本發(fā)明涉及光電處理芯片，特別是涉及一種單片集成的光電芯片。

背景技術(shù)：

在信息技術(shù)的發(fā)展進程中，微電子集成電路技術(shù)扮演著重要角色，超大規(guī)模、高性能的微處芯片提供了核心技術(shù)支撐。將微電子和光電子結(jié)合起來，充分發(fā)揮微電子先進成熟的工藝技術(shù)、高密度集成及價格低廉以及光子極高帶寬、超快傳輸速率和高抗干擾性的優(yōu)勢成為信息技術(shù)發(fā)展的必然和業(yè)界的普遍共識。

目前，光電子器件種類繁多，價格昂貴，制約其大規(guī)模的應(yīng)用。近年來，光電子集成技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)新器件日新月異。2013年ibm報道了在90nmcmos工藝線集成了電路和光路的25gb/swdm系統(tǒng)，第一次實現(xiàn)了真正意義的單片光電集成。2015年，人們基于cmos絕緣體上硅技術(shù)完成了7千萬個晶體管和850個光器件的單片集成，實現(xiàn)了芯片間通信的片上光互連。但這些技術(shù)都沒有實現(xiàn)用單片集成的光電芯片將輸入光信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理。

因此，在高性能計算、光通信、微波光子學等領(lǐng)域，片上光互連技術(shù)、單一芯片光電集成技術(shù)、微波光子信號處理芯片技術(shù)已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵性技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單片集成的光信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理芯片。

技術(shù)方案：一種單片集成的光電芯片，包括集成在襯底上的至少一個輸入端、光信號處理單元、至少一個光探測器、至少一個電信號調(diào)理單元和至少一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

光信號由輸入端經(jīng)光波導輸入至光信號處理單元，接著進入光探測器進行光電轉(zhuǎn)換或拍頻，然后通過電信號調(diào)理單元進行電信號處理，得到所需的信號，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號至數(shù)字信號處理單元。

其中，所述光信號處理單元為光混合耦合器、光解復用器和光混合耦合器的組合、雙輸出端口電光調(diào)制器或光功率分配器和雙輸出端口電光調(diào)制器的組合。

所述光信號處理單元為光功率分配器與光延時波導以及光耦合器的組合、光解復用器與光延時波導以及光復用器的組合或光混合耦合器與光偏振分束器以及光耦合器的組合。

所述光信號為單個光波長的信號或是含有多個光波長的信號。

所述輸入端是輸入端口耦合器或模斑轉(zhuǎn)換器；輸入端口耦合器為光柵耦合或端面耦合，耦合器的外表面鍍有增透膜；所述光波導為集成光波導。

所述光探測器為獨立的光探測器或平衡光探測器。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是逐次逼近結(jié)構(gòu)、閃速結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、折疊與內(nèi)插結(jié)構(gòu)或是以上結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器中電數(shù)字信號的輸出端口是串行輸出或是含多根并排信號線的并行輸出。

所述襯底的材質(zhì)為半導體材料或有機化合物材料。

另一實施例，一種單片集成的光電芯片，包括集成在襯底上依次連接的輸入端、光信號處理單元、光探測器、電信號調(diào)理單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

其中，光信號由輸入端經(jīng)光波導輸入至光信號處理單元；

光信號處理單元，用于將輸入的光信息進行耦合處理、光解復用和耦合處理、電光調(diào)制、功率分配和電光調(diào)制處理、光功率分配和延時以及耦合處理、光解復用和延時以及光復用的組合處理或耦合和偏振分束處理；

光探測器包括獨立光探測器和平衡光探測器，用于對光信號進行光電轉(zhuǎn)換或拍頻；

電信號調(diào)理單元，用于對放大后的電信號進行放大、濾波、單端到差分信號轉(zhuǎn)換或它們的組合處理，得到所需的信號；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，輸出給數(shù)字信號處理單元；

數(shù)字信號處理單元對接收到的數(shù)字信號進行處理，輸出所需的數(shù)字電信號。

又一實施例，一種單片集成的光電芯片，包括集成在襯底上的輸入端、光信號處理單元、n路光電處理單元和數(shù)字信號處理單元；所述光信號處理單元包括光功率分配器和n路雙輸出端口電光調(diào)制器的組合；n路光電處理單元包括依次連接的平衡光探測器、電信號調(diào)理單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

