用于計算和信息處理的全光電路能克服電子電路固有的速度限制

1、用于計算和信息處理的全光電路能克服電子電路固有的速度限制。然而在光子學中，很少有類似于運用在多功能電子電路中的基本構(gòu)件存在。在本研究中，我們在一個單片集成平臺上提出了第一個全光時間積分器。我們的儀器一個基于無源微型環(huán)狀共振腔的光波元件擁有萬億分之一秒的時間分辨能力，能對任意光波形復數(shù)域的時間積分運算，這相當于200GHz的處理速度和接近十億分之一秒的時間“駐留”。這個儀器，與電子技術(shù)兼容（CMOS 互補金屬氧化物半導體），將會成為下一代超速數(shù)據(jù)處理技術(shù)的構(gòu)件，使光學記憶成為可能，將會成為實時微分方程計算的單元部件。 光子時間積分器是一種能對光子進行積分運算，也就是對一個任意全光輸入進行時間積分

2、的儀器。圖1（從上到下）展示的是從光子積分器中得到的一系列特定輸入波形的時域輸出波形，這些輸入波形被用來說明該儀器的一些相關(guān)的計算和處理方面的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)處理/分析，光子位運算，光學記憶單元和微分方程的模擬計算，后一個應(yīng)用尤其有趣：在其電子領(lǐng)域的對應(yīng)物類比時，一個光子積分器是制造旨在求解那些為基本現(xiàn)象建模和被運用在實際任何科學或工程領(lǐng)域里的超速模擬全光電路的一個關(guān)鍵元件。至于備受矚目的全光技術(shù)，光子積分器能提供比電子積分器快得多的處理速度。另一個震撼人心的特點就是它能完成復數(shù)信息的處理，當然包括振幅和相位，與之相反，電子積分器僅限于處理實數(shù)信息。這個特點提供了一種相對于電子積分器重要的額外的

3、自由度，使高級信息處理及多種計算任務(wù)的應(yīng)用成為可能。從基本的信號處理理論來看，我們都知道，一個時間積分器可以用一個時間脈沖響應(yīng)（對t=0時刻施加的脈沖）為h(t)的正比于單位階躍函數(shù)u(t)的線性計分器。為了實現(xiàn)這樣一個物理系統(tǒng)，人們必須創(chuàng)造一種能存儲輸入的隨時間變化的光場并且提供一種正比于每個瞬時存儲的場的連續(xù)信號的輸出的結(jié)構(gòu)。在電子學，這個功能可以用一個電容器來實現(xiàn)，電容器積累的電荷正比于輸入的電場，那么積分信號就正比于電容器兩端測得的電壓。嚴格地說，當光子完全停止是必須的時候，這在光子學里沒有直接與之對應(yīng)的原理。時間積分器設(shè)計也能通過簡單地從頻域考慮儀器的響應(yīng)來近似。由方程（1）中的脈沖

4、響應(yīng)通過傅里葉變換得到的理想積分器的頻譜轉(zhuǎn)換函數(shù)可以描述為：其中，是光的頻率變量，是待處理信號的載波頻率。根據(jù)方程（2），積分器應(yīng)該提供一種在附近的轉(zhuǎn)換，并且在處完美的發(fā)散到無窮。雖然在理論上，這意味著對增益的要求。我們從電子學里都知道期望得到的響應(yīng)能用無源濾波器結(jié)構(gòu)加上一些特定限制條件仿真出來。一種實現(xiàn)光子積分器的有前景通用的方法是基于光子共振腔的使用，例如環(huán)狀共振腔或FabryPerot(FP)濾波器。為了簡化分析過程，我們認為普通的FP腔是由兩個完全相同的鏡子組成，每個鏡子以場反射率（反射和入射場的幅度的比值，）、距離來相互表征和區(qū)分。在這里，腔中媒介里的凈增益由因子（表示增益）給出。這

5、樣，時間脈沖響應(yīng)可被簡單地描述為：其中是在FP腔中往返傳輸時間（這里取, n是腔折射率；c 是真空中的光速）?？梢院唵蔚乇硎鰹?，方程（3）決定了存儲在FP腔中信號以指數(shù)形式衰減。將FP腔（方程（3）中的脈沖響應(yīng)與理想積分器（方程（1）相比，我們可以推測當時，F(xiàn)P腔表現(xiàn)為時間積分器。這個條件意味著，這種FP腔應(yīng)該是更少損耗。事實上當時，該儀器仍將表現(xiàn)為時間積分器，但只是多了一個有限的時間窗（a limited time window ），且由共振腔衰減時間決定。有一點需要說明的是輸入脈沖（1）頻譜被置于一個腔的共振頻率中央方程（3）而且它比往返傳輸時間T長才能描述共振腔的時間脈沖響應(yīng)，。這個條件

