(一)即為非相干光根據輸入數字量進行加權疊加的代數表達式，可見該結構可以完成光學數模轉換功能。
[0039]以上為沒有考慮衰減損耗和耦合損耗的理想狀況下的工作模式，實際系統工作之前，需要對每個微環諧振器形成的調制單元進行標定，即依次開啟激光器LDi (i = 1,2,
3...N)，并使對應的輸入比特位，即bit(1-l)置為邏輯“1”，將MRRi置于諧振狀態，使得激光器LDi開啟時，探測器接收到的光功率為PciAn-S P0的取值根據探測器的動態范圍確定，
M P
即Σ+在探測器的動態范圍內。
/=1 2
[0040]圖4是依照本發明實施例的3bit片上集成數模轉換器的輸入數字量-輸出模擬量的曲線圖，圖中B曲線是根據輸入數字量所產生的臺階信號，A曲線是臺階信號經過低通濾波器平滑后得到的模擬信號。
[0041]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，該片上集成光學數模轉換器包括N個激光器、一個調制復用一體結構，以及一個光電探測器，其中，該調制復用一體結構包含一條干線波導L0、N個級聯的硅基納米線波導微環諧振器(MRR1、MRR2、......MRRN)和N條彎曲波導(L1、L2、......LN), N個激光器分別與N個彎曲波導(LUL2.......LN)的上載端相連接，光電探測器與干線波導LO的直通端相連接，N為自然數。
2.根據權利要求1所述的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，所述N個激光器輸出N個功率恒定的連續單波長光信號,該N個功率恒定的連續單波長光信號分別耦合進入N條彎曲波導(L1、L2.......LN)的上載端，其中第i路(i = 1,2,3，......N)激光器的輸出波長為λ i，功率為P/2n'
3.根據權利要求2所述的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，所述波長為λ i的光信號被耦合進入第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi，并被第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi調制復用到干線波導LO中。
4.根據權利要求1或3所述的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，每個硅基納米線波導微環諧振器上具有氮化鈦熱調結構，二進制的電學脈沖信號(Electrical Pulse Signal,EPS)經放大并加偏置信號后按位并行加載在娃基納米線波導微環諧振器的氮化鈦熱調結構上，對硅基納米線波導微環諧振器中的光信號進行調制。
5.根據權利要求4所述的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，待轉換的N位二進制數字信號按位分別加載在N個硅基納米線波導微環諧振器(MRR1、MRR2.......MRRN)上，通過熱光效應或電光效應對微環諧振器的諧振波長進行調節，當微環諧振器MRRi在工作波長Xi處不諧振時，波長為λ 光信號幾乎不受微環諧振器影響，直接由下載端輸出；當微環諧振器MRRi諧振時，波長為Xi的光信號被耦合進入環形波導，進而耦合到干線波導后由直通端輸出。
6.根據權利要求5所述的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，直通端輸出的光信號經過光電探測器接收并進行光電轉換后，得到輸入數字量轉換所得的模擬信號。
7.根據權利要求1所述的基于硅基納米線波導的片上集成光學數模轉換器，其特征在于，每一個硅基納米線波導微環諧振器都具有波長選擇性，第i個硅基納米線波導微環諧振器MRRi只對波長為λ i的光信號起作用。
【文檔編號】G02F7/00GK104133336SQ201410394851
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】周平, 楊林, 丁建峰, 張凡凡 申請人:中國科學院半導體研究所