本文選題：硅基微諧振器　切入點(diǎn)：光運(yùn)算　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高速計算和信息處理驅(qū)動著當(dāng)今信息時代,使得人們之間的交流方便迅捷。對于計算和信息處理系統(tǒng)而言,減少生產(chǎn)開發(fā)成本的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模片上集成以及制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和流水線操作。在過去50年里,硅基集成電路一直主導(dǎo)著電子信息產(chǎn)業(yè),并給世界帶來了革命性變化。如今,硅基集成電路的成熟度和復(fù)雜度已經(jīng)發(fā)展到了不可思議的程度,單片集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)超過80億個,已經(jīng)超過20年前占據(jù)100 m2機(jī)房的服務(wù)器。然而,隨著Moore定律的延續(xù)以及網(wǎng)絡(luò)通信容量的持續(xù)增長,傳統(tǒng)電計算和信息處理的速率已越來越接近其理論極限,將很難滿足未來百吉赫茲(GHz)乃至太赫茲(THz)超高速應(yīng)用場合的需求。另一方面,全光運(yùn)算和信息處理技術(shù)不僅能夠突破電域計算和處理的帶寬瓶頸,還具有傳輸損耗低、靈活度高、抗電磁干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而在超高速計算和信息處理領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。越來越多的人開始意識到,光不僅可以用作通信傳輸系統(tǒng)中“承載”信息的高速“引擎”,還可以成為計算和信息處理系統(tǒng)中對信號進(jìn)行“裁剪整形”的鋒利“剪刀”。在這樣的背景下,基于硅基集成光子器件的光運(yùn)算和信息處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它面向未來光域超高速計算和信息處理的實(shí)際需求,依托于成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝制造體系,繼承了硅基集成電路制造業(yè)低成本、高穩(wěn)定性、可大規(guī)模集成和擴(kuò)展的優(yōu)勢,是目前光運(yùn)算和信息處理領(lǐng)域最活躍且發(fā)展勢頭最為迅猛的前沿科學(xué)技術(shù),具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。在眾多硅基集成光子器件結(jié)構(gòu)中,硅基微諧振器不僅具有體積緊湊,結(jié)構(gòu)靈活,易于大規(guī)模擴(kuò)展的優(yōu)勢,還具有波長選擇性,高品質(zhì)因數(shù)和諧振場強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)等特點(diǎn),因而在激光器、光濾波器、電光調(diào)制器、光開關(guān)、光延時線、光電探測器及傳感器中具有非常廣泛的應(yīng)用。本論文研究了基于硅基微諧振器的光運(yùn)算和信息處理技術(shù):首先討論介紹了硅基微諧振器的基本理論,仿真方法,制備工藝及測試方法;然后基于以上理論和實(shí)驗(yàn)方法,提出并通過實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證了硅基微諧振器在高速光運(yùn)算,微波光子信號處理和光交換中的應(yīng)用�？傮w來說,全文的研究成果與貢獻(xiàn)可概括為以下幾個方面:1.基于硅基微諧振器的光運(yùn)算計算是信號處理器的核心功能之一,本部分圍繞實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜強(qiáng)大的計算功能和更高的計算速度的目標(biāo),提出并演示驗(yàn)證了三種新穎的硅基光子計算器技術(shù)方案:1)基于硅基干涉耦合微環(huán)諧振器的可調(diào)一階光子微分方程求解器:該方案首次實(shí)現(xiàn)一般形式一階線性常系數(shù)常微分方程的求解,并具有多個方程系數(shù)的調(diào)節(jié)性。我們對器件工作原理進(jìn)行了建模分析,并利用10 Gb/s高斯光脈沖測試了不同方程系數(shù)時微分方程求解器的動態(tài)求解性能,最終得到了與理論相一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2)基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的可調(diào)二階光子微分方程求解器:該方案首次從時域角度對微環(huán)諧振器中的模式分裂現(xiàn)象進(jìn)行了表征,并將其應(yīng)用于二階微分方程的求解,有效避免了級聯(lián)高階微分方程求解器中的波長對準(zhǔn)問題和溫漂問題,還在一定程度上降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系數(shù)調(diào)節(jié)的復(fù)雜度。