CN114899708A - 一种单片集成光源芯片及高速光子模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成光源芯片及高速光子模数转换器，包括基底及集成在基底一侧的波长选择阵列、半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、波分复用器和饱和吸收体；波长选择阵列的N个反射式波长选择器用于选择不同波长通道的波长范围；半导体光放大器阵列的N个第一半导体光放大器为各个通道提供增益；相位延迟线阵列的N条不同长度的相位延迟线用于补偿各个通道的有效光程差；N个输入端将N个通道的不同波长激光进行波分复用合波为1个输出端输出；饱和吸收体与波分复用器形成N个独立又同步的锁模光脉冲通道，该结构的输出脉冲具有高重频、低抖动、窄脉宽且同步输出等特点，可满足采样率≥100GS/s的光采样ADC的高带宽需求。

Description

一种单片集成光源芯片及高速光子模数转换器

技术领域

本发明实施例涉及光子集成技术领域，尤其涉及一种单片集成光源芯片及高速光子模数转换器。

背景技术

现有技术中，2012年美国麻省理工学院和林肯实验室报道了将部分光采样功能采用硅基光子集成技术首次实现芯片集成的光子模数转换器(Analog-to-Digitalconvertor，ADC)，但双波长光纤锁模激光器短脉冲光源***与电子ADC阵列芯片依然为分立设计，并未与光采样及实现波分解复用的探测硅光芯片实现单片集成。

美国弗洛里达大学的P.Delfyett教授团队用外腔结构实现了多波长锁模激光器。外腔锁模激光器虽然可以成功实现多波长、低抖动的光脉冲输出，但其基模重复频率较低(<10GHz)，远达不到ADC高重频的要求，这是其外腔结构的腔长较长所导致的。同时，该方案中分立器件较多且腔型复杂，有***稳定性差、出光率低(输出功率仅为1mW左右)、体积庞大、功耗高等缺点。

半导体锁模光子集成芯片因其结构紧凑、波长调谐灵活、工作高效等优点，近年来成为诸多科学工作者研究的热点对象。2010年，英国格拉斯哥大学的Lianping Hou等人使用量子阱混杂技术首次实现了四波长半导体锁模激光器，但四通道采用独立的饱和吸收体分别实现锁模，各通道的输出频率不完全一致，不能用于波分复用***中。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种单片集成光源芯片及高速光子模数转换器，该单片集成光源芯片的输出脉冲具有高重频、低抖动、窄脉宽且同步输出等特点，可满足采样率≥100GS/s的光采样ADC的高带宽需求。

第一方面，本发明实施例提供了一种单片集成光源芯片，包括基底以及集成在所述基底一侧的波长选择阵列、半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、波分复用器和饱和吸收体；

所述波长选择阵列包括N个反射式波长选择器，分别单独用于选择不同波长通道的波长范围；

所述半导体光放大器阵列包括N个第一半导体光放大器，分别单独为不同波长的通道提供增益；

所述相位延迟线阵列包括N条不同长度的相位延迟线，各个所述相位延迟线分别用于补偿各个波长通道因波长不同造成的有效光程差；

所述波分复用器包括N个输入端和1个输出端，N个所述输入端分别与所述相位延迟线连接，用于将N个通道的不同波长激光进行波分复用合波为1个输出端输出；

所述饱和吸收体与所述波分复用器的输出端连接，并与所述波分复用器形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；

其中N为大于或等于2的整数。

可选的，还包括第二半导体光放大器；

所述第二半导体光放大器位于所述饱和吸收体的输出端，用于对所述饱和吸收体输出的锁模光脉冲进行增益和输出。

可选的，所述饱和吸收体包括半导体饱和吸收体，所述饱和吸收***于所述单片集成光源芯片腔长的1/M处，当对所述半导体光放大器阵列和所述第二半导体光放大器施加正向电流，在所述饱和吸收体施加反向偏压，能够实现M倍于基频的高重频光脉冲输出，M为大于或等于2的整数。

