基于硅基微諧振器的光運算和信息處理研究.pdf

1、高速計算和信息處理驅(qū)動著當今信息時代，使得人們之間的交流方便迅捷。對于計算和信息處理系統(tǒng)而言，減少生產(chǎn)開發(fā)成本的關鍵是實現(xiàn)大規(guī)模片上集成以及制造工藝的標準化和流水線操作。在過去50年里，硅基集成電路一直主導著電子信息產(chǎn)業(yè)，并給世界帶來了革命性變化。如今，硅基集成電路的成熟度和復雜度已經(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80億個，已經(jīng)超過20年前占據(jù)100 m2機房的服務器。然而，隨著Moore定律的延續(xù)以及網(wǎng)絡通信容量

2、的持續(xù)增長，傳統(tǒng)電計算和信息處理的速率已越來越接近其理論極限，將很難滿足未來百吉赫茲(GHz)乃至太赫茲(THz)超高速應用場合的需求。另一方面，全光運算和信息處理技術不僅能夠突破電域計算和處理的帶寬瓶頸，還具有傳輸損耗低、靈活度高、抗電磁干擾性強等優(yōu)點，因而在超高速計算和信息處理領域具有顯著優(yōu)勢。越來越多的人開始意識到，光不僅可以用作通信傳輸系統(tǒng)中“承載”信息的高速“引擎”，還可以成為計算和信息處理系統(tǒng)中對信號進行“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算和信息處理技術應運而生。它面向未來光域超高速計算和信息處理的實際需求，依托于成熟的互補金屬氧化物半導體(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)模集成和擴展的優(yōu)勢，是目前光運算和信息處理領域最活躍且發(fā)展勢頭最為迅猛的前沿科學技術，具有重要的應用價值和廣闊的市場前景。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、模擴展的優(yōu)勢，還具有波長選擇性，高品質(zhì)因數(shù)和諧振場強增強效應等特點，因而在激光器、光濾波器、電光調(diào)制器、光開關、光延時線、光電探測器及傳感器中具有非常廣泛的應用。本論文研究了基于硅基微諧振器的光運算和信息處理技術：首先討論介紹了硅基微諧振器的基本理論，仿真方法，制備工藝及測試方法；然后基于以上理論和實驗方法，提出并通過實驗演示驗證了硅基微諧振器在高速光運算，微波光子信號處理和光交換中的應用?？傮w來說，全文的研究成果與貢獻可概括為以下幾個

5、方面：
　　1．基于硅基微諧振器的光運算
　　計算是信號處理器的核心功能之一，本部分圍繞實現(xiàn)更復雜強大的計算功能和更高的計算速度的目標，提出并演示驗證了三種新穎的硅基光子計算器技術方案：
　　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，并具有多個方程系數(shù)的調(diào)節(jié)性。我們對器件工作原理進行了建模分析，并利用10 Gb/s高斯光脈沖測試了不同方程系數(shù)時微分

6、方程求解器的動態(tài)求解性能，最終得到了與理論相一致的實驗結(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：該方案首次從時域角度對微環(huán)諧振器中的模式分裂現(xiàn)象進行了表征，并將其應用于二階微分方程的求解，有效避免了級聯(lián)高階微分方程求解器中的波長對準問題和溫漂問題，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)的復雜度。在實驗中，我們利用10 Gb/s高斯和超高斯光脈沖演示驗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諧振器的超高速四階光子微分器：該方案首次成功實現(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處理
　　微波信號處理在現(xiàn)代軍事和通信中具有重要意義和廣泛應用，本部分圍繞改善微波光子信號處理性能和靈活度的目標，提出并演示驗證了四種基于硅基微諧振器的微波光子信號處理功能：
　　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，通過改變不同諧振模式間的耦合強度，該器件的諧振峰分裂程度會發(fā)生改變，從而使得微波光子陷波器的濾波中心波長發(fā)生相應改變。在實驗中，我們基于所制備的硅基微諧振器在20 GHz的帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了濾波中心波長的連續(xù)調(diào)節(jié)，并得到了超過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產(chǎn)生

9、方式，通過利用分插復用型硅基自耦合微環(huán)諧振器的反射端對光頻率梳中的特定頻率成分進行提取后拍頻，可以實現(xiàn)毫米波信號的產(chǎn)生。產(chǎn)生毫米波信號的頻率可通過改變分裂諧振峰間距而調(diào)節(jié)。在實驗中，我們基于上述方案演示驗證了39 GHz和29 GHz毫米波信號的產(chǎn)生。
　　3）基于硅基微盤諧振器的光子射頻移相器：該方案利用微盤諧振器具有高品質(zhì)因數(shù)的特點，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、，可實現(xiàn)移相的射頻信號速率超過40 GHz。
　　4）基于硅基嵌套微環(huán)諧振器的光延時線：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現(xiàn)不同程度的脈沖延時。它基于無源器件，這可以簡化器件制造過程并降低生產(chǎn)成本。同一般無源硅基微環(huán)諧振器相比，它豐富了器件的幅頻和相頻響應，并可應對實際中多種不同脈沖延時的需求。我們實際制備了相應硅基器件，并通過系統(tǒng)實驗測試了不同諧振峰處的光脈沖延時數(shù)值。
　　3．基于硅基微諧振器的光

11、交換
　　伴隨著信息時代的高速發(fā)展，網(wǎng)絡總量和效率與日俱增，使得光通信網(wǎng)絡中對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，提出并演示驗證了兩種全新的基于硅基微諧振器的光交換器件技術方案：
　　1）基于硅基嵌套微環(huán)諧振器的2×2無阻塞光交換節(jié)點：該方案將嵌套微環(huán)諧振器在某些諧振波長處接近臨界耦合而具有高消光比的特點應用于光交換節(jié)點，使得交換節(jié)點的消光比和串擾性能得到大幅優(yōu)化提升。實測制備器件在

12、cross和bar狀態(tài)下的消光比分別高達44.7 dB和38.0 dB，串擾值則分別低至–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波長選擇開關：該方案通過調(diào)節(jié)外環(huán)內(nèi)部的嵌套子環(huán)可實現(xiàn)外環(huán)波長通道的選擇性開啟或關閉，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)波長選擇開關中不同器件諧振峰間的對準問題。我們實際制備了含有一對和兩對嵌套子環(huán)的硅基微諧振器，并利用10 Gb/s