基于硅基微諧振器的光運(yùn)算和信息處理研究.pdf

1、高速計(jì)算和信息處理驅(qū)動(dòng)著當(dāng)今信息時(shí)代，使得人們之間的交流方便迅捷。對(duì)于計(jì)算和信息處理系統(tǒng)而言，減少生產(chǎn)開(kāi)發(fā)成本的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模片上集成以及制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和流水線操作。在過(guò)去50年里，硅基集成電路一直主導(dǎo)著電子信息產(chǎn)業(yè)，并給世界帶來(lái)了革命性變化。如今，硅基集成電路的成熟度和復(fù)雜度已經(jīng)發(fā)展到了不可思議的程度，單片集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)超過(guò)80億個(gè)，已經(jīng)超過(guò)20年前占據(jù)100 m2機(jī)房的服務(wù)器。然而，隨著Moore定律的延續(xù)以及網(wǎng)絡(luò)通信容量

2、的持續(xù)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)電計(jì)算和信息處理的速率已越來(lái)越接近其理論極限，將很難滿足未來(lái)百吉赫茲(GHz)乃至太赫茲(THz)超高速應(yīng)用場(chǎng)合的需求。另一方面，全光運(yùn)算和信息處理技術(shù)不僅能夠突破電域計(jì)算和處理的帶寬瓶頸，還具有傳輸損耗低、靈活度高、抗電磁干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在超高速計(jì)算和信息處理領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。越來(lái)越多的人開(kāi)始意識(shí)到，光不僅可以用作通信傳輸系統(tǒng)中“承載”信息的高速“引擎”，還可以成為計(jì)算和信息處理系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行“裁剪整形”的鋒利“

3、剪刀”。
　　在這樣的背景下，基于硅基集成光子器件的光運(yùn)算和信息處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它面向未來(lái)光域超高速計(jì)算和信息處理的實(shí)際需求，依托于成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝制造體系，繼承了硅基集成電路制造業(yè)低成本、高穩(wěn)定性、可大規(guī)模集成和擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，是目前光運(yùn)算和信息處理領(lǐng)域最活躍且發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛的前沿科學(xué)技術(shù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。在眾多硅基集成光子器件結(jié)構(gòu)中，硅基微諧振器不僅具有體積緊湊，結(jié)構(gòu)靈活，易于大規(guī)

4、模擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，還具有波長(zhǎng)選擇性，高品質(zhì)因數(shù)和諧振場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)等特點(diǎn)，因而在激光器、光濾波器、電光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、光延時(shí)線、光電探測(cè)器及傳感器中具有非常廣泛的應(yīng)用。本論文研究了基于硅基微諧振器的光運(yùn)算和信息處理技術(shù)：首先討論介紹了硅基微諧振器的基本理論，仿真方法，制備工藝及測(cè)試方法；然后基于以上理論和實(shí)驗(yàn)方法，提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證了硅基微諧振器在高速光運(yùn)算，微波光子信號(hào)處理和光交換中的應(yīng)用?？傮w來(lái)說(shuō)，全文的研究成果與貢獻(xiàn)可概括為以下幾個(gè)

5、方面：
　　1．基于硅基微諧振器的光運(yùn)算
　　計(jì)算是信號(hào)處理器的核心功能之一，本部分圍繞實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜強(qiáng)大的計(jì)算功能和更高的計(jì)算速度的目標(biāo)，提出并演示驗(yàn)證了三種新穎的硅基光子計(jì)算器技術(shù)方案：
　　1）基于硅基干涉耦合微環(huán)諧振器的可調(diào)一階光子微分方程求解器：該方案首次實(shí)現(xiàn)一般形式一階線性常系數(shù)常微分方程的求解，并具有多個(gè)方程系數(shù)的調(diào)節(jié)性。我們對(duì)器件工作原理進(jìn)行了建模分析，并利用10 Gb/s高斯光脈沖測(cè)試了不同方程系數(shù)時(shí)微分

6、方程求解器的動(dòng)態(tài)求解性能，最終得到了與理論相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　2）基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的可調(diào)二階光子微分方程求解器：該方案首次從時(shí)域角度對(duì)微環(huán)諧振器中的模式分裂現(xiàn)象進(jìn)行了表征，并將其應(yīng)用于二階微分方程的求解，有效避免了級(jí)聯(lián)高階微分方程求解器中的波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題和溫漂問(wèn)題，還在一定程度上降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系數(shù)調(diào)節(jié)的復(fù)雜度。在實(shí)驗(yàn)中，我們利用10 Gb/s高斯和超高斯光脈沖演示驗(yàn)證了所制備的硅基微諧振器作為可調(diào)二階光子微分方程求解器

