CN114967185A - 基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器 - Google Patents

基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器，来解决目前基于微环谐振器的光时域微分器的易失性问题。包括一个直波导与一个环形波导，在所述环形波导上具有Sb2Se3材料层，通过调节直波导自耦合系数与环形波导损耗系数的大小确定微分阶数。相比于基于等离子色散效应和热光效应的微环微分器，硅与相变材料Sb2Se3相结合具有低功耗，响应速度快，制造成本低等优势，最重要的是相变材料Sb2Se3具有非易失性，避免了静态功耗的产生，且其对光吸收损耗小，有利于扩展。本发明有望应用于光子信号处理领域，促进暗孤子探测、光传感、光脉冲整型以及超高速编码等多个应用的发展。

Description

基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器
技术领域
本发明属于光子信号处理领域，具体涉及一种基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器结构技术。
背景技术
全光信号处理技术是克服电子器件速度瓶颈的一种很有前途的解决方案。相比于电信号处理，光信号处理可以更好地满足当今信息传输、存储以及处理中高带宽和高速运算的要求。光时域微分器是对输入光脉冲信号的复包络在时域中进行时间导数运算的一种基本元器件，可被广泛应用于光计算、脉冲整形、超高速编码等领域。
得益于硅光子学的不断成熟，基于微环谐振器的光时域微分器取得了一定程度的发展。在光信号处理系统中，目前的光子元器件普遍基于光-电-光转换，即光域传输、电域处理的方式。与光-电-光转换方式相比，基于微环谐振器的光时域微分器具有结构简单，便于集成，低功耗，速率快等特点。这些独特的优势使得光时域微分器无论是在全光网络还是电光混合网络中都有着巨大的前景。
通常情况下，基于微环谐振器的光时域微分器通过热光效应或者载流子色散效应来改变硅材料的特性，从而实现微分阶数的调节。但热光效应的响应时间比较慢，通常在ms量级；载流子色散效应的折射率改变在10-3量级，调节范围有限。并且这两种方式都是易失性的，特别是当微分器需要在较长时间实现微分功能的时候，会产生较大的静态功耗。为此可引入一种光学非易失存储材料Sb2Se3，将其集成在硅波导上。相变材料Sb2Se3能够可逆地在非晶态和晶态之间转换，且两种状态之间都具有不同的光学性质。当Sb2Se3发生相变后，在无外界能量维持的情况下，当前的状态可以自动保持，直到下一次相变被触发。
发明内容
本发明旨在解决目前基于微环谐振器的光时域微分器的易失性问题，提出了一种基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器。当光脉冲信号中心频率与微环谐振器谐振频率的失谐量远小于微环谐振器的3dB带宽时，一个全通型微环谐振器可被构建为一个有特定增益和恒定输出的时域微分器。另外将应用一种光学非易失存储材料，具体为Sb2Se3，将Sb2Se3材料嵌入在微环谐振器的环形腔上，调节Sb2Se3材料的晶化度从而改变腔损耗，导致微环谐振器谐振频率处的相位跳变不同，以此实现不同阶数的微分。相比此前提出的一些微环微分器的阶数实现方案，比如基于等离子色散效应和热光效应，Sb2Se3材料是非易失性的，其状态可以保持数年，不会产生静态功耗。
本发明采用的技术方案是：基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器，其为全通型单微环谐振器，所述全通型单微环谐振器包括一个直波导与一个环形波导，在所述环形波导上具有Sb2Se3材料层，通过调节直波导自耦合系数与环形波导损耗系数的大小确定微分阶数。
所述环形波导上的Sb2Se3材料层通过激光控制Sb2Se3材料晶化度的精度为1μm，Sb2Se3材料层的长度根据设计需求确定。可以通过温度控制Sb2Se3材料的晶化度，在其达到某一温度后，迅速淬火可以使Sb2Se3材料保持这一温度下的结晶长度，这一过程除了用加热器来控制以外，还可以用激光脉冲来控制，相比于热控制，激光能使其晶粒具有相关方向性，目前，激光控制Sb2Se3材料晶化度的精度可以达到1μm，即可以调控1μm长度Sb2Se3材料为结晶态或非晶态，那么Sb2Se3材料层长度越长，所能实现的中间态越多，例如32μm长度的Sb2Se3材料层就可以实现33个状态，每个状态对光有不同的吸收损耗，这就意味着环形腔的衰减系数不同，那么越长的Sb2Se3材料层就可以实现越多的微分阶数。