其中，光信號由輸入端經(jīng)光波導輸入至光功率分配器；

光功率分配器，用于把接收的光信息等分成n路；

n個雙輸出端口電光調(diào)制器，分別把接收來的光信號用預定頻率和相位的同相電信號或正交電信號調(diào)制，并分別輸出調(diào)制后的光信號；

平衡光探測器，用于接收雙輸出端口電光調(diào)制器輸出的光信號，并進行光電轉(zhuǎn)換，得到所需帶寬內(nèi)的電信號，實現(xiàn)光信號的i/q解調(diào)；

電信號調(diào)理單元，用于對轉(zhuǎn)換來的電信號進行放大、濾波、單端到差分信號轉(zhuǎn)換或它們的組合處理；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，輸出給數(shù)字信號處理單元；

數(shù)字信號處理單元對接收到的數(shù)字信號進行處理，輸出所需的數(shù)字電信號。

有益效果：本發(fā)明采用光子集成技術(shù)可以將微電子與光電子結(jié)合起來構(gòu)成單片集成的光信號數(shù)字化處理芯片，可充分發(fā)揮微電子先進成熟的工藝技術(shù)、高度集成化、低成本等的優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景。另外，該光信號數(shù)字化處理芯片可以對光信號進行光信號處理、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理，有利于形成集成的光信號輸入、數(shù)字電信號輸出的光電集成電路芯片。該芯片將多種功能光器件與相關(guān)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路集成在單一芯片上，極大減小了芯片的尺寸，實現(xiàn)高密度、低成本、高性能、低能耗，可以滿足未來信息社會環(huán)保綠色的需求，具有廣泛的市場前景。

附圖說明

圖1是光電芯片示意圖；

圖2是采用兩輸入兩輸出端口90度光混合耦合器的單片集成的光電芯片示意圖；

圖3是采用兩輸入四輸出端口的90度光混合耦合器實現(xiàn)光信號i/q解調(diào)的光電芯片示意圖；

圖4是采用光解復用器的光電芯片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是采用雙輸出端口電光調(diào)制器的光電芯片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是采用光功率分配器和雙輸出端口電光調(diào)制器的光電芯片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是微波光子濾波器芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細的描述。

實施例1：如圖1所示，該光電集成芯片包括一個芯片輸入端口耦合器1、一個光信號處理單元2、一個光探測器3、一個電信號調(diào)理單元4和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)5。芯片輸入端口耦合器接收光信號，經(jīng)光波導與光信號處理單元的輸入端口連接；光信號處理單元的輸出端經(jīng)光波導與光探測器的輸入端連接，光探測器的輸出端與電信號調(diào)理單元的輸入端連接，電信號調(diào)理單元的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與信號處理器連接。

光信號可以是單波長調(diào)制信號，也可以是多波長光信號。輸入光信號通過輸入端口耦合器將光信號耦合進入集成光波導，經(jīng)過光信號處理單元，利用光探測器進行光電轉(zhuǎn)換或拍頻，將輸入光信號轉(zhuǎn)換成電信號；然后通過電信號調(diào)理單元進行信號的放大和濾波，得到所需帶寬內(nèi)的信號；最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成對電信號的采樣、量化和編碼，方便后續(xù)進行數(shù)字信號處理。

