一种相变光学模数转换器

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种相变光学模数转换器。


背景技术：

2.目前世界上的大多数数据在光纤中传播，光纤具有高通道速率、高吞吐量的特点。然而，在功率损耗和吞吐量方面，信息网络的瓶颈在于其边缘连接和接口的限制，即数字系统或传感器的输入/输出(i/o)需要进行数模/模数转换。此外，电光/光电(eo/oe)转换通常是典型的基于数字信号处理(dsp)的高速光数据链路中最耗电的元件。
3.光子集成电路(pic)已经显示出满足高数据处理能力的潜力，具有低延迟和低功耗的优点。然而，当与电子数字体系结构连接时，光子平台的性能受到与电子设备的接口的限制。这些接口通常受到带宽以及数模/模数转换器(dac/adc)的分辨率的限制，此外，电学和光学之间的繁琐的域交叉也是如此。
4.目前所有的光网络都需要在其边缘进行这些转换，如何优化这些转换以满足未来对大数据处理和低延迟数据访问的需求已经成为了一项挑战。而且，数字(模数混合)信号处理系统的最终延迟、吞吐性能和功耗都受到正在快速接近其基本物理极限的cmos工艺的限制。因此，一种无源、可以减少光-电-光域转换的全光模数转换器对于高质量的光网络是极其重要的。


技术实现要素：

5.基于以上问题，本发明的目的在于提供一种用于光网络的相变光学模数转换器，以减少信号在光-电-光域之间的转换，减少资源消耗。
6.本发明提供的相变光学模数转换器，是在多模干涉仪（mmi）的不同输出端口上覆盖不同宽度相变材料，来实现模数转换器。波导上覆盖相变材料无需考虑面积的增加，也不会引入额外功率；通过光脉冲使得波导上覆盖的晶态相变材料发生局部相变。
7.本发明中，所述相变材料，可以用具备非易失特性的相变转换材料，同时伴随吸收系数的变化，例如为gst（具体是ge2sb2te5）、te等；或者用其他具备光吸收转变阈值的非线性材料；所述相变材料可通过pvd、pecvd、ald、热蒸发等方法沉积在波导上。
8.本发明中，所述相变材料上覆盖有保护层，保护层材料选自ito、sio2、al2o3、hfo2等。可以采用pvd、pecvd、ald等方法在相变材料上沉积保护层。
9.由于通过光脉冲使得波导上覆盖的晶态相变材料发生局部相变，所述相变材料变为部分非晶态，而晶态对光的吸收比非晶态强，因此相变后光的透射率增强。且不同宽度相变材料相变的难易程度不同，越难发生相变的通道代表了更高的编码有效位。
10.例如，对于一个2bit相变模数转换器，需要至少3通道的输出，把三个通道都未相变的状态编码为00，最容易相变的通道发生相变的状态编码为01，次容易相变的通道发生相变的状态编码为10，最难相变的通道发生相变的状态编码为11。
11.本发明还提供一种便于集成的用于光网络中的相变光学模数转换器，通过采用多个多模干涉仪（例如1x2mmi）级联，达到集成的效果。具体地，级联的多模干涉仪的不同输出端口上覆盖不同宽度相变材料，来实现模数转换器。
12.其中，1x2mmi的参数可参考流片厂家所提供的pdk。
13.本发明的用于光网络的相变光学模数转换器，可以减少信号在光-电-光域之间的转换，减少资源消耗。此外，相对于其他光学数模转换器，相变材料的覆盖不会增加额外面积，因此规模较小，便于集成。
附图说明
14.图1为本发明的2bit相变模数转换器结构示意图。
15.图2为本发明的便于集成的2bit相变模数转换器结构示意图。
16.图中标号：10为1x3mmi，11为1微米宽gst，12为2微米宽gst，13为4微米宽gst，14为输入端口，15为输出端口1，16为输出端口2，17为输出端口3，18为1x2mmi。
具体实施方式
17.实施例1：本实施例提供一种2bit相变光学模数转换器，其结构如图1所示。
18.其中，1x3mmi（10），其长度40微米，宽度11微米，波导宽度1.3微米，波导间宽度2.4微米。
19.选用si片、si3n4片等制作此相变光学模数转换器。具体通过微纳加工工艺在si3n4片上制造出1x3mmi。
20.采用pvd技术，分别在1x3mmi的三个不同输出波导上沿波导的方向覆盖1微米、2微米、4微米的相变材料gst(11、12、13)。
21.采用pvd技术，在gst上覆盖一层保护层ito。
22.将片子在250℃热板上加热5分钟，使gst转变为晶态，之后进行光学测试。
23.当一束激光脉冲从输入相变光学模数转换器的输入端口（14）时，经过1x3mmi，将光功率等分为三份，之后分别通过三种不同宽度gst覆盖的波导，大于gst相变临界点的光脉冲使得gst发生局部相变。
24.4微米宽gst由于对光的吸收最强，因此相变也最容易；而1微米宽gst对光吸收最弱，相变最困难：2微米宽gst介于两者之间。
25.在相变光学模数转换器的三个输出端口（15、16、17）进行光探测，探测到光投射率有突变，则说明该通道上gst发生了相变。
26.将使得4微米gst相变的光脉冲编码为01，将使得2微米宽gst相变的光脉冲编码为10，将使得1微米宽gst相变的光脉冲编码为11，而将三者均不发生相变的光脉冲编码为00。在此之后，需要用一个光脉冲使得三种宽度的gst恢复到初始晶态，再让下一个脉冲激光发射进来。
27.实施例2：本实施例提供一种集成的相变光学模数转换器。对于更高分辨率的模数转换器，可采用多个1x2mmi级联。
28.如图2所示，采用三个1x2mmi（18）级联，此时有4个输出通道，在前三个通道的波导上分别覆盖1微米、2微米、4微米的相变材料gst，舍弃一个通道即可。
29.其余步骤与实施例1一致。


