基于微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于微環(huán)諧振腔的全光微分方程 求解器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前用于計算和信息處理的集成電子器件正逐漸接近其處理速率的極限。相較于 傳統(tǒng)電子器件，基于光器件的全光計算和信息處理技術(shù)能夠有效克服高速傳輸過程中的帶 寬瓶頸，因而具有顯著優(yōu)勢。
[0003] 微分方程式廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)工程領(lǐng)域。作為最基本的微分方程，線性常系數(shù) 微分方程被廣泛應(yīng)用于線性時不變系統(tǒng)。求解線性常系數(shù)微分方程是實時模擬信號處理的 重要組成部分。相比于傳統(tǒng)電域的微分方程求解器，全光微分方程求解器具有將處理帶寬 提升若干個數(shù)量級的潛能。
[0004] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Kenneth Y. Yun等人于1998年發(fā)表在IEEE Trans. VLISSyst上的文章"The design and verification of a high -performance low -control -overhead asynchronous differential equation solve"中提出用帶有 drop 端 的微環(huán)諧振腔來求解微分方程的整體思路，這個方案具有高集成的優(yōu)勢，但是當(dāng)輸入信號 包含多種不同階數(shù)時，它不能求解高階微分方程。
[0005] 中國專利文獻CN104375354A，公開日2015. 02. 25,公開了一種基于干涉耦合硅基 微環(huán)諧振腔的可調(diào)光微分方程求解器。其特點是該裝置的微環(huán)諧振腔具有兩個干涉耦合 器，通過改變兩個干涉耦合器的外臂相移，從而實現(xiàn)所求線性解常系數(shù)微分方程系數(shù)的動 態(tài)調(diào)節(jié)，滿足一般形式線性時不變系統(tǒng)的模擬和分析。該結(jié)構(gòu)亦不能求解高階微分方程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于微環(huán)諧振腔的全光微分方程 求解器，具有處理一階或二階輸入信號的功能，可應(yīng)用于線性時不變系統(tǒng)的建模和表征，為 求解高集成芯片上的常微分方程提供了解決方案。
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括：待處理信號發(fā)生模塊、全光微分 方程求解器模塊和處理后信號觀測與分析模塊，其中：待處理信號發(fā)生模塊、全光微分方程 求解器模塊和處理后信號觀測與分析模塊依次串聯(lián)連接；待處理信號發(fā)生模塊產(chǎn)生待處理 的光信號并從輸出端輸出至全光微分方程求解器模塊，經(jīng)全光微分方程求解器模塊處理后 得到的信號由輸出端輸出至處理后信號觀測與分析模塊進行檢測。
[0008] 所述的全光微分方程求解器模塊包括：若干個微環(huán)諧振腔和與之相連的反饋環(huán)， 其中：微環(huán)諧振腔與反饋環(huán)之間通過兩個耦合器分別耦合，并形成兩個輸出支路；其中一 個輸出支路作為信號輸出端，另一個輸出支路作為反饋端循環(huán)；通過改變系統(tǒng)中與反饋環(huán) 耦合的微環(huán)諧振腔的個數(shù)實現(xiàn)一階或二階全光微分方程的求解。
[0009] 所述的所求解的一階微分方程形式為
實 中：
.C = Q_，Tfeedback= r 而叫此，TfOTwards= K 和 K i，i = 1，2 分別表示 i = 1，2 的兩 個耦合器的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，Up UjPU3分別代表反饋環(huán)與微環(huán)諧振腔和i = 1，2的 兩個親合器之間的傳輸系數(shù)；D = 〇Q/2Qe，D = w wq/2Q = A ?3dB/2表示方程的常系數(shù)；表示微環(huán)諧振腔的中心諧振頻率，Q表示微環(huán)諧振腔的 品質(zhì)因素，A ?3dB表示微環(huán)諧振腔的3dB角帶寬，Qi表示微環(huán)諧振腔的本征損耗，Qe表示 外部耦合損耗。
[0010] 所述的反饋環(huán)可同時調(diào)節(jié)％和Q 6，保持系數(shù)不變。
[0011] 所述的所求解的二階微分方程形式為
，其 中：
K i，i = 1，2分別表示i = 1，2的兩個耦合器的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，％，％和U3*別代表 反饋環(huán)與微環(huán)諧振腔和i = 1，2的兩個耦合器之間的傳輸系數(shù)； Qn+= w ci/2Qin+wci/2Qen = w ci/2Q = A w3dB/2表示方程的常系數(shù)；n = 1，2分別表示兩個 微環(huán)諧振腔，表示微環(huán)諧振腔的中心諧振頻率，Q表示微環(huán)諧振腔的品質(zhì)因素，A ?3dB 表示微環(huán)諧振腔的3dB角帶寬，Qin表示微環(huán)諧振腔的本征損耗，Qm表示外部耦合損耗。 [0012] 所述的反饋環(huán)可同時調(diào)節(jié)Q in和Q en，保持系數(shù)不變。
