CN104991397B - 用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构,包括:信号发生模块、谐振腔信号求解模块和信号分析模块,其中:信号发生模块与谐振腔信号求解模块的输入相连,信号分析模块与谐振腔信号求解模块的输出相连;所述的谐振腔信号求解模块包括:一个直波导和一个边界与直波导耦合的自耦合谐振腔;本发明通过调节硅基环形谐振腔中光学模式之间的相互作用(即模式分裂)的耦合强度来求解系数可变的二阶微分方程,减小了调节的复杂性,提高了求解过程的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光传输领域的技术,具体是一种用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构。
背景技术
微分方程建立了大量基本现象的模型并且在几乎所有的科学和工程原理中找到了相关应用。常系数线性常微分方程是用来描述线性时不变系统的基本微分方程,是信号与系统理论中的经典模型。求解常微分方程在实时信号处理、经典力学、控制理论、化学动力学和天气预报等领域都有广泛应用。实现光学领域的常微分方程求解能够克服复杂光电过程中的带宽瓶颈,并且操作速度比电系统提高了多个数量级,因此给超高速计算过程和信息处理过程带来了很大希望。
目前已经提出很多实现基于半导体光放大器、光滤波、光纤光栅和硅基集成电路的全光常微分方程求解器,在这些器件中,基于硅基集成电路的常微分方程求解器是特别值得关注的,因为它具有覆盖面积小、能量损耗低、易于大规模集成、与发展很好的硅基制造技术兼容等优势。现已证实了基于硅基芯片上微环的一阶常微分方程求解器的可行性,而具有更强大计算和处理功能的高阶常微分方程求解在复杂的高阶系统中也十分重要。虽有关于基于微环谐振腔的二阶常微分方程求解器的研究,但此类微分方程求解器都是通过分立的谐振腔实现的,这就需要谐振波长严格一致。考虑到非线性热光效应导致的不对等的谐振波长红移,系统的稳定性也会降低。更重要的是由于常微分方程的常系数已确定,所以不具有可调性,而可调微分方程求解器具有更实际的应用价值。
当两个或多个相互作用的模式在同一个谐振腔中共存时会发生模式分裂,是谐振腔中普遍存在的现象,能够产生许多有意义的传输频谱,包括:电磁感应传输、电磁感应吸收和法诺传输等。
经过对现有技术的检索发现,中国专利文献号CN104375354A,公布日2015.2.25,公开了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,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。但该技术需要两个干涉耦合器来实现两个系数的调节,微分方程系数变量较多,其一致性不稳定,不利于高阶微分方程的求解。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构,通过调节硅基环形谐振腔中光学模式之间的相互作用的耦合强度来求解系数可变的二阶微分方程。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明包括:信号发生模块、谐振腔信号求解模块和信号分析模块,其中:信号发生模块与谐振腔信号求解模块的输入相连,信号分析模块与谐振腔信号求解模块的输出相连。
所述的信号发生模块包括:依次相连的可调激光器、高斯脉冲产生系统和电光调制系统。
所述的高斯脉冲产生系统包括:两个串联的马赫曾德调制器、分别与两个马赫曾德调制器相连的两个光放大器、分别与两个光放大器相连的脉冲信号发生器和电移相器。
所述的电光调制系统包括:依次相连的掺饵光纤放大器、可调光滤波器、偏振控制器和光隔离器。