可选的，所述半导体光放大器阵列、所述饱和吸收体和所述第二半导体光放大器包括多量子阱有源区。

可选的，所述反射式波长选择器包括分布布拉格反射镜。

可选的，所述相位延迟线阵列包括N条不同长度的无源波导。

可选的，至少一条所述无源波导呈弯曲形状。

可选的，所述波分复用器包括刻蚀衍射光栅或阵列波导光栅。

可选的，所述单片集成光源芯片的各个器件之间通过无源波导连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种高速光子模数转换器，包括第一方面提供的所述的单片集成光源芯片作为光源。

本发明实施例提供的单片集成光源芯片，包括基底以及集成在基底一侧的波长选择阵列、半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、波分复用器和饱和吸收体；波长选择阵列包括N个反射式波长选择器，分别单独用于选择不同波长通道的波长范围；半导体光放大器阵列包括N个第一半导体光放大器，分别单独为不同波长的通道提供增益；相位延迟线阵列包括N条不同长度的相位延迟线，各个相位延迟线分别用于补偿各个波长通道因波长不同造成的有效光程差；波分复用器包括N个输入端和1个输出端，N个输入端分别与相位延迟线连接，用于将N个通道的不同波长激光进行波分复用合波为1个输出端输出；饱和吸收体与波分复用器的输出端连接，并与波分复用器形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；其中N为大于或等于2的整数，采用该结构设计输出脉冲具有高重频、低抖动、窄脉宽且同步输出等特点，可满足采样率≥100GS/s的光采样ADC的高带宽需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的一种单片集成光源芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种单片集成光源芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例

本发明实施例提供一种单片集成光源芯片，可满足采样率≥100GS/s的高速光采样脉冲模数转换器(Analog-to-Digital convertor，ADC)的光源需求。图1为本发明实施例提供的一种单片集成光源芯片的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的单片集成光源芯片包括基底1以及集成在基底1一侧的波长选择阵列2、半导体光放大器阵列3、相位延迟线阵列4、波分复用器5和饱和吸收体6；波长选择阵列2包括N个反射式波长选择器21，分别单独用于选择不同波长通道的波长范围；半导体光放大器阵列3包括N个第一半导体光放大器31，分别单独为不同波长的通道提供增益；相位延迟线阵列4包括N条不同长度的相位延迟线41，各个相位延迟线分别用于补偿各个波长通道因波长不同造成的有效光程差；波分复用器5包括N个输入端和1个输出端，N个输入端分别与相位延迟线41连接，用于将N个通道的不同波长激光进行波分复用合波为1个输出端输出；饱和吸收体6与波分复用器5的输出端连接，并与波分复用器5形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；其中N为大于或等于2的整数。