其中，所述的光信號可以是單個光波長的信號，也可以是含有多個光波長的信號，這些波長的光信號還可以分別經(jīng)過調(diào)制。芯片輸入端口耦合器可通過光纖與外部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連互通，或直接與其它器件的光輸出端口相連，或接收來自空間的光信號，其可以是光柵耦合或端面耦合，耦合可以是偏振敏感亦可以是偏振不敏感，但不限于此。光波導，屬于集成光波導，完成不同光器件的互連互通，比如光輸入端口耦合器、光混合耦合器和光解復用器等，也完成光器件與光探測器輸入端的相連。光信號處理單元不限于以下單個或多個器件，比如：光混合耦合器、光放大器、光復用器、光解復用器、電光調(diào)制器、光功率分配器、光耦合器、光偏振控制器、光偏振分束器、微波光子信號調(diào)理單元、光延時或多個光延時器的組合或非線性光學器件。其中，非線性光學器件可以有但不限于以下功能：產(chǎn)生與輸入光信號的光波長不同的光信號、對某個光波長的光信號進行放大、衰減特定波長的光信號。光探測器，完成光電轉(zhuǎn)換和拍頻，可以是單個獨立的光探測器。當接收來自光混合耦合器輸出端的光信號時，每個端口可以使用單個獨立的光探測器，也可以將兩個輸出端口的信號分別輸出至一個平衡探測器的兩個輸入端。電信號調(diào)理單元的電放大器擁有足夠的帶寬對電信號進行放大，送給后續(xù)的電信號調(diào)理單元的電濾波器，而后電信號調(diào)理單元的電濾波器抑制帶外干擾和雜散信號，濾出所需帶寬內(nèi)的信號，然后將信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述的電信號量化成數(shù)字信號。電放大器可以是跨阻放大器也可以是低噪聲放大器，但不限于此，信號調(diào)理單元后面可以有單端到差分信號的轉(zhuǎn)換電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部可含有校正電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是逐次逼近結(jié)構(gòu)、閃速結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、折疊與內(nèi)插結(jié)構(gòu)，亦可以是以上結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器中電數(shù)字信號的輸出端口可以是串行輸出，也可以是含多根并排信號線的并行輸出。

該實施例中所有器件都集成在一個襯底上，襯底可以選用但不限于硅材料。

實施例2：如圖2所示的光電芯片，其與實施例1的不同為：輸入的光信號為兩種波長的光信號：光信號1和光信號2，芯片輸入端口耦合器為兩個，選用的光信號處理單元為光混合耦合器6，探測器為平衡光探測器7，電信號調(diào)理單元包括放大器和濾波器。光信號1和光信號2通過兩個芯片輸入端口耦合器，經(jīng)過光波導傳遞，在光混合耦合器6中按特定相位差混合。然后將光混合耦合器的兩個輸出端口的信號分別輸出至一個平衡探測器的兩個輸入端，經(jīng)平衡光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過電信號調(diào)理單元的電放大器和電濾波器進行放大和濾波，最后由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出數(shù)字量到數(shù)字信號處理單元。平衡探測器可以抑制光信號的共模噪聲，例如光信號1或光信號2中的幅度噪聲。

其中，光混合耦合器使信號光1和信號光2彼此混合，并從特定的端口輸出，輸出端口的功率和相位可根據(jù)需要設(shè)定。為了讓信號光1和信號光2產(chǎn)生有效的合成場，兩者的偏振態(tài)至關(guān)重要，因此，光混合耦合器是保偏耦合器則更為有利，如果有讓信號光1和信號光2的偏振態(tài)匹配的需求，可以在光混合耦合器前端設(shè)計偏振控制器和偏振分束器。光混合耦合器可以是180度光混合耦合器、120度光混合耦合器、90度光混合耦合器、72度光混合耦合器、60度光混合耦合器、45度光混合耦合器或其它滿足相干探測條件度數(shù)的光混合耦合器。如圖2中使用的是90度光混合耦合器。

如圖3所示，光混合耦合器為90度光混合耦合器，i1和i2端口經(jīng)平衡光探測器的平衡探測后組成i通道8，q1和q2端口經(jīng)平衡光探測器的平衡探測后組成q通道9，實現(xiàn)光信號的i/q解調(diào),得到信號的強度信息和相位信息，以便進一步進行數(shù)字信號處理。該實施例使用平衡光探測器可以提高共模抑制比、抑制噪聲和提高信號噪聲比。

其它結(jié)構(gòu)與實施例1中的相同。該實施例中所有器件都集成在一個襯底上，襯底可以選用但不限于inp材料。

實施例3：如圖4所示的光電芯片，其與實施例2的區(qū)別為：為了減少芯片輸入端口耦合器1的數(shù)量，光電芯片外的光波分復用器先將兩個不同波長的光信號1和光信號2復用到一個光纖波導，并耦合到集成光電芯片的芯片輸入端口耦合器，光解復用器10將光波分復用的多波長信號光解復用，并分別輸出到光混合耦合器兩個不同的輸入端口。