6、就轉(zhuǎn)變?yōu)閮x器工作帶寬（速度）中固有的限制，實際上就是被共振腔自由頻譜范圍限制。這個原理能通過求普通光學共振腔的頻率響應(yīng)來更好地說明。一個標準的光學共振腔例如FSR的頻譜轉(zhuǎn)換函數(shù)是周期的頻率梳（該頻率梳有一個由FSR固定的周期），其中在給定共振附近的頻譜響應(yīng)的形狀能被洛倫茲公式很好地近似。圖2說明了理想積分器的幅頻轉(zhuǎn)換公式（黑色曲線，由方程（2）定義）和光學共振腔（紅色曲線）在特定共振頻率附近的一致性。作為比較，我們展示了兩個只有FSR不同的共振腔（a,b）.每種情況下，虛線框中的區(qū)域代表共振腔與理想積分器響應(yīng)相似的頻率范圍。從這個表述中很容易理解一個更大的FSR（也就是通過減小儀器的尺寸實現(xiàn)的

7、更短的往返傳輸時間）怎樣被轉(zhuǎn)換成一個更寬的積分帶寬，也就是更快的處理速度。在本文中，我們提出了第一個單片全光時間積分器的實現(xiàn)方法。我們在實驗中用到的互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容微型環(huán)狀共振腔是一種完全無源的儀器，盡管增益對于獲取時間積分所需的精確技術(shù)參數(shù)是必須的。以前，非集成的光子積分器有的有限的不實用的工作時間窗。雖然增加增益能改善這個瑕疵，但是會帶來使處理速度d的代價，同時反而影響了噪聲特性。通過使用我們的完全無源的儀器，我們展示了精確的時間（任意復數(shù)域光波的時間短于80ps）積分，這比有源光子積分器取得的最好結(jié)果快一個數(shù)量級，超過800ps的積分時間窗比早先的無源光子積分器長一個

8、數(shù)量級。這個時間分辨能力于200GHz的處理速度是一致的，因此這個儀器提供了一個接近100的工作時間帶寬積（TBP，一個重要的性能衡量指標，由積分時間窗和能被精確處理的時間特征的比例定義）。這遠遠高于先進的無源電子積分器（TBP<10），甚至明顯大于之前展示的有源光子積分器（TBP<30）結(jié)果儀器結(jié)構(gòu). 本儀器的提出是基于無源集成的FSR為200GHz、Q因子為的四端口高折射率對比玻璃微型環(huán)狀共振腔。慘雜的石英薄膜使用標準化學氣相沉淀法沉淀的，波導管是用光刻法和反應(yīng)離子刻蝕發(fā)繪圖的。整個制造過程是CMOS兼容的，對高溫后處理沒有更進一步的要求。傳輸損耗很低，低于，然而由于從總線波導

9、到環(huán)的額外耦合損耗（反向亦如此）光纖到光纖的插入損耗約為9dB。實驗回顧. 圖3展示了實驗準備和我們的光子積分器的工作原理。激光源發(fā)出高斯脈沖，每個脈沖持續(xù)時間為7.5ps（見方法定義），重復速率為16.9MHz。通過基于分析儀的脈沖塑形器，我們產(chǎn)生了3個不同的輸入波形：（1）直接由激光源（見圖4.a中插圖（B）產(chǎn)生的超短光脈沖，（2）一串兩個連續(xù)的同相位脈沖（見圖4b,d的插圖），（3）一串兩個連續(xù)的相位差的脈沖（見圖4c,e）。（2）（3）中輸入的脈沖間的時差是40或275ps。之后信號被輸入環(huán)的端口，同時在滴口處的輸出波形被導入到一個與50GHz采樣示波器相連的高速光電檢測器（響應(yīng)時間1

10、2ps）。在儀器輸出口的時域光波歸一化強度分布如圖4a。4a展示的是單輸入脈沖（1），4be展示的是雙輸入脈沖（2）和（3）。圖4中相應(yīng)的理想輸入波形的理論積分用藍色曲線表示。單脈沖實驗. 當輸入脈沖的帶寬和積分器接近時，圖4a中的輸出波形與該儀器的時間脈沖響應(yīng)很相近。測量得到的曲線與方程（3）得到的理論曲線很接近，由此我們可以推測出800ps的積分時間窗（以衰減到最大強度的80%的時間來定義）。該儀器對超短輸入脈沖（1）做出的并由一個更快的光電探測器（上升時間8ps）記錄的響應(yīng)顯示在圖4a的插圖（A）中，這里的8ps（10-90%）的上升時間是估算的。本實驗使用的儀器的環(huán)半徑更?。?。因此我們

11、實現(xiàn)了更快的處理速度（高達500GHz）和更高的吞吐量（從這里提到的0.015%到1.5%）雖然是以一個更短的積分時間窗為代價。雙脈沖實驗. 雙脈沖實驗的結(jié)果顯示，該積分器可以簡單地把無相位差的兩波形疊加（圖4b,d）。作為對比，脈沖反相時，第二個光脈沖的時間積分抵消了第一個脈沖（假設(shè)兩脈沖完全相同），這產(chǎn)生了類似于方波的包絡(luò)且持續(xù)時間由輸入的脈沖見的延時決定（圖4c,e）。這些結(jié)果顯示本文已經(jīng)提到的光子積分器的大量重要應(yīng)用。例如，1比特光學記憶單元可以被加載，就是說能通過輸入串脈沖“集合”被轉(zhuǎn)換為狀態(tài)1，并且隨后被具有相位差的脈沖“集合”清除掉或重置為狀態(tài)0。在這個方案中，記憶轉(zhuǎn)換時間是被積