技术特征：
1.一种相变光学模数转换器，其特征在于，包括多模干涉仪以及覆盖在多模干涉仪的不同输出端口上不同宽度的相变材料，通过光脉冲使得波导上覆盖的晶态相变材料发生局部相变。2.根据权利要求1所述的相变光学模数转换器，其特征在于，所述相变材料，为具备非易失特性的相变转换材料，同时伴随吸收系数的变化，或者为具备光吸收转变阈值的非线性材料。3.根据权利要求2所述的相变光学模数转换器，其特征在于，所述相变材料为ge2sb2te5或te。4.根据权利要求1、2或3所述的相变光学模数转换器，其特征在于，所述相变材料上覆盖有保护层，保护层材料选自ito、sio2、al2o3、hfo2。5.根据权利要求1、2或3所述的相变光学模数转换器，其特征在于，通过光脉冲使得波导上覆盖的晶态相变材料发生局部相变，所述相变材料变为部分非晶态，而晶态对光的吸收比非晶态强，因此相变后光的透射率增强；且不同宽度相变材料相变的难易程度不同，越难发生相变的通道代表更高的编码有效位。6.根据权利要求1、2或3所述的相变光学模数转换器，其特征在于，对于一个2bit相变模数转换器，至少有3通道的输出，把三个通道都未相变的状态编码为00，最容易相变的通道发生相变的状态编码为01，次容易相变的通道发生相变的状态编码为10，最难相变的通道发生相变的状态编码为11。7.根据权利要求6所述的相变光学模数转换器，其特征在于，所述多模干涉仪由多个子多模干涉仪级联组成。

技术总结
本发明属于光通信技术领域，具体为一种相变光学模数转换器。本发明相变光学模数转换器包括多模干涉仪以及覆盖在多模干涉仪的不同输出端口上不同宽度的相变材料；相变材料为具备非易失特性的相变转换材料或者为具备光吸收转变阈值的非线性材料；通过光脉冲使得波导上覆盖的晶态相变材料发生局部相变，相变材料变为部分非晶态，而晶态对光的吸收比非晶态强，因此相变后光的透射率增强；且不同宽度相变材料相变的难易程度不同，越难发生相变的通道代表更高的编码有效位。本发明的相变光学模数转换器可以减少信号在光-电-光域之间的转换，减少资源消耗。相对于其他光学数模转换器，相变材料的覆盖不会增加额外面积，因此规模较小，便于集成。便于集成。便于集成。


技术研发人员：程增光 周鹏 王高飞
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2022.05.25
技术公布日：2022/8/2