理想时域微分器具有两个重要特点，1)幅频响应在载波频率处能量被完全抑制，且以光载波频率为中心呈左右对称；2)相位响应在载波频率处有严格的nπ相移，n表示微分的阶数。然而，在实际器件中是不可能获得完全与理想微分器传递函数相同的传输谱，所以采用在一定带宽内能满足线性传输谱特性的元件来实现光微分器。微环谐振器在谐振频率处的透射率等于0或非常接近0，其谐振峰与理想微分器的幅度响应可以被近似为线性关系，且微环谐振器在其谐振频率处也会发生相位跳变，根据微环谐振器不同的工作状态，发生不同程度的相位跳变。微环谐振器有三种工作状态：欠耦合状态、临界耦合状态以及过耦合状态。当微环谐振器处于欠耦合状态，在其谐振频率处的相位跳变<π，此时微环谐振器可实现0～1之间的分数阶微分。当微环谐振器处于临界耦合状态，在其谐振频率处的相位跳变＝π，此时微环谐振器可实现一阶微分。当微环谐振器处于过耦合状态，在其谐振频率处的相位跳变>π，此时微环谐振器可实现1～2之间的分数阶微分。
Sb2Se3在晶态和非晶态的折射率实部与硅材料较接近，有利于模式匹配，且在通信波段，Sb2Se3对光的吸收损耗较小，也有利于扩展，这些特点使得Sb2Se3在众多相变材料中脱颖而出。将Sb2Se3材料集成在微环谐振器的环形波导上，其在不同晶化度下的折射率不同，其中折射率虚部的改变会导致腔损耗不同，从而引起在谐振频率处发生不同程度的相位跳变，从而实现不同阶数的时域微分，且不会产生静态功耗。具体体现为，相变材料Sb2Se3具有晶态和非晶态这两种状态，并且可以通过激光脉冲改变Sb2Se3的晶化度，从而实现晶态和非晶态之间的多个中间态。将Sb2Se3嵌入在微环谐振器环形波导上，不同状态下Sb2Se3的有效折射率不同，导致微环微分器的腔损耗不同，进而导致在谐振频率处的相位跳变发生变化，所以不同状态下的Sb2Se3可以实现不同的微分阶数。基于等离子色散效应或热光效应的微环微分器是非易失性的，在执行微分功能的同时需要持续的电压控制，这就产生了极大的静态功耗。而本发明提出的微分器只需通过外部激光脉冲改变Sb2Se3的晶化度，从而实现不同的微分阶数，且Sb2Se3材料是非易失性的，一旦相变，其状态可以保持数年，不需要额外的能耗控制，就不会产生静态功耗。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出一种基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器。利用微环谐振器直接对输入光脉冲信号进行时域微分，微环谐振器具有体积小，易集成的优点；并在微环谐振器的环形波导上集成了一种非易失性相变材料Sb2Se3，通过改变其晶化度来实现不同的微分阶数。在基于微环谐振器的光时域微分器方案中，普遍利用等离子色散效应和热光效应实现不同阶数的微分。相比这两种基于电的调控方式，相变材料Sb2Se3是直接通过光脉冲调控的，且Sb2Se3材料有着体积小，易集成，可编程性和可扩展等优势。不仅如此，硅与相变材料Sb2Se3相结合还具有低功耗，响应速度快，制造成本低等优势，最重要的是相变材料Sb2Se3具有非易失性，能极大的减小能耗。本发明所提出的光时域微分器致力于突破由于等离子色散效应和热光效应的非易失性所导致的静态功耗的问题。
集成非易失性相变材料在硅基器件中具有很大的前景，其中Ge2Sb2Te5(GST)是最常用的相变材料，但目前其可实现的状态最多为5bit，即将其集成在微环谐振器上可实现的微分阶数有限。还有另一种常见的相变材料VO2，但其转变温度较低，在室温时其金属状态不稳定。近两年，在光子器件中出现了两种新的相变材料：Sb2S3和Sb2Se3，其中Sb2S3的折射率虚部在电信波段非常小，无论其在晶态或是非晶态，对光的吸收损耗微乎其微，因此不适合用作微分器的设计。而Sb2Se3相比于GST，其对光的吸收损耗较小，因此可以任意扩展，甚至到达整个环形波导的全覆盖，长度的加长以此可以有更多的中间态，以此实现更多的环形波导衰减系数，即实现更多的微分阶数。环形波导上的Sb2Se3材料晶化度的精度可以达到1μm，即可以调控1μm长度Sb2Se3材料为结晶态或非晶态，例如32μm长度的Sb2Se3材料层就可以实现33个状态。
附图说明
图1为一阶理想微分器和一阶微环微分器的频谱特性；
图2为本发明提出的光时域微分器的结构以及Sb2Se3在光波导上的应用示意图；
图3为本发明结构中Sb2Se3材料不同晶化度时的吸收损耗和相位响应示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细的描述。
图1为理想时域微分器和微环微分器的频谱特性。假定一个输入脉冲信号的光载波为ω0，信号复包络为u(t)，则对应的光电场强度可以被表达为：
