片上光电收发引擎

1.本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种片上光电收发引擎。


背景技术：

2.光通信以其频带宽、通信容量大、抗电磁干扰能力强等诸多优点正日渐成为通信领域中的不可或缺的一部分。随着光通信的普及，光通信如何与电计算融合与衔接成为了一个攻克的难点。随着日常通信数据量的急剧增大，通信领域中对数据传输速率的要求也飞速增长。传统的冯诺依曼架构的数据形式由于功耗、效能、速率等方面都日渐体现出不足。因此，新型数据连接方式，新型数据传递方式的发展趋势必然是高速、柔性、大带宽、可拓展的。因此，一个高转换速率、高集成度、低能耗的光电转换与收发引擎是必不可少的。
3.另一方面，微波光子学是光学和微波技术的一门交叉学科。微波光子学技术采用光学的手段来产生、处理、分配和操纵微波信号，其广泛应用于国防、通信网络、成像和现代仪器等场合。集成微波光子学应用多种光学器件进行光、电信号的处理，其发展的方向主要有，基于同一材料平台单片集成，通过在工艺上寻求改善，突破材料体系的限制、提升原有器件的性能。因此在光通信中，高速率高集成度、低能耗，且具有可替换性、可拓展性的光电信号收发转换引擎有着极大的需求。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种片上光电收发引擎，以期至少部分地解决上述技术问题。
6.(二)技术方案
7.本发明提供一种片上光电收发引擎，包括：发射单元，用于将串行数字电信号调制转变为并行输出的多路光信号，包括依次连接的第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3和发射波导4，以及连接所述发射波导4输入端的激光阵列5，所述微环调制器3为至少两个，所述微环控制驱动2和所述发射波导4均与所述微环调制器3数量相同；接收单元，用于将所述多路光信号转换为单路数字电信号，包括依次连接的接收波导8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器9，所述接收波导8、光电探测器7和跨阻放大器6均与所述微环调制器3数量相同。
8.进一步地，所述激光阵列5与所述发射波导4耦合连接，所述激光阵列5是多通道激光阵列，作为并行发射至少两路激光的激光源，所述激光阵列5发射的至少两路激光分别进入至少两个所述发射波导4中，以保证每路激光与每个所述发射波导4一一对应。
9.进一步地，所述第一串并转换器1用于将所述串行数字电信号按照时序转换为至少两路并行电信号，并分别输入到所述微环控制驱动2中；所述微环控制驱动2用于将所述并行电信号输出为高低电平，进而控制所述微环调制豁3；至少两个所述微环调制器3工作于所述激光阵列5的波长位置。
10.进一步地，所述发射波导4用于输出所述光信号，每个所述发射波导4与每个所述微环调制器3耦合相连，所述激光阵列5发射的激光分别进入到至少两个所述发射波导4中，所述微环调制器3在所述微环控制驱动2的作用下发生微环谐振波长改变，分别对每一路的激光进行调制，其中：当所述微环谐振波长与所述激光阵列5出射光的波长相同时，所述激光阵列5出射光被所述微环调制器3吸收而不通过所述发射波导4出射；当所述微环谐振波长偏离所述激光阵列5出射光的波长时，所述激光阵列5出射光不被所述微环调制器3吸收而通过所述发射波导4出射。
11.进一步地，至少两个所述接收波导8用于接收所述发射单元并行输出的多路光信号，每个所述光电探测器7用于将每个所述接收波导8的出射光信号的高低光强转换为电信号的高低电平。
12.进一步地，所述微环调制器3采用热控的方式，受所述微环控制驱动2的调控。
13.进一步地，所述微环调制器3为all-pass型微环调制器。
14.进一步地，所述all-pass型微环调制器包括all-pass型微环301、第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303，其中：所述all-pass型微环301和所述发射波导4通过耦合相连，所述第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303分别敷设于所述all-pass型微环301的第一部位和第二部位，所述第二部位位于所述all-pass型微环301和所述发射波导4的耦合端，所述第一部位位于所述all-pass型微环301上且不在所述耦合端的其他位置；所述第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303均通过外加电压产生热量，以调节所述all-pass型微环301的谐振峰位置以及消光比。
15.进一步地，所述跨阻放大器6用于将所述光电探测器7出射的电信号进行放大，所述第二串并转换器9用于将至少两路所述跨阻放大器6出射的电信号进行合路，并按照时序转换为所述单路数字电信号。
16.进一步地，所述第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3、发射波导4和激光阵列5均采用单片集成的方式制作；所述接收波导8、光电探测豁7、跨阻放大器6和第二串并转换器9均采用单片集成的方式制作。
17.(三)有益效果
