光子模数转换的级联调制器芯片的制作方法

本发明涉及微波光子集成，特别是一种光子模数转换中的级联调制器芯片。

背景技术：

随着光信号处理与转换、高分辨测量设备以及光信号质量检测等领域的不断发展，对模数转换技术的要求越来越高。由于传统电子技术遭遇“电子瓶颈”，进一步提升电子模数转换性能面临很大的挑战。光子模数转换技术(以下简称padc)利用光子的高速、宽带的特点可以有效提升模数转换系统的性能，从而为新一代的模数转换装置发展提供了有效途径。随着padc技术的不断发展，多种技术方案被提出，包括光学辅助的模数转换器、光采样电量化的模数转换器、电采样光量化的模数转换、光采样光量化的模数转换器及全光子模数转换器等。其中，光采样电量化的模数转换器同时兼顾光子学的大带宽、高精度以及成熟的电量化技术等优点，成为目前光电子领域的一大研究热门。目前主要有两种光采样电量化的模数转换器方案：基于波分复用技术(参见t.r.clark,j.u.kangandr.d.esman,“performanceofatimeandwavelengthinterleavedphotonicsamplerforanalog-digitalconversion,”ieeephoton.tech.lett.,vol.11,1168～1169,1999)、基于时分复用技术(a.yarivandr.g.m.p.koumansetal.,“timeinterleavedopticalsamplingforultra-highspeeda/dconversion,”electronicsletters,34(21):2012-2013,1998)。

基于波分复用技术的解复用结构简单，但随着对超高采样速率的需求不断增加，需要更多的系统通道数，并且波分复用装置引起的光谱不均一加重了系统的失配，从而增加了系统复杂度。随着高重复频率光脉冲产生技术和高速光开关技术的不断发展，通过对采样后的高速光脉冲序列进行多通道解复用，实现并行化的数据处理，能够降低后端电光转换和电adc的带宽和速率的压力(参见g.yang,w.zou,l.yu,andj.chen,“influenceofthesamplingclockpulseshapemismatchonchannel-interleavedphotonicanalog-to-digitalconversion,”opt.lett.43(15):3530-3533,2018)。

基于高速光开关的padc技术需要光子模数转换装置采用高速率的脉冲激光器作为系统光源，通过调制器级联的方式对采样后的光脉冲序列进行多通道解复用，并通过并行的光电转换、并行电量化以及并行数据处理，最终实现高速率高精度宽带的光子模数转换。其中的调制器级联在光子模数转换中占据着重要位置，采用多个分立的调制器，面临着系统不稳定，体积大等诸多问题。另一方面，随着光电子集成技术的发展，padc系统的集成化和小型化是其创新发展的必然趋势。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种光子模数转换中的级联调制器芯片，将多个调制结构集成在一块芯片上，不仅能减小解复用结构的体积和功耗，还能有效的降低通道失配，提高系统的稳定性，同时也是实现padc系统集成化和小型化的核心要素。

本发明的技术方案如下：

一种基于光子模数转换的级联调制芯片，其特点在于，在一块芯片上包括多个调制结构、功能电极和光端口，

所述的调制结构包括光采样结构和多通道并行解复用结构，且所述的光采样结构的输出端与多通道并行解复用结构的输入端相连，所述的光采样结构包含1级1×1的调制结构，用于实现时域连续变化电信号的采样；所述的多通道并行解复用结构包含n级1×2的调制结构，用于实现高速光采样序列的多通道解复用。所述的光采样结构的输出端直接与多通道并行解复用结构的输入端相连。

所述的多通道并行解复用结构包含n级1×2的调制结构，其中，第1级包含一个1×2的调制结构、第2级包含2个1×2的调制结构、第3级包含4个1×2的调制结构、……、第n级包含2^n-1个1×2的调制结构；第1级1×2的调制结构的输入端和所述的光采样结构的输出端相连，第1级1×2的调制结构的输出端分别与第2级两个1×2的调制结构的输入端相连，每个第2级1×2的调制结构的输出端分别与第3级两个1×2的调制结构的输入端相连，以此类推，从而产生2ⁿ路解复用的输出通道；

所述的功能电极包括直流电极、射频电极和热移相电极，所述的直流电极包含n个，位于芯片上部左右两侧，分别给n个调制结构供电；所述的射频电极包含n个，位于芯片的左下侧，分别给n个调制结构提供射频信号；所述的热移相电极包含n个，位于芯片右下侧，分别给n个调制结构提供热移相信号；

所述的光端口包括对光端口、光输入端口、输出测试端口和测试端口。所述的对光端口为2个，位于光端口的两侧；所述的输入端口为1个，为第一级调制结构的输入端，即光采样结构的输入端；所述的输出测试端口为第n级的2^n-1个调制结构的输出测试端口，共计2ⁿ个；所述的测试端口为多通道并行解复用结构中的调制结构的输入端口。

