基于氮化硅波导的高精度大带宽片上全光模数转换器机理与技术探索

To accommodate for the digitalization requirements for analog signals in application fields such as microwave photonics, and solve the practical problems of current analog-to-digital converters (ADCs), this project focuses on the mechanisms and techniques used in high precision and large bandwidth all-optical analog-to-digital conversion based on silicon nitride waveguides. We propose building a mathematical model of all-optical ADC based on silicon nitride, including all-optical sampling using degenerate multiple-pump four-wave-mixing effects, all optical quantization using nonlinear polarization rotation and regulatable soliton self frequency shift effects on-chip. We intend to numerically solve the coupled-wave equations and General Nonlinear Schrodinger Equation by using Split-Step Fourier and Runge-Kutta methods, to illustrate the 3D dynamic evolution of optical signals in silicon nitride waveguides, evaluate the performance of the designed ADC, reveal the physical mechanisms and intrinsic relationships of the third-order nonlinear optical effects in waveguide, and provide theoretical basis for design and optimization of all optical sampling and quantization modules. We carry out an experimental study and demonstrate the proposed several kinds of all optical sampling and quantization schemes, obtain the relationship between all optical ADC performance and system parameters, seek new methods and key techniques to improve sampling and quantization performance, and explore solutions for all-optical ADC systems on-chip.

面向微波光子等领域对宽带模拟信号的数字化需求，针对目前ADC（Analog-to-digital converter）面临的瓶颈，开展基于氮化硅波导的高精度大带宽片上全光模数转换技术研究。建立面向全光模数转换应用背景，以氮化硅波导为平台，包含基于简并多泵浦四波混频原理的多路并行全光采样，基于非线性偏振旋转与可调控片上孤子自频移的全光量化系统理论模型。采用分布傅立叶与龙格-库塔法相结合数值求解耦合波方程和广义非线性薛定谔方程，从时频空域三维立体深度阐释信号在氮化硅基全光ADC中的动态演化过程，全面定量分析所设计ADC的性能，揭示氮化硅波导中三阶非线性光学效应物理机理及内禀关系，为相关全光采样与量化模块的设计提供理论基础。开展实验研究，验证所提出的两种全光采样、三种全光量化方案，得到系统性能与光源和波导特征参数的定量关系，寻找提高采样率和量化精度的新方法，探索全光ADC片上光子集成解决方案。

本项目面向微波光子等领域对宽带模拟信号的数字化需求，针对目前电子ADC（Analog-to-digital converter）面临的瓶颈，在广泛对比现有光子辅助ADC、光采样电量化ADC、全光ADC方案优缺点的基础上，开展基于氮化硅光波导的高速、高精度、低功耗、可集成片上全光模数转换器关键技术研究。项目取得的主要研究成果如下：（1）建立了面向全光模数转换应用背景，以氮化硅光波导为平台的全光模数转换系统理论模型，分析了不同孤子特征参数（功率、脉宽、偏振、啁啾等）与波导参数（非线性系数、色散、模场分布）下的四波混频、交叉偏振调制效应规律，揭示采样孤子脉冲在氮化硅波导中的时频动态演化特性。（2）分别研制了基于二维材料三碲化锆（ZrTe3）纳米片、硫化亚铜（CuS2）纳米片、铋烯（Bismuthene）纳米片、以及铋氧碲（Bi2O2Te）纳米片的被动锁模超快光纤激光器，首次将上述材料作为可饱和吸收体置入环形腔光纤激光器中，并在合适的泵浦功率和偏振态下，得到输出重频为基频和谐波、且中心波长在1550nm波段的皮秒量级超短光脉冲，脉冲最高重频达到1.78GHz，为实现全光采样提供了优良光源。（3）设计了条槽混合型和双槽型两种极大色散光波导，以及两种色散平坦氮化硅基光波导，为实现基于啁啾效应的采样脉冲信号速率倍增、基于四波混频的片上全光采样提供了最佳光学载体。（4）开展了基于氮化硅/掺氢非晶硅混合光波导中交叉偏振调制效应的全光量化研究，设计了一种双脊形氮化硅/掺氢非晶硅光波导，掺氢非晶硅与氮化硅的大折射率差可以很好的将光场限制在掺氢非晶硅芯层中，双脊形结构可以降低波导的损耗。设计了基于该效应的全光量化系统，可以产生8π的非线性相移，对应量化等级为16，量化分辨率为4 bit，实际有效比特数为3.82 bit。（5）针对片上全光模数转换系统遇到的偏振敏感问题，设计了台阶状单槽型、对角刻蚀亚波长光栅型、W型三种片上偏振旋转器和非对称反向双锥脊形渐变型、贝塞尔曲线型绝热渐变波导型、多段等长微锥波导型、脊状亚波长纳米孔级联Y分束型等四种偏振分束-旋转器，上述器件最宽工作波长范围500nm（覆盖了O到U波段），为片上全光模数转换中光的偏振态操控提供了备选方案。本项目着眼于大数据、移动互联网、人工智能、5G/6G等领域中信号模数转换问题，设计基于氮化硅光波导的高速高精度、低功耗、可集成片上