12、分器的處理速度固定的，記憶的壽命是由積分時間窗（分別為8ps和800ps）。我們回顧了圖4中以強度形式表現(xiàn)的所有的細節(jié)，因為這一般來講于光處理和測量有關(guān)。因此，前面綜合考慮該儀器對場振幅求積分，圖4b,d顯示了同相位雙脈沖實驗里有一個1:4的增幅，與之相反，輸出的場振幅的測量值有一個1:2的跳變。復積分. 圖4中的結(jié)果說明這個積分器工作在光信號的復時域包絡(luò)（振幅和相位）。為了強調(diào)這一點，我們進行了對有很大TBP的復雜光波的時域積分的實驗。在這種情況下，輸入的脈沖（見圖4.f的插圖）是通過使光纖色散設(shè)備傳輸?shù)膶捈す饷}沖發(fā)生色散獲得的，為了產(chǎn)生強度半峰寬為950ps（場的半峰寬為1,340ps）強

13、線性調(diào)頻脈沖。然后把該線性調(diào)頻脈沖輸入到環(huán)形共振腔，在共振腔的出口（滴口）時間強度波形就測量出來了。圖4f顯示的是線性調(diào)頻脈沖的實驗結(jié)果（黑色曲線）和理論時域積分（藍色曲線）。盡管輸出波形極為復雜，但是實驗和理論曲線在時間尺度是的吻合很好，遠遠超過了設(shè)備的分辨率（8ps）。最終結(jié)果說明從我們的設(shè)備輸出口的一個任意給定的光波形中恢復相位信息是可能的，這與最近發(fā)展的一種使用光微分器的相位恢復方法相似。討論對于任何無源光子時間積分器，我們的儀器的全部積極的性能基本被共振腔線寬與信號頻譜寬的比值限制。在我們的實驗中，400MHz的共振腔線寬和110GHz的信號頻譜帶寬（這些數(shù)據(jù)被定義為最大輸出的10%

14、間的寬度。共振腔的半峰寬為160MHz產(chǎn)生了一個大約為24dB的最大理論效率。在實際中，高效的產(chǎn)出會被耦合損耗或任何共振頻率處腔中的非理想能量傳輸。引入增益，例如，通過四波混合有可能會改善積極的性能和響應(yīng)的質(zhì)量。正如圖2說明的，無源共振腔的響應(yīng)違背了理想情況下的響應(yīng)尤其是在共振頻率。事實上，任何給定的共振頻率附近的頻譜形狀可以由洛倫茲公式很好的近似出來。這的確是與公式（3）中的脈沖響應(yīng)一致的轉(zhuǎn)換方程，因此，為了更好的近似一個理想的積分器而引入增益到腔中的方法（通過增加）已經(jīng)被提出來了。那就是由得出k=0,它決定了共振腔腔內(nèi)損耗與增益的精確的平衡。然而，我們想到一個有源積分器也有一個缺點，例如高

15、噪聲水平（產(chǎn)生于自發(fā)輻射）、高能量損耗和儀器制造運行中的技術(shù)困難，尤其是集成的解決方案。更有甚者，實現(xiàn)增益可能要增加儀器的體積，這會使工作帶寬減小。正如已經(jīng)提到的，有源光子積分器會一定程度上限制工作速度（<20GHz）。雖然仍高于大多數(shù)先進的電子技術(shù)，這一點是已經(jīng)被基于最優(yōu)化布拉格光柵的共振腔證實了的。雖然這些缺點可以通過使用無源光學濾光器克服，但是這會帶來較差的吞吐量和受到限制的積分時間窗。有人曾估算，在沒有額外傳輸損失（），產(chǎn)生的總往返損耗少于的前提下，要用一個無源共振腔來實現(xiàn)近乎理想的積分特性，每個鏡子的場反射率應(yīng)該是r>99.99%。這是一個極具挑戰(zhàn)的要求。這里提到的基于高Q值的微型共振腔光子積分器能夠滿足這些嚴格的要求?？偨Y(jié)，本文提出了第一個單片全光時間積分器。這個基于無源高Q值微型環(huán)狀共振腔的儀器讓我們能在8ps分辨率下實現(xiàn)復數(shù)域光波的時間積分，遠遠超過了電子積分器能達到的水平，并且只有一個十億分之一秒的“駐留”時間窗。這個在CMOS兼容式光學芯片里的成就為人們提出了一個關(guān)于高度集成、超速的光信息加工、記憶、測量和計算系統(tǒng)的意義非凡的前景。圖像1/輸入-輸出的光學積分器系統(tǒng) 確定的輸入時域波形與下列基本應(yīng)用有關(guān)：數(shù)據(jù)處理、分析，比特計算，光學記憶單元和差分方程的模擬光學計算。圖像2/光學共振腔積分器的工作限制 上圖顯示