用于计算和信息处理的全光电路能克服电子电路固有的速度限制

1、用于计算和信息处理的全光电路能克服电子电路固有的速度限制。然而在光子学中，很少有类似于运用在多功能电子电路中的基本构件存在。在本研究中，我们在一个单片集成平台上提出了第一个全光时间积分器。我们的仪器一个基于无源微型环状共振腔的光波元件拥有万亿分之一秒的时间分辨能力，能对任意光波形复数域的时间积分运算，这相当于200GHz的处理速度和接近十亿分之一秒的时间“驻留”。这个仪器，与电子技术兼容（CMOS 互补金属氧化物半导体），将会成为下一代超速数据处理技术的构件，使光学记忆成为可能，将会成为实时微分方程计算的单元部件。 光子时间积分器是一种能对光子进行积分运算，也就是对一个任意全光输入进行时间积分

2、的仪器。图1（从上到下）展示的是从光子积分器中得到的一系列特定输入波形的时域输出波形，这些输入波形被用来说明该仪器的一些相关的计算和处理方面的应用，包括数据处理/分析，光子位运算，光学记忆单元和微分方程的模拟计算，后一个应用尤其有趣：在其电子领域的对应物类比时，一个光子积分器是制造旨在求解那些为基本现象建模和被运用在实际任何科学或工程领域里的超速模拟全光电路的一个关键元件。至于备受瞩目的全光技术，光子积分器能提供比电子积分器快得多的处理速度。另一个震撼人心的特点就是它能完成复数信息的处理，当然包括振幅和相位，与之相反，电子积分器仅限于处理实数信息。这个特点提供了一种相对于电子积分器重要的额外的

3、自由度，使高级信息处理及多种计算任务的应用成为可能。从基本的信号处理理论来看，我们都知道，一个时间积分器可以用一个时间脉冲响应（对t=0时刻施加的脉冲）为h(t)的正比于单位阶跃函数u(t)的线性计分器。为了实现这样一个物理系统，人们必须创造一种能存储输入的随时间变化的光场并且提供一种正比于每个瞬时存储的场的连续信号的输出的结构。在电子学，这个功能可以用一个电容器来实现，电容器积累的电荷正比于输入的电场，那么积分信号就正比于电容器两端测得的电压。严格地说，当光子完全停止是必须的时候，这在光子学里没有直接与之对应的原理。时间积分器设计也能通过简单地从频域考虑仪器的响应来近似。由方程（1）中的脉冲

4、响应通过傅里叶变换得到的理想积分器的频谱转换函数可以描述为：其中，是光的频率变量，是待处理信号的载波频率。根据方程（2），积分器应该提供一种在附近的转换，并且在处完美的发散到无穷。虽然在理论上，这意味着对增益的要求。我们从电子学里都知道期望得到的响应能用无源滤波器结构加上一些特定限制条件仿真出来。一种实现光子积分器的有前景通用的方法是基于光子共振腔的使用，例如环状共振腔或FabryPerot(FP)滤波器。为了简化分析过程，我们认为普通的FP腔是由两个完全相同的镜子组成，每个镜子以场反射率（反射和入射场的幅度的比值，）、距离来相互表征和区分。在这里，腔中媒介里的净增益由因子（表示增益）给出。这

5、样，时间脉冲响应可被简单地描述为：其中是在FP腔中往返传输时间（这里取, n是腔折射率；c 是真空中的光速）。可以简单地表述为，方程（3）决定了存储在FP腔中信号以指数形式衰减。将FP腔（方程（3）中的脉冲响应与理想积分器（方程（1）相比，我们可以推测当时，FP腔表现为时间积分器。这个条件意味着，这种FP腔应该是更少损耗。事实上当时，该仪器仍将表现为时间积分器，但只是多了一个有限的时间窗（a limited time window ），且由共振腔衰减时间决定。有一点需要说明的是输入脉冲（1）频谱被置于一个腔的共振频率中央方程（3）而且它比往返传输时间T长才能描述共振腔的时间脉冲响应，。这个条件