18.基于上述技术方案，本发明的片上光电收发引擎相对于现有技术具有如下优点：
19.(1)本发明的片上光电收发引擎结构简单，易于集成，具有可拓展性，利用串并转换的方式，将信号分成多路传输多路处理，减少了调制速率上的限制。同时也利用了光信号传输的高带宽、高容量、高抗扰的特点，提高了数据的传输质量。
20.(2)本发明的片上光电收发引擎采用单片集成的方式，将整个引擎制成模块化单片，可以直接通过片间耦合的方式应用到不同的光电转换模块中，实现收发的功能，同时由于其单片高集成度与简单的连接方式，因此具有可替换性。
附图说明
21.图1是本发明实施例的片上光电收发引擎的结构示意图；
22.图2是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的结构示意图；
23.图3是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的频率响应示意图。
24.【附图标记说明】
25.1、第一串并转换器；2、微环控制驱动；3、微环调制器；4、发射波导；5、激光阵列；6、跨阻放大器；7、光电探测器；8、接收波导；9、第二串并转换器；301、all-pass型微环；302、第一微环热调控制器；303、第二微环热调控制器。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
27.应该理解的是，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
28.本发明提供了一种片上光电收发引擎，可以实现光电信号之间的高速率，高效率转换。本发明公开了一种片上光电收发引擎，采用了微环调制的方式对光信号进行数字调制，光电混合单片集成，光电协同计算，在发射端将单路电信号转变多路光信号调制并传输，在接收端将多路光信号接收并转变为单路电信号，实现了光电信息交互。
29.图1是本发明实施例的片上光电收发引擎的结构示意图。
30.如图1所示，该片上光电收发引擎可以包括：
31.发射单元，用于将串行数字电信号调制转变为并行输出的多路光信号，包括依次连接的第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3和发射波导4，以及连接发射波导4输入端的激光阵列5，微环调制器3为至少两个，微环控制驱动2和发射波导4均与微环调制器3数量相同；
32.接收单元，用于将多路光信号转换为单路数字电信号，包括依次连接的接收波导8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器9，接收波导8、光电探测器7和跨阻放大器6均与微环调制器3数量相同。
33.本发明实施例中，第一串并转换器1、微环控制驱动2和微环调制器3依次用电导线连接，微环调制器3用于对发射波导4中的光进行调制。
34.如图1所示，由于微环控制驱动2、微环调制器3和发射波导4的数量均相同且为至少两组，每一组微环控制驱动2、微环调制器3和发射波导4组成一个发射通道，也就是说，发射单元中具有至少两个发射通道。
35.本发明实施例中，激光阵列5与发射波导4耦合连接，激光阵列5是多通道激光阵列，作为并行发射至少两路激光的激光源，激光阵列5发射的激光波长数量与发射波导4数量相同。也就是说，激光阵列5发射的至少两路激光分别进入至少两个发射波导4中，以保证每路激光与每个发射波导4一一对应。
36.进一步地，发射单元中，第一串并转换器1用于将串行数字电信号按照时序转换为至少两路并行电信号，并分别进入到微环控制驱动2中；微环控制驱动2用于将并行电信号输出为高低电平，进而控制微环调制器3；至少两个微环调制器3工作于激光阵列5的波长位置。
37.微环调制器3采用热控的方式，受微环控制驱动2的调控。
38.进一步地，发射单元中，发射波导4用于光信号输出，每个发射波导4与每个微环调
制器3耦合相连，激光阵列5发射的激光分别进入到至少两个发射波导4中，微环调制器3在微环控制驱动2的作用下发生微环谐振波长改变，分别对每一路的激光进行调制，其中：
39.当微环谐振波长与激光阵列5出射光的波长相同时，激光阵列5出射光被微环调制器3吸收而不通过发射波导4出射；
40.当微环谐振波长偏离激光阵列5出射光的波长时，激光阵列5出射光不被微环调制器3吸收而通过发射波导4出射。
41.也就是说，参照图1，在微环控制驱动2的作用下，微环调制器3中热控器的温度发生改变，使得微环谐振波长发生变化，对发射波导4中的激光进行调制。当微环谐振波长与激光阵列5出射光的波长相同时，激光阵列5出射光被微环调制器3吸收发生谐振；而当微环谐振波长偏离激光阵列5出射光的波长时，激光阵列5出射光通过发射波导4出射，因此可以通过控制微环调制器3达到对发射波导4的出射光信号的数字调制。
42.本发明实施例中，接收单元中，接收波导8和光电探测器7通过光波导连接，光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器9依次通过电导线连接。
43.接收波导8为至少两个，用于接收发射单元并行输出的多路光信号，每个光电探测器7用于将每个接收波导8的出射光信号的高低光强转换为电信号的高低电平。