具体的，如图1所示，单片集成光源芯片包括基底1以及集成在基底1一侧的波长选择阵列2、半导体光放大器阵列3、相位延迟线阵列4、波分复用器5和饱和吸收体6。其中，基底1的材料包括硅光半导体材料或者III-V族化合物半导体材料中的任意一种，如Si/SiO₂基底、GaAs基底、InP基底或InGaAs基底等。图1以单片集成光源芯片的波长选择阵列2包括9个反射式波长选择器21，半导体光放大器阵列3包括9个第一半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)31，相位延迟线(Delay Lines)阵列4包括9条不同长度的无源波导(Wave Guide，WG)41为例，该单片集成光源芯片可以实现9个通道波长的选择，具体实施时，N为大于或等于2的整数，其他数量通道的波长选择方式这里不再做一一列举。其中，波长选择阵列2中沿Y方向排列的9个反射式波长选择器21可以采用光栅结构，用于选择不同波长通道的波长范围。可选的，反射式波长选择器21包括分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)，通过对9个DBR进行不同的光栅设计，实现对9个通道内传输的9个不同波长的激光的选择。在具体实施时，可以给每个DBR施加预设的电压或电流，针对由于外延材料生长、工艺或者温度引起的输出波长的偏差进行微调，实现其对波长更加精准的控制与选择。例如，根据光通信行业标准，设计第1通道1′的DBR光栅的激光波长为1532nm，第9通道9′的DBR光栅的激光波长为1568nm，设计相邻两通道的DBR光栅的波长间隔为4.5nm，沿Y方向1′-9′通道分别满足1532nm、1536.5nm、1541nm、1545.5nm、1550nm、1554.5nm、1559nm、1563.5nm和1568nm的激光波长选择。9个第一半导体光放大器31分别设置在9个反射式波长选择器21的出光位置处，第一半导体光放大器31的输入端与反射式波长选择器21的输出端一一对应连接，每个第一半导体光放大器31单独为不同波长通道的激光提供增益，如在激光波长在1520-1570nm范围内，SOA增益区的增益波长范围>36nm。9条相位延迟线41分别设置在第一半导体光放大器31的出光位置处，不同长度的相位延迟线41会对在其内传输的光产生不同的相位延迟，可以弥补各个通道因波长不同造成的有效光程差；激光分别经9个长度不等的相位延迟线41到达波分复用器5的输入端，波分复用器5进行波分复用，将9个通道的输入激光合波为一个通道输出，在其他实施例中，波分复用器5包括N个输入端和1个输出端，其中，N≥2。饱和吸收体(Saturated Absorption，SA)6与波分复用器5的输出端连接，起到锁模的作用，SA与波分复用器5共同作用形成9个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道，可以将各个通道输出的连续波变为脉冲光输出。采用该结构设计获得的输出脉冲具有高重频、低抖动、窄脉宽且同步输出等特点，可满足采样率≥100GS/s的多波长脉冲光源的应用。

综上，本发明实施例提供的单片集成光源芯片，包括基底以及集成在基底一侧的波长选择阵列、半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、波分复用器和饱和吸收体；波长选择阵列包括N个反射式波长选择器，分别单独用于选择不同波长通道的波长范围；半导体光放大器阵列包括N个第一半导体光放大器，分别单独为不同波长的通道提供增益；相位延迟线阵列包括N条不同长度的相位延迟线，各个相位延迟线分别用于补偿各个波长通道因波长不同造成的有效光程差；波分复用器包括N个输入端和1个输出端，N个输入端分别与相位延迟线连接，用于将N个通道的不同波长激光进行波分复用合波为1个输出端输出；饱和吸收体与波分复用器的输出端连接，并与波分复用器形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；其中N为大于或等于2的整数，采用该结构设计获得的输出脉冲具有高重频、低抖动、窄脉宽且同步输出等特点，可满足采样率≥100GS/s的光采样ADC的高带宽需求。

图2为本发明实施例提供的另一种单片集成光源芯片的结构示意图。如图2所示，可选的，单片集成光源芯片还包括第二半导体光放大器7；第二半导体光放大器7位于饱和吸收体6的输出端，用于对饱和吸收体6输出的锁模光脉冲进行增益和输出。

具体的，如图2所示，单片集成光源芯片还包括设置在饱和吸收体6输出端的第二半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)7，一方面，其为整体输出脉冲提供增益放大，实现单片集成光源芯片多波长单波导输出；另一方面，第二半导体光放大器7还用于对饱和吸收体6靠近输出端一侧的光脉冲提供增益，使得饱和吸收体6两侧的光脉冲功率尽量达到一致，提高锁模光脉冲的质量。

可选的，结合图1和图2所示，饱和吸收体6包括半导体饱和吸收体SA，饱和吸收体6位于单片集成光源芯片腔长的1/M处，当对半导体光放大器阵列3和第二半导体光放大器7施加正向电流，在饱和吸收体6施加反向偏压，能够实现M倍于基频的高重频光脉冲输出，M为大于或等于2的整数。

具体的，本发明的单片集成光源芯片的高重复频率是通过使用基频的高次谐波来实现，在谐波锁模激光芯片结构中，SA位于半导体光子集成芯片腔长的1/M处，其中，M为大于或者等于2的整数，可以根据需要任意设置M值；对分布在SA区两侧的增益区(即半导体光放大器阵列3中的第一半导体光放大器31及第二半导体光放大器7)施加正向电流，在SA区施加反向偏压，在一定条件下可提升脉冲整形作用，实现M倍于基频的高重频光脉冲输出。

