CN104375354A - 基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器 - Google Patents

基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器 Download PDF

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Abstract

一种多光路复用系统领域的基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器，待处理信号发生模块产生待处理的光信号并从可调光微分方程求解模块的输入端输入，经可调光微分方程求解模块求解后得到的输出信号由输出端输出至信号观测分析模块进行显示观察，可调光微分方程求解模块包括硅基微环谐振腔，硅基微环谐振腔的微环分别与透射端和反射端直波导耦合且形成两个干涉耦合器，通过改变两个干涉耦合器的外臂相移，改变微环和直波导之间的等效耦合强度，从而实现所求解常系数微分方程系数的动态调节。本发明应用于线性时不变系统的模拟和分析，为求解一般形式线性常系数微分方程提供了解决方案。

Description

基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器
技术领域
本发明涉及的是一种多光路复用系统领域的装置，具体是一种基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器。
背景技术
经过几十年的不断发展，用于计算和信息处理的集成电子器件正逐渐接近其处理速率的极限。相较于传统电域的计算和信息处理技术，基于光子器件的全光计算和信息处理技术能够有效克服处理带宽的瓶颈，因而在超高速计算和信息处理领域具有显著优势。近年来，一些与电域处理器功能类似的光子处理器被设计提出并加以验证，如光子微分器、光子积分器，以及光子Hilbert变换器等。
微分方程在自然科学以及工程学的模型建立和实际过程中具有非常广泛的应用。对于微分方程的计算和求解是现代信号处理的重要内容。作为最基本的微分方程，线性常系数微分方程被广泛地应用于线性时不变系统的数学建模和理论分析，是经典信号与系统理论的主要研究对象。求解线性常系数微分方程是实时模拟信号处理的重要组成部分。相比于传统电域的微分方程求解器，全光微分方程求解器具有将处理带宽提升若干数量级的潜能。
经过对现有技术的检索发现，董建绩等人于2014年发表于Scientific Reports第4卷第5581期的“All-optical differential equation solverwith constant-coefficient tunable basedon a singlemicroring resonator”(基于单个微环谐振腔的全光可调微分方程求解器)中提出了一种利用微环谐振腔反射端实现常系数微分方程求解的方案。该方案实现了单片集成的光微分方程求解器，不足之处在于所求解的常系数微分方程中不含有输入信号的各阶导数项，因而不能用于求解一般形式的线性常系数微分方程。
中国专利文献号CN1885757，公开日2006-12-27，公开了一种多向传输接口高性能平面光波光路谐振腔滤波器，包括上路光波光路、谐振腔和下路光波光路，所述上路光波光路与光信号输入端连接；下路光波光路与光信号输出端连接；上路光波光路与一组谐振腔间通过多模干涉耦合作用后将被选频的光信号再耦合并传递给一组下路光波光路，由一组下路光波光路将选频后的光信号输出。但该技术结构较复杂，对制造工艺要求较高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器，应用于线性时不变系统的模拟和分析，为求解一般形式线性常系数微分方程提供了解决方案，具有处理速率高、结构简单、易扩展、易集成的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：待处理信号发生模块、可调光微分方程求解模块和求解处理后的信号观测分析模块，其中：待处理信号发生模块产生待处理的光信号并从可调光微分方程求解模块的输入端输入，经可调光微分方程求解模块求解后得到的输出信号由输出端输出至信号观测分析模块进行显示观察，可调光微分方程求解模块包括硅基微环谐振腔，硅基微环谐振腔的微环分别与透射端和反射端直波导耦合且形成两个干涉耦合器，通过改变两个干涉耦合器的外臂相移，改变微环和直波导之间的等效耦合强度，从而实现所求解常系数微分方程系数的动态调节。
所述的所求解的一阶常系数微分方程形式为：其中：b0＝ω0/2Qi+ω0/2Qe2–ω0/2Qe1和a0＝ω0/2Qi+ω0/2Qe1+ω0/2Qe2是方程的常系数，其中：Qi表示由谐振腔的腔内损耗所导致的品质因数，Qe1表示微环与透射端直波导耦合所导致的品质因数，Qe2表示微环与反射端直波导耦合所导致的品质因数。
所述的改变两个干涉耦合器的外臂相移由调整外臂上加热器的功率值实现。
所述的待处理信号发生模块包括可调激光器和电光调制模块，其中：可调激光器产生连续光载波且输入至电光调制模块，电光调制模块将电信号调制到光载波上产生待处理的光信号。
所述的信号观测分析模块包括：依次相连的功率分束器、频域观测分析系统和时域观测分析系统，其中：可调微分方程求解器与功率分束器的输入端相连，功率分束器的的输出端分别与频域观测分析系统和时域观测分析系统相连，时域观测分析系统观察求解处理后的波形，频域观测分析系统观测输出信号的频谱。
技术效果
与现有技术相比，本发明使用的基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器可用于一般形式线性常系数微分方程的求解，具有普适性，且系数可调节。同时计算求解速率高，结构简单，体积仅为微米数量级，整个制备工艺与成熟的互补金属氧化物半导体CMOS工艺完全兼容，适用于扩展和集成。该方案的可行性已经通过10-Gb/s高斯光脉冲进行系统验证。由于基于干涉耦合硅基微环谐振腔的光可调微分方程求解器具有以上诸多优点，这类结构的光微分方程求解器具有较好的发展和应用前景。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2(a)为基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调一阶线性常系数微分方程求解器的结构示意图，图2(b)为与图2(a)等效的定向耦合硅基微环谐振腔；
图3(a)为本发明器件样品的显微镜照片，图3(b)实测器件透射端的传输光谱；
图4为实施例1的系统测试装置图；
图5为第一组系统测试中改变P1保持P2不变得到的实验结果；
图6为第二组系统测试中改变P2保持P1不变得到的实验结果；
图7为第三组系统测试中通过精确控制P1和P2以改变b0但保持a0不变得到的实验结果；
图8为第四组系统测试中通过精确控制P1和P2以改变a0但保持b0不变得到的实验结果；
图5-8中：I、II、III表示每组系统测试中的三个样本；(a-I)–(a-III)中实线为归一化透射频谱的实测值，虚线为归一化透射频谱的拟合值；(b-I)–(b-III)中虚线为仿真计算得出的常系数微分方程数值解，实线为实测的时域输出波形，其中a0和b0为根据归一化透射频谱拟合值计算得出的一阶常系数微分方程的系数；(c)和(d)分别为四组测试中拟合的归一化透射频谱和常系数微分方程的数值解。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：待处理信号发生模块、基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解模块以及求解处理后信号观测分析模块，其中：待处理信号发生模块与基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解模块的输入相连接，求解处理后信号观测与分析模块与基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解模块的输出相连接。
如图2所示，基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调一阶常系数微分方程求解器的器件结构示意图。本实施例由图2(a)中的干涉耦合器代替了图2(b)中的定向耦合器，以便实现方程系数的调节。本实施例所求解的一阶常系数微分方程形式为：
其中：b0＝ω0/2Qi+ω0/2Qe2–ω0/2Qe1和a0＝ω0/2Qi+ω0/2Qe1+ω0/2Qe2是方程的常系数，其中：Qi表示由谐振腔的腔内损耗所导致的品质因数，Qe1表示微环与透射端直波导耦合所导致的品质因数，Qe2表示微环与反射端直波导耦合所导致的品质因数。通过改变图(a)中干涉耦合器的外臂相移，可以改变微环和波导之间的等效耦合强度，从而改变Qe1和Qe2，进而实现所求解常系数微分方程系数的动态调节。式中对dx(t)/dt的系数做了归一化处理，这样的处理不会影响输出信号的波形，只会影响输出信号的幅值，考虑到实际的信号处理过程中有其他放大和衰减因素对信号幅值产生影响，幅值的偏差可在后续处理中进行补偿，因而不失一般性。
如图3所示，所述的基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器的显微镜照片和透射频谱。待测器件在绝缘体上硅silicon-on-insulator芯片上制备完成，顶硅厚度为220nm，缓冲层厚度为2μm。器件整体结构由248-nm深紫外线光刻及后续的等离子体深硅刻蚀工艺完成。器件输入输出端口采用光栅耦合器与单模光纤进行耦合。为防止反射干扰，器件反射端同样与光栅耦合器连接。所制备TiN微纳加热片与干涉耦合器的外臂部分重合，以便在不改变微环谐振腔谐振波长的情况下，通过硅的热光效应调节所求解微分方程的系数。
本实施例的整体尺寸大小仅为60μm×120μm。
如图4为使用本实施例的系统测试系统，以此进行四组测试证明本实施例的可行性：1)改变P1保持P2不变，2)改变P2保持P1不变，3)改变b0保持a0不变，4)改变a0保持b0不变。其中P1和P2分别表示待测器件两个干涉耦合器外臂上加热器的功率值，a0和b0为待求解一阶常系数微分方程的两个常系数。四组测试中实际输出波形和仿真计算得到的常系数微分方程数值解分别对应图5、图6、图7和图8所示，可以看出实测结果与理论解十分吻合，证明了本实施例所提出的基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器的可行性。