44.本发明实施例中，跨阻放大器6用于将光电探测器7出射的电信号进行放大，第二串并转换器9用于将至少两路跨阻放大器6出射的电信号进行合路，并按照时序转换为单路数字电信号。
45.本发明实施例中，第一串并转换器1、微环控制驱动2、微环调制器3、发射波导4和激光阵列5均采用单片集成的方式制作；接收波导8、光电探测器7、跨阻放大器6和第二串并转换器9均采用单片集成的方式制作。
46.可以理解的是，本发明提供的片上光电收发引擎的发射单元与接收单元中通道数量可以改变，可调整为任意数量通道的片上光电收发引擎，只需同时改变微环调制器3的数量使其与激光阵列5并行发射的通道数相匹配即可。随着通道数量的增多，信息容量也将提升，但是集成芯片的制作将会难度加大。为使实际情况下易于调控，可根据实际情况调整适当的通道数量，例如，通道数量可以设定为16。
47.图2是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的结构示意图。
48.如图2所示，图中左端入射箭头表示激光阵列5向发射波导4的入射光信号，图中右端出射箭头表示发射波导4的出射光信号。本发明实施例中，微环调制器3具体为all-pass型微环调制器，包括all-pass型微环301、第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303，其中：
49.all-pass型微环301和发射波导4通过耦合相连，第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303分别敷设于all-pass型微环301的第一部位和第二部位，第二部位位于all-pass型微环301和发射波导4的耦合端，第一部位位于all-pass型微环301上且不在该耦合端的其他位置；
50.第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303均通过外加电压产生热量，以调节all-pass型微环301的谐振峰位置以及消光比。
51.图3是本发明实施例的发射单元中的微环调制器的频率响应示意图。
52.如图3所示，图中横坐标表示波长，纵坐标表示出射与入射能量比，在波谷位置表
示出现了谐振峰，该处波长的光全被吸收，而出射与入射能量比接近于1的位置表示该处波长的光可以由图2的右端箭头出射。由于图3中除了波谷位置以外的波长的光的出射能量比均接近于1，可以看出在微环调制器3的谐振峰位置对应的波长的光全被微环调制器3自身吸收，其余波长的光可由发射波导4透射。可以理解的是，该谐振峰也称为吸收峰。
53.本发明实施例中，该谐振峰的位置与消光比均可通过第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303进行调节。具体地，消光比是指图3中的波峰与波谷的深度差。
54.具体来说，结合图1、图2和图3，在发射单元中，串行数字电信号进入到第一串并转换器1后，根据时序转变为至少两路电信号，至少两路电信号分别进入到微环控制驱动2，使其达到高(例如信号数值为1)低(例如信号数值0)电平。由微环控制驱动2控制微环调制器3中的第一微环热调控制器302和第二微环热调控制器303，以调节all-pass型微环301的吸收峰位置。当all-pass型微环301的吸收峰与激光阵列5的出射波长位置重合时，此波长的光进入all-pass型微环301中，不通过发射波导4出射；反之，当all-pass型微环301的吸收峰不位于激光阵列5的出射波长位置时，此波长的光出射，因此可以对光信号进行数字调制。
55.继续参阅图1，对本发明提供的片上光电收发引擎的工作过程作进一步详细说明：
56.在发射单元中，串行数字电信号首先进入到第一串并转换器，按照时序转换为至少两路并行电信号，然后分别进入到至少两个微环控制驱动2中，由微环控制驱动2控制微环调制器3中的第一微环热调控制器302和303。激光阵列5中并行发射与发射波导4数量相同的激光至每个发射波导4中，至少两个微环调制器3分别对每路的激光信号进行调制，使其在微环控制驱动2的控制下，发生谐振峰的波长位置改变，产生数字调制的光信号由发射波导4输出，作为并行输出的多路光信号。
57.在接收单元中，与发射波导4数量相同的接收波导8一一对应接收到发射单元并行输出的多路光信号，然后通过光电探测器7将其转变为对应数字调制的电信号，在跨阻放大器6中对该电信号进行放大，进而通过第二串并转换器9进行合路，并按照时序转换为单路数字电信号。
58.至此，该片上光电收发引擎中完整的光电信号转换与发射接收过程均已完成。
59.综上所述，本发明实施例提供一种片上光电收发引擎，该片上光电收发引擎结构简单，易于集成，具有可拓展性，利用串并转换的方式，将信号分成多路传输多路处理，减少了调制速率上的限制。并且，本发明提供的片上光电收发引擎也利用了光信号传输的高带宽、高容量、高抗扰的特点，提高了数据的传输质量。
60.应该注意的是，本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间具有任何特定顺序关系。在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
61.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。