可选的，结合图1和图2所示，波分复用器包括刻蚀衍射光栅或阵列波导光栅。

具体的，波分复用器5包括刻蚀衍射光栅(etching diffraction grating，EDG)、阵列波导光栅(arrayed waveguide gratings，AWG)和多模干涉耦合器(multimodeinterference coupler，MMI)等，优选的，本发明实施例选用EDG，如设置EDG第一通道1′的中心波长为1532nm，与对应的包括多个DBR的波长选择阵列中1′DBR光栅设定的波长一致；EDG第9通道9′的中心波长设置为1568nm，与对应的包括多个DBR的波长选择阵列中9′DBR光栅的波长一致；每个通道设计的光带宽为2nm，通过合理设计EDG各个通道宽度以及不同通道间的波长间隔，可以起到带通滤波的作用，同时可以降低各通道间的串扰，提高信噪比。采用包括多个DBR的波长选择阵列来控制选择每个通道内的光脉冲波长，并使用EDG的滤波作用进一步精准控制每个通道内的光波长，实现将多个不同波长的脉冲信号耦合进同一输出波导后输出，提高信噪比和边模抑制比。

进一步，采用EDG作为波分复用的合波器件，相比AWG尺寸更小，具有面积小、齿面间距小且数量多、单边输入输出等优点，而且具有成像质量高、集成密度大、通道频谱精度高和易于封装等优势，可最大程度的压缩芯片尺寸；相比使用MMI阵列损耗更低，可有效增大多波长脉冲信号的输出功率。

可选的，结合图1和图2所示，相位延迟线阵列4包括N条不同长度的无源波导。

具体的，无源波导可以是满足各个通道波长范围传输的集成在基底上的光波导。可选的，至少一条无源波导呈弯曲形状，以减小相位延迟线阵列4的排布尺寸，从而减小单片集成光源芯片的体积。

可选的，结合图1和图2所示，半导体光放大器阵列2、饱和吸收体6和第二半导体光放大器7包括多量子阱有源区，单片集成光源芯片的各个器件之间通过无源波导连接。

具体的，结合图1和图2所示，SOA阵列、SA区和SOA采用多量子阱(MultipleQuantum Well，MQW)有源区设计，单片集成光源芯片采用有源-无源对接技术将各个有源、无源部件集成在一个基底芯片上，极大地降低了锁模激光光源芯片的尺寸，具有结构紧凑、造价低、功耗低、便携性高和可靠性高等优势。

综上，本发明实施例提供了一种基于EDG波分复用技术的超高采样率的单片集成光源芯片，该芯片为新型多波长半导体锁模光子集成芯片，其可以产生高重频、低抖动、窄脉冲、同步输出的脉冲光源，满足高速光采样脉冲ADC的光源需求。与目前已报道的锁模激光器相比，本发明提出的超高采样率的单片集成光源芯片可以产生N(N≥2)路不同波长且同步输出的脉冲光源，更加精准的控制每一路光脉冲的波长，提高光源质量；既可以满足采样率≥100GS/s的光采样ADC的高带宽需求，又不会受限于电子ADC的处理速度；同时，相比于传统的大型固体锁模激光器和光纤锁模激光器，使用单片集成技术的超高采样率的单片集成光源芯片，大大提高了转换效率且减小了体积与能耗，具有高重频、低成本、高功效、高便携性和高可靠性等特点，作为光采样ADC光源候选具有明显的技术优势，也为未来光学ADC技术实现大规模市场化应用提供了有效的解决方案。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种高速光子模数转换器，包括上述实施例提供的单片集成光源芯片作为光源。