6、就转变为仪器工作带宽（速度）中固有的限制，实际上就是被共振腔自由频谱范围限制。这个原理能通过求普通光学共振腔的频率响应来更好地说明。一个标准的光学共振腔例如FSR的频谱转换函数是周期的频率梳（该频率梳有一个由FSR固定的周期），其中在给定共振附近的频谱响应的形状能被洛伦兹公式很好地近似。图2说明了理想积分器的幅频转换公式（黑色曲线，由方程（2）定义）和光学共振腔（红色曲线）在特定共振频率附近的一致性。作为比较，我们展示了两个只有FSR不同的共振腔（a,b）.每种情况下，虚线框中的区域代表共振腔与理想积分器响应相似的频率范围。从这个表述中很容易理解一个更大的FSR（也就是通过减小仪器的尺寸实现的

7、更短的往返传输时间）怎样被转换成一个更宽的积分带宽，也就是更快的处理速度。在本文中，我们提出了第一个单片全光时间积分器的实现方法。我们在实验中用到的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容微型环状共振腔是一种完全无源的仪器，尽管增益对于获取时间积分所需的精确技术参数是必须的。以前，非集成的光子积分器有的有限的不实用的工作时间窗。虽然增加增益能改善这个瑕疵，但是会带来使处理速度d的代价，同时反而影响了噪声特性。通过使用我们的完全无源的仪器，我们展示了精确的时间（任意复数域光波的时间短于80ps）积分，这比有源光子积分器取得的最好结果快一个数量级，超过800ps的积分时间窗比早先的无源光子积分器长一个

8、数量级。这个时间分辨能力于200GHz的处理速度是一致的，因此这个仪器提供了一个接近100的工作时间带宽积（TBP，一个重要的性能衡量指标，由积分时间窗和能被精确处理的时间特征的比例定义）。这远远高于先进的无源电子积分器（TBP<10），甚至明显大于之前展示的有源光子积分器（TBP<30）结果仪器结构. 本仪器的提出是基于无源集成的FSR为200GHz、Q因子为的四端口高折射率对比玻璃微型环状共振腔。惨杂的石英薄膜使用标准化学气相沉淀法沉淀的，波导管是用光刻法和反应离子刻蚀发绘图的。整个制造过程是CMOS兼容的，对高温后处理没有更进一步的要求。传输损耗很低，低于，然而由于从总线波导

9、到环的额外耦合损耗（反向亦如此）光纤到光纤的插入损耗约为9dB。实验回顾. 图3展示了实验准备和我们的光子积分器的工作原理。激光源发出高斯脉冲，每个脉冲持续时间为7.5ps（见方法定义），重复速率为16.9MHz。通过基于分析仪的脉冲塑形器，我们产生了3个不同的输入波形：（1）直接由激光源（见图4.a中插图（B）产生的超短光脉冲，（2）一串两个连续的同相位脉冲（见图4b,d的插图），（3）一串两个连续的相位差的脉冲（见图4c,e）。（2）（3）中输入的脉冲间的时差是40或275ps。之后信号被输入环的端口，同时在滴口处的输出波形被导入到一个与50GHz采样示波器相连的高速光电检测器（响应时间1

10、2ps）。在仪器输出口的时域光波归一化强度分布如图4a。4a展示的是单输入脉冲（1），4be展示的是双输入脉冲（2）和（3）。图4中相应的理想输入波形的理论积分用蓝色曲线表示。单脉冲实验. 当输入脉冲的带宽和积分器接近时，图4a中的输出波形与该仪器的时间脉冲响应很相近。测量得到的曲线与方程（3）得到的理论曲线很接近，由此我们可以推测出800ps的积分时间窗（以衰减到最大强度的80%的时间来定义）。该仪器对超短输入脉冲（1）做出的并由一个更快的光电探测器（上升时间8ps）记录的响应显示在图4a的插图（A）中，这里的8ps（10-90%）的上升时间是估算的。本实验使用的仪器的环半径更小（。因此我们

11、实现了更快的处理速度（高达500GHz）和更高的吞吐量（从这里提到的0.015%到1.5%）