Claims (5)

1.一种基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器，其特征在于，包括：待处理信号发生模块、可调光微分方程求解模块和求解处理后的信号观测分析模块，待处理信号发生模块产生待处理的光信号并从可调光微分方程求解模块的输入端输入，经可调光微分方程求解模块求解后得到的输出信号由输出端输出至信号观测分析模块进行显示观察，可调光微分方程求解模块包括硅基微环谐振腔，硅基微环谐振腔的微环分别与透射端和反射端直波导耦合且形成两个干涉耦合器，通过改变两个干涉耦合器的外臂相移，使得微环和直波导之间的等效耦合强度改变，从而实现所求解常系数微分方程系数的动态调节。
2.根据权利要求1所述的可调光微分方程求解器，其特征是，所述的所求解的一阶常系数微分方程形式为：其中：b0＝ω0/2Qi+ω0/2Qe2–ω0/2Qe1和a0＝ω0/2Qi+ω0/2Qe1+ω0/2Qe2是方程的常系数，其中：Qi表示由谐振腔的腔内损耗所导致的品质因数，Qe1表示微环与透射端直波导耦合所导致的品质因数，Qe2表示微环与反射端直波导耦合所导致的品质因数。
3.根据权利要求1或2所述的可调光微分方程求解器，其特征是，所述的改变两个干涉耦合器的外臂相移由调整外臂上加热器的功率值实现。
4.根据权利要求3所述的可调光微分方程求解器，其特征是，所述的待处理信号发生模块包括可调激光器和电光调制模块，其中：可调激光器产生连续光载波且输入至电光调制模块，电光调制模块将电信号调制到光载波上产生待处理的光信号。
5.根据权利要求3所述的可调光微分方程求解器，其特征是，所述的信号观测分析模块包括：依次相连的功率分束器、频域观测分析系统和时域观测分析系统，其中：可调微分方程求解器与功率分束器的输入端相连，功率分束器的的输出端分别与频域观测分析系统和时域观测分析系统相连，时域观测分析系统观察求解处理后的波形，频域观测分析系统观测输出信号的频谱。
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