基于硅基微环的信号处理介绍

基于硅基微环的信号处理介绍硅基微环的结构和优点与CMOS工艺兼容尺寸小、易集成半径：几个到几十个微米波导宽度：几百个纳米易于光电混合集成适于光信号处理Si/SiO2之间的折射率差很大周期线性高Q滤波效应环内能形成很强的内建场各种非线性效应阈值低SiSiO2450nm250nm硅基微环的线性特性a:衰减系数;f:相移;t:直接耦合系数;r:交叉耦合系数Y.ChenandS.Blair,J.OSAB,2125(2003).在环中绕一周相移位2kp的光将发生谐振硅基微环的周期谐振特性幅频特性(滤波)相频特性延迟特性Y.ChenandS.Blair,J.OSAB,2125(2003).l谐振谐振特性漂移1.受热：L改变强光照射(ms)

加热电极(ms)2.载流子：n改变强光照射(ns)

外加电压(ps)3.Kerr：n改变强光照射硅微环光信号处理实验演示密集波长转换可控的光延迟光信号微分器可集成的移相器光信号调制器全光码型转换全光波长变换器已有方案现有方案:使用非线性光器件(如SOA、HNLF)，利用其XGM(crossGainModulation)等特性缺点：体积大，功耗高非线性器件l1l2基于微环的波长转换：载流子效应pNRZ信号0CWlp强度很弱没有载流子产生pNRZ信号1CWlp强度很强双光子吸收产生载流子通常硅微环半径在5~20mm，使谐振峰之间的间隔一般为几~十几个纳米Q.Xuetal.,Opt.Lett.,2733(2005)控制信号（强光）待转换信号（弱光）波导侧壁不平整导致谐振峰分裂pNRZ信号1CWZiyangZhangetal.,CLEO/QELS2008谐振峰分裂使得密集波长转换成为可能密集波长转换：原理密集波长转换：实验装置与结果CWCW实验中自由载流子寿命为450ps因此对于5Gb/s信号造成码型效应QiangLietal.,081113,App.Phy.Lett.,2008.Q.Xuetal.,Opt.Lett.,2733(2005)多信道组播12pFSRQiangLietal.,081113,App.Phy.Lett.,2008.可调光延迟线可调光延迟线：延迟特性+热效应lGVDllGVDl遇热谐振峰往长波长方向移动可调光延迟线：实验装置信号探测光温度控制光20mmNRZRZ3阶色散效应可调光延迟线：实验结果不同码型在硅微环中的延迟特性5-Gb/sCSRZ最大延迟为95ps5-Gb/sDuobinary最大延迟为110ps5-Gb/sAMI最大延迟为65psFormatsNRZRZCSRZRZ-DBRZ-AMIDelays(ps)100809511065不同码型的延迟比较频谱分量延迟量的加权平均决定了总延迟量QiangLietal.,3744,JLT2008.信号微分器基本原理:通过全光的方式对信号做微分处理原始信号表示为：s(t)*exp(jwct)微分后的信号表示为

s’(t)*exp(jwct)其中wc是光频率硅基微环的滤波特性当t=a时，微环处于临界耦合状态：所有谐振波长上的光全部被限制在环内处于临界耦合状态，当w-w0<<w0时，传递函数为：类比：01FangfeiLiuetal.,OE,2008.信号微分器：样品与实验装置FangfeiLiuetal.,OE,2008.信号微分器：实验结果10G5G高斯正弦方波FangfeiLiuetal.,OE,2008.移相器移相器是一种能够对波的相位进行调整的一种装置。

cos(wt)-->cos(wt+f)在频率很高(w很大)的情况下用电不容易实现移相移相器的应用：相控阵雷达利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外，还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束。可集成移相器：相移特性+热效应S1=cos(w1t+f1)S2=cos(w2t+f2)RF=cos[(w1-w2)t+(f1-f2)]=cos[wRFt+Df]两列光载波经过光电检测器之后DfDf微环谐振处的非线性相移+热效应为Df的变化提供了可能S1S2S1S2可集成移相器：实验装置1550.1nm10GHz光载波抑制调制1548.5nm可集成移相器：实验结果光调制器光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件常用的光调制器有MZM调制器，PM调制器等等缺点：体积大，不易于集成0.4-Gb/sQ.Xu,etal.,Nature,vol.435,May.2005,pp.325-327.基于谐振波长移动的光调制谐振波长附近还有相位的非线性变化，这导致信号啁啾缺点1：啁啾严重不易适应长途传输腔内光子寿命是制约微环调制速率的一个重要因素光子寿命太长光子寿命与微环的3-dB带宽呈反比高速率的光调制要求微环具有较短的光子寿命，即需要微环具有较宽的3-dB带宽缺点2：电压与调制速率有依赖关系输出光场强度：耦合系数k的调节：谐振波长不发生改变，因为谐振条件是bL=2mp

谐振波长处相位只有0和p两种状态能实现无啁啾的光调制基于耦合系数调节的调制技术现象：耦合系数k的调节只引发谐振峰的垂直变化啁啾程度的控制可以通过控制CW波长和谐振波长之间的间隔实现TongYeetal.,OL,Accepted.改变k的效果光通信系统中常用的码型(幅度调制)DPSK星座图QPSK星座图光通信系统中常用的码型(相位调制)不同码型性能的比较调制码型优点缺陷应用场合NRZ产生简单，较高色散容忍度，较高频谱效率低非线性容忍度，传输距离短城域或区域DWDMRZ高非线性容忍度产生较复杂，低色散容忍度，窄带滤波敏感长距离WDMCSRZ较高非线性容忍度，较高色散容忍度，高谱效率产生较复杂，窄带滤波敏感长距离WDMDuobinary高色散容忍度，高频谱效率低非线性容忍度，发送信号需经过电上预编码城域或区域DWDMDPSK高色散容忍度，高非线性容忍度，高频谱效率产生和接收较复杂长距离WDMRZ-DPSK较高色散容忍度，高非线性容忍度产生和接收较复杂长距离WDMDQPSK高色散容忍度，高非线性容忍度，高频谱效率产生和接收复杂长距离DWDM…为什么要全光码型转换？电接口的缺点：-体积大-功耗大-成本高一种有效的办法：在光域用silicon器件实现码型转换可再生的NRZ->RZ

的转换

(NRZ)

(RZ)CROW(coupledring-resonatoropticalwaveguide)NRZ-to-RZ结果TongYeetal.,15325,OE,2008.NRZ-to-RZ-PSK原理和结果CishuoYanetal.,58,OL,2009.12p12p

NRZ泵浦信号l2500μW/div500ps/divl1500μW/div2.5ns/divFSK波形5dB/div0.5nm/divFSK频谱FangfeiLiuetal.,APOC2008.+=Dl=0.32nm