基于硅基微環(huán)的信號(hào)處理介紹

1、基于硅基微環(huán)的信號(hào)處理介紹硅基微環(huán)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)n與CMOS工藝兼容n尺寸小、易集成n半徑：幾個(gè)到幾十個(gè)微米n波導(dǎo)寬度：幾百個(gè)納米n易于光電混合集成n適于光信號(hào)處理nSi/SiO2之間的折射率差很大n周期線性高Q濾波效應(yīng)n環(huán)內(nèi)能形成很強(qiáng)的內(nèi)建場(chǎng)n各種非線性效應(yīng)閾值低SiSiO2450 nm250 nm硅基微環(huán)的線性特性a: 衰減系數(shù); f: 相移; t : 直接耦合系數(shù); r: 交叉耦合系數(shù)(0)( )inoutEirtEEtirE L2( )(0)LiE Lae EaekLffY. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003).在環(huán)中繞一周相移位2kp的光將

2、發(fā)生諧振taarttaeaertEEiiinout1122ff硅基微環(huán)的周期諧振特性幅頻特性(濾波)相頻特性延遲特性Y. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003).l諧振諧振特性漂移1. 受熱：L改變 強(qiáng)光照射 (ms) 加熱電極 (ms)2. 載流子：n改變 強(qiáng)光照射 (ns) 外加電壓 (ps)3. Kerr：n改變 強(qiáng)光照射硅微環(huán)光信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)演示l密集波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換l可控的光延遲l光信號(hào)微分器l可集成的移相器l光信號(hào)調(diào)制器l全光碼型轉(zhuǎn)換全光波長(zhǎng)變換器已有方案現(xiàn)有方案: 使用非線性光器件(如SOA、HNLF)，利用其XGM (cross Gain Mod

3、ulation)等特性缺點(diǎn)：體積大， 功耗高非線性器件l1l2基于微環(huán)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換：載流子效應(yīng)lp NRZ信號(hào)0lCWlp強(qiáng)度很弱沒(méi)有載流子產(chǎn)生lp NRZ信號(hào)1lCWlp強(qiáng)度很強(qiáng)雙光子吸收產(chǎn)生載流子通常硅微環(huán)半徑在520 mm，使諧振峰之間的間隔一般為幾十幾個(gè)納米Q. Xu et al., Opt. Lett., 2733 (2005)控制信號(hào)（強(qiáng)光）待轉(zhuǎn)換信號(hào)（弱光）波導(dǎo)側(cè)壁不平整導(dǎo)致諧振峰分裂lp NRZ信號(hào)1lCWZiyang Zhang et al., CLEO/QELS 2008 諧振峰分裂使得密集波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成為可能密集波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換：原理密集波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換：實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果lCWlCW實(shí)驗(yàn)中自由載

4、流子壽命為450 ps因此對(duì)于5 Gb/s信號(hào)造成碼型效應(yīng)Qiang Li et al., 081113, App. Phy. Lett., 2008.Q. Xu et al., Opt. Lett., 2733 (2005)多信道組播l1l2lpFSRQiang Li et al., 081113, App. Phy. Lett., 2008.可調(diào)光延遲線可調(diào)光延遲線：延遲特性+熱效應(yīng)lGVDllGVDl遇熱諧振峰往長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)可調(diào)光延遲線：實(shí)驗(yàn)裝置信號(hào)探測(cè)光溫度控制光20 mmNRZRZ-30-20-10010200306090120 1G 5G 10GDelay (ps)Pump po

5、wer (dBm)-40-30-20-10010200306090120 1G 5GDelay (ps)Power (dBm)(a)05001000150020000.00.51.01.52.02.5 -30.7dBm 13.7dBmIntensity (a.u.)Time (ps)10 Gb/s01002003004005000.000.250.500.751.00 -37.0dBm 13.6dBmIntensity / a. uTime / ps5 Gb/s3階色散效應(yīng)可調(diào)光延遲線：實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同碼型在硅微環(huán)中的延遲特性5-Gb/s CSRZ最大延遲為95 ps5-Gb/s Duobinar

6、y最大延遲為110 ps5-Gb/s AMI最大延遲為65 psFormatsNRZRZCSRZRZ-DBRZ-AMIDelays (ps)100809511065不同碼型的延遲比較頻譜分量延遲量的加權(quán)平均決定了總延遲量Qiang Li et al., 3744, JLT 2008.信號(hào)微分器基本原理: 通過(guò)全光的方式對(duì)信號(hào)做微分處理原始信號(hào)表示為： s(t)*exp(jwct)微分后的信號(hào)表示為 s(t)*exp(jwct)其中wc是光頻率硅基微環(huán)的濾波特性當(dāng)t = a 時(shí)，微環(huán)處于臨界耦合狀態(tài)：所有諧振波長(zhǎng)上的光全部被限制在環(huán)內(nèi)處于臨界耦合狀態(tài)，當(dāng)w-w0 cos(wt+f)在頻率很高(w