所述的谐振腔信号求解模块包括:一个直波导和一个边界与直波导耦合的自耦合谐振腔。
所述的自耦合谐振腔中心设有干涉耦合器。
所述的信号分析模块包括:光分束器、与光分束器输出端分别相连的频域分析系统和时域分析系统。
所述的时域分析系统包括:依次相连的掺饵光纤放大器、可调光滤波器和示波器。
所述的频域分析系统通过光谱分析仪实现。
技术效果
与现有技术相比,本发明通过理论计算得到了环形谐振腔中模式分裂的时域表征,利用自耦合环形谐振腔中可调的光学相互作用模式之间的耦合强度通过实验来实现线性时不变系统的微分方程求解,并经5‐Gb/s和10‐Gb/s验证,为求解光域的高阶微分方程开辟了一个新的途径,减小了调节的复杂性,提高了求解过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明示意图;
图2为模式分裂微环谐振腔示意图;
图中:1为中心耦合器,2为激光器,3为偏振控制器,4为马赫曾德调制器,5为电子放大器,6为脉冲信号发生器,7为电移相器,8为掺铒光纤放大器,9为可调光滤波器,10为光隔离器,11为待测器件,12为直流稳压源,13为光分束器,14为光谱分析仪,15为示波器;
图3为线性时不变系统示意图;
图中:x(t)为系统输入信号,y(t)为系统输出信号,1/s为拉普拉斯变换中积分器的系统函数,a0、a1、b0、b1和b2为方程系数;
图4为Qi=5*105,Qe=3*104,不同Qu时的模式分裂微环谐振腔谱图;
图中:(a)为归一化传输函数谱;(b)为相位变化曲线;
图5为Qi=3*104,Qe=4*104,不同Qu时的模式分裂微环谐振腔谱图;
图中:(a)为归一化传输函数谱;(b)为相位变化曲线;
图6为Qu=1*104时,微分方程系数随Qi和Qe变化图形;
图中:(a)、(b)、(c)和(d)分别为微分方程系数a1、b1、a0和b0随Qi和Qe变化图形;
图7为在Qi和Qe取不同值时,微分方程系数随Qu/Quc变化的曲线;
图中:(a)为a0随Qu/Quc变化的曲线,(b)为b0随Qu/Quc变化的曲线;
图8为待测器件显微图和不同加热电压下的实测及理论拟合传输函数谱;
图中:(a)为待测器件显微图,(b)‐(f)为加热电压分别为0V、1.2V、2.0V、2.5V和3.5V时,实测及理论拟合传输函数谱;
图9为实验频谱图和理论拟合曲线;
图中:(a)为输入10‐Gb/s高斯脉冲信号的实验频谱图和理论拟合曲线,(b)‐(f)为加热电压分别为0V、1.2V、2.0V、2.5V和3.5V时的实验频谱图和理论拟合曲线;
图10为高斯脉冲曲线图;
图中:(a‐i)为5‐Gb/s高斯脉冲曲线,(a‐ii)为加热电压为2.5V时的输出脉冲信号曲线,(b‐i)为10‐Gb/s超高斯脉冲曲线,(b‐ii)为加热电压为0V时的输出脉冲信号曲线,(c‐i)为10‐Gb/s超高斯脉冲曲线,(c‐ii)为加热电压为2.5V时的输出脉冲信号曲线。
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:信号发生模块、谐振腔信号求解模块和信号分析模块,其中:信号发生模块与谐振腔信号求解模块的输入相连,信号分析模块与谐振腔信号求解模块的输出相连。
所述的信号发生模块包括:依次相连的可调激光器2、高斯脉冲产生系统和电光调制系统。
所述的可调激光器2与高斯脉冲产生系统之间设有偏振控制器3。
所述的高斯脉冲产生系统包括:两个串联的马赫曾德调制器4、分别与两个马赫曾德调制器4相连的两个光放大器5、分别与两个光放大器5相连的脉冲信号发生器6和电移相器7。
所述的两个马赫曾德调制器4之间设有偏振控制器3。
所述的电光调制系统包括:依次相连的掺饵光纤放大器8、可调光滤波器9、偏振控制器3和光隔离器10。
