一种多模数模转换器的制作方法

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于微环谐振器的多模数模转换器，用于光电信号的数模转换。
背景技术：
：随着现代电子信息技术的高速发展，作为模拟系统与数字系统之间的转化桥梁，高速、大分辨率的模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)和数模转换器(digital-to-analogconverter，dac)在信号传输和处理方面的应用日趋广泛。由于传统的电学数模和模数转换技术受到电子瓶颈的限制，其性能的提升速度具有一定的局限性，而光学转换方式由于其采样速率高、孔径抖动小、不受电磁干扰等优点，使得光学模数转换和数模转化技术成为目前人们研究的热点之一。目前，波分复用技术(wdm，wavelengthdivisionmultiplexing)、偏振复用技术(pdm，polarizationdivisionmultiplexing)以及模分复用技术(mdm，modedivisionmultiplexing)逐渐成为提升系统容量与增大信道传输带宽的主要方式。其中，模分复用技术作为突破传统单模光纤通信系统传输容量瓶颈的有效技术手段，能够使光纤通信容量成倍数增大。随着硅基光子学的迅速发展，硅基光集成由于其利用cmos工艺制作高密度片上集成光路，以低成本在芯片上实现复杂功能，成为近十年新兴的研究热点。硅基光集成相比于其他集成材料如二氧化硅、三五族化合物半导体集成材料来说，集成密度可提高几个量级。此外，硅基光集成利用现存的cmos工艺系统，在保证器件纳米级精度性能的同时，能使单位体积的成本大大降低，并可以随着cmos工艺的改善而得到不断发展。因此，硅基光集成以其能够与成熟的集成电路共同集成于单一芯片上的优势，可实现光电混合集成，具有广阔的应用前景。技术实现要素：(一)要解决的技术问题本发明的主要目的在于设计一种基于微环谐振器的多模数模转换器，以实现将数字电信号转化为承载多个模式的光信号进行传输，该信号最终被硅锗光探测器检测，从而实现数模转换的功能。(二)技术方案为实现上述目的，本发明提供一种多模数模转换器，该多模数模转换器包括第一单模波导，与第一单模波导联接的第一光耦合器，与第一光耦合器联接的第二光耦合器和第一微环谐振器，与第二光耦合器联接的第三光耦合器和第二微环谐振器，与第三光耦合器联接的第三微环谐振器。在进一步实施方案中，所述第一单模波导将第一模式信号光输入第一光耦合器。在进一步实施方案中，所述第一微环谐振器处于谐振状态时，将第一模式信号光通过倏逝波耦合到第二单模波导中，成为所述第二单模波导中的第一模式信号光。在进一步实施方案中，所述第二微环谐振器处于谐振状态时，将第一模式信号光通过倏逝波耦合到第一多模波导中，成为所述第一多模波导中的第二模式信号光。在进一步实施方案中，所述第三微环谐振器处于谐振状态时，将第一模式信号光通过倏逝波耦合到第二多模波导中，成为所述第二多模波导中的第三模式信号光。在进一步实施方案中，所述第一多模波导输出第一模式信号光和第二模式信号光。在进一步实施方案中，所述第二多模波导输出第一模式信号光、第二模式信号光和第三模式信号光。在进一步实施方案中，所述第一模式信号光具有单一波长。在进一步实施方案中，所述第二模式信号光具有单一波长。在进一步实施方案中，所述第三模式信号光具有单一波长。在进一步实施方案中，所述第一单模波导和第二单模波导均只支持横电场模基模光信号的传输。在进一步实施方案中，所述第一多模波导和第二多模波导支持横电场模基模光信号及其高阶模光信号的传输。在进一步实施方案中，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器以及第三微环谐振器均为环形波导，三者的波导截面与半径、接收到的输入光的波长，以及中心谐振波长均相同。在进一步实施方案中，通过调节第二微环谐振器与第一多模波导之间的距离，和/或第三微环谐振器与第二多模波导之间的距离，实现横电场模基模与其高阶模之间的倏逝波耦合。在进一步实施方案中，所述第一光耦合器、第二光耦合器和第三光耦合器均为1×2多模干涉型光耦合器。