基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，包括N个激光器、一个调制复用一体结构，以及一个光电探测器，其中，该调制复用一体结构包含一条干线波导L0、N个级联的硅基纳米线波导微环谐振器(MRR1、MRR2、......MRRN)和N条弯曲波导(L1、L2、......LN)，N个激光器分别与N个弯曲波导(L1、L2、......LN)的上载端相连接，光电探测器与干线波导L0的直通端相连接，N为自然数。利用本发明，充分发挥硅基波导结构紧凑、功耗低、与CMOS工艺兼容等优点，不仅可以解决DAC过程的高速、高分辨率问题，还可以解决光学DAC的集成化和小型化问题。
【专利说明】基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器
【技术领域】
[0001]本发明属于光信息处理和高带宽信号处理【技术领域】，尤其涉及一种基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器。
【背景技术】
[0002]近年来，随着信息化生活水平的不断提高，人们所存在的实际物理世界和数字化信息处理的虚拟世界之间的信息交互和融合正向着多样化、精细化和高速化的方向发展。超高速、大分辨率的模数转换器(Analog-to-digital Converter, ADC)和数模转换器(Digital-to-analog Converter,DAC)作为模拟世界和数字世界之间的桥梁,在无线通信、生物医疗、工业自动化、雷达与声纳系统、航空航天、卫星通信等高带宽信号处理领域中起着举足轻重的作用。
[0003]传统的电学数模和模数转换技术受到量子遂穿效应、采样速率、孔径抖动等因素的影响，其性能发展面临巨大瓶颈。考虑到光学转换方式采样速率高、孔径抖动小、不受电磁干扰等优点，人们针对光学数模和模数转换技术展开了一系列研究，以期打破电学转换方式的技术限制，为超宽带通信、高速信号发生器、全光信息处理、传感网络等高带宽信号处理领域的发展注入新的活力。在光学模数转换技术方面，科研人员已经就光学辅助型、光学采样电学量化型、电学采样光学量化型、全光采样和量化型等转换技术进行了广泛深入的研究，逐渐形成系统的理论和技术体系。
[0004]相比之下，光学数模转换方面的研究起步较晚，人们从上世纪80年代开始进行一些有益的探索，早期的关于光学DAC的研究是英国科学家C.L.West提出的基于自由空间光学系统的方法，后来日本大阪大学在所设计的柱透镜和球透镜所形成的光学系统的基础上，结合光栅、分束器、准直器等分立光学元件，实现了间隔为1.65ps、分辨率为4bit的全光数模转换器。基于自由空间的光学结构虽然体积庞大，且转换精度不佳，但是它作为转换原理的雏形，为高性能的光学数模转换技术的发展指明了方向。
[0005]随着光电子器件和光电集成技术的发展，人们对光学数模转换技术的研究日益深入。光学DAC的基本思想是将数字域的每位代码根据权重在光域实现非相干叠加。在这个基本原理的基础上，结合高速电光调制、波分复用、光延迟、光色散等技术，衍生出诸多采用分立器件实现光学数模转换的方案。高速电光调制器作为光开关，是实现高采样率光学DAC的重要前提。美国伊利诺伊大学和贝尔实验室(“12.5GHz optically sampledinterference-based photonic arbitrary waveform generator，，，IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol.17，Iss.12，2005，pp.2727-2729)针对基于铌酸锂(LiNbO3)、磷化铟(InP)的高速马赫曾德(Mach-Zehnder，MZ)调制器以及它们在光学DAC方面的应用展开了研究，获得了采样频率在12.56取、位数为41^〖的信号发生器。为了在低电压条件下实现调制臂之间光信号的η相位反转，调制器的长度达到17mm，对于η位分辨率的数模转换需求，就需要采用多个调制器，再加上分立的复用器、分束器等器件后，光学DAC的体积会非常庞大，难以集成化。此外，美国加州大学和IPITEK公司(“Digital-to-analogconvers1n using electrooptic modulators，，， IEEE Photonics Technology Letters,Vol.15, Iss.1,2003, pp.117-119)、美国海军研究实验室(Weighted, summing, photonicdigital-to-analog converter, Electronics Letters, Vol.42, Iss.1,2006, pp.54-55)、澳大利亚莫纳什大学(“Optical domain digital-to-analog converter for visiblelight communicat1ns using LED arrays，，，Vol.1, Iss.2, 2013, pp.92-95，，)、 中国清华大学(“Photonic arbitrary waveform generator based on dispers1nofmultiwavelength pulse sequence”，Optical Engineering, Vol.47, Iss.4,2008,pp.045004)等研究机构针对基于Mach-Zehnder调制器等光开关器件、复用器和解复用器、光色散组件、LED等分立元件的光学DAC结构进行了设计和实验。所得到的DAC实验系统采样率在80Msps至2Gsps之间，分辨率在2bit至4bit之间，但是由于均是采用的分立器件，数模转换系统的体积非常庞大。
