[发明专利]基于硅基纳米线波导的片上集成光学数模转换器

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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 sampled interference-based photonic arbitrary waveform generator”，IEEE Photonics Technology 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12.5GHz、位数为4bit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π相位反转，调制器的长度达到17mm，对于n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-analog conversion 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，photonic digital-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 visible light communications using LED arrays”，Vol.1，Iss.2，2013，pp.92-95”)、中国清华大学(“Photonic arbitrary waveform generator based on dispersion ofmultiwavelength 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。