【微环谐振器研究的文献综述3800字】

微环谐振器研究的文献综述1.1基本概念美国贝尔实验室Marcatili博士在1969年发现了一种激光光路（微环谐振器）有助于将完整的电路组件与热等变化隔离开，微环谐振器的就油然而生[13-14]。1971年Weber和Ulrich首次观察到了薄膜光波导里面的受激光放大现象，并根据这个现象实现了光学环形波导谐振器[15]。1982年Stokes等人使用单模光纤和定向耦合器首次实现了全光纤环形谐振器[16]并讨论了它的应用。微环是将直波导和环形波导二者共同构建而成的环形谐振器，它的工作原理是光在二者之中通过倏逝场耦合，当耦合进谐振器的光顺着环形波导传输一周产生的相位变化量[10]是对应耦合进谐振器的光的波长的整数倍[17]时，此时环形谐振器内的光发生谐振，与新耦合入环内的光发生增强，微环内汇聚较高的能量，微环完成对波长的选择功能正是基于这一原理。由于微环的传输谱具有多种光学特性，因此常被应用于光纤通信技术中。将多个微环谐振器通过级联或者并联等方式集成在一个器件上时，可以构成用途不同的集成光子器件[18],例如滤波器[19]、调制器[20]、复用/解复用器或光开关阵列[21-22]、传感器[23-24]等。微环存在两种状态——谐振状态和失谐状态，分别对应于增强和衰减两种状态，对于上传下载型微环当处于谐振状态下时[25]，此时输入到微环内的光的能量大部分从下载路输出，微环的直通端此时只有小部分能量输出，因此微环对的可调谐滤波功能时通过改变微环的谐振波长来控制完成的。1.2微环谐振波长锁定研究现状2012年，MIT大学Michael

R.

Watts等人研究了一个全通型微环谐振器的波长锁定[26]。他们通过PD获取微环直通端的输出光信号，通过比较阈值强度，实现粗略环路，用于激光频率周围的光学共振的快速定位，得到反馈信号，再将误差反馈信号传输到带有集成加热器的ARM，通过在集成加热器上施加电压来调谐该装置的谐振，最终实现对全通型微环谐振器的调制。通过该装置实现了第一个高速可扩展的片上光学波长恢复，实现低功耗（100℃时小于1mW）和高速（低于200μs）微热干扰下的波长自动恢复。图1-2使用ARM谐振器进行波长恢复的实验装置图图1-3锁定算法示意图和最终锁定结果2012年，美国Cormell大学Lipson

课题组等人使用PID（比例积分微分）算法来稳定环境温度变化的全通型微环谐振器[27]。该课题组将一部分能量光信号经由定向耦合器导入PD，监测温度的漂移，将监测到的误差信号传输到控制系统里面，通过PID算法输出反馈信号加载到微环调制器上，实现全通型微环谐振器谐振波长的锁定。该课题组实现了10Gb/s

的信号，可以在频率为5kHz和8℃内的热波动情况下无误码传输。图1-4直通型微环谐振器SEM和反馈系统流程图图1-5整体系统示意图2013年，加拿大McMaster

大学Logan

课题组将光电探测器集成在微环谐振器的下载端[28]，光电探测器监测到的光电流经由跨阻放大器转换成电压输入到控制系统中，控制系统通过PID算法得到反馈信号，反馈信号加载到微环上的热电极上，上述器件构成闭环反馈系统，从而实现微环谐振波长的稳定。通过实验测定上述集成加热器被证明可以在5纳米(64K)范围内进行调谐，使用低于1伏电压，调谐效率为1.14nm/mW(7μW/GHz)，并且不会影响10Gb/s

微环调制器的性能。图1-6微环谐振腔结构示意图2014年,美国California大学的Zheng课题组提出了第一个完整的混合集成的10G硅光子环调制器[29]，集成了超高效CMOS驱动器和闭环波长控制,继电闭环控制器上加载反馈电压。使用选择性衬底去除技术来提高环调谐效率。受热调谐器驱动器输出功率的限制，最大开环调谐范围约为4.5nm，总调谐功率约为14mW，包括加热器驱动器电路功耗。利用低功率混合信号闭环波长控制器实现了稳定的波长锁定。证明了大于500GHz的主动波长跟踪范围，控制器能量成本仅为20fJ/bit。图1-7微环谐振器闭环反馈系统示意图2014年，Columbia大学Padmaraju课题组利用误差信号的原理[30]实现了谐振波长的锁定。该课题组使用抖动方法将一个小的周期信号施加到微环的集成加热器上，以0.012nm/s的波长偏移率演示微环谐振器滤波器对工作波长的可靠波长锁定微环谐振器器件的可靠的快速波长锁定，实验表明抖动机制可以实现快速波长锁定。他们通过在微环的集成加热器上加载一个低频低幅抖动信号，通过阈值检测的方法得到反馈信号，将得到的误差信号集成加载到微环谐振器的加热器上，利用误差信号的反对称性消除光功率的影响。该方案可以实现在80℃内微环谐振波长的快速锁定。图1-8反馈系统原理图2014，米兰理工大学Grillanda课题组硅光子微环谐振器中演示了非侵入式监控和高级控制功能[31]，由直接集成在腔内的全透明光检测器辅助。通过桥接到硅光子芯片的互补金属氧化物半导体微电子电路，微环的谐振波长被自动调谐并锁定以防止光信号的波长漂移。CLIPP（非接触式集成光子探针）的非侵入性使得能够实时检查腔内光强，而不会影响谐振器的品质因数，同时CLIPP能够监控和区分适当标记的信号，允许人们将光子器件调谐和锁定到信道的波长，而不管同时共存于同一光子器件中的其他信号的存在。最终实现微环谐振器的锁定。图1-9无创监测结构示意图和反馈系统示意图2016年，San