7、很大)的情況下用電不容易實(shí)現(xiàn)移相移相器的應(yīng)用：相控陣?yán)走_(dá) 利用電磁波相干原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進(jìn)行掃描。輻射單元把接收到的回波信號(hào)送入主機(jī)，完成 雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的搜索、跟蹤和測(cè)量。每個(gè)天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過(guò)移相器可以被饋入不同的相位的電流，從而在空間 輻射出不同方向性的波束。 可集成移相器：相移特性+熱效應(yīng)S1 = cos(w1t+f1)S2 = cos(w2t+f2)RF = cos(w1-w2)t+(f1-f2) = coswRFt+Df兩列光載波經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器之后DfDf微環(huán)諧振處的非線性相移非線性相移+

8、熱效應(yīng)熱效應(yīng)為Df的變化提供了可能S1S2S1S2可集成移相器：實(shí)驗(yàn)裝置1550.1 nm10 GHz光載波抑制調(diào)制1548.5 nm可集成移相器：實(shí)驗(yàn)結(jié)果光調(diào)制器光調(diào)制器就是實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換的器件常用的光調(diào)制器有MZM調(diào)制器， PM調(diào)制器等等缺點(diǎn)：體積大， 不易于集成0.4-Gb/sQ. Xu, et al., Nature, vol. 435, May. 2005, pp. 325-327. 基于諧振波長(zhǎng)移動(dòng)的光調(diào)制諧振波長(zhǎng)附近還有相位的非線性變化，這導(dǎo)致信號(hào)啁啾缺點(diǎn)1：啁啾嚴(yán)重不易適應(yīng)長(zhǎng)途傳輸腔內(nèi)光子壽命是制約微環(huán)調(diào)制速率的一個(gè)重要因素光子壽命太長(zhǎng)光子壽命與微環(huán)的3-dB帶寬呈

9、反比高速率的光調(diào)制要求微環(huán)具有較短的光子壽命，即需要微環(huán)具有較寬的3-dB帶寬缺點(diǎn)2：電壓與調(diào)制速率有依賴關(guān)系0201ataeaektbLjLj0201ataaktb輸出光場(chǎng)強(qiáng)度：耦合系數(shù)k的調(diào)節(jié)：諧振波長(zhǎng)不發(fā)生改變，因?yàn)橹C振條件是L = 2mp 諧振波長(zhǎng)處相位只有0和p兩種狀態(tài)1.能實(shí)現(xiàn)無(wú)啁啾的光調(diào)制基于耦合系數(shù)調(diào)節(jié)的調(diào)制技術(shù)現(xiàn)象：耦合系數(shù)k的調(diào)節(jié)只引發(fā)諧振峰的垂直變化啁啾程度的控制可以通過(guò)控制CW波長(zhǎng)和諧振波長(zhǎng)之間的間隔實(shí)現(xiàn)Tong Ye et al., OL, Accepted.改變k的效果光通信系統(tǒng)中常用的碼型(幅度調(diào)制)DPSK星座圖QPSK星座圖光通信系統(tǒng)中常用的碼型(相位調(diào)制)不

10、同碼型性能的比較調(diào)制碼型優(yōu)點(diǎn)缺陷應(yīng)用場(chǎng)合NRZ產(chǎn)生簡(jiǎn)單，較高色散容忍度，較高頻譜效率低非線性容忍度，傳輸距離短城域或區(qū)域DWDMRZ高非線性容忍度產(chǎn)生較復(fù)雜，低色散容忍度，窄帶濾波敏感長(zhǎng)距離WDMCSRZ較高非線性容忍度，較高色散容忍度，高譜效率產(chǎn)生較復(fù)雜，窄帶濾波敏感長(zhǎng)距離WDMDuobinary高色散容忍度，高頻譜效率低非線性容忍度，發(fā)送信號(hào)需經(jīng)過(guò)電上預(yù)編碼城域或區(qū)域DWDMDPSK高色散容忍度，高非線性容忍度，高頻譜效率產(chǎn)生和接收較復(fù)雜長(zhǎng)距離WDMRZ-DPSK較高色散容忍度，高非線性容忍度產(chǎn)生和接收較復(fù)雜長(zhǎng)距離WDMDQPSK高色散容忍度，高非線性容忍度，高頻譜效率產(chǎn)生和接收復(fù)雜長(zhǎng)距離

11、DWDM為什么要全光碼型轉(zhuǎn)換？電接口的缺點(diǎn)：- 體積大- 功耗大- 成本高一種有效的辦法：在光域用silicon器件實(shí)現(xiàn)碼型轉(zhuǎn)換可再生的NRZ - RZ 的轉(zhuǎn)換 (NRZ) (RZ)CROW(coupled ring-resonator optical waveguide )NRZ-to-RZ結(jié)果Tong Ye et al., 15325, OE, 2008.NRZ-to-RZ-PSK原理和結(jié)果Cishuo Yan et al., 58, OL, 2009.l1l2lpl1l2lp NRZ 泵浦信號(hào)l2500W/div500ps/divl1500W/div2.5ns/divFSK 波形5dB/div0.5nm/div FSK 頻譜Fangfei Liu et al., APOC 2008.+=Dl =