[0006]商业化电光调制器可以实现较高的采样速率，研究人员采用分立器件已经从结构上和原理上对光学DAC进行了论证。然而，光学DAC的结构必须具备可扩展性，实现集成化和小型化，才能在未来的高带宽信号处理领域中发挥其重要作用。因此人们在集成化的光学DAC方面做了许多努力。
[0007]文献“All-optical digital-to-analog convers1n using nonlinear opticalloop mirrors，，(IEEE Photonics Technology Letters,Vol.18,Iss.5,2006,pp.703-705)采用光纤环镜实现了分辨率为2bit、转换速率为IMHz的全光集成数模转换器，由于光纤的长度及光学相位难以精确控制，因此该技术在转换精度和扩展性方面存在限制。文献“Integrated optical digital-to-analogue converter and its applicat1n to pulsepattern recognit1n” (Electronics Letters, Vol.37, Iss.20,2001，pp.1237-1238)报道了基于硅基光波导延迟线的集成数模转换结构，但是要实现高分辨率的DAC必须采用更长的波导，与小型化目标相悖。此外，由于光信号在各波导之间传输后的相位差是固定的，器件只能工作在某一固定的采样速率。
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，以充分发挥硅基波导结构紧凑、功耗低、与CMOS工艺兼容等优点，解决DAC过程的高速、高分辨率问题，以及解决光学DAC的集成化和小型化问题。
[0010](二)技术方案
[0011]为达到上述目的，本发明提供了一种基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，该片上集成光学数模转换器包括N个激光器、一个调制复用一体结构，以及一个光电探测器，其中，该调制复用一体结构包含一条干线波导L0、N个级联的硅基纳米线波导微环谐振器(MRR1、MRR2.......MRRN)和N条弯曲波导(L1、L2.......LN)，N个激光器分别与
N个弯曲波导(L1、L2.......LN)的上载端相连接，光电探测器与干线波导LO的直通端相连接，N为自然数。
[0012]上述方案中,所述N个激光器输出N个功率恒定的连续单波长光信号,该N个功率恒定的连续单波长光信号分别耦合进入N条弯曲波导(L1、L2.......LN)的上载端，其中第i路(i = 1，2，3，......N)激光器的输出波长为Xi，功率为P/2n'
[0013]上述方案中，所述波长为λ i的光信号被耦合进入第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi，并被第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi调制复用到干线波导LO中。
[0014]上述方案中，每个硅基纳米线波导微环谐振器上具有氮化钛热调结构，二进制的电学脉冲信号(Electrical Pulse Signal,EPS)经放大并加偏置信号后按位并行加载在娃基纳米线波导微环谐振器的氮化钛热调结构上，对硅基纳米线波导微环谐振器中的光信号进行调制。
[0015]上述方案中，待转换的N位二进制数字信号按位分别加载在N个硅基纳米线波导微环谐振器(MRR1、MRR2、......MRRN)上，通过热光效应或电光效应对微环谐振器的谐振波长进行调节，当微环谐振器MRRi在工作波长λ i处不谐振时，波长为λ i的光信号几乎不受微环谐振器影响，直接由下载端输出；当微环谐振器MRRi谐振时，波长为Xi的光信号被耦合进入环形波导，进而耦合到干线波导后由直通端输出。
[0016]上述方案中，直通端输出的光信号经过光电探测器接收并进行光电转换后，得到输入数字量转换所得的模拟信号。
[0017]上述方案中，每一个硅基纳米线波导微环谐振器都具有波长选择性，第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi只对波长为λ i的光信号起作用。
[0018](三)有益效果
[0019]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0020]I)本发明提出了一种基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，目前已有的文献所报道的相关技术研究都是基于电光调制器、复用器、光纤延迟线等分立器件而实现的，系统体积庞大，难以实现小型化。本发明提出的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器的加工工艺与CMOS加工工艺兼容，可以实现集成化和小型化。
[0021]2)本发明提出基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，充分发挥了微环谐振器阵列的波长可重构特性和滤波特性，可以同时实现多个波长光信号的高速并行调制和上载复用功能，使集成光学数模转换器的转换位数具有可扩展性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是依照本发明实施例的单个硅基纳米线光波导微环谐振器构成的调制结构的示意图。