在實(shí)驗(yàn)中,我們利用10 Gb/s高斯和超高斯光脈沖演示驗(yàn)證了所制備的硅基微諧振器作為可調(diào)二階光子微分方程求解器的有效性。3)基于硅基自耦合光波導(dǎo)諧振器的超高速四階光子微分器:該方案首次成功實(shí)現(xiàn)了超高速皮秒光脈沖的四階微分,是目前階數(shù)最高、速率最高的硅基光子微分器。2.基于硅基微諧振器的微波光子信號處理微波信號處理在現(xiàn)代軍事和通信中具有重要意義和廣泛應(yīng)用,本部分圍繞改善微波光子信號處理性能和靈活度的目標(biāo),提出并演示驗(yàn)證了四種基于硅基微諧振器的微波光子信號處理功能:1)基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的微波光子陷波器:該方案首次提出并演示驗(yàn)證了基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的微波光子陷波器,通過改變不同諧振模式間的耦合強(qiáng)度,該器件的諧振峰分裂程度會發(fā)生改變,從而使得微波光子陷波器的濾波中心波長發(fā)生相應(yīng)改變。在實(shí)驗(yàn)中,我們基于所制備的硅基微諧振器在20 GHz的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了濾波中心波長的連續(xù)調(diào)節(jié),并得到了超過25 d B的陷波抑制比。2)基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的毫米波信號產(chǎn)生:該方案首次提出了基于硅基自耦合微環(huán)諧振器的毫米波信號產(chǎn)生方式,通過利用分插復(fù)用型硅基自耦合微環(huán)諧振器的反射端對光頻率梳中的特定頻率成分進(jìn)行提取后拍頻,可以實(shí)現(xiàn)毫米波信號的產(chǎn)生。產(chǎn)生毫米波信號的頻率可通過改變分裂諧振峰間距而調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中,我們基于上述方案演示驗(yàn)證了39 GHz和29 GHz毫米波信號的產(chǎn)生。3)基于硅基微盤諧振器的光子射頻移相器:該方案利用微盤諧振器具有高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn),將單一諧振器光子射頻移相器的最大相移范圍由~4.6 rad提升至~6.1 rad,提升約30%,可實(shí)現(xiàn)移相的射頻信號速率超過40 GHz。4)基于硅基嵌套微環(huán)諧振器的光延時線:該方案基于硅基嵌套微環(huán)諧振器,可在單一器件的不同諧振峰處實(shí)現(xiàn)不同程度的脈沖延時。它基于無源器件,這可以簡化器件制造過程并降低生產(chǎn)成本。同一般無源硅基微環(huán)諧振器相比,它豐富了器件的幅頻和相頻響應(yīng),并可應(yīng)對實(shí)際中多種不同脈沖延時的需求。我們實(shí)際制備了相應(yīng)硅基器件,并通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試了不同諧振峰處的光脈沖延時數(shù)值。3.基于硅基微諧振器的光交換伴隨著信息時代的高速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)總量和效率與日俱增,使得光通信網(wǎng)絡(luò)中對光交換性能的需求不斷攀升。本部分圍繞改善硅基光交換器件交換性能和靈活度的目標(biāo),提出并演示驗(yàn)證了兩種全新的基于硅基微諧振器的光交換器件技術(shù)方案:1)基于硅基嵌套微環(huán)諧振器的2×2無阻塞光交換節(jié)點(diǎn):該方案將嵌套微環(huán)諧振器在某些諧振波長處接近臨界耦合而具有高消光比的特點(diǎn)應(yīng)用于光交換節(jié)點(diǎn),使得交換節(jié)點(diǎn)的消光比和串?dāng)_性能得到大幅優(yōu)化提升。實(shí)測制備器件在cross和bar狀態(tài)下的消光比分別高達(dá)44.7 d B和38.0 d B,串?dāng)_值則分別低至 37.5 d B和 45.2 d B。2)基于硅基嵌套子環(huán)微環(huán)諧振器的1×2波長選擇開關(guān):該方案通過調(diào)節(jié)外環(huán)內(nèi)部的嵌套子環(huán)可實(shí)現(xiàn)外環(huán)波長通道的選擇性開啟或關(guān)閉,不僅充分利用了微環(huán)內(nèi)部的面積,使得器件結(jié)構(gòu)更為緊湊,還有效避免了多環(huán)波長選擇開關(guān)中不同器件諧振峰間的對準(zhǔn)問題。我們實(shí)際制備了含有一對和兩對嵌套子環(huán)的硅基微諧振器,并利用10 Gb/s非歸零(NRZ)信號演示驗(yàn)證了其作為波長選擇開關(guān)的有效性。
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【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN629.1
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本文編號：1650805