[发明专利]一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于通信系统、传感系统、信号处理系统中的集成型硅基光子模数转换器，属于集成光学技术。

背景技术

模数转换器（ADC）是联系数字世界和现实模拟世界的桥梁，其作用是将客观存在的连续的模拟信号转化为可供现代计算机处理的二进制数字信号。转换速率和转换精度是衡量ADC性能最重要的指标，是影响数字系统性能的关键因素。随着现代信号处理技术和计算机技术的不断发展，速度更快、精度更高的ADC成为电子领域的一个重要研究方向。目前，电子ADC的性能得到了飞速的提升，但是，和现代数字电子技术的发展速度相比，其步伐还远跟不上。究其原因，主要是电子ADC受到海森堡测不准原理、热噪声、孔径抖动等因素的影响，其采样速率和转换位数相互制约。

目前，随着锁模激光器技术和半导体技术的快速发展，光子ADC成为集成光学领域一个研究热点。光子ADC主要有光辅助ADC，光采用、电量化ADC，电采样、光量化ADC和光采样、光量化ADC等种类。光辅助ADC本质上还是电子ADC，在其转换过程中，通过引入一些光辅助手段，系统性能指标得到提升，但是，光辅助ADC系统一般较为复杂，运行过程中受到很多不确定因素干扰，稳定性不好。电采样、光量化ADC在电域实现采样、保持，获得阶梯型输出电压，压控激光器输出光的波长，在光域实现量化，但是，受到激光光源响应时间和非线性效应的影响，其转换位数并未有明显提高。光采样、光量化ADC一般利用光调制器实现采样，借助半导体材料的非线性效应实现量化，但是，由于光子器件的匮乏，搭建此类系统成本较高。光采样、电量化ADC充分利用锁模激光器的稳定特性，在光域实现采样，借助成熟的电子量化手段，在电域实现模数转换，具有易于实现、工艺成熟、便于集成化等特点，取得了广泛的应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种易于实现、结构紧凑、工艺成熟、价格相对低廉的基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，可以在硅基芯片上利用成熟的半导体工艺将主要部件实现单片集成，对于硅基光子学的发展有着重要的意义。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于多模干涉耦合器的硅基光子模数转换器，包括本地光源信号、3dB耦合器、相位调制器、90°光学混合器和电判决模块；

所述3dB耦合器为1×2多模干涉耦合器，用于将本地光源信号等分为两路完全一样的光源子信号；

所述相位调制器的外部信号输入端口用于接入待转换模拟电信号，内部输入端口接入其中一路光源子信号，所述相位调制器根据待转换模拟电信号使该路光源子信号产生对应的相位差，并将产生相位差的信号从内部输出端口送出；

所述90°光学混合器的输入信号为另一路光源子信号和相位调制器的内部输出端口输出的信号，用于获得具有正交特性的两路待评判光信号；

所述电判决模块的输入信号为两路待评判光信号，所述电判决模块对两路待评判光信号进行光-电转换、放大和比较，根据待评判光信号的幅度进行二进制码。

优选的，所述90°光学混合器包括2×4多模干涉耦合器、45°相移器和2×2多模干涉耦合器，记2×4多模干涉耦合器的两个输入端口分别为A端口和B端口，四个输出端口分别为1号端口、2号端口、3号端口和4号端口，其中3号端口接入45°相移器的输入端口，45°相移器的输出端口和4号端口接入2×2多模干涉耦合器的两个输入端口，记1号端口为C端口，2×2多模干涉耦合器的其中一个输出端口为D端口；所述A端口和B端口作为90°光学混合器的两个输入端口，C端口和D端口作为90°光学混合器的两个输出端口。

优选的，所述电判决模块包括顺次连接的两路光电二极管、放大器和比较器，两个光电二极管的输入信号分别为一路待评判光信号，所述比较器的阈值为设定值或相应待评判光信号的光强平均值，当待评判光信号的光强大于/大于等于阈值时比较器输出1，否则比较器输出0。

优选的，所述3dB耦合器、相位调制器和90°光学混合器均为绝缘体上的硅（SOI）脊波导结构，其工艺相当成熟，也便于集成在一块芯片上。而电判决模块由比较成熟的电子器件构成，具有易于实现、价格相对低廉等优点。

优选的，所述光源信号为激光信号。

此外，通过器件的级联，能够获得具有更高转化位数的模数转换器，在级联的过程中，光源、相位调制器的数量不变。