7、的有效性。
　　3）基于硅基自耦合光波導(dǎo)諧振器的超高速四階光子微分器：該方案首次成功實(shí)現(xiàn)了超高速皮秒光脈沖的四階微分，是目前階數(shù)最高、速率最高的硅基光子微分器。
　　2．基于硅基微諧振器的微波光子信號(hào)處理
　　微波信號(hào)處理在現(xiàn)代軍事和通信中具有重要意義和廣泛應(yīng)用，本部分圍繞改善微波光子信號(hào)處理性能和靈活度的目標(biāo)，提出并演示驗(yàn)證了四種基于硅基微諧振器的微波光子信號(hào)處理功能：
　　1）基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的微波光

8、子陷波器：該方案首次提出并演示驗(yàn)證了基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的微波光子陷波器，通過(guò)改變不同諧振模式間的耦合強(qiáng)度，該器件的諧振峰分裂程度會(huì)發(fā)生改變，從而使得微波光子陷波器的濾波中心波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)改變。在實(shí)驗(yàn)中，我們基于所制備的硅基微諧振器在20 GHz的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了濾波中心波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)節(jié)，并得到了超過(guò)25 dB的陷波抑制比。
　　2）基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的毫米波信號(hào)產(chǎn)生：該方案首次提出了基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的毫米波信號(hào)產(chǎn)生

9、方式，通過(guò)利用分插復(fù)用型硅基自耦合微環(huán)諧振器的反射端對(duì)光頻率梳中的特定頻率成分進(jìn)行提取后拍頻，可以實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的產(chǎn)生。產(chǎn)生毫米波信號(hào)的頻率可通過(guò)改變分裂諧振峰間距而調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中，我們基于上述方案演示驗(yàn)證了39 GHz和29 GHz毫米波信號(hào)的產(chǎn)生。
　　3）基于硅基微盤(pán)諧振器的光子射頻移相器：該方案利用微盤(pán)諧振器具有高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，將單一諧振器光子射頻移相器的最大相移范圍由~4.6 rad提升至~6.1 rad，提升約30％

10、，可實(shí)現(xiàn)移相的射頻信號(hào)速率超過(guò)40 GHz。
　　4）基于硅基嵌套微環(huán)諧振器的光延時(shí)線：該方案基于硅基嵌套微環(huán)諧振器，可在單一器件的不同諧振峰處實(shí)現(xiàn)不同程度的脈沖延時(shí)。它基于無(wú)源器件，這可以簡(jiǎn)化器件制造過(guò)程并降低生產(chǎn)成本。同一般無(wú)源硅基微環(huán)諧振器相比，它豐富了器件的幅頻和相頻響應(yīng)，并可應(yīng)對(duì)實(shí)際中多種不同脈沖延時(shí)的需求。我們實(shí)際制備了相應(yīng)硅基器件，并通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同諧振峰處的光脈沖延時(shí)數(shù)值。
　　3．基于硅基微諧振器的光

11、交換
　　伴隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)總量和效率與日俱增，使得光通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)光交換性能的需求不斷攀升。本部分圍繞改善硅基光交換器件交換性能和靈活度的目標(biāo)，提出并演示驗(yàn)證了兩種全新的基于硅基微諧振器的光交換器件技術(shù)方案：
　　1）基于硅基嵌套微環(huán)諧振器的2×2無(wú)阻塞光交換節(jié)點(diǎn)：該方案將嵌套微環(huán)諧振器在某些諧振波長(zhǎng)處接近臨界耦合而具有高消光比的特點(diǎn)應(yīng)用于光交換節(jié)點(diǎn)，使得交換節(jié)點(diǎn)的消光比和串?dāng)_性能得到大幅優(yōu)化提升。實(shí)測(cè)制備器件在

12、cross和bar狀態(tài)下的消光比分別高達(dá)44.7 dB和38.0 dB，串?dāng)_值則分別低至–37.5 dB和–45.2 dB。
　　2）基于硅基嵌套子環(huán)微環(huán)諧振器的1×2波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)：該方案通過(guò)調(diào)節(jié)外環(huán)內(nèi)部的嵌套子環(huán)可實(shí)現(xiàn)外環(huán)波長(zhǎng)通道的選擇性開(kāi)啟或關(guān)閉，不僅充分利用了微環(huán)內(nèi)部的面積，使得器件結(jié)構(gòu)更為緊湊，還有效避免了多環(huán)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)中不同器件諧振峰間的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。我們實(shí)際制備了含有一對(duì)和兩對(duì)嵌套子環(huán)的硅基微諧振器，并利用10 Gb/s