[0023]图2是依照本发明实施例的微环谐振器的环形波导热调制机构的剖面图。
[0024]图3是依照本发明实施例的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器的示意图。
[0025]图4是依照本发明实施例的3bit片上集成数模转换器的输入数字量-输出模拟量的曲线图。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0027]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0028]本发明在材料加工方面采用的是绝缘体上娃(Silicon on Insulator, SOI)技术，SOI波导芯层硅的材料折射率为3.5，包层为空气或二氧化硅，二者的折射率分别为I和
1.44。由于包层和芯层之间的折射率差很大，基于SOI技术的纳米线波导结构具有很强的光场限制能力和很低的弯曲损耗。
[0029]图1为弯曲波导L1、微环谐振器(Micro-ring resonator, MRR)MRRi和干线波导LO构成的单个调制结构，输入上载端口的是一个固定波长、恒定功率的光信号，光信号进入波导Li后，沿着Li的方向向前传播。由于SOI纳米线波导折射率差大，光场限制能力强，只有少量倏逝波弥散到波导之外。当光信号靠近环形波导时，由于光场会向折射率高的区域传播，波导Li中的光场将有一部分通过倏逝场耦合进入环形波导中，微环谐振器MRRi中的信号也会通过倏逝场耦合进入干线波导LO中。如果光信号的波长满足谐振条件(πι*λ=neff*2 π *R，m为正整数，neff为波导的有效折射率，R为微环谐振器的半径)，光脉冲在微环谐振器MRRi中传播若干圈后，光能量将几乎全部由波导Li耦合进入MRRi中，并由环形波导MRRi耦合进干线波导LO中。不满足谐振波长的光信号则不会受微环谐振器MRRi的影响，直接由下载端输出，并通过下载端的光栅耦合器耗散到空气中。以上分析的是微环调制结构的静态工作特性，即MRRi对某些波长信号(波长满足谐振条件)进行上载后由直通端输出，某些波长信号(波长不满足谐振条件)不被上载，不在直通端输出。
[0030]实际工作时，进入波导Li的光信号的波长是固定的λ i。需要使MRRi的谐振波长入^动态可调，使λ^的取值在Xi= 和λ^之间切换。微环谐振器的半径在工艺完成后就确定下来，由谐振条件公式m* λ = neff*2 *R可知，要调节谐振波长以实现动态滤波，只能通过调节环形波导的有效折射率来改变微环谐振器的谐振波长，而有效折射率与材料折射率有关。本发明可以采取两种方法来改变波导材料的折射率:一是通过热光效应来实现，即通过对波导材料加热(具体办法是在硅波导上通过MOCVD淀积一层金属作为加热电极)以改变材料的温度，从而改变其折射率。二是通过载流子注入或抽取来改变材料的折射率(电光效应)，一般在高速系统中，即集成DAC需要高采样率时采用电光效应。
[0031]本发明实施例利用热光效应来说明器件的工作原理。当给硅基微环光波导加热时，硅材料的折射率增大，如图1中所示的单个微环谐振器在不加热时，输入光信号的波长(Ai)不等于微环谐振器的谐振波长(Xt)，即λ MRRi处于非谐振状态(逻辑“0”)，直通端不输出光信号。当微环谐振器加热时，谐振峰产生移动，使得Xi= XyMRRi处于谐振状态(逻辑“I”)，直通端输出光信号。这样，加载在MRRi上的电逻辑信号则在直通端产生了被调制的光信号。
[0032]图2为依照本发明实施例的微环谐振器的环形波导热调制机构的剖面图，加电后金属电极发热，热场传导至波导，使波导的温度发生变化，环形波导的有效折射率nrff发生变化，微环谐振器的谐振波长λ J逭之产生变化，从而实现MRRi的动态滤波。优选的，金属电极层采用的材料为氮化钛(TiN)。
[0033]图3是依照本发明实施例的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器的不意图，该片上集成光学数模转换器包括N个激光器(Laser D1de, LD)、一个调制复用一体结构，以及一个光电探测器，其中，该调制复用一体结构包含一条干线波导L0、N
个级联的硅基纳米线波导微环谐振器(MRR1、MRR2.......MRRN)和N条弯曲波导(L1、
L2.......LN)，N个激光器分别与N个弯曲波导(L1、L2.......LN)的上载端相连接，光电探测器与干线波导LO的直通端相连接，N为自然数。
[0034]下面通过热光效应来阐述该器件的工作原理。N个激光器输出N个功率恒定的连续单波长光信号，该N个功率恒定的连续单波长光信号分别耦合进入N条弯曲波导(L1、
L2.......LN)的上载端，其中第i路(i = 1，2，3，......N)激光器的输出波长为Xi，功率为Ρ/2Ν'波长为Xi的光信号被耦合进入第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi，并被第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi调制复用到干线波导LO中。每个硅基纳米线波导微环谐振器上具有氮化钛热调结构，二进制的电学脉冲信号(Electrical Pulse Signal,EPS)经放大并加偏置信号后按位并行加载在硅基纳米线波导微环谐振器的氮化钛热调结构上，对硅基纳米线波导微环谐振器中的光信号进行调制。
[0035]待转换的N位二进制数字信号按位分别加载在N个硅基纳米线波导微环谐振器
