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基于硅基微环的信号处理介绍. 硅基微环的结构和优点. 与 CMOS 工艺兼容 尺寸小、易集成 半径：几个到几十个微米 波导宽度：几百个纳米 易于光电混合集成 适于光信号处理 Si/SiO 2 之间的折射率差很大 周期线性高 Q 滤波效应 环内能形成很强的内建场 各种非线性效应阈值低. 450 nm. Si. 250 nm. SiO 2. 硅基微环的线性特性. 在环中绕一周相移位 2k p 的光将发生谐振. a: 衰减系数 ; f : 相移 ; t : 直接耦合系数 ; r: 交叉耦合系数.
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硅基微环的结构和优点 与CMOS工艺兼容 尺寸小、易集成 半径：几个到几十个微米 波导宽度：几百个纳米 易于光电混合集成 适于光信号处理 Si/SiO2之间的折射率差很大 周期线性高Q滤波效应 环内能形成很强的内建场 各种非线性效应阈值低 450 nm Si 250 nm SiO2
硅基微环的线性特性 在环中绕一周相移位2kp的光将发生谐振 a: 衰减系数; f: 相移; t : 直接耦合系数; r: 交叉耦合系数 Y. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003).
硅基微环的周期谐振特性 谐振特性漂移 1. 受热：L改变 强光照射 (ms) 加热电极 (ms) 2. 载流子：n改变 强光照射 (ns) 外加电压 (ps) 3. Kerr：n改变 强光照射 幅频特性 (滤波) 相频特性 延迟特性 l谐振 Y. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003).
硅微环光信号处理实验演示 密集波长转换 可控的光延迟 光信号微分器 可集成的移相器 光信号调制器 全光码型转换
已有方案 现有方案: 使用非线性光器件(如SOA、HNLF)，利用其 XGM (cross Gain Modulation)等特性 缺点：体积大， 功耗高 非线性器件 l1 l2
基于微环的波长转换：载流子效应 控制信号（强光） 待转换信号（弱光） CW p NRZ信号0 lp强度很弱 没有载流子产生 CW p NRZ信号1 lp强度很强 双光子吸收产生载流子 通常硅微环半径在5~20 mm，使谐振峰之间的间隔一般为几~十几个纳米 Q. Xu et al., Opt. Lett., 2733 (2005)
密集波长转换：原理 CW p NRZ信号1 波导侧壁不平整 导致谐振峰分裂 谐振峰分裂使得密集波长 转换成为可能 Ziyang Zhang et al., CLEO/QELS 2008
密集波长转换：实验装置与结果 CW CW 实验中自由载流子寿命为450 ps 因此对于5 Gb/s信号造成码型效应 Qiang Li et al., 081113, App. Phy. Lett., 2008. Q. Xu et al., Opt. Lett., 2733 (2005)
多信道组播 FSR p 1 2 Qiang Li et al., 081113, App. Phy. Lett., 2008.
可调光延迟线：延迟特性+热效应 遇热谐振峰往 长波长方向移动 GVD GVD l l l l
可调光延迟线：实验装置 信号探测光 温度控制光 20 mm
NRZ RZ 可调光延迟线：实验结果 3阶色散效应
不同码型在硅微环中的延迟特性 5-Gb/s CSRZ最大延迟为95 ps 5-Gb/s Duobinary最大延迟为110 ps 不同码型的延迟比较 频谱分量延迟量的加权平均决定了总延迟量 5-Gb/s AMI最大延迟为65 ps Qiang Li et al., 3744, JLT 2008.
信号微分器 基本原理: 通过全光的方式对信号做微分处理 原始信号表示为： s(t)*exp(jwct) 微分后的信号表示为 s’(t)*exp(jwct) 其中wc是光频率
硅基微环的滤波特性 当t = a 时，微环处于临界耦合状态： 所有谐振波长上的光全部被限制在环内 处于临界耦合状态，当w-w0<<w0时，传 递函数为： 类比： 1 0 Fangfei Liu et al., OE, 2008.
信号微分器：样品与实验装置 Fangfei Liu et al., OE, 2008.
信号微分器：实验结果 5 G 10 G 高斯 正弦 方波 Fangfei Liu et al., OE, 2008.
移相器 移相器是一种能够对波的相位进行调整的一种装置。 cos(wt) --> cos(wt+f) 在频率很高(w很大)的情况下用电不容易实现 移相
移相器的应用：相控阵雷达 利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可 以改变波束的方向进行扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完 成 雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外， 还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位 的电流，从而在空间 辐射出不同方向性的波束。
可集成移相器：相移特性+热效应 两列光载波 经过光电检测器之后 S1 = cos(w1t+f1) RF = cos[(w1-w2)t+(f1-f2)] = cos[wRFt+Df] S2 = cos(w2t+f2) 微环谐振处的非线性相移+热效应为Df的变化提供了可能 S1 S2 S1 S2 Df Df
可集成移相器：实验装置 10 GHz光载波抑制调制 1548.5 nm 1550.1 nm
光调制器 光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件 常用的光调制器有MZM调制器， PM调制器等等 缺点：体积大， 不易于集成
基于谐振波长移动的光调制 0.4-Gb/s Q. Xu, et al., Nature, vol. 435, May. 2005, pp. 325-327.
缺点1：啁啾严重不易适应长途传输 谐振波长附近还有相位的非线性变化，这导致信号啁啾
缺点2：电压与调制速率有依赖关系 腔内光子寿命是制约微环调制速率的一个重要因素 光子寿命太长 光子寿命与微环的3-dB带宽呈反比 高速率的光调制要求微环具有较短的光子寿命，即需要微环具有较宽的3-dB带宽
基于耦合系数调节的调制技术 输出光场强度： • 耦合系数k的调节： • 谐振波长不发生改变，因为谐振条件是bL = 2mp • 谐振波长处相位只有0和p两种状态 • 能实现无啁啾的光调制
改变k的效果 啁啾程度的控制可以 通过控制CW波长和 谐振波长之间的间隔 实现 现象： 耦合系数k的调节只引发 谐振峰的垂直变化 Tong Ye et al., OL, Accepted.
光通信系统中常用的码型(相位调制) DPSK 星座图 QPSK 星座图
为什么要全光码型转换？ 电接口的缺点： - 体积大 - 功耗大 - 成本高 一种有效的办法：在光域用silicon器件实现码型转换
可再生的NRZ -> RZ的转换 CROW (coupled ring-resonator optical waveguide ) (NRZ)(RZ)
NRZ-to-RZ结果 Tong Ye et al., 15325, OE, 2008.
NRZ-to-RZ-PSK原理和结果 Cishuo Yan et al., 58, OL, 2009.
NRZ到FSK码型转换 NRZ 泵浦信号 500μW/div 500ps/div l2 + 1 2 p l1 = Dl = 0.32 nm FSK 波形 FSK 频谱 5dB/div 0.5nm/div 500μW/div 2.5ns/div 1 2 p Fangfei Liu et al., APOC 2008.
光传输与信息处理 (OTIP)实验室 www.otip.sjtu.edu.cn • 高速大容量光传输系统与子系统：包括新型调制码型、非线性系统性能 • 分析(40-160G)、性能监测、低噪声大动态范围模拟通信系统(RoF) • 新型网络结构和功能模块：波长自路由时隙交换网络，虚拟专用接入网 • 高速光信息处理：(硅基)光信息处理、慢光存储、可调光延迟线 • 生物基因检测芯片
