微環(huán)諧振器及其在全光信號處理中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著光纖通信技術(shù)的高速發(fā)展，通信容量得到了不斷提高，而新的全光通信技術(shù)因有望解決傳統(tǒng)光交換機(jī)中光-電-光交換帶來的瓶頸而備受矚目。作為全光通信的關(guān)鍵技術(shù)，全光信號處理，如全光緩存、波長轉(zhuǎn)換、碼型轉(zhuǎn)換等技術(shù)正受到國際上越來越廣泛的研究和關(guān)注。另一方面，半導(dǎo)體加工工藝的發(fā)展和市場的成本因素，使得光電子技術(shù)正向光電子集成方向發(fā)展。因此基于集成光電子器件的全光處理技術(shù)，已經(jīng)成為高速、大容量、低成本全光信號處理技術(shù)研究中最大的亮點之一。微環(huán)諧振器

2、(簡稱微環(huán))，是集成光電子技術(shù)中最重要的器件之一。由于微環(huán)腔體的形成不需要腔面，使其與生俱來具有可集成優(yōu)勢，其微納尺寸可以支持大規(guī)模單片光電集成。基于硅基材料、III-V 有源材料、以及聚合物材料的微環(huán)得到蓬勃發(fā)展，并在全光緩存、波長轉(zhuǎn)換、參量振蕩等全光信號處理中得到廣泛的研究。本論文首先將詳細(xì)介紹微環(huán)的理論知識，設(shè)計方法及其加工工藝。然后以全光信號處理為背景，對基于微環(huán)的光電器件，如偏振控制、波長/帶寬同時可調(diào)諧的光學(xué)帶通濾波器(OB

3、PF)，以及全光信號處理，如波分復(fù)用(WDM)歸零碼(RZ)到非歸零碼(NRZ)碼型轉(zhuǎn)換、WDM NRZ-差分相移鍵控(DPSK)信號解調(diào)、640 Gbit/s NRZ 信號產(chǎn)生、全光存儲單元等，進(jìn)行了詳細(xì)的理論以及實驗研究。概括全文的研究成果和貢獻(xiàn)，可以總結(jié)為以下幾個方面：
　　 ⑴從光波導(dǎo)理論出發(fā)，深入討論了微環(huán)的基本原理。并利用參量模型，推導(dǎo)了全通型以及上傳/下載型微環(huán)的傳輸特性及其重要參量的表達(dá)式。在此理論基礎(chǔ)上，基于時

4、域有限差分(FDTD)方法、三維全矢量模式匹配法(3D FVMM)和三維耦合模理論(3DCMT)等設(shè)計方法，從微環(huán)的耦合系數(shù)，環(huán)形彎曲波導(dǎo)的色散、損耗等角度，詳細(xì)討論了微環(huán)的設(shè)計，介紹了硅基微環(huán)的加工工藝，并結(jié)合實驗驗證了設(shè)計的精確性。
　　 ⑵詳細(xì)介紹、并首次在絕緣硅(SOI)上實現(xiàn)了一種基于上傳/下載微環(huán)馬赫-澤德干涉儀(ADMRR-MZI)結(jié)構(gòu)的波長和帶寬同時可調(diào)、具有高形狀因子以及消光比的光學(xué)帶通濾波器。濾波器的形狀因子

5、以及消光比相對于單個微環(huán)的洛倫茲形響應(yīng)以有了極大的提高。方案通過溫度控制兩個微環(huán)的諧振波長，方便地實現(xiàn)了波長和帶寬的同時可調(diào)諧，同時保持濾波器了較小的帶內(nèi)幅度抖動。
　　 ⑶利用非對稱直接耦合器，在SOI 上實現(xiàn)了一種具有偏振無關(guān)的微環(huán)直通端響應(yīng)特性的偏振分集(Pol-D)光學(xué)芯片。相對于之前報道的方案，本方案僅需一次曝光以及刻蝕工藝，大大簡化了加工工藝。實驗測得了<1 dB的偏振相關(guān)損耗，并將制作出的器件應(yīng)用于20 Gbit/

6、s NRZ-DPSK的解調(diào)，驗證了偏振相關(guān)性的改善。另外，利用微環(huán)的偏振相關(guān)性，提出了一種微環(huán)和相移器集成實現(xiàn)線偏振、圓偏振、橢圓偏振光之間轉(zhuǎn)換的方案。通過3D FVMM、3D CMT 方法對器件性能進(jìn)行了模擬和分析。
　　 ⑷對微環(huán)在WDM中的應(yīng)用進(jìn)行了理論以及實驗研究。首先詳細(xì)研究基于硅基微環(huán)的全光RZ-NRZ 碼型轉(zhuǎn)換，并對微環(huán)進(jìn)行了的優(yōu)化。利用制備的微環(huán)直通端的周期性下陷梳狀譜(自由光譜范圍(FSR)：100 GHz，Q

7、：7900)，成功實現(xiàn)了WDM RZ-NRZ碼型轉(zhuǎn)換，單信道速率為50 Gbit/s，實驗結(jié)果顯示出良好的工作性能。然后綜合分析了基于硅基微環(huán)的NRZ-DPSK 信號的解調(diào)。利用制備的硅基微環(huán)(FSR：100 GHz，Q：6700)的周期性梳狀譜結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了WDM NRZ-DPSK的解調(diào)，單信道速率為40 Gbit/s。實驗結(jié)果顯示微環(huán)直通端和下載端都具有非常好的解調(diào)性能。并且相比于傳統(tǒng)MZI 解調(diào)，下載端口的解調(diào)表現(xiàn)出更好的波長失

8、諧容忍度。
　　 ⑸對微環(huán)在光時分復(fù)用(OTDM)中的應(yīng)用進(jìn)行了實驗研究。在國際上首次提出并實現(xiàn)了利用微環(huán)(FSR：1.28 THz，Q：638)對超高速640 Gbit/s OTDM 信號進(jìn)行RZ-NRZ碼型轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生超高速640 Gbit/s NRZ 信號的方案。實驗結(jié)果顯示640 Gbit/s NRZ信號的各路OTDM 信道均具有良好的信號質(zhì)量。相對于640 Gbit/s RZ 信號，碼型轉(zhuǎn)換后的640 Gbit/s