模数转换器(Analog-to-Digital convertor，ADC)是将模拟信号转换为离散数字信号的器件。真实世界中连续变换的信号都为模拟信号，例如声音、图像、温度或者压力等，然而计算机并不能直接处理这些模拟信号，需要通过ADC将其转换为计算机可以读懂的离散数字信号，才能进行后续的计算处理。因此，ADC在现代通讯网络***、雷达***、医学成像、基站接收机及高性能传输器/控制器等应用领域均有重要作用。在超宽带通信等电子***向着高带宽、小体积和低功耗方向飞速发展的推动下，对高采样率高带宽ADC的要求越来越高。

ADC的设计架构主要包括采样、量化及编码。典型的光采样ADC***设计包括，锁模激光光源(Mode-Locked Laser，MLL)产生高频光脉冲序列，然后待测高速电模拟信号通过宽带宽电光调制器调制到光脉冲上完成对输入模拟射频(Radio Frequency，RF)信号的光采样；此时的输入RF连续模拟信号变成带有RF信号幅值的离散光信号，此离散光脉冲信号经过后续***进行量化和编码，最终成为离散数字信号输出。目前实现量化功能及编码功能的芯片的工作带宽受技术和成本限制无法提升到百GHz量级，因此需要提升实现采样功能的芯片的性能。本发明中的单片集成光源芯片，作为波分复用技术ADC***中的光采样光源芯片，将高速光采样后的高频信号序列分割为多个并行低速信号进行处理，可发射出高重复频率、多波长的光脉冲序列，使得最终ADC***总体带宽达到百GHz量级，实现几百GHz的超高采样率；同时，该单片集成光源芯片体积小、结构紧凑、成本低、能耗低，为实现小型化、低损耗、高带宽的模数转换器(ADC)提供了理论基础与技术支撑。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种单片集成光源芯片，其特征在于，包括基底以及集成在所述基底一侧的波长选择阵列、半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、波分复用器和饱和吸收体；

所述波长选择阵列包括N个反射式波长选择器，分别单独用于选择不同波长通道的波长范围；

所述半导体光放大器阵列包括N个第一半导体光放大器，分别单独为不同波长的通道提供增益；

所述相位延迟线阵列包括N条不同长度的相位延迟线，各个所述相位延迟线分别用于补偿各个波长通道因波长不同造成的有效光程差；

所述波分复用器包括N个输入端和1个输出端，N个所述输入端分别与所述相位延迟线连接，用于将N个通道的不同波长激光进行波分复用合波为1个输出端输出；

所述饱和吸收体与所述波分复用器的输出端连接，并与所述波分复用器形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；

其中N为大于或等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的单片集成光源芯片，其特征在于，还包括第二半导体光放大器；

所述第二半导体光放大器位于所述饱和吸收体的输出端，用于对所述饱和吸收体输出的锁模光脉冲进行增益和输出。

3.根据权利要求2所述的单片集成光源芯片，其特征在于，所述饱和吸收体包括半导体饱和吸收体，所述饱和吸收***于所述单片集成光源芯片腔长的1/M处，当对所述半导体光放大器阵列和所述第二半导体光放大器施加正向电流，在所述饱和吸收体施加反向偏压，能够实现M倍于基频的高重频光脉冲输出，M为大于或等于2的整数。

4.根据权利要求2所述的单片集成光源芯片，其特征在于，所述半导体光放大器阵列、所述饱和吸收体和所述第二半导体光放大器包括多量子阱有源区。

5.根据权利要求1所述的单片集成光源芯片，其特征在于，所述反射式波长选择器包括分布布拉格反射镜。

6.根据权利要求1所述的单片集成光源芯片，其特征在于，所述相位延迟线阵列包括N条不同长度的无源波导。

7.根据权利要求6所述的单片集成光源芯片，其特征在于，至少一条所述无源波导呈弯曲形状。

8.根据权利要求1所述的单片集成光源芯片，其特征在于，所述波分复用器包括刻蚀衍射光栅或阵列波导光栅。

9.根据权利要求1所述的单片集成光源芯片，其特征在于，所述单片集成光源芯片的各个器件之间通过无源波导连接。

10.一种高速光子模数转换器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的单片集成光源芯片作为光源。

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