Diego

大学的Lin课题组使用低功率集成平衡零差CMOS控制器演示了高速环形调制器的波长锁定[32]。实现了对4nm波长变化和40℃衬底温度变化的锁定，该项研究可以用于级联WDM发射机当中。图1-10微环器件示意图和平衡零差监测系统示意图2014年，Zhang课题组等人使用沿着微环集成的基于缺陷状态吸收的硅光电探测器[33]来光电检测微环内部功率，来监控具有1300/1550nm波长的光学载体的硅微环谐振器的光谱对准。他们基于光电流自适应地调谐谐振波长，以使用集成的电光或热光调谐器来补偿光谱失准。假设闭环工作时间短于900μs，1550nm的总功耗为0.65mW，1300nm的总功耗为1.1mW，片内温度变化为10℃或载波波长漂移为60pm时，光谱对准可以保持在0.01mW以内。他们通过实验证明了在1550nm的10Gb/s数据传输速率下，利用硅微环载流子注入开关的光电流来监控光谱对准，同时使开关经受20-33℃之间的温度变化。图1-11微环内集成示意图和斜率检测方法示意图2015,

Jaytileka等人通过实验演示硅微环的主动共振波长稳定，使用光电流斜率检测方法和基于共振腔内缺陷状态吸收(DSA)的局部放电[34]。他们使用集成电光(EO)和TO调谐器来抵消温度上升或下降时的共振波长红移或蓝移，将PD探测到的光电流输入外部控制系统，利用阈值比较算法得到反馈信号，将反馈信号输入到环内的光电导加热器上，该方案实现传输速率在12.5Gb/s的信号在温度大于5°C变化时微环谐振波长的锁定，该方案可应用于多个微环串联耦合的微环波长锁定。图1-12阈值检测流程图和反馈系统示意图2017年McMaster大学Wang等人使用一种在高速操作期间稳定耗尽型硅微环谐振器调制器的谐振波长的方法[35]。该方法利用硅波导的固有缺陷介导的光吸收，并导致调制器芯片制造过程没有异质集成(例如使用锗)，因此显著降低了制造的复杂性和成本。发现在p-n结形成后存在的残余缺陷产生足够的光电流用作反馈信号，而集成加热器用于通过闭环控制补偿热漂移。光电流由源表测量，源表在高速运行期间同时向集成加热器提供DC偏置。不需要引入端口或集成外部检测器。这种反馈控制方法通过计算机辅助的比例积分微分回路进行了实验验证。在背靠背双差错率测量中，共振锁定被验证为12.5Gb/s的强度调制，纵然有微热干扰也会可以实现无误码传输。图1-13实验系统示意图和控制算法示意图2015年,哥伦比亚大学M.Calhoun课题组研究了对两个微环谐振器进行同时锁定[36]。该课题组通过现场可编程阵列（FPGA）产生两个幅值不同的抖动信号加载在微环上，通过分束器分出10%的光信号，PD将检测得到的光电流输入到FPGA，FPGA将得到的光电流通过阈值比较的方法得到反馈信号，最终实现微环谐振波长的锁定。该系统首次微环阵列上波长锁定WDM信道的可编程控制系统被用来演示任意解复用和快速可切换波长的选择，并且光电路方案可以在微秒级上成功地路由和稳定，而不会对高速数据传播产生不利影响，成功的数据测量验证了互连网络实施中的功能。图1-14M.Calhoun课题组研究2017年，贝尔实验室Melikyan等人提出了一种用于WDM应用的硅环形调制器的无抽头锁定[37]的新方法，他们通过实验展示了在反向偏置配置下工作的硅环形调制器的无抽头锁定，双光子吸收诱导光电流被用作误差信号，用来描述环谐振与工作信道波长的失谐。通过实验验证在6℃的温度波动下以10Gbit/s的速度进行的，利用PID算法，实现微环谐振波长的锁定。图1-15无抽头锁定算法示意图2017年，美国的Dong等人提出了一种新颖的技术，用于同时锁定多个环形调制器的波长以产生WDM信号[38]。他们的实验闭环控制的监控信号是从调制部件的射频功率检测中获得的，可以锁定的环数取决于射频功率检测器输出的ADC位数，反馈环路的电带宽估计约为120kHz，可以实现3个微环在40°C内变化，跟踪保持在高达0.64℃/秒的热波动，实现波长的锁定。图1-16多环形调制器锁定实验装置示意图参考文献[1]于源.全光微波信号处理技术的研究[D].华中科技大学,2013.[2]Optical

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