基于硅基微环的信号处理介绍

1、基于硅基微环的信号处理介绍硅基微环的结构和优点n与CMOS工艺兼容n尺寸小、易集成n半径：几个到几十个微米n波导宽度：几百个纳米n易于光电混合集成n适于光信号处理nSi/SiO2之间的折射率差很大n周期线性高Q滤波效应n环内能形成很强的内建场n各种非线性效应阈值低SiSiO2450 nm250 nm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(0)( )inoutEirtEEtirE L2( )(0)LiE Lae EaekLffY. Chen and S. Blair, J. OSA B, 2125 (2003).在环中绕一周相移位2kp的光将

2、发生谐振taarttaeaertEEiiinout1122ff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. Chen and S. Blair, J. OSA B, 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l密集波长转换l可控的光延迟l光信号微分器l可集成的移相器l光信号调制器l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 (cross Gain Mod

3、ulation)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lp NRZ信号0lCWlp强度很弱没有载流子产生lp NRZ信号1lCWlp强度很强双光子吸收产生载流子通常硅微环半径在520 mm，使谐振峰之间的间隔一般为几十几个纳米Q. Xu et al., 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lp NRZ信号1lCWZiyang Zhang et al., CLEO/QELS 2008 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lCWlCW实验中自由载

4、流子寿命为450 ps因此对于5 Gb/s信号造成码型效应Qiang Li et al., 081113, App. Phy. Lett., 2008.Q. Xu et al., Opt. Lett., 2733 (2005)多信道组播l1l2lpFSRQiang Li et al., 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20 mmNRZRZ-30-20-10010200306090120 1G 5G 10GDelay (ps)Pump po

5、wer (dBm)-40-30-20-10010200306090120 1G 5GDelay (ps)Power (dBm)(a)05001000150020000.00.51.01.52.02.5 -30.7dBm 13.7dBmIntensity (a.u.)Time (ps)10 Gb/s01002003004005000.000.250.500.751.00 -37.0dBm 13.6dBmIntensity / a. uTime / ps5 Gb/s3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/s CSRZ最大延迟为95 ps5-Gb/s Duobinar

6、y最大延迟为110 ps5-Gb/s AMI最大延迟为65 psFormatsNRZRZCSRZRZ-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Qiang Li et al., 3744, JLT 2008.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 cos(wt+f)在频率很高(w

7、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) = coswRFt+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非线性相移+

8、热效应热效应为Df的变化提供了可能S1S2S1S2可集成移相器：实验装置1550.1 nm10 GHz光载波抑制调制1548.5 nm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, et al., 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

9、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0201ataeaektbLjLj0201ataaktb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L = 2mp 谐振波长处相位只有0和p两种状态1.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Tong Ye et al., 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

10、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

11、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(coupled ring-resonator optical waveguide )NRZ-to-RZ结果Tong Ye et al., 15325, OE, 2008.NRZ-to-RZ-PSK原理和结果Cishuo Yan et al., 58, OL, 2009.l1l2lpl1l2lp NRZ 泵浦信号l2500W/div500ps/divl1500W/div2.5ns/divFSK 波形5dB/div0.5nm/div FSK 频谱Fangfei Liu et al., APOC 2008.+=Dl =