CN116520618A - 一种光电集成的光子数模转换器及方法 - Google Patents

一种光电集成的光子数模转换器及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116520618A
CN116520618A CN202310458606.9A CN202310458606A CN116520618A CN 116520618 A CN116520618 A CN 116520618A CN 202310458606 A CN202310458606 A CN 202310458606A CN 116520618 A CN116520618 A CN 116520618A
Authority
CN
China
Prior art keywords
digital
micro
optical
input
multimode interference
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310458606.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李景熙
周绍林
陈志坚
李斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bumingte Foshan Optoelectronic Technology Co ltd
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
Bumingte Foshan Optoelectronic Technology Co ltd
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bumingte Foshan Optoelectronic Technology Co ltd, South China University of Technology SCUT filed Critical Bumingte Foshan Optoelectronic Technology Co ltd
Priority to CN202310458606.9A priority Critical patent/CN116520618A/zh
Publication of CN116520618A publication Critical patent/CN116520618A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F7/00—Optical analogue/digital converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
    • G02B6/2813—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs based on multimode interference effect, i.e. self-imaging
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2821—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals
    • G02B6/2835—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals formed or shaped by thermal treatment, e.g. couplers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29344—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by modal interference or beating, i.e. of transverse modes, e.g. zero-gap directional coupler, MMI
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/217—Multimode interference type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光电集成的光子数模转换器及方法，其中光子数模转换器包括：n个多模干涉耦合器，n个多模干涉耦合器采用串联的方式连接，每个多模干涉耦合器用于对输入的光进行50％:50％分光；n个微环光开关，n个微环光开关与n个多模干涉耦合器匹配，每个微环光开关上均设有相变调制单元；控制模块，用于根据数字电信号对每个微环光开关上的相变调制单元进行控制，以使相变调制单元处于晶态或非晶态；输出波导，用于接收从各个微环光开关耦合过来的光信号，以对光信号进行求和，实现数字电信号到模拟光信号的数模转换。本发明的光子数模转换器降低了***复杂度，降低了成本，提高了抗干扰能力。本发明可广泛应用于集成光子技术领域。

Description

一种光电集成的光子数模转换器及方法
技术领域
本发明涉及集成光子技术学、集成光电子学、纳米材料等多学科交叉的前沿研究领域，尤其涉及一种光电集成的光子数模转换器及方法。
背景技术
