基于硅基自耦合光波導(dǎo)的高速高階光微分器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種光纖通信【技術(shù)領(lǐng)域】的基于硅基自耦合光波導(dǎo)的高速高階光微分器，包括：依次連接的待處理信號(hào)發(fā)生器、硅基自耦合光波導(dǎo)微分器。所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的自耦合光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高階光時(shí)域微分，每級(jí)SCOW的諧振腔內(nèi)，兩種模式的光以相反的方向傳播，從而引起透射譜發(fā)生諧振模式分裂。本發(fā)明的二、四階光微分計(jì)算的處理速率可達(dá)40Gb/s，發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成，能夠用于集成的全光信息處理系統(tǒng)中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于硅基自耦合光波導(dǎo)的高速高階光微分器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光纖通信【技術(shù)領(lǐng)域】的器件，具體是一種基于硅基自耦合光波導(dǎo)的高速高階光微分器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)信息處理速率的要求越來(lái)越高，由于電子器件的處理帶寬受到摩爾定律的限制，在電域進(jìn)行實(shí)時(shí)信息處理的速率已接近極限。針對(duì)以上問(wèn)題，一種有效的解決方案是在光域?qū)崿F(xiàn)超高速信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。光信息處理憑借其帶寬優(yōu)勢(shì)在超高速信息處理領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，其中光微分器就是一種重要的光學(xué)信號(hào)處理器件。光微分器是一種能夠在光域?qū)庑盘?hào)進(jìn)行時(shí)間導(dǎo)數(shù)運(yùn)算的全光計(jì)算器件，廣泛應(yīng)用于超快全光信息處理和計(jì)算、光脈沖整型和編碼以及超寬帶微波信號(hào)處理等領(lǐng)域。同時(shí)，片上大規(guī)模集成正成為光處理器的發(fā)展趨勢(shì)，絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)為光處理器的片上集成提供了一個(gè)良好的平臺(tái)?；诠杌h(huán)的光時(shí)域微分器尺寸小、結(jié)構(gòu)緊密利于集成，這樣的特點(diǎn)更加符合光處理器高帶寬、低損耗和易集成的市場(chǎng)需求。由于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的光時(shí)域微分器有著以上諸多優(yōu)點(diǎn)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的光微分器有著較好的發(fā)展和應(yīng)用前景。
[0003]在光脈沖整型和模擬信號(hào)處理中，高階時(shí)域微分器具有十分重要的意義和廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李明等人2009年發(fā)表在Optics Express第17卷 22 期的論文“Arbitrary - order all - fiber temporal differentiator based on afiber Bragg grating: design and experimental demonstration，，(基于光纖布拉格光柵的任意階全光時(shí)域微分器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)演示)，該論文通過(guò)設(shè)計(jì)一種特殊的光纖布拉格光柵(FBG)，利用分離層剝離(DLP)方法控制其幅頻和相頻響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)全光時(shí)域微分器的功能。該方案的不足之處在于器件材料為光纖，尺寸較大，長(zhǎng)度為毫米量級(jí)，不適于大規(guī)模生產(chǎn)和集成。
[0004]2011年5月，華中科技大學(xué)董建績(jī)等人在IEEE Photonics Journal第3卷6期發(fā)表的論文 “Arbitrary - order bandwidth - tunable temporal differentiator using aprogrammable optical pulse shaper”,提出了基于可編程光脈沖整型器光時(shí)域微分器的方案。該微分器的核心器件是可編程光脈沖整型器，通過(guò)對(duì)該光脈沖整型器設(shè)置適當(dāng)?shù)某绦蚴蛊鋫鬏敽瘮?shù)符合N階時(shí)域微分的傳輸特性,從而實(shí)現(xiàn)任意階光時(shí)域微分。該微分器實(shí)驗(yàn)演示的處理速率為20Gb/s的信號(hào)，平均差錯(cuò)因子為15%左右。
[0005]進(jìn)一步的論文檢索發(fā)現(xiàn)，華中科技大學(xué)張新亮課題組2013年發(fā)表在OpticsLetters 第 38 卷 5 期的論文“High-order photonic differentiator employing on -chipcascaded microring resonators”,該論文采用級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器(MRRs)實(shí)現(xiàn)了片上集成的高階時(shí)域光微分器。該器件實(shí)驗(yàn)演示的二、三階微分處理速率為5Gb/s。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于硅基自耦合光波導(dǎo)的高速高階光微分器，其二、四階光微分計(jì)算的處理速率可達(dá)40Gb/s，發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成，能夠用于集成的全光信息處理系統(tǒng)中。