在进一步实施方案中，所述第一光耦合器的一侧具有一级光耦合输入端口，另一侧具有一级光耦合第一输出端口和一级光耦合第二输出端口。在进一步实施方案中，所述第二光耦合器的一侧具有二级光耦合输入端口，另一侧具有二级光耦合第一输出端口和二级光耦合第二输出端口。在进一步实施方案中，所述第三光耦合器的一侧具有三级光耦合输入端口，另一侧具有三级光耦合第一输出端口和三级光耦合第二输出端口。在进一步实施方案中，所述一级光耦合输入端口、二级光耦合输入端口和三级光耦合输入端口均只接收单路光；在进一步实施方案中，所述一级光耦合第一输出端口和一级光耦合第二输出端口、二级光耦合第一输出端口和二级光耦合第二输出端口，以及三级光耦合第一输出端口和三级光耦合第二输出端口将单路光分成等光强的两束光。在进一步实施方案中，所述第一光耦合器与第一微环谐振器之间具有一级微环输入波导。在进一步实施方案中，所述第二光耦合器与第二微环谐振器之间具有二级微环输入波导。在进一步实施方案中，所述第三光耦合器与第三微环谐振器之间具有三级微环输入波导。在更进一步实施方案中，所述一级微环输入波导、二级微环输入波导和三级微环输入波导均只支持横电场模基模光信号的传输。在进一步实施方案中，所述第二单模波导与第一多模波导之间具有第一连接波导，该第一连接波导用于将第二单模波导中的第一模式信号过渡为第一多模波导中的第一模式信号。在进一步实施方案中，所述第一多模波导与第二多模波导之间具有第二连接波导，该第二连接波导用于将第一多模波导中的第一模式信号光和第二模式信号光过渡为第三多模波导的第一模式信号光和第二模式信号。在进一步实施方案中，整个器件可实现硅基片上集成。(三)有益效果本发明具有以下有益效果：1、本发明提供一种基于微环谐振器的多模数模转换器，由微环谐振器与光波导通过倏逝波耦合具有不同模式的光信号来实现数字信号的输入。2、本发明提供的数模转换器结构易于扩展，可通过级联微环谐振器来实现多数位的数模转换器。附图说明图1为本发明实施例1中三位多模数模转换器的结构示意图。图2为本发明实施例1中三位多模数模转换器的光路流程示意图。附图标记说明：1第一单模波导2第一光耦合器3第二光耦合器4第三光耦合器5第一微环谐振器6第二微环谐振器7第三微环谐振器8第二单模波导9第一连接波导10第一多模波导11第二连接波导12第二多模波导25一级微环输入波导36二级微环输入波导47三级微环输入波导23一级光耦合输出波导34二级光耦合输出波导40三级光耦合输出波导a0一级光耦合输入端口a1一级光耦合第一输出端口a2一级光耦合第二输出端口b0二级光耦合输入端口b1二级光耦合第一输出端口b2级光耦合第二输出端口c0三级光耦合输入端口c1三级光耦合第一输出端口c2三级光耦合第二输出端口l1一级第一模式信号光l11第一微环谐振器入射光l110一级耦合第一模式信号光l120一级过渡第一模式信号光l1200二级过渡第一模式信号光l12第二光耦合器入射光l121第二微环谐振器入射光l2第二模式信号光l20一级过渡第二模式信号光l122第三光耦合器入射光l1221第三微环谐振器入射光l3第三模式信号光l1222第三光耦合器输出光具体实施方式根据本发明总体上的发明构思，提供一种多模数模转换器，该多模数模转换器包括：第一单模波导1，与第一单模波导1联接的第一光耦合器2，与第一光耦合器2联接的第二光耦合器3和第一微环谐振器5，与第二光耦合器3联接的第三光耦合器4和第二微环谐振器6，与第三光耦合器4联接的第三微环谐振器7。进一步地，所述第一单模波导1将第一模式信号光输入第一光耦合器2。进一步地，所述第一微环谐振器5处于谐振状态时，将第一模式信号光通过倏逝波耦合到第二单模波导8中，成为所述第二单模波导8中第一模式信号光。进一步地，所述第二微环谐振器6处于谐振状态时，将第一模式信号光通过倏逝波耦合到第一多模波导10中，成为所述第一多模波导10中第二模式信号光。进一步地，所述第三微环谐振器7处于谐振状态时，将第一模式信号光通过倏逝波耦合到第二多模波导12中，成为所述第二多模波导12中第三模式信号光。进一步地，所述第一多模波导10输出第一模式信号光和第二模式信号光。进一步地，所述第二多模波导12输出第一模式信号光、第二模式信号光和第三模式信号光。更进一步地，所述第一模式信号光具有单一波长。