近年来，随着微纳加工技术、光子与光电子集成等众多关键技术的突破，光子芯片迎来了发展机遇。光子芯片藉由高带宽、高速率、低损耗的优点，在光计算、光互连、光通信等领域迎来了爆发式增长，光子芯片已成为“后摩尔时代”潜在颠覆性技术。然而，总体上，面向全光集成应用仍存在局部技术瓶颈，例如难以实现灵活可控的全光开关，实现类似微电子器件的光子存储单元等，在实际应用中光子芯片的驱动、控制仍需要电子芯片实现。因此，“全光芯片”仍处于概念状态，当前的光子芯片严格来讲应该为集成了光子器件和光子功能单元的光电集成芯片。故而，光电子芯片中存在大量光模拟信号与电子数字信号的转化单元。所以，数模转换(DAC)是光电集成芯片中数字通信和信号处理***中的关键部件，在光计算、光通信、光互连等领域必不可少。
为了实现数字电信号到模拟光信号的转化，常使用微环光开关的方案，硅基微环光开关谐振器(MR)具有超低功耗、高紧凑性和易于集成等优势，是最常用的光开关器件。如图1所示，传统的光数模转换器由一条直波导和N个半径各不相同的微环光开关单元阵列构成，N个微环光开关分别具有一个特定的耦合波长λi，对光功率为P/2i的光进行调制，将不同波长的输入光的光功率设置为不同数字位的参考权重，类似于电DAC中的参考权重。因此，输出端口的光功率是输入数字值转换后的光模拟值。
这种方法运用了波分复用技术，波分复用技术作为目前发展最为成熟的复用技术，利用的是光载波的频率这个物理维度，通过在单个波导中传输多个波长不同的光信号，这使用N个不同波长的光信号，需要使用N个不同的光源，且光源功率的控制非常严格，高一位的波长光信号需严格为低一位的2倍，在实际中高位波长光信号的光源功率噪声对整体的数模转换效果产生剧烈影响。噪声、加工误差、温度漂移等都会对数模转换产生剧烈影响，在实际应用中条件要求过于严苛。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种光电集成的光子数模转换器及方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种光电集成的光子数模转换器，包括：
n个多模干涉耦合器，所述n个多模干涉耦合器采用串联的方式连接，每个所述多模干涉耦合器用于对输入的光进行50％:50％分光；需要注意的是，这里说的串联方式指的是多个多模干涉耦合器之间依次连接，光信号经过上一个多模干涉耦合器后，再传输至下一个多模干涉耦合器；
n个微环光开关，所述n个微环光开关与所述n个多模干涉耦合器匹配，每个所述微环光开关上均设有相变调制单元；
控制模块，用于根据数字电信号对每个所述微环光开关上的相变调制单元进行控制，以使相变调制单元处于晶态或非晶态；
输出波导，用于接收从各个所述微环光开关耦合过来的光信号，以对光信号进行求和，实现数字电信号到模拟光信号的数模转换；
其中，n为大于或等于2的整数。
进一步地，所述多模干涉耦合器采用一端口输入、两端口输出的1×2分束器结构进行设计；
设输入光的功率为P，第一个多模干涉耦合器将该输入光分为功率为的两束光信号，其中一束光信号输入与该第一个多模干涉耦合器对应的微环光开关，另一束光信号输入下一个多模干涉耦合器；
第i个多模干涉耦合器用于将由上一个多模干涉耦合器传输过来的光信号分解为两束功率为P/2i的光信号，其中一束光信号输入与该第i个多模干涉耦合器对应的微环光开关，另一束光信号输入下一个多模干涉耦合器。
进一步地，所述多模干涉耦合器包括Taper波导和多模干涉区；
所述Taper波导设置在所述多模干涉区的两侧，用于输入和输出光信号；其中输入侧设有一个端口，输出侧设有两个端口；
光信号在所述多模干涉区激发偶数阶模式，并在二重像位置处将光能量导出两束光信号，传输至Taper波导输出侧的两条波导中，实现光信号的等功率分束。
进一步地，所述微环光开关和输出波导的波导结构为宽400nm、厚220nm。各微环的半径均相同，微环的半径为5μm，微环与输出波导的直波导的间隙为100nm，微环上放置有相变调制单元。
进一步地，所述相变调制单元采用相变材料制成。
进一步地，所述相变材料为Sb2S3、Ge2Sb2Se4Te1或者Ge2Sb2Te5。
进一步地，所述控制模块通过激光脉冲或者电加热方式控制相变调制单元在晶态与非晶态之间切换。
进一步地，所述相变调制单元采用的相变材料为Sb2S3，相变材料宽度为0.3μm，长度为1μm，厚度为20nm；可通过激光脉冲或者电加热调节Sb2S3晶态(介电常数为εc＝3.3+0i)与非晶态(介电常数为εc＝2.7+0i)之间切换，最终调节波导的有效折射率，使谐振波长发生相移，进而实现开关功能。
进一步地，相邻两个微环光开关之间的间距Λ满足以下关系：
2γΛ＝q2π
其中，γ为波导的传输常数，γ＝2πn/λ，λ为光波波长，n为波导有效折射率，q为一个正整数。
数模转换功能模块利用了相位匹配机制，所述微环光开关相邻环之间的间距为Λ，满足方程2γΛ＝q2π，即相邻环之间的间距为输入光波长的整数倍，相邻环之间相位差等于2π的整数倍，因此最后每个环耦合到输出波导的光相位相同，继而发生相长干涉后叠加输出。需要注意的是，这里说的相邻的微环光开关指的是在距离上相邻的两个微环光开关，比如：第一个多模干涉耦合器对应的微环光开关与第二个多模干涉耦合器对应的微环光开关为相邻的两个微环光开关，第二个多模干涉耦合器对应的微环光开关与第三个多模干涉耦合器对应的微环光开关为相邻的两个微环光开关。
进一步地，所述光子数模转换器包括n个电数字信号输入端口和3个光信号输入输出端口；
所述n个电数字信号输入端口与n个微环光开关匹配，用于输入要求进行转换的数字电信号；