所述的级联调制器芯片中各调制结构之前可加或不加延迟线。

所述的调制结构可采用硅基soi集成、体硅基集成、硅基铌酸锂薄膜集成、硅基键合铌酸锂集成、石墨烯集成、半导体异质集成或半导体异构集成等方式实现，但不限于此。

所述的调制结构可采用马赫-曾德尔(mz)单臂调制干涉结构(mzi)、推挽式mz双臂调制干涉结构，但不限于此。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

传统采用单个分立的调制器件级联，完成光采样和并行解复用，但面临总体积大、功耗大、性能不稳定等缺点。本发明采用在一块芯片上同时搭建光采样结构和多通道并行的解复用结构来实现光子模数转换，从而减小了光采样门与并行解复用结构的复杂度、体积与功耗，同时有效的降低了通道失配，大幅提升性能和可靠性，对实现padc的集成化和小型化，具有十分关键的作用。

附图说明

图1为本发明光子模数转换的级联调制器芯片实施例版图

图2为本发明光子模数转换的级联调制芯片实施例的拓扑结构示意图

图3为本发明光子模数转换的级联调制芯片实施例的功能电极示意图

图4为本发明光子模数转换的级联调制芯片实施例的光端口示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

参阅图1，本发明光子模数转换的级联调制器芯片实施例版图，n＝3，即为三级解复用，包括调制结构1到8、功能电极(dc、rf与r)与光端口(lightinput)。

参阅图2，图2为本发明光子模数转换的级联调制芯片实施例的拓扑结构示意图，本实施例的调制结构包括光采样结构和多通道并行解复用结构。所述的光采样结构包含1级1×1的调制结构，用于实现时域连续变化电信号的采样；所述的多通道并行解复用结构包含3级1×2的调制结构，用于实现高速光采样序列的多通道解复用。所述的光采样结构的输出端直接与多通道并行解复用结构的输入端相连，所述的多通道解复用结构包含3级1×2的调制器。第1级包含1个1×2第一调制器2，第一调制器2的第一输入端与所述光子采样门1的输出端相连。第2级包含两个1×2的调制器，分别为第二调制器3、第三调制器4，第二调制器3的第一输入端与第1级的第一调制器2的第一输出端相连，第三调制器4的第一输入端与第一调制器2的第二输出端相连。第三级包含4个1×2的调制器器，分别为第四调制器5、第五调制器6、第六调制器7和第七调制器8，其中第四调制器5的第一输入端与第2级的第二调制器3的第一输出端相连，第五调制器6的第一输入端与第2级的第二调制器3的第二输出端相连，第六调制器7的第一输入端与第2级的第三调制器4的第一输出端相连，第七调制器8的第一输入端与第2级的第三调制器4的第二输出端相连。

参阅图3，图3为本发明光子模数转换的级联调制芯片实施例的功能电极示意图，所述的功能电极包括直流电极、射频电极和热移相电极。所述的直流电极为加载直流信号，保证调制器正常工作；所述的热移相电极为加载直流信号，设置调制器工作点；所述的射频电极为加载高频信号。所述的直流电极位于芯片上部左右两侧，分别给8个调制结构供电；所述的射频电极位于芯片左下侧，分别给8个调制结构提供射频信号；所述的直流电极位于芯片右下侧，分别给8个调制结构提供热移相信号。

参阅图4，图4为本发明光子模数转换的级联调制芯片实施例的光端口示意图，由图可见，本实施例的光端口包括对光端口、光输入端口、输出测试端口和测试端口。光端口的两侧为对光端口，光端口的中间有1个光输入端口、8个输出测试端口和7个测试端口。其中，对光端口在对光时使用，作为进光的参照；1个光输入端口为级联调制器芯片中第一个调制结构的输入端口，即采样门的输入端口；8个输出测试端口为，为第3级解复用结构的8个调制结构的输出测试端口,包括调制结构5输出测试端口1、调制结构5输出测试端口2、调制结构6输出测试端口1、调制结构6输出测试端口2、调制结构7输出测试端口1、调制结构7输出测试端口2、调制结构8输出测试端口1、调制结构8输出测试端口2；7个测试端口为为调制结构1到2输入测试端口、调制结构2到3输入测试端口、调制结构2到4输入测试端口、调制结构3到5输入测试端口、调制结构3到6输入测试端口、调制结构4到7输入测试端口及调制结构8输入测试端口。

所述的级联调制器芯片中各调制结构之前可加或不加延迟波导。

所述的芯片上的调制结构可采用硅基soi集成、体硅基集成、硅基铌酸锂薄膜集成、硅基键合铌酸锂集成、石墨烯集成、半导体异质集成或半导体异构集成等方式实现，但不限于此。

所述的芯片上的调制结构可采用马赫-曾德尔(mz)单臂调制干涉结构(mzi)、推挽式mz双臂调制干涉结构，但不限于此。

本发明利用在一块芯片上的级联调制结构，对高速率的光采样脉冲进行逐级解复用，有效的降低了通道失配。作为光子模数转换的核心单元，对于实现光子模数转换的小型化、低功耗、高稳定性具有十分关键的作用。