其中，光解復用器是將波分復用的多光波長信號分別耦合至不同的光波導，并輸出給后續(xù)的光器件。

其它結(jié)構(gòu)與實施例2中圖2所示的使用90度光混合耦合器的光電芯片結(jié)構(gòu)相同。該實施例中所有器件都集成在一個襯底上，襯底可以選用但不限于砷化鎵材料。

實施例4：如圖5所示的光電芯片，其與實施例2的不同為：光信號通過芯片輸入端口耦合器1輸入到雙輸出端口的電光調(diào)制器11中，光信號通過電光調(diào)制器被特定頻率和相位的電信號調(diào)制，將電光調(diào)制器的兩個輸出端口的信號分別輸出至一個平衡探測器的兩個輸入端，然后調(diào)制光信號在平衡光探測器中經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，得到所需帶寬內(nèi)的電信號。平衡探測器可以抑制光信號的共模噪聲。

其它結(jié)構(gòu)與實施例2中的相同。該實施例中所有器件都集成在一個襯底上，襯底可以選用但不限于鍺硅材料。

實施例5：如圖6所示的光電芯片，其與實施例2中圖3的不同為：光信號通過芯片輸入端口耦合器進行耦合，經(jīng)由光波導傳遞到光功率分配器12中，光信號被等分成兩路，并分別通過兩個雙輸出端口的電光調(diào)制器，分別被特定頻率和相位的同相電信號和正交電信號調(diào)制，將電光調(diào)制器的兩個輸出端口的信號分別輸出至平衡探測器的兩個輸入端，調(diào)制光信號在平衡光探測器中進行光電轉(zhuǎn)換，得到所需帶寬內(nèi)的信號，實現(xiàn)光信號的iq解調(diào)。i通道8和q通道9的其它結(jié)構(gòu)與實施例4中的結(jié)構(gòu)相同。最后i/q通道電數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理單元13。所述的數(shù)字信號處理單元包含失調(diào)誤差、增益誤差及時鐘失配誤差的軟件校準功能和多通道采樣輸出、復用合成、信號重建與處理等功能。

其中，光功率分配器實現(xiàn)光信號分配且功率和相位可根據(jù)需要設(shè)定，可以是y波導分支或多模干涉耦合器或定向耦合器。光信號通過雙輸出端口電光調(diào)制器被特定頻率和相位的電信號調(diào)制。數(shù)字信號處理單元可以包含但不限于失調(diào)誤差、增益誤差及時鐘失配誤差的軟件校準功能、多通道采樣輸出、復用合成、信號重建與處理、數(shù)字信號調(diào)理單元、矢量解調(diào)等功能。數(shù)字信號處理單元可以是現(xiàn)場可編程門陣列或可編程邏輯器件亦或是用戶定制的專用集成電路。對模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號的校準亦可先進行硬件電路校準然后送入數(shù)字信號處理單元進行數(shù)字信號處理。

該實施例中所有器件都集成在一個襯底上，襯底可以選用但不限于銦鎵砷材料。

實施例6：如圖7所示，光電芯片包括微波光子濾波器14，微波光子濾波器包括解復用器、延時、系數(shù)加權(quán)單元和復用器。不同波長的已調(diào)制光信號,通過芯片輸入端口耦合器經(jīng)過解復用器被解復用成多路并行的單波長光信號，通過適當控制每個波長光信號的延時n·△t和信號強度，信號強度通過系數(shù)加權(quán)單元an進行放大或衰減，再將各個支路信號經(jīng)復用器合并在一起即得到光載波上調(diào)制的電信號的濾波特性，然后進入電光調(diào)制器被電本振信號調(diào)制，并在光探測器進行光電轉(zhuǎn)換，在光探測器的輸出端即可得到光載波上調(diào)制的電信號的下變頻信號。當n取有限值時，則該芯片上的微波光子濾波器為有限沖激響應(yīng)濾波器。

其它結(jié)構(gòu)與實施例1中的相同。該實施例中所有器件都集成在一個襯底上，襯底可以選用但不限于si材料。