所述3个光信号输入输出端口包括输入端口Input、输出端口Output和输出端口LSB_Output；其中，输入端口Input为光源输入端口，输入与所述微环光开关的谐振波长相一致的光波信号；输出端口Output用于输出光子数模转换后的光模拟信号；输出端口LSB_Output为最后一级多模干涉耦合器的输出端口。
进一步地，所述输出端口LSB_Output输出的光信号，经相同的晶态微环光开关的损耗后，与所述光子数模转换器最低位的光强相同，作为最低数字位的模拟参考输出信号，用于输出模拟光信号的校准定量。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种光电集成的光子数模转换器的控制方法，包括以下步骤：
获取要求进行转换的数字电信号；
根据数字电信号控制每个所述微环光开关上的相变调制单元，以使相变调制单元处于晶态或非晶态；
接收从各个所述微环光开关耦合过来的光信号，以对光信号进行求和，实现数字电信号到模拟光信号的数模转换。
本发明的有益效果是：本发明使用多模干涉耦合器进行分光，以此产生光功率为P/2i的光输出阵列，只需要一个光源，不需要使用光源波长均不相同且光源功率为P/2i阵列的光源；另外，本发明使用了空分复用技术而非波分复用技术，不需要使用光源波长均不相同的光源。总的来说，本发明的光子数模转换器降低了***复杂度，降低了成本，提高了抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是传统的光子数模转换器示意图；
图2是本发明实施例中光子数模转换器示意图；
图3是本发明实施例中多模干涉耦合器的电场分布图；
图4是本发明实施例中微环光开关状态切换前后的输出模拟光信号透过率示意图；
图5是本发明实施例中2bit光子数模转换器示意图；
图6是本发明实施例中2bit光子数模转换器在各个数字信号输入下的模拟光输出图；
图7是本发明实施例中2bit光子数模转换器的状态转换示意图；
图8是本发明实施例中N bit光子数模转换器的状态转换示意图；
图9是本发明实施例中多模干涉耦合器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
基于现有的技术问题，本次发明拟引入空间维度对应的空分复用技术，通过模干涉耦合器与微环光开关阵列实现输入光信号在空域的分光，进而通过独立的数字位电激励有源控制，最终输出多单元复用的模拟光信号，由于其能够独立于时间、波长、偏振、正交调制等维度之外，在空间维度进一步提高***信号处理效率。
实施例1
本实施例提供了一种2bit的单通道光输入光子模数转换器，其结构如图5所示，包括两个50％:50％分光的多模干涉耦合器14、15，两个微环光开关16、17，相变调制单元18、19，输出波导20。
作为一种可选的实施方式，参见图9，所述多模干涉耦合器(简称MMI单元)包括Taper波导22、24、26和多模干涉区23，可用作1×2的分束器。输入光通过输入波导21输入Taper波导的输入侧22，在多模干涉区23激发偶数阶模式，在二重像位置处将光能量分别导出到Taper波导的输出侧的两条波导24、26中，实现光信号的等功率分束，最后通过输出波导25、27分别输出两束光信号。
具体地，Taper波导的形状呈梯形，厚度为220nm、长度为15μm，其中一边的宽度为400nm，另一边的宽度为1.1μm；在输出侧，两条波导之间的距离为1.5μm。多模区宽度为3μm，长度为7.75μm。如图3所示，以此设计的MMI单元把输入波导中的光均分为功率相等的两束光在输出波导中输出，图3为多模干涉耦合器在1550波长处多模干涉区的电场分布图。
作为一种可选的实施方式，所述微环光开关和输出波导的波导结构为宽400nm、厚220nm。各微环光开关的微环的半径相同，微环半径为5μm，环与直波导的间隙为100nm，环上放置有相变调制单元，采用的相变材料为Sb2S3，相变材料宽度为0.3μm，长度为1μm，厚度为20nm；可通过激光脉冲或者电加热调节Sb2S3晶态(介电常数为εc＝3.3+0i)与非晶态(介电常数为εa＝2.7+0i)之间切换，最终调节波导的有效折射率，使谐振波长发生相移，进而实现开关的切换。如图4所示，图4为其晶态和非晶态Through端口在1522nm～1532nm处输出模拟光信号的透过率输出曲线，当相变材料Sb2S3的相态为晶态时，微环谐振器谐振波长为1528.59nm，through端口的输出模拟光信号透射率为0.830106。当相变材料Sb2S3的相态为非晶态时，微环谐振器谐振波长蓝移至为1527.12nm，through端口输出光信号透射率为0.828645。
可选地，选取1527.12nm为工作波长，则当相变材料Sb2S3的相态为非晶态时，through端口透射率为0.828645，为“开”状态；当相变材料Sb2S3的相态为晶态时，through端口透射率为0.0167447，为“关”状态。
作为一种可选的实施方式，参见图5，所述光子数模转换器利用了相位匹配原理，所述微环光开关相邻环之间的间距为Λ，满足方程2γΛ＝q2π，即相邻环之间的间距为输入光波长的整数倍，则相邻环之间相位差等于2π的整数倍，因此每个环耦合到输出波导的光相位相同，因此最后每个环耦合到输出波导的光相位相同，继而发生相长干涉后叠加输出。
