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基于克尔非线性效应的全光数模转换

在虚拟世界中,数据以数字方式进行存储和处理。模数转换器(ADC)及其对应的数模转换器(DAC)是物理世界和虚拟数字世界之间不可或缺的纽带。在现有大容量通信网络中,这些数据以光的方式高速传输。在光通信、成像和激光雷达系统等前沿应用的推动下,对性能更高且可扩展的ADC和DAC的需求不断增加。在当前应用中所部署的ADC基本是在电子领域中作为集成电路实现,其中需要大量电路来执行将连续信号量化为高保真离散数据流所需的复杂操作。这些组件的处理工作量会限制电子ADC的性能,用户只能在速度和保真度之间进行选择。在应用中,首选的方法是将模拟光信号数字化而无需进行光电转换,因为这样可以在提高处理速率的同时降低功耗。研究人员对光子ADC的开发已做出大量努力,近年来已经提出并实验验证了诸多解决方案。一般来讲,基于非线性光纤和体光学的系统具有更好的性能指标,但它们笨重且不可扩展。可扩展并能被大规模制造的集成光子ADC已成为当前最先进的高性能光子ADC领域的研究重点。

本文中,作者提出并实验验证了一种光子ADC,该方案利用经过特殊设计的光波导作为关键器件,并利用其克尔非线性效应实现全光数模转换。此特殊设计的集成光波导同时具有较高的非线性系数和较低的传输损耗,并且可以在几乎瞬时的飞秒响应时间内和低功率水平下对光采样信号进行直接量化。当采样光脉冲通过此高非线性光波导后,由于自相位调制效应,光脉冲将根据其光功率的变化而产生不同程度的光谱展宽和分裂。利用这一效果,可以将光脉冲的峰值功率变化与频率变化相关联。换句话说,功率的变化被映射为频率上的变化,通过探测输出信号的频率分量即可确定所对应的脉冲功率水平。因此,通过对波导输出的特定波长的光谱进行滤波、探测、二进制判决和编码就可实现高速全光数模转换。

实验使用的光波导是50 cm长的高折射率掺杂石英玻璃波导,其中间嵌入了约20 nm厚的硅纳米晶体(Si-nc)薄层。波导的全长可以封装在2 mm × 2 mm的区域内,使其具有良好的可扩展性。实验证实了添加Si-nc层可使波导的非线性系数提升三倍,比普通高非线性光纤和色散位移光纤分别高20倍和100倍。除了增强的非线性系数之外,添加Si-nc层仅将其电信频段的传播损耗增加到了约0.16 dB/cm的可接受水平。

(a)全光ADC的示意图。(b)具有不同光功率水平的四个采样脉冲。(c)相应的光谱展宽和分裂。实线表示决策通道,虚线表示决策阈值。

为进行概念性证明,使用商用C波段的飞秒激光器进行实验,并在两个特定波长下进行了滤波和探测,成功演示了低功耗的2-bit位光子ADC,其能效为19.55 pJ/bit。可以预期的是,使用更长的波导以及更好的光纤到波导耦合,可以增加所提光子ADC的量化分辨率,随着分辨率的增加,每量化比特位的能量效率也会相应提高。与其他光子ADC(例如基于光纤设备的方案)相比,文中提出的ADC结构更紧凑且功耗更低。更重要的是,该光波导的制造工艺与CMOS工艺完全兼容,方案中用于频率分选的滤波元件可以制造在同一芯片上,因此极具低成本大规模片上生产的潜力。

领导本项研究工作的朱世德博士提出,基于非线性光学效应,本方案可以无源地对输入光信号的功率水平进行量化,并降低了整体复杂度。本方案设计的简单性使其具有更高的处理速度和更低的功耗。在这一鼓舞性研究成果的基础上,团队正在开展的任务是进一步提升光子ADC的性能并将其进行扩展。通过进一步优化光波导的非线性、色散、传播和插入损耗来提升量化分辨率,以及将方案中所有必需的组件都集成在同一芯片上,真正意义上实现与CMOS工艺兼容的片上集成光子ADC。

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