硅基片上脈沖整形器的研究.pdf

1、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展使人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，半導(dǎo)體芯片的集成度日益提高、性能日益增強、功能日益強大。但隨著芯片中的線寬逐漸減小，電子線路中量子效應(yīng)的影響不斷增大，電路中損耗、延遲、串?dāng)_等問題也越來越明顯，這使得微電子芯片的集成化速度不斷減緩，無法再滿足人們不斷增長的需求。光子這種新型的傳輸媒介，由于其大帶寬、抗電磁干擾等長處，成為了信息載體的首選。而在多種集成光學(xué)材料中硅材料由于能與互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容，并具有形成的波

2、導(dǎo)折射率差大，對光場限制能力強，波導(dǎo)尺寸小，在通訊波段損耗小，價格低廉等優(yōu)勢，成為了最易實現(xiàn)大規(guī)模集成的材料，近十幾年來硅基集成器件受到了普遍的關(guān)注和高速的發(fā)展。
　　脈沖整形器能對輸入的脈沖信號進(jìn)行處理，使其波形或者頻譜滿足特定的要求，所以能廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。脈沖整形器在通信領(lǐng)域可以用于通信系統(tǒng)發(fā)射端的碼型產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換，便于增加通信容量，提高通信質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)更優(yōu)化的碼型，增加系統(tǒng)靈活性；也可用于信號接收端的信號恢復(fù)，增加通信網(wǎng)的可

3、靠性。脈沖整形器在信號處理和光計算領(lǐng)域可以實現(xiàn)光信號處理系統(tǒng)中的核心器件濾波器或者階數(shù)可調(diào)的微分器、積分器和微分方程求解等。在高頻微波信號產(chǎn)生領(lǐng)域，脈沖整形器可以利用光子技術(shù)實現(xiàn)頻率大于60GHz、有大時間帶寬積的高頻微波信號，可以廣泛應(yīng)用于汽車防撞、直升機防控、精密跟蹤、空間目標(biāo)識別、電子對抗、炮彈彈道測量和制導(dǎo)等方面。同時它也是增大雷達(dá)系統(tǒng)的空間分辨率，擴展電子對抗中使用的頻段和實現(xiàn)微波通信系統(tǒng)小型化、微型化的重要手段。本論文重點研

4、究了在絕緣體上硅材料上實現(xiàn)脈沖整形器的方法，其主要研究內(nèi)容如下：
　　1）簡要介紹了通訊網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢，總結(jié)了目前硅基集成器件在光源、探測器、調(diào)制器、信號處理器件和集成微型系統(tǒng)方面的研究成果。詳細(xì)介紹了脈沖整形器的研究背景及意義，對比了現(xiàn)有脈沖整形器的實現(xiàn)方案，并分析了這些方案各自的優(yōu)缺點?？偨Y(jié)了脈沖整形器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
　　2）利用光橫向梯度力效應(yīng)和有限沖擊響應(yīng)結(jié)構(gòu)，完成了片上任意波形發(fā)生器的設(shè)計。首先利

5、用有限沖擊響應(yīng)的理論知識，提出了一種易于在絕緣體上硅材料中實現(xiàn)的有限沖擊響應(yīng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中包含用于分光的耦合器部分、幅度調(diào)制和相位調(diào)制器部分以及延時部分。接著利用光橫向梯度力原理，采用光控光的方法，提出了片上幅度調(diào)制單元結(jié)構(gòu)。最后通過對脊形和條形兩種不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的分別設(shè)計，仿真了任意波形的輸出，并討論了光梯度力部分的制作工藝以及工藝誤差對器件的影響。
　　3）利用硅材料的熱光效應(yīng)實現(xiàn)了多功能脈沖整形器。硅材料的折射率會隨溫度升高

6、而增大，利用這種性能設(shè)計了兩種基于熱光效應(yīng)的脈沖整形器方案。在第一個基于芯片整體加熱的脈沖整形器方案中，利用溫度改變時不同寬度波導(dǎo)有效折射率的變化不同，在有限沖擊響應(yīng)的各支路上分別制作不同寬度波導(dǎo)的相位調(diào)制區(qū)域。再利用陶瓷片對芯片進(jìn)行整體加熱，在輸入光頻率梳的情況下，該芯片實現(xiàn)了4種不同波形的輸出。在第二個基于獨立熱電極的脈沖整形器方案中，利用在有限沖擊響應(yīng)的各支路上制作相互獨立的熱電極的方法，實現(xiàn)了可編程濾波器、任意波形發(fā)生器和微分階

7、數(shù)可調(diào)的高階光學(xué)微分器三種不同的功能。其中可編程濾波器可以實現(xiàn)中心頻率可調(diào)、帶寬可調(diào)和濾波形狀可調(diào)；任意波形發(fā)生器可以實現(xiàn)方波、三角波、鋸齒波和高斯脈沖等常見波形；微分階數(shù)可調(diào)的高階光學(xué)微分器在采用同一個結(jié)構(gòu)的情況下可以實現(xiàn)1階、2階和3階微分運算。
　　4）首次在片上實現(xiàn)基于泰勒合成方法的脈沖整形器。泰勒合成方法可以等效于將高斯信號的各階導(dǎo)數(shù)線性組合起來。在該方案中首先利用微環(huán)實現(xiàn)微分運算，得到高斯信號的各階導(dǎo)數(shù)，再通過熱電極實