更进一步地，所述第二模式信号光具有单一波长。更进一步地，所述第三模式信号光具有单一波长。进一步地，所述第一单模波导1和第二单模波导8均只支持横电场模基模光信号的传输。进一步地，所述第一多模波导10和第二多模波导12支持横电场模基模光信号及其高阶模光信号的传输。进一步地，所述第一微环谐振器5、第二微环谐振器6以及第三微环谐振器7均为环形波导，三者的波导截面与半径、接收到的输入光的波长，以及中心谐振波长均相同。进一步地，通过调节第二微环谐振器6与第一多模波导10之间的距离，和/或第三微环谐振器7与第二多模波导12之间的距离，实现横电场模基模与其高阶模之间的倏逝波耦合。进一步地，所述第一光耦合器2、第二光耦合器3和第三光耦合器4均为1×2多模干涉型光耦合器。进一步地，所述第一光耦合器2的一侧具有一级光耦合输入端口a0，另一侧具有一级光耦合第一输出端口a1和一级光耦合第二输出端口a2。进一步地，所述第二光耦合器3的一侧具有二级光耦合输入端口b0，另一侧具有二级光耦合第一输出端口b1和二级光耦合第二输出端口b2。进一步地，所述第三光耦合器4的一侧具有三级光耦合输入端口c0，另一侧具有三级光耦合第一输出端口c1和三级光耦合第二输出端口c2。更进一步地，所述一级光耦合输入端口a0、二级光耦合输入端口b0和三级光耦合输入端口c0均只接收单路光。更进一步地，所述一级光耦合第一输出端口a1和一级光耦合第二输出端口a2、二级光耦合第一输出端口b1和二级光耦合第二输出端口b2，以及三级光耦合第一输出端口c1和三级光耦合第二输出端口c2将单路光分成等光强的两束光。进一步地，所述第一光耦合器2与第一微环谐振器5之间具有一级微环输入波导25。进一步地，所述第二光耦合器3与第二微环谐振器6之间具有二级微环输入波导36。进一步地，所述第三光耦合器4与第三微环谐振器7之间具有三级微环输入波导47。更进一步地，所述一级微环输入波导25、二级微环输入波导36和三级微环输入波导47均只支持横电场模基模光信号的传输。进一步地，所述第二单模波导8与第一多模波导10之间具有第一连接波导9，该第一连接波导9用于将第二单模波导8中的第一模式信号过渡为第一多模波导10中的第一模式信号。进一步地，所述第一多模波导10与第二多模波导12之间具有第二连接波导11，该第二连接波导11用于将第一多模波导10中的第一模式信号光和第二模式信号光过渡为第三多模波导12的第一模式信号光和第二模式信号。进一步地，该多模数模转换器可实现硅基片上集成。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。实施例1图1为本实施例中三位多模数模转换器的结构示意图。如图1所示，该多模数模转换器包括：第一单模波导1，与第一单模波导1联接的第一光耦合器2，与第一光耦合器2联接的第二光耦合器3和第一微环谐振器5，与第二光耦合器3联接的第三光耦合器4和第二微环谐振器6，与第三光耦合器4联接的第三微环谐振器7。所述第一微环谐振器5、第二微环谐振器6以及第三微环谐振器7均为环形波导，三者的波导截面与半径、接收到的输入光的波长，以及中心谐振波长λ0均相同。所述第一单模波导1仅支持横电场模基模(te0)的传输，由第一单模波导1传输的横电场模基模(te0)为第一模式信号光，该第一模式信号光为线偏振光，且波长λ与第一微环谐振器5、第二微环谐振器6和第三微环谐振器7的谐振波长λ0相同。第一单模波导1将光强度(功率)为p的一级第一模式信号光l1通过一级光耦合输入端口a0输入第一光耦合器2，该第一光耦合器2为1×2多模干涉型光耦合器。上述一级第一模式信号光l1经过第一光耦合器2后，由一级光耦合第一输出端口a1输出第一微环谐振器入射光l11，由一级光耦合第二输出端口a2输出第二光耦合器入射光l12；上述第一微环谐振器入射光l11与第二光耦合器入射光l12均为第一模式信号光，且光强度(功率)相等，均为p/2。