微環(huán)諧振器及其在全光信號處理中的應用研究.pdf

1、隨著光纖通信技術的高速發(fā)展，通信容量得到了不斷提高，而新的全光通信技術因有望解決傳統(tǒng)光交換機中光-電-光交換帶來的瓶頸而備受矚目。作為全光通信的關鍵技術，全光信號處理，如全光緩存、波長轉換、碼型轉換等技術正受到國際上越來越廣泛的研究和關注。另一方面，半導體加工工藝的發(fā)展和市場的成本因素，使得光電子技術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，已經(jīng)成為高速、大容量、低成本全光信號處理技術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。本論文首先將詳細介紹微環(huán)的理論知識，設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/帶寬同時可調諧的光學帶通濾波器(OB

3、PF)，以及全光信號處理，如波分復用(WDM)歸零碼(RZ)到非歸零碼(NRZ)碼型轉換、WDM NRZ-差分相移鍵控(DPSK)信號解調、640 Gbit/s NRZ 信號產生、全光存儲單元等，進行了詳細的理論以及實驗研究。概括全文的研究成果和貢獻，可以總結為以下幾個方面：
　　 ⑴從光波導理論出發(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式。在此理論基礎上，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)等設計方法，從微環(huán)的耦合系數(shù)，環(huán)形彎曲波導的色散、損耗等角度，詳細討論了微環(huán)的設計，介紹了硅基微環(huán)的加工工藝，并結合實驗驗證了設計的精確性。
　　 ⑵詳細介紹、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)結構的波長和帶寬同時可調、具有高形狀因子以及消光比的光學帶通濾波器。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諧，同時保持濾波器了較小的帶內幅度抖動。
　　 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的微環(huán)直通端響應特性的偏振分集(Pol-D)光學芯片。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的偏振相關損耗，并將制作出的器件應用于20 Gbit/

6、s NRZ-DPSK的解調，驗證了偏振相關性的改善。另外，利用微環(huán)的偏振相關性，提出了一種微環(huán)和相移器集成實現(xiàn)線偏振、圓偏振、橢圓偏振光之間轉換的方案。通過3D FVMM、3D CMT 方法對器件性能進行了模擬和分析。
　　 ⑷對微環(huán)在WDM中的應用進行了理論以及實驗研究。首先詳細研究基于硅基微環(huán)的全光RZ-NRZ 碼型轉換，并對微環(huán)進行了的優(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碼型轉換，單信道速率為50 Gbit/s，實驗結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。利用制備的硅基微環(huán)(FSR：100 GHz，Q：6700)的周期性梳狀譜結構，成功實現(xiàn)了WDM NRZ-DPSK的解調，單信道速率為40 Gbit/s。實驗結果顯示微環(huán)直通端和下載端都具有非常好的解調性能。并且相比于傳統(tǒng)MZI 解調，下載端口的解調表現(xiàn)出更好的波長失

8、諧容忍度。
　　 ⑸對微環(huán)在光時分復用(OTDM)中的應用進行了實驗研究。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 信號進行RZ-NRZ碼型轉換，從而產生超高速640 Gbit/s NRZ 信號的方案。實驗結果顯示640 Gbit/s NRZ信號的各路OTDM 信道均具有良好的信號質量。相對于640 Gbit/s RZ 信號，碼型轉換后的640 Gbit/s