在本实施例中，所述的多模干涉耦合器将输入光分为功率各为原来的两束，一束输入微环光开关，另一束输入下一个多模干涉耦合器，下一个多模干涉耦合器将输入光分为功率各为原来/>的两束。两个50％:50％分光的多模干涉耦合器MMI，将单一波长的光分离为分别为输入功率/>和/>的两束，并分别输入到微环光开关16、17中，输入微环光开关的光功率对应为相应数字位的参考权重，二进制数字信号a1、a0加载在相变微环光开关上。当a1a0＝11时，Output端口输出的功率为/>当a1a0＝10时，Output端口输出的功率为当a1a0＝01时，Output端口输出的功率为/>当a1a0＝00时，Output端口输出的功率为0；图7展示了二进制数字逻辑信号到光模拟信号的状态转换关系。
具体地，图6展示了光源为5W的1527.12nm连续波光源时，在各个数字信号输入下的模拟光输出。位态切换完成，该2bit光子数模转换器在6ns内可达到稳定状态。数字信号为“为0”时输出功率为约0.123W，数字信号为“01”时输出功率为约0.779W，数字信号为“10”时输出功率为约1.814W，数字信号为“11”时输出功率为约2.595W。以输出为数值1，即二进制“01”时的功率进行归一化，则“00”、“01”、“10”、“11”的输出分别为0.158、1.000、2.329、3.331。
实施例2
本实施例提供了一种N bit的单通道光输入光子模数转换器，其结构如图2所示，包括多个50％:50％分光的多模干涉耦合器阵列1-4，多个微环光开关5-8，相变调制单元9-12、输出波导13。
作为一种可选的实施方式，参见图9，所述多模干涉耦合器(简称MMI单元)包括Taper波导22、24、26和多模干涉区23，可用作1×2的分束器。输入光通过输入波导21输入Taper波导的输入侧22，在多模干涉区23激发偶数阶模式，在二重像位置处将光能量分别导出到Taper波导的输出侧的两条波导24、26中，实现光信号的等功率分束，最后通过输出波导25、27分别输出两束光信号。
具体地，Taper波导的形状呈梯形，厚度为220nm、长度为15μm，其中一边的宽度为400nm，另一边的宽度为1.1μm；在输出侧，两条波导之间的距离为1.5μm。多模区宽度为3μm，长度为7.75μm。以此设计的MMI单元把输入波导中的光均分为功率相等的两束光在输出波导中输出。
作为以下可选的实施方式，所述微环光开关和输出波导的波导结构为宽400nm、厚220nm。微环半径为5μm，环与直波导的间隙为100nm，环上放置有相变调制单元，采用的相变材料为Sb2S3，相变材料宽度为0.3μm，长度为1μm，厚度为20nm；可通过激光脉冲或者电加热调节晶态(介电常数为εc＝3.3+0i)与非晶态(介电常数为εa＝2.7+0i)之间切换，最终调节波导的有效折射率，使谐振波长发生相移，进而实现开关的切换。
具体地，选取1527.12nm为工作波长，则当相变材料Sb2S3的相态为非晶态时，through端口透射率为0.828645，为“开”状态；当相变材料的Sb2S3相态为晶态时，through端口透射率为0.0167447，为“关”状态。
作为一种可选的实施方式，参见图2，所述光子数模转换器利用了相位匹配原理，所述微环光开关相邻环之间的间距为Λ，满足方程2γΛ＝q2π，即相邻环之间的间距为输入光波长的整数倍，则相邻环之间相位差等于2π的整数倍，因此每个环耦合到输出波导的光相位相同，因此最后每个环耦合到输出波导的光相位相同，继而发生相长干涉后叠加输出。
作为一种可选的实施方式，参见图2，所述光子数模转换器有N个电数字信号输入端口和3个光信号输入输出端口，N个电数字信号输入端口输入要求进行转换的数字信号，光信号输入输出端口包括一个输入端口和两个输出端口，输入端口Input为光源输入端口，输入与所述微环光开关谐振波长相一致的光波信号，输出端口Output为光子数模转换后的光模拟信号，输出端口LSB_Output为最后一级多模干涉耦合器的输出端口，经相同的晶态微环光开关的损耗后，与所述光子数模转换器最低位的光强相同，可以作为最低数字位的参考输出信号，用于输出模拟光信号的校准定量。
在本实施例中，所述的多模干涉耦合器(即MMI)将输入光分为功率各为原来P/2的两束，一束输入微环光开关，另一束输入下一个多模干涉耦合器，下一个多模干涉耦合器将输入光分为功率各为原来P/4的两束,以此类推。通过50％:50％分光的多模干涉耦合器MMI阵列，将单一波长的光分离为分别为原来功率P/2i的N束，并输入到相应位的微环光开关中，对应为不同数字位的参考权重，数字信号加载在相变微环光开关上，相应的相变微环光开关对对应数字位的光信号进行调制，实现数字电子信号到光模拟信号的转换。图8展示了该数模转换器的数字输入与模拟输出的状态转换关系。
实施例3
本实施例还提供一种光电集成的光子数模转换器的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取要求进行转换的数字电信号；
S2、根据数字电信号控制每个所述微环光开关上的相变调制单元，以使相变调制单元处于晶态或非晶态；
S3、接收从各个所述微环光开关耦合过来的光信号，以对光信号进行求和，实现数字电信号到模拟光信号的数模转换。
本实施例与上述的光子数模转换器具有一一对应的关系，因此具备相应的功能及有益效果。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，包括：
n个多模干涉耦合器，所述n个多模干涉耦合器采用串联的方式连接，每个所述多模干涉耦合器用于对输入的光进行50％:50％分光；
n个微环光开关，所述n个微环光开关与所述n个多模干涉耦合器匹配，每个所述微环光开关上均设有相变调制单元；