[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括:依次連接的待處理信號(hào)發(fā)生器、娃基自稱(chēng)合光波導(dǎo)微分器。
[0008]所述的待處理信號(hào)發(fā)生器包括:可調(diào)激光器、電信號(hào)發(fā)生器和電光調(diào)制器，其中:用來(lái)產(chǎn)生連續(xù)光的可調(diào)激光器的輸出端口與電光調(diào)制器的輸入端口相連接，用于將電信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上并產(chǎn)生待處理高速光信號(hào)的電信號(hào)發(fā)生器的輸出端口與電光調(diào)制器的射頻輸入端口相連接。
[0009]所述的娃基自稱(chēng)合光波導(dǎo)微分器通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的自稱(chēng)合光波導(dǎo)(Self - CoupledOptical Waveguide, SCOW)實(shí)現(xiàn)高階光時(shí)域微分,在每級(jí)SCOW的諧振腔內(nèi)，兩種模式的光以相反的方向傳播，從而引起透射譜發(fā)生諧振模式分裂。當(dāng)耦合區(qū)域耦合強(qiáng)度較弱時(shí)，SCOW透射譜上的分裂凹陷濾波相比于單個(gè)微環(huán)諧振腔具有更大的帶寬，這使得該微分器的處理速率增加，也降低了 SCOW級(jí)聯(lián)時(shí)諧振波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)的困難。
[0010]所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器的輸出端設(shè)有信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)，該信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)包括:功率分束器、頻域觀測(cè)分析系統(tǒng)和時(shí)域觀測(cè)分析系統(tǒng)，其中:硅基自耦合光波導(dǎo)微分器的輸出與功率分束器的輸入相連接，功率分束器的主功率輸出端口與用來(lái)觀察微分后波形的時(shí)域觀測(cè)分析系統(tǒng)相連接并通過(guò)光學(xué)采樣示波器顯示，功率分束器的從功率輸出端口與用于觀測(cè)輸出信號(hào)頻譜的頻域觀測(cè)分析系統(tǒng)相連接并通過(guò)光譜分析儀顯示。
技術(shù)效果
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使用的級(jí)聯(lián)硅基自耦合光波導(dǎo)微分器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積僅為微米數(shù)量級(jí)，基于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，整個(gè)制備工藝與成熟的CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝完全兼容，更加適用于擴(kuò)展和集成。同時(shí)，本發(fā)明提出的高階時(shí)域光微分器的實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，僅通過(guò)級(jí)聯(lián)多級(jí)SCOW即可實(shí)現(xiàn)。SCOW本身具有比單個(gè)微環(huán)諧振腔更大的帶寬，從而有效降低了級(jí)聯(lián)諧振波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)的難度，便于實(shí)現(xiàn)更高速率的實(shí)時(shí)光微分計(jì)算，實(shí)驗(yàn)演示的二、四階微分處理速率達(dá)到40Gb/s，是現(xiàn)有集成高階微分器方案中處理速率的記錄。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖中:1待處理信號(hào)發(fā)生器、2高階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器、3信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)、4可調(diào)激光器、5電信號(hào)發(fā)生器、6電光調(diào)制器、7功率分束器、8時(shí)域觀測(cè)分析系統(tǒng)、9頻域觀測(cè)分析系統(tǒng)。
[0013]圖2為實(shí)施例中器件結(jié)構(gòu)與透射頻譜；
[0014]圖中:圖2 -1對(duì)應(yīng)于二階微分，圖2 - 2對(duì)應(yīng)于四階微分，(a)為硅基自耦合光波導(dǎo)微分器的原理圖，(b)為制備器件的光學(xué)顯微鏡照片，(C)為硅基自耦合光波導(dǎo)微分器的透射頻譜，(d)為(C)中類(lèi)二次曲線凹陷濾波的局部放大圖。
[0015]圖3為實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖中:10射頻信號(hào)發(fā)生器、11電放大器、12皮秒激光器、13可調(diào)光濾波器、14摻鉺光纖放大器、15諧振控制器、16光時(shí)分復(fù)用器、17隔離器、18功分器、19500G米樣不波器、20光譜分析儀。[0017]圖4為實(shí)施例結(jié)果圖；