如图2所示,所述的谐振腔信号求解模块为基于模式分裂的硅基环形谐振腔,包括:一个直波导和一个边界与直波导耦合的自耦合谐振腔。
所述的硅基为顶硅层厚度为220nm的SOI芯片,采用248nm深度紫外光刻。
所述的直波导充当基于模式分裂的硅基环形谐振腔输入和输出通道。
所述的直波导耦合区域的间隙为180nm,单模直波导截面尺寸为500*220nm2。
所述的自耦合谐振腔周长为232.5μm。
所述的自耦合谐振腔与直波导之间的直接耦合长度为3μm。
所述的自耦合谐振腔中心设有中心耦合器1。
所述的中心耦合器1为干涉耦合器。
所述的中心耦合器用于激发产生一个与输入端逆时针方向本征模式相反的顺时针模式。
所述的信号分析模块包括:光分束器13、与光分束器13输出端分别相连的频域分析系统和时域分析系统。
所述的时域分析系统包括:依次相连的掺铒光纤放大器8、可调光滤波器9和示波器15。
所述的频域分析系统包括:光谱分析仪。
如图3所示,所述的所求解的二阶微分方程用于表示二阶连续时间线性时不变系统,其形式为:
其中:X(t)为系统输入信号,Y(t)为系统输出信号,Ai(i=0,1)和Bk(k=0,1,2)分别为常系数。
如图4和图5所示,根据耦合模式原理,所述的基于模式分裂的硅基环形谐振腔与周围光谱的传输函数为:
其中:ω是变化的角频率,ω0是谐振角频率,a0、a1、b0和b1为常系数,可用以下公式表示:
a1=ω0(1/Qi+1/Qe),a0=ω0 2[(1/Qi+1/Qe)2+1/Qu 2]/4(3)
b1=ω0/Qi,b0=ω0 2[1/Qi 2‐1/Qe 2+1/Qu 2]/4(4)
其中:Qi、Qe和Qu分别表示与本征损耗、自耦合环和直波导间耦合的两个相反方向的、与相互耦合有关的品质因数。
定义临界耦合品质因数Quc满足:
1/Quc 2=|1/Qe 2-1/Qi 2| (5)
当Qu=Quc时,T(ω0)=0;当Qu>Quc时,传输函数和相位变化与单环类似;Qu<Quc时,发生耦合分裂。可通过改变微环中心位置的耦合强度实现改变Qu以得到不同的分裂谐振峰之间的不同频谱变化范围时的不同模式分裂程度。中心耦合器1的耦合强度增加意味着Qu减小,从而导致谐振分裂随着分裂的谐振峰之间的频谱范围的增加而增加。
假设输入光学信号角频率为ω0,线性时不变系统输出信号 通过一个时域的经过如下傅立叶反变换后得到的常微分方程与输入信号相联系:
其中:x(t)和y(t)分别为输入信号和输出信号的复杂包络线,在消除方程(6)中的常因子后,方程(6)可进一步简化如下:
由以上方程变化和对比可知,经过光信号处理的方程与一般常微分方程相似,表明模式分裂谐振腔可以用一个时域的二阶常微分方程来表征并且可以用来做一个二阶微分方程求解器。决定输出信号幅度的变量d2x(t)/dt2对于无源滤波器是归一化的。
如图6所示,鉴于在实际过程中会有其他的放大或衰减,幅度变化将会进一步得到补偿,微分项dt以皮秒为单位相当于表征高速光学信号的Gb/s,由Qi、Qe和Qu决定的系数a0、a1、b0和b1补偿由1/dt和1/dt2引起的阶数变化。
如图7所示,改变Qi、Qe和Qu可实现方程(7)中常系数的可调。
如图8所示,根据计算,得出所述的品质因数理论计算值:Qi=7.93*104、Qe=1.27*104,Qu=9.68*103,和二阶微分方程中的系数a0、a1、b0和b1,得到相应的拟合曲线。
通过微型加热器对设置于待测器件11上的基于模式分裂的硅基环形谐振腔进行电压调节,所加电压分别为1.2V、2.0V、2.5V和3.0V,相应功率分别为3.2mW、8.9mW、13.9mW和27.2mW,Qi及Qe不变,得到相应模式分裂频谱图和Qu变化的频谱图。
由图可知,当Qu随电压变化时,相应的二阶微分方程系数a0和b0也随之变化,分裂的谐振峰之间的频谱范围减小直到变成一个深度增加的谐振峰,进一步增加电压时,单个谐振峰的深度减小。