控制模块，用于根据数字电信号对每个所述微环光开关上的相变调制单元进行控制，以使相变调制单元处于晶态或非晶态；
输出波导，用于接收从各个所述微环光开关耦合过来的光信号，以对光信号进行求和，实现数字电信号到模拟光信号的数模转换；
其中，n为大于或等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，所述多模干涉耦合器采用一端口输入、两端口输出的分束器结构进行设计；
设输入光的功率为P，第一个多模干涉耦合器将该输入光分为功率为的两束光信号，其中一束光信号输入与该第一个多模干涉耦合器对应的微环光开关，另一束光信号输入下一个多模干涉耦合器；
第i个多模干涉耦合器用于将由上一个多模干涉耦合器传输过来的光信号分解为两束功率为P/2i的光信号，其中一束光信号输入与该第i个多模干涉耦合器对应的微环光开关，另一束光信号输入下一个多模干涉耦合器。
3.根据权利要求1或2所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，所述多模干涉耦合器包括Taper波导和多模干涉区；
所述Taper波导设置在所述多模干涉区的两侧，用于输入和输出光信号；其中输入侧设有一个端口，输出侧设有两个端口；
光信号在所述多模干涉区激发偶数阶模式，并在二重像位置处将光能量导出两束光信号，传输至Taper波导输出侧的两条波导中，实现光信号的等功率分束。
4.根据权利要求1所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，所述相变调制单元采用相变材料制成，所述相变材料为Sb2S3、Ge2Sb2Se4Te1或者Ge2Sb2Te5。
5.根据权利要求1或4所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，所述控制模块通过激光脉冲或者电加热方式控制相变调制单元在晶态与非晶态之间切换。
6.根据权利要求1所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，n个所述微环光开关上的微环的半径相同。
7.根据权利要求1所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，相邻两个微环光开关之间的间距Λ满足以下关系：
2γΛ＝q2π
其中，γ为波导的传输常数，q为一个正整数。
8.根据权利要求1所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，所述光子数模转换器包括n个电数字信号输入端口和3个光信号输入输出端口；
所述n个电数字信号输入端口与n个微环光开关匹配，用于输入要求进行转换的数字电信号；
所述3个光信号输入输出端口包括输入端口Input、输出端口Output和输出端口LSB_Output；其中，输入端口Input为光源输入端口，输入与所述微环光开关的谐振波长相一致的光波信号；输出端口Output用于输出光子数模转换后的光模拟信号；输出端口LSB_Output为最后一级多模干涉耦合器的输出端口。
9.根据权利要求8所述的一种光电集成的光子数模转换器，其特征在于，所述输出端口LSB_Output输出的光信号，经相同的晶态微环光开关的损耗后，与所述光子数模转换器最低位的光强相同，作为最低数字位的模拟参考输出信号，用于输出模拟光信号的校准定量。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种光电集成的光子数模转换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取要求进行转换的数字电信号；
根据数字电信号控制每个所述微环光开关上的相变调制单元，以使相变调制单元处于晶态或非晶态；
接收从各个所述微环光开关耦合过来的光信号，以对光信号进行求和，实现数字电信号到模拟光信号的数模转换。
CN202310458606.9A 2023-04-25 2023-04-25 一种光电集成的光子数模转换器及方法 Pending CN116520618A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310458606.9A CN116520618A (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种光电集成的光子数模转换器及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310458606.9A CN116520618A (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种光电集成的光子数模转换器及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116520618A true CN116520618A (zh) 2023-08-01

Family

ID=87398793