Figure BDA0003648053390000031
Figure BDA0003648053390000032
对该输入信号进行傅里叶变换，变换后的信号表达式为：
Figure BDA0003648053390000033
Figure BDA0003648053390000034
对该输出的微分信号进行傅里叶变换，转换成的频域表达式为：Eout(ω)＝[j(ω-ω0)]nEin(ω)。由此可知，对输入脉冲信号进行微分，相当于在频域上对输入信号乘以函数[j(ω-ω0)]n。因此，一个对光信号复包络求n阶时间导数的n阶时域微分器，具有两个重要特点，1)微分器的幅频响应为|ω-ω0|n，与信号频率ω相对载波频率ω0的失谐量成幂次关系，且以光载波频率为中心呈左右对称；2)相位响应在谐振频率处有严格的nπ相移，n表示微分的阶数。因此，只需要设计一种滤波器件，使其传递函数为[j(ω-ω0)]n，即可实现对信号微分的功能。微环谐振器在谐振频率处的传输光谱在其3dB带宽内与理想微分器的幅度响应可以被近似为线性关系，且微环谐振器在其谐振频率处也会发生相位跳变，根据微环谐振器不同的工作状态，发生不同程度的相位跳变。
当光脉冲信号中心频率与微环谐振器谐振频率的失谐量远小于微环谐振器的3dB带宽时，微环谐振器的传递函数可以被近似为：
Figure BDA0003648053390000041
其中，ω0是光谐振频率，
Figure BDA0003648053390000042
为本征损耗引起的功率衰减率，
Figure BDA0003648053390000043
为波导耦合引起的功率衰减率，τ为光子寿命。所以，一个全通型单微环谐振器可构建为一个有特定增益jτ(ω-ω0)和恒定输出
Figure BDA0003648053390000044
的微分器。微环谐振器有三种工作状态：欠耦合状态
Figure BDA0003648053390000045
临界耦合状态
Figure BDA0003648053390000046
以及过耦合状态
Figure BDA0003648053390000047
当微环谐振器处于临界耦合状态，其传递函数为jτ(ω-ω0)，与一阶理想微分器的传递函数j(ω-ω0)相契合，表明二者在数学上是等价的，即临界耦合状态的全通型单微环谐振器可以实现一阶微分功能。选定一谐振频率，对临界耦合微环谐振器与一阶理想微分器的频谱响应做了对比分析。如图1(a)所示，可以看到，在微环的谐振频率附近，微环的幅度响应与理想微分器在吻合良好，且在谐振波长处的相位跳变量与理想微分器一致，均为π。
图2为所提出光时域微分器的结构以及Sb2Se3在光波导上的应用示意图。图2(a)为作为光时域微分器的全通型的微环谐振器。该型环形谐振器由一个直波导与一个环形波导组成，其具体微分阶数由直波导自耦合系数与环形腔损耗系数的大小来决定。图2(b)为嵌入Sb2Se3材料的波导横截面示意图，通过改变Sb2Se3材料的晶化度来控制微环谐振器的微分阶数。
Sb2Se3晶化度影响微分阶数的具体过程：
在非晶态到晶态之间可以根据晶化度公式设置多个晶化度级别，具体公式如下：
Figure BDA0003648053390000048
其中，p为晶化度，εa和εc在非晶态和晶态下的介电常数，εeff为Sb2Se3的介电常数，晶化度不同将会导致介电常数不同，从而导致Sb2Se3折射率的实部和虚部不同。随着晶化度的增加，Sb2Se3折射率虚部增大，导致微环腔损耗增大，即
Figure BDA0003648053390000049
减小，在微环谐振器直波导的自耦合系数不变的情况下，即
Figure BDA00036480533900000410
不变，在谐振频率处的相位跳变减小，从而微分阶数减小，因此可以通过改变Sb2Se3的晶化度实现不同阶数的时域微分。
图3为所提出结构中Sb2Se3材料不同晶化度时的吸收损耗和相位响应示意图。在本发明中，通过改变Sb2Se3的晶化度实现微环微分器的阶数调控，避免了持续外加电源带来的功率损耗。Sb2Se3作为一种非易失性相变材料，可以通过施加外部光脉冲改变其晶化度，一旦Sb2Se3的形态固定下来，内部存储的值就可以保存数年或数十年。Sb2Se3在不同晶化度下的折射率虚部不同，表示其对光信号的吸收效应强弱也不同，折射率虚部越大，吸收损耗越大。从图3(a)中可以看出，随着晶化度的增大，对光的吸收损耗随着增大，即微环谐振器腔的功率衰减率
Figure BDA0003648053390000051
会减小，从而使谐振频率处的相位跳变减小，以此来实现不同的微分阶数，因为不同的相位跳变nπ表示不同的微分阶数n。图3(b)为不同晶化度对相位响应的影响，可以看出随着晶化度的增加，微环谐振器逐渐从过耦合状态变为欠耦合状态，相位跳变也随之减小，这就表示微分阶数减小。Sb2Se3的写入、读和擦除操作方案如下：