如图9和图10所示,所述的可调激光器2作为光学载体输出连续光,通过高斯脉冲产生系统产生5‐Gb/s的超高斯脉冲信号和10‐Gb/s的高斯脉冲信号输入电光调制系统,调制后输入谐振腔信号求解模块(待测器件11)进行求解,输出的光信号通过信号分析模块得到解析。
所述的待测器件11的尺寸为25*90μm2。
所述的5‐Gb/s超高斯脉冲信号通过加在马赫曾德调制器4上的10‐Gb/s的NRZ信号产生,所述的10‐Gb/s高斯脉冲信号通过加在马赫曾德调制器4上的10GHz的时钟信号级联产生。
由图可知,实验测得的频谱图与理论拟合曲线图相吻合,证明了本实施例所提出的基于模式分裂的硅基环形谐振腔可调二阶微分方程求解器的可行性。
本实施例中主要调节Qu,带宽由环形谐振腔的自由频谱范围限制。
所述的硅基环形谐振腔在输入端和输出端分别设有一个TE偏振光栅耦合器,用以进行光纤与SOI芯片之间的光耦合。
所述的中心耦合器1的干涉仪两臂上设有推挽式相移器,可减小由于外加电压后引起频谱的轻微红移,红移对二阶微分方程系数的改变可忽略不计。
所述的微型加热器通过调节硅基环形谐振腔的热效应产生的相移实现中心耦合器1的耦合强度的调节,进而实现可调的模式分裂。
由于模式分裂谐振腔中的自校准谐振,不需要精确校正谐振波长,也不需要考虑微环中热效应引起的红移,因而可通过热调制干涉耦合器调节谐振腔中模式相互耦合引起的模式分裂,相当于调节二阶微分方程中的系数。
决定所述的二阶微分方程中的系数a0、a1、b0和b1的变量数目分别是3、2、3、1,较少的变量减缓系数变化的复杂过程。
所述的可调光滤波器9可控制自发辐射噪声放大。
所述的偏振控制器3可减低插损。
所述的光隔离器10可防止可调激光器2损坏。
Claims (4)
1.一种硅基环形谐振腔结构的应用,其特征在于,用于求解二阶微分方程,所述的硅基环形谐振腔结构包括:信号发生模块、谐振腔信号求解模块和信号分析模块,其中:信号发生模块与谐振腔信号求解模块的输入相连,信号分析模块与谐振腔信号求解模块的输出相连,谐振腔信号求解模块包括:一个直波导和一个边界与直波导耦合的自耦合谐振腔;
所述的信号发生模块包括:依次相连的可调激光器、高斯脉冲产生系统和电光调制系统;
所述的高斯脉冲产生系统包括:两个串联的马赫曾德调制器、分别与两个马赫曾德调制器相连的两个光放大器、分别与两个光放大器相连的脉冲信号发生器和电移相器;
所述的自耦合谐振腔上设有用于激发产生一个与输入端逆时针方向本征模式相反的顺时针模式的干涉耦合器,该干涉耦合器的干涉仪两臂上设有推挽式相移器;
所述的信号分析模块包括:光分束器、与光分束器输出端分别相连的频域分析系统和时域分析系统;
所述的时域分析系统包括:依次相连的掺饵光纤放大器、可调光滤波器和示波器;
所述的频域分析系统包括:光谱分析仪;
所述的二阶微分方程用于表示二阶连续时间线性时不变系统,其形式为:
其中:X(t)为系统输入信号,Y(t)为系统输出信号,微分项dt以皮秒为单位相当于表征高速光学信号的Gb/s,由品质因数理论计算值Qi、Qe和Qu决定的系数a0、a1、b0和b1补偿由1/dt和1/dt2引起的阶数变化。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征是,所述的直波导耦合区域的间隙为180nm。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征是,所述的自耦合谐振腔与直波导之间的直接耦合长度为3μm。
4.根据权利要求2所述的应用,其特征是,所述的自耦合谐振腔周长为232.5μm。
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