(MRR1、MRR2、......MRRN)上，通过热光效应或电光效应对微环谐振器的谐振波长进行调节，当微环谐振器MRRi在工作波长λ i处不谐振时，波长为λ i的光信号几乎不受微环谐振器影响，直接由下载端输出；当微环谐振器MRRi谐振时，波长为λ 光信号被耦合进入环形波导，进而耦合到干线波导后由直通端输出。直通端输出的光信号经过光电探测器接收并进行光电转换后，得到输入数字量转换所得的模拟信号。
[0036]在本发明中，输入数模转换器的数字量位数为N位(bit)，第bit(1-l)位加载在第i个MRR的热调结构上。每一个硅基纳米线波导微环谐振器都具有波长选择性，例如第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi只对波长为Xi的光信号起作用。当微环谐振器MRRi在工作波长Xi处不谐振时，波长为Xi的光信号几乎不受微环谐振器影响，直接由下载端输出；当微环谐振器MRRi谐振时，波长为λ 光信号被耦合进入环形波导，进而耦合到干线波导LO后由直通端输出；其他波长的光信号几乎不受影响地由下载端的光栅耦合器终端耗散掉。所有与微环谐振器发生共振的光信号被上载后在直通端实现非相干叠加，结果被光电探测器接收。令当微环谐振器谐振时，加载在其调制结构上的数字量％为1，当其不谐振时，加载的数字量Si为O。直通端输出功率由公式(一)所示。
[0037]Poul: = (^αι ?2' ').!>/2N ' 公式(一)
I
[0038]公式(一)即为非相干光根据输入数字量进行加权叠加的代数表达式，可见该结构可以完成光学数模转换功能。
[0039]以上为没有考虑衰减损耗和耦合损耗的理想状况下的工作模式，实际系统工作之前，需要对每个微环谐振器形成的调制单元进行标定，即依次开启激光器LDi (i = 1,2,
3...N)，并使对应的输入比特位，即bit(1-l)置为逻辑“1”，将MRRi置于谐振状态，使得激光器LDi开启时，探测器接收到的光功率为PciAn-S P0的取值根据探测器的动态范围确定，
M P
即Σ+在探测器的动态范围内。
/=1 2
[0040]图4是依照本发明实施例的3bit片上集成数模转换器的输入数字量-输出模拟量的曲线图，图中B曲线是根据输入数字量所产生的台阶信号，A曲线是台阶信号经过低通滤波器平滑后得到的模拟信号。
[0041]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，该片上集成光学数模转换器包括N个激光器、一个调制复用一体结构，以及一个光电探测器，其中，该调制复用一体结构包含一条干线波导L0、N个级联的硅基纳米线波导微环谐振器(MRR1、MRR2、......MRRN)和N条弯曲波导(L1、L2、......LN), N个激光器分别与N个弯曲波导(LUL2.......LN)的上载端相连接，光电探测器与干线波导LO的直通端相连接，N为自然数。
2.根据权利要求1所述的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，所述N个激光器输出N个功率恒定的连续单波长光信号,该N个功率恒定的连续单波长光信号分别耦合进入N条弯曲波导(L1、L2.......LN)的上载端，其中第i路(i = 1,2,3，......N)激光器的输出波长为λ i，功率为P/2n'
3.根据权利要求2所述的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，所述波长为λ i的光信号被耦合进入第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi，并被第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi调制复用到干线波导LO中。
4.根据权利要求1或3所述的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，每个硅基纳米线波导微环谐振器上具有氮化钛热调结构，二进制的电学脉冲信号(Electrical Pulse Signal,EPS)经放大并加偏置信号后按位并行加载在娃基纳米线波导微环谐振器的氮化钛热调结构上，对硅基纳米线波导微环谐振器中的光信号进行调制。
5.根据权利要求4所述的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，待转换的N位二进制数字信号按位分别加载在N个硅基纳米线波导微环谐振器(MRR1、MRR2.......MRRN)上，通过热光效应或电光效应对微环谐振器的谐振波长进行调节，当微环谐振器MRRi在工作波长Xi处不谐振时，波长为λ 光信号几乎不受微环谐振器影响，直接由下载端输出；当微环谐振器MRRi谐振时，波长为Xi的光信号被耦合进入环形波导，进而耦合到干线波导后由直通端输出。
6.根据权利要求5所述的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，直通端输出的光信号经过光电探测器接收并进行光电转换后，得到输入数字量转换所得的模拟信号。
7.根据权利要求1所述的基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器，其特征在于，每一个硅基纳米线波导微环谐振器都具有波长选择性，第i个硅基纳米线波导微环谐振器MRRi只对波长为λ i的光信号起作用。
【文档编号】G02F7/00GK104133336SQ201410394851
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】周平, 杨林, 丁建峰, 张凡凡 申请人:中国科学院半导体研究所