上述第一微环谐振器入射光l11通过一级微环输入波导25输入第一微环谐振器5：(a)当第一微环谐振器5处于非谐振状态时，即输入数字电信号为0时，第一微环谐振器入射光l11从一级微环输入波导25的直通端口输出；(b)当第一微环谐振器5处于谐振状态时，即输入数字电信号为1时，该第一微环谐振器5将第一微环谐振器入射光l11通过倏逝波耦合到第二单模波导8中，成为第二单模波导8中的一级耦合第一模式信号光l110，该一级耦合第一模式信号光l110的光强度(功率)与第一微环谐振器入射光l11相同，为p/2；(c)进一步地，上述一级耦合第一模式信号光l110通过第一连接波导9过渡为第一多模波导10中的第一模式信号光，记为一级过渡第一模式信号光l120，其光强度(功率)与一级耦合第一模式信号光l110相同，为p/2；(d)更进一步地，上述一级过渡第一模式信号光l120通过第二连接波导11过渡为第二多模波导12中的第一模式信号光，记为二级过渡第一模式信号光l1200，其光强度(功率)与一级过渡第一模式信号光l120相同，为p/2。上述第二光耦合器入射光l12通过一级光耦合输出波导23，经二级光耦合输入端口b0进入第二光耦合器3后，由二级光耦合第一输出端口b1输出第二微环谐振器入射光l121，由二级光耦合第二输出端口b2输出第三光耦合器入射光l122；上述第二微环谐振器入射光l121与第三光耦合器入射光l122均为第一模式信号光，且光强度(功率)相等，均为p/4。上述第二微环谐振器入射光l121通过二级微环输入波导36输入第二微环谐振器6：(a)当第二微环谐振器6处于非谐振状态时，即输入数字电信号为0时，第二微环谐振器入射光l121从二级微环输入波导36的直通端口输出；(b)当第二微环谐振器6处于谐振状态时，即输入数字电信号为1时，该第二微环谐振器6将第二微环谐振器入射光l121通过倏逝波耦合到第一多模波导10中，成为第一多模波导10中的第二模式信号光l2，其光强度(功率)与第二微环谐振器入射光l121相同，为p/4；(c)进一步地，上述第二模式信号光l2通过第二连接波导11过渡为第二多模波导12中的第二模式信号光，记为一级过渡第二模式信号光l20，其光强度(功率)与第二模式信号光l2相同，为p/4。上述第三光耦合器入射光l122通过三级光耦合输入端口c0进入第三光耦合器4后，由三级光耦合第一输出端口c1输出第三微环谐振器入射光l1221，由三级光耦合第二输出端口c2输出第三光耦合器输出光l1222；上述第三微环谐振器入射光l1221与第三光耦合器输出光l1222均为第一模式信号光，且光强度(功率)相等，均为p/8。上述第三微环谐振器入射光l1221通过三级微环输入波导47输入第三微环谐振器7：(a)当第三微环谐振器7处于非谐振状态时，即输入数字电信号为0时，第三微环谐振器入射光l1221从三级微环输入波导47的直通端口输出；(b)当第三微环谐振器7处于谐振状态时，即输入数字电信号为1时，该第三微环谐振器7将第三微环谐振器入射光l1221通过倏逝波耦合到第二多模波导12中，成为第二多模波导12中的第三模式信号光l3，其光强度(功率)与第三微环谐振器入射光l1221相同，为p/8。最终，由第二多模波导12输出的信号光被探测器接收到的光强度(功率)为：p0＝a1·2-1·p+a2·2-2·p+a3·2-3·p(1)其中：a1，a2，a3＝0或1(0对应微环谐振器的非谐振状态，1对应微环谐振器的谐振状态)。实施例2本实施例将实施例1中的三位数模转换器扩展为n位数模转换器，其光路流程与实施1相同，区别在于由第一单模波导1输入的第一模式光信号l1所经过的光耦合器和微环谐振器由3组变为n组。对于第i个(1≤i≤n)微环谐振器：其处于谐振状态时，ai＝1；其处于非谐振状态时，ai＝0；则n个微环谐振器对应2n个状态组合，如表1所示，则最终输出的信号光被探测器接收到的光强度(功率)为：表1n位多模数模转换器输出功率表a1a2a3…an-1an输出功率000…000000…01p/2n000…102·p/2n001…113·p/2n…………………111…10(2n-2)·p/2n111…11(2n-1)·p/2n综上可知，本发明提供的多模数模转换器，由微环谐振器与光波导通过倏逝波耦合具有不同模式的光信号来实现数字信号的输入。并且，本发明提供的多模数模转换器的结构易于扩展，可通过级联微环谐振器来实现多数位的数模转换器。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。当前第1页12