写入操作：使用强而窄的光脉冲信号诱导Sb2Se3材料相变，Sb2Se3材料以完全晶态作为初始状态，因为其原子有序的状态，能满足快速“写”和稳定的“写”环境。若Sb2Se3材料吸收的能量足够高，其温度能够到达转变温度，那么Sb2Se3材料将被熔化，此时迅速冷却即能保持这种原子无序状态，即对Sb2Se3材料部分非晶化。当进行微分计算时，输入光脉冲的能量不足以达到Sb2Se3的晶态阈值，因此其不会改变Sb2Se3的状态。
读操作：当进行微分计算时，输入一个低功率光脉冲，Sb2Se3材料吸收的能量不足以达到其晶态阈值，因此其不会改变Sb2Se3的状态，此时微环谐振器的输出结果就是微分后的结果。
擦除操作：同样输入强光脉冲，使Sb2Se3材料温度到达结晶温度但未到达熔化温度，此时保持几纳秒即可恢复原子有序性，即结晶态。
上述实施例阐明了基于微环谐振器和非易失性相变材料的光时域微分器的工作过程。通过外部激光脉冲改变相变材料Sb2Se3的晶化度，从而实现不同阶数的微分，由于Sb2Se3是非易失性的，避免了静态功耗的产生，同时Sb2Se3具有体积小与易集成的优势。本发明有望在暗孤子探测、光传感、光脉冲整型以及超高速编码等多个领域进行应用。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器，其特征在于，其为全通型单微环谐振器，所述全通型单微环谐振器包括一个直波导与一个环形波导，在所述环形波导上具有Sb2Se3材料层，通过调节直波导自耦合系数与环形波导损耗系数的大小确定微分阶数。
2.根据权利要求1所述基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器，其特征在于：所述环形波导上的Sb2Se3材料层通过激光控制Sb2Se3材料晶化度的精度为1μm，Sb2Se3材料层的长度根据设计需求确定。
3.根据权利要求1或2所述基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器，其特征在于：通过调节Sb2Se3材料晶化度实现不同阶数的时域微分，具体体现为：Sb2Se3材料嵌入微环谐振器的环形波导上，当光脉冲信号耦合进微环谐振器后，不同晶化度的Sb2Se3材料对光脉冲产生不同的吸收损耗，从整体上看，在微环谐振器直波导的自耦和系数不变的情况下，不同晶化度的Sb2Se3材料所导致的环形腔损耗不同，进而使谐振频率处的相位跳变不同，从而实现不同的微分阶数。
4.根据权利要求3所述基于微环谐振器和光学非易失存储材料的光时域微分器，其特征在于：Sb2Se3晶化度影响微分阶数的具体过程为：
在非晶态到晶态之间根据晶化度公式设置多个晶化度级别，具体公式如下：
Figure FDA0003648053380000011
其中，p为晶化度，εa和εc为在非晶态和晶态下的介电常数，εeff为Sb2Se3的介电常数，随着晶化度的增加，Sb2Se3折射率虚部增大，导致微环腔损耗增大，即
Figure FDA0003648053380000012
减小，在微环谐振器直波导的自耦合系数不变的情况下，即
Figure FDA0003648053380000013
不变，在谐振频率处的相位跳变减小，从而微分阶数减小，以此通过改变Sb2Se3的晶化度实现不同阶数的时域微分。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115639698A (zh) * 2022-12-07 2023-01-24 之江实验室 基于相变材料硫化锑的c波段硅波导微环调制器及调制方法
CN116300242A (zh) * 2023-02-28 2023-06-23 中国人民解放军国防科技大学 一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关及其制备方法
CN116955898A (zh) * 2023-05-05 2023-10-27 重庆邮电大学空间通信研究院 一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器
CN116955898B (zh) * 2023-05-05 2024-05-17 重庆邮电大学空间通信研究院 一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器

Cited By (5)

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