[0018]圖中:圖4 -1對(duì)應(yīng)于二階微分，圖4 - 2對(duì)應(yīng)于四階微分，(a)、(b)分別為皮秒脈沖的頻譜和時(shí)域波形，(C)、(d)分別為濾波預(yù)整形之后的頻譜和時(shí)域波形，(e)、(f)分別為經(jīng)過(guò)硅基自耦合光波導(dǎo)微分器后輸出的頻譜和時(shí)域波形。
[0019]圖5為實(shí)施例中經(jīng)過(guò)時(shí)分復(fù)用后的高斯脈沖測(cè)試結(jié)果圖；
[0020]圖中:圖5 -1對(duì)應(yīng)于二階微分，圖5 - 2對(duì)應(yīng)于四階微分，(a)、(b)、(c)分別是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的10Gb/S、20Gb/s、40Gb/s的皮秒脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)硅基自耦合光波導(dǎo)微分器后輸出的時(shí)域波形。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0022]如圖1所示，本裝置包括:待處理信號(hào)發(fā)生器1、高階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器2以及信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)3，其中:待處理信號(hào)發(fā)生器I與高階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器2的輸入相連接，信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)3與高階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器2的輸出相連接。
[0023]如圖2所示，所述的高階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器2通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的自耦合光波導(dǎo)(SCOW)實(shí)現(xiàn),對(duì)于每級(jí)scow,諧振腔內(nèi)兩種模式光以相反的方向傳播并發(fā)生相互f禹合，從而引起透射譜的諧振模式分裂。當(dāng)耦合區(qū)域耦合強(qiáng)度較弱時(shí)，SCOW透射譜上的分裂凹陷濾波相比于單個(gè)微環(huán)諧振腔具有更大的帶寬，這使得該微分器2的處理速率增加，也降低了 SCOW級(jí)聯(lián)時(shí)諧振波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)的困難，實(shí)驗(yàn)得到的透射頻譜如圖2(c)、(d)所示。
[0024]用來(lái)制作該微分器2結(jié)構(gòu)的絕緣體上硅結(jié)構(gòu)頂硅厚度為220nm，中間為厚度2 μ m的二氧化娃緩沖層。波導(dǎo)橫截面尺寸為450nmX220nm,稱(chēng)合區(qū)的空氣間隙為180nm。頂部娃的圖案化由248nm紫外線光刻和隨后的離子耦合刻蝕(ICP)完成。為了實(shí)現(xiàn)微分器2與單模光纖的I禹合，在微分器2兩端制作了 TE偏振的光柵f禹合器。以四階娃基自I禹合光波導(dǎo)微分器2為例，圖2 - 2(b)是實(shí)施例所用到的四階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器2的光學(xué)顯微鏡照片。四階硅基自耦合光波導(dǎo)微分器2的測(cè)量頻譜如圖2-2(c)所示，插入損耗約為lldB，2-2(c)中類(lèi)似四次曲線凹陷濾波的局部放大圖如圖2 - 2(d)所示，在以1553.596nm波長(zhǎng)為中心的65.2GHz的帶寬范圍內(nèi)，該微分器2的透射譜曲線十分接近理想的四次曲線。二階自耦合光波導(dǎo)微分器2的實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻譜圖如圖2 -1 (c)所示，3dB帶寬約100GHz，諧振深度約為12dB，可用于高速二階微分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
[0025]如圖3所示，為實(shí)施例對(duì)類(lèi)高斯形的光信號(hào)進(jìn)行時(shí)域微分的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，包括:依次連接的射頻信號(hào)發(fā)生器10、電放大器11、皮秒激光器12、可調(diào)光濾波器13、摻鉺光纖放大器14、諧振控制器15、光時(shí)分復(fù)用器16、隔離器17、待測(cè)器件，以及功分器18和分別設(shè)置于其輸出端的光譜分析儀20以及串聯(lián)的可調(diào)光濾波器13、摻鉺光纖放大器14和500GHz采樣不波器19。
[0026]上述裝置以四階微分系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)為例，首先由射頻信號(hào)發(fā)生器10產(chǎn)生IOGHz的射頻時(shí)鐘信號(hào)，放大之后作為皮秒激光器12的同步信號(hào)，皮秒激光器12輸出重復(fù)頻率為IOGHz的皮秒脈沖序列，其頻譜如圖4 - 2(a)所示，其中單個(gè)脈沖的時(shí)域波形如圖4 - 2 (b)所示，這個(gè)高斯型脈沖的半高全寬約為2.6皮秒(二階為2.8皮秒)?？烧{(diào)光濾波器用來(lái)匹配器件的帶寬并且減小邊帶光譜的影響，對(duì)產(chǎn)生的皮秒信號(hào)進(jìn)行預(yù)整形，整形后皮秒脈沖的半高全寬擴(kuò)大到8.6皮秒(二階擴(kuò)大到6.2皮秒)，其中整形后的頻譜和單個(gè)脈沖的時(shí)域波形分別如圖4 - 2(c)和(d)所示。光時(shí)分復(fù)用器用來(lái)產(chǎn)生10Gb/s、20Gb/s和40Gb/s的時(shí)分復(fù)用信號(hào)，時(shí)分復(fù)用后的信號(hào)經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大以后，與待測(cè)器件的輸入端相連。待測(cè)微分器2的輸出信號(hào)經(jīng)功率分束器7后分為兩部分，其中10%部分的光接入光譜分析儀，用于觀測(cè)信號(hào)頻譜，90%的光接入光時(shí)域觀測(cè)分析系統(tǒng)3，包括摻鉺光纖放大器和光帶通濾波器用于抑制噪聲，之后接入500GHz光學(xué)采樣示波器用來(lái)觀察時(shí)域波形。經(jīng)過(guò)四階自耦合光波導(dǎo)微分器2后輸出的頻譜和單個(gè)脈沖的時(shí)域波形分別如圖4 -2(e)和(f)所示。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的時(shí)域波形與仿真計(jì)算得到的高斯脈沖的四階(二階)微分非常一致。
[0027]10Gb/s、20Gb/s和40Gb/s的時(shí)分復(fù)用信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5(a)、(b)、(C)所不，其中圖5 -1代表二階光微分輸出信號(hào)的時(shí)域波形，圖5 - 2代表四階光微分輸出信號(hào)的時(shí)域波形，頻譜失真主要是由光時(shí)分復(fù)用器在光信號(hào)傳播過(guò)程中的衰減和時(shí)間延遲引起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論微分效果很接近，從而驗(yàn)證了本裝置的可行性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于娃基自稱(chēng)合光波導(dǎo)的高速高階光微分器，其特征在于，包括:依次連接的待處理信號(hào)發(fā)生器、硅基自耦合光波導(dǎo)微分器；所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的自耦合光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高階光時(shí)域微分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高階光微分器，其特征是，所述的待處理信號(hào)發(fā)生器包括:可調(diào)激光器、電信號(hào)發(fā)生器和電光調(diào)制器，其中:用來(lái)產(chǎn)生連續(xù)光的可調(diào)激光器的輸出端口與電光調(diào)制器的輸入端口相連接，用于將電信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上并產(chǎn)生待處理的高速光信號(hào)的電信號(hào)發(fā)生器的輸出端口與電光調(diào)制器的射頻輸入端口相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高階光微分器，其特征是，所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器中，每級(jí)SCOW的諧振腔內(nèi)，兩種模式的光以相反的方向傳播，從而引起透射譜發(fā)生諧振模式分裂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高階光微分器，其特征是，所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器的輸出端設(shè)有信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)，該信號(hào)觀測(cè)分析系統(tǒng)包括:功率分束器、頻域觀測(cè)分析系統(tǒng)和時(shí)域觀測(cè)分析系統(tǒng)，其中:娃基自稱(chēng)合光波導(dǎo)微分器的輸出與功率分束器的輸入相連接，功率分束器的主功率輸出端口與用來(lái)觀察微分后波形的時(shí)域觀測(cè)分析系統(tǒng)相連接并通過(guò)光學(xué)采樣示波器顯示，功率分束器的從功率輸出端口與用于觀測(cè)輸出信號(hào)頻譜的頻域觀測(cè)分析系統(tǒng)相連接并通過(guò)光譜分析儀顯示。
5.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的高速高階光微分器，其特征是，所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器的兩端設(shè)有TE偏振的光柵稱(chēng)合器。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的高速高階光微分器，其特征是，所述的硅基自耦合光波導(dǎo)微分器中，用來(lái)制作微分器的絕緣體上硅結(jié)構(gòu)頂硅厚度為220nm，中間為厚度2μπι的二氧化娃緩沖層，波導(dǎo)橫截面尺寸為450nmX 220nm,稱(chēng)合區(qū)的空氣間隙為180nm。
【文檔編號(hào)】G02F1/365GK103941519SQ201410204227
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】潘聽(tīng), 吳佳旸, 曹攀, 張亮, 蘇翼凱 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)