基于硅基微諧振器的光子模擬和數(shù)字信號(hào)處理器.pdf

1、雖然在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)里，高度集成的微電子技術(shù)為人們便利的生活、高速的信息互聯(lián)做出了卓越貢獻(xiàn)，但是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)將受限于物理極限而無(wú)法繼續(xù)遵循摩爾定律來(lái)進(jìn)一步發(fā)展，并且電子線路中的延遲、功耗和串?dāng)_等問(wèn)題日益突出。硅光集成和互連技術(shù)能夠?qū)⒏鞣N光子器件集成到同一芯片上，利用光作為信息載體來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸和處理。由于具有超快的處理速率、高集成度和較低的功耗等優(yōu)勢(shì)，特別是與成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容，近十年來(lái)硅光芯片集成

2、技術(shù)得到了高速發(fā)展，已經(jīng)成為了最具有發(fā)展前景的下一代光互連方案。微環(huán)等諧振器由于緊湊的尺寸和優(yōu)異的光學(xué)特性一直是硅基光子學(xué)的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)成為了硅光集成系統(tǒng)中的基本元件。首先，微環(huán)腔體的形成不需要腔面，從而能夠?qū)崿F(xiàn)極小尺寸的高度集成；其次，微環(huán)中的諧振光可以通過(guò)干涉加強(qiáng)而聚積至很高的能量，顯著加強(qiáng)了其中的非線性效應(yīng)，從而對(duì)泵浦光能量的要求也較低。特別是硅基微環(huán)具有良好的熱光效應(yīng)和等離子色散效應(yīng)，可以用來(lái)對(duì)微環(huán)的光譜進(jìn)行操控，基于這些原理

3、已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)良的可調(diào)光學(xué)濾波器、大規(guī)模陣列光開(kāi)關(guān)、高速光調(diào)制器等多種功能器件。本論文詳細(xì)介紹了硅基微環(huán)的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)原則及工藝制作方法，并實(shí)際制作了由微環(huán)、微盤(pán)等構(gòu)成的多種器件，分別應(yīng)用于不同的全光信號(hào)處理領(lǐng)域，包括模擬微波光子系統(tǒng)和全光數(shù)字信號(hào)處理等。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用雙諧振模式的高Q值微盤(pán)實(shí)現(xiàn)了光生毫米波。利用微盤(pán)不同周期的間隔不等的雙諧振模式，就可以在光頻率梳中選出不同間隔的兩個(gè)光頻率，拍頻后就可以得到不

4、同頻率的毫米波信號(hào)。最終實(shí)現(xiàn)了頻率277GHz、306GHz和335GHz的毫米波，諧波抑制比大于25dB。⑵利用級(jí)聯(lián)半徑不等的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大調(diào)諧范圍的微波光子濾波器(MPF)。由于游標(biāo)卡尺效應(yīng)，雙環(huán)的傳輸譜為間隔成等差數(shù)列的周期性雙諧振峰。通過(guò)調(diào)節(jié)光載波波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)不同雙諧振峰中心以及在同一雙諧振峰中心附近微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了中心頻率和3dB帶寬分別從2.5GHz~17.5GHz和6GHz~9GHz可調(diào)的MPF，且抑制比大于40dB。接著，對(duì)

5、濾波方案做了進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制作了三個(gè)并聯(lián)的電調(diào)微環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)的MPF。通過(guò)加熱電極對(duì)微環(huán)傳輸譜的連續(xù)調(diào)控，可以得到“雙通道處理器”的濾波光譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了中心頻率和3dB帶寬分別從19GHz~40GHz和5.5GHz~17.5GHz連續(xù)可調(diào)的MPF。⑶通過(guò)優(yōu)化微盤(pán)參數(shù)，實(shí)際制作出了Q值為1×105的硅基微盤(pán)。通過(guò)單邊帶調(diào)制和微盤(pán)的高 Q諧振峰，實(shí)現(xiàn)了帶寬約為2GHz、抑制比40dB、中心頻率從6GHz~18GHz連續(xù)可調(diào)的M

6、PF。接著，利用所得到的MPF響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了10GHz范圍的微波頻率測(cè)量，測(cè)量誤差±0.1GHz，并且測(cè)量范圍和測(cè)量精度都可以調(diào)諧。⑷提出了光纖與硅基芯片聯(lián)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑非對(duì)稱(chēng)光傳輸?；诠饫w和芯片光柵間的熱輻射效應(yīng)，設(shè)計(jì)了前向光纖固定而后向光纖自由懸浮的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了帶寬大于24nm、非對(duì)稱(chēng)傳輸比高達(dá)63dB的光傳輸。然后還從實(shí)驗(yàn)中證明了此器件不僅對(duì)連續(xù)光工作，而且對(duì)高速調(diào)制信號(hào)同樣有效，非對(duì)稱(chēng)傳輸比達(dá)到了56dB。⑸在純硅芯片上基

7、于熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了全光順序路由傳輸，即光信號(hào)在芯片中按照特定的順序在不同端口間依次傳輸而反向截止。巧妙設(shè)計(jì)了由Y分支和兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)的上下路微環(huán)諧振器（上下路的耦合間距不同）構(gòu)成的光子回路，得到了三端口全光順序路由傳輸器件。此器件結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性，每增加一個(gè)微環(huán)就可以增加一個(gè)端口數(shù)。為了改善器件工作帶寬太窄的缺陷，后續(xù)又開(kāi)發(fā)了六端口的傳輸器件。通過(guò)加熱電極將各個(gè)微環(huán)諧振波長(zhǎng)與工作波長(zhǎng)精確對(duì)準(zhǔn)，不僅提高了阻隔比，而且也實(shí)現(xiàn)了工作范圍可調(diào)，從一定