[0013] 所述的待處理信號發(fā)生模塊包括：可調(diào)激光器和電光調(diào)制模塊，其中：可調(diào)激光 器的信號輸出端與電光調(diào)制模塊的輸入端相連；可調(diào)激光器產(chǎn)生連續(xù)光載波且輸出至電光 調(diào)制模塊，電光調(diào)制模塊將電信號調(diào)制到光載波上產(chǎn)生待處理的光信號。
[0014] 所述的處理后信號觀測與分析模塊包括：功率分束器、頻域觀測分析系統(tǒng)和時域 觀測分析系統(tǒng)，其中：功率分束器的輸入端與全光微分方程求解器的輸出端相連，功率分束 器的輸出端分別與頻域觀測分析系統(tǒng)和時域觀測分析系統(tǒng)相連；
[0015] 所述的時域觀測分析系統(tǒng)觀察求解處理后的波形；
[0016] 所述的頻域觀測分析系統(tǒng)觀測輸出信號的頻譜。 技術(shù)效果
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅可用于一階微分方程，而且可拓展用于二階微分方 程的求解。同時器件的集成度高，工藝設(shè)計簡單，制造工藝與CMOS工藝完全兼容，該方案的 可行性已經(jīng)通過5Gb/s和12. 5Gb/s高斯光脈沖進行系統(tǒng)驗證。由于基于微環(huán)諧振腔的全 光微分方程求解器具有以上諸多優(yōu)點，這類結(jié)構(gòu)的光微分方程求解器具有較好的發(fā)展和應(yīng) 用前景。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2中：(a)為基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器結(jié)構(gòu)示意圖，（b)為與 (a) 對應(yīng)的系統(tǒng)框架圖；
[0020] 圖3為基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器的歸一化頻譜圖，其中：
[0021] (a)為系數(shù)C = 4X 109時基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器隨著系數(shù)A 變化的頻譜圖，（b)為系數(shù)A = 1.51 X101(l時基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器 隨著系數(shù)C變化的頻譜圖，其中：設(shè)系數(shù)始終為1;
[0022] 圖4中：(a)為制備的基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器的顯微照片， (b) 為測試該制備器件得到的頻譜圖；
[0023] 圖5中：(a)為制備的基于兩個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器的顯微照片， (b)為測試該制備器件得到的頻譜圖；
[0024] 圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)測試裝置圖；
[0025] 圖7為實施例1中全光微分方程求解器輸入端和輸出端時域眼圖，其中：
[0026] (a - I)是5Gb/s輸入正弦脈沖信號，（b - I)是12. 5Gb/s輸入正弦脈沖信號，（c -I)是5Gb/s輸入超高斯型脈沖信號，（d - I)是12. 5Gb/s輸入超高斯型脈沖信號，（e - I) 是5Gb/s輸入高斯型脈沖信號，（f - I)是12. 5Gb/s輸入高斯型脈沖信號；
[0027] (a - II)~（f - II)分別為與（a - I)~（f - I)對應(yīng)的輸出信號脈沖曲線；
[0028] 圖8中：(&)!\曲線表示所制備基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方程求解器的傳 輸曲線，1~ 2曲線代表由一階微分方程理論求解所得到的基于一個微環(huán)諧振腔的全光微分方 程求解器傳輸曲線，（b)為波長范圍在1549. 15nm~1552. 15nm之間的誤差曲線；
[0029] 圖9為實施例2中全光微分方程求解器輸入端和輸出端時域眼圖，其中：
[0030] (a - I)是5Gb/s輸入正弦脈沖信號，（b - I)是12. 5Gb/s輸入正弦脈沖信號，（c -I)是5Gb/s輸入超高斯型脈沖信號，（d - I)是12. 5Gb/s輸入超高斯型脈沖信號，（e - I) 是5Gb/s輸入高斯型脈沖信號，（f - I)是12. 5Gb/s輸入高斯型脈沖信號；
[0031] (a - II)~（f - II)分別為與（a - I)~（f - I)對應(yīng)的輸出信號脈沖曲線；
[0032] 圖中：待處理信號發(fā)生模塊A、全光微分方程求解器模塊B、處理后信號觀測與分 析模塊C、可調(diào)激光器1、電光調(diào)制模塊2、脈沖信號產(chǎn)生器3、射頻合波器4、偏振控制器5、 馬赫-增德調(diào)制器6、摻鉺光纖放大器7、帶通濾波器8、可調(diào)光學(xué)衰減器9、待測器件10、功 率分束器11、光頻譜儀12、示波器13、微環(huán)諧振腔14、第一耦合器15、反饋環(huán)16、第二耦合 器17。
【具體實施方式】
[0033] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
[0034] 如圖1所示，本實施例包括：待處理信號發(fā)生模塊A、全光微分方程求解器模塊B 以及處理后信號觀測與分析模塊C，其中：待處理信號發(fā)生模塊A、全光微分方程求解器模 塊B和處理后信號觀測與分析模塊