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310458606.9A Pending CN116520618A (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种光电集成的光子数模转换器及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116520618A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117240368A (zh) * 2023-11-16 2023-12-15 鹏城实验室 光域频谱合成***及光域频谱合成方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117240368A (zh) * 2023-11-16 2023-12-15 鹏城实验室 光域频谱合成***及光域频谱合成方法
CN117240368B (zh) * 2023-11-16 2024-02-20 鹏城实验室 光域频谱合成***及光域频谱合成方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shi et al. Scaling capacity of fiber-optic transmission systems via silicon photonics
Al-Qadasi et al. Scaling up silicon photonic-based accelerators: Challenges and opportunities
Urino et al. First demonstration of high density optical interconnects integrated with lasers, optical modulators, and photodetectors on single silicon substrate
Yegnanarayanan et al. Recirculating photonic filter: a wavelength-selective time delay for phased-array antennas and wavelength code-division multiple access
CN110703851B (zh) 一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器
McKay et al. Brillouin-based phase shifter in a silicon waveguide
CN112180653B (zh) 一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元
CN116520618A (zh) 一种光电集成的光子数模转换器及方法
CN113655674B (zh) 基于环形谐振腔光学***的异或和同或逻辑门
CN111766662B (zh) 一种通用型硅基集成光波导模式转换器
CN109491175B (zh) 一种基于模式复用的可重构导向逻辑器件
Qiu et al. Recent advances in integrated optical directed logic operations for high performance optical computing: a review
Sun et al. MO detector (MOD): a dual-function optical modulator-detector for on-chip communication
CN113219760B (zh) 一种基于光谱整形的数模转换方法及***
Xu et al. Parallel optical coherent dot-product architecture for large-scale matrix multiplication with compatibility for diverse phase shifters
CN116739063A (zh) 一种基于多模干涉仪以及相干检测的神经网络加速器
Soref N x N x Mλ electro-optical nanobeam wavelength-multiplexed cross-connect switches using push-push addressing
Yuan et al. Reconfigurable Optical Directed Logic Circuits Based on Mode Division Multiplexing Technology
CN109314678B (zh) 信号发生器及发射器
Guo et al. Ultracompact, Scalable and Flexible Multi-Order Mode Converter for TE 0/TE 1 Dual-Mode Input
Xu et al. High-energy-efficiency integrated photonic convolutional neural networks
JP6126521B2 (ja) 多値光強度変調器
CN113872698A (zh) 低驱动电压多波长发射器
Liu et al. An energy-efficient non-volatile silicon photonic accelerator for convolutional neural networks (NVSP-CNNs)
CN114296293B (zh) 基于光学单环镶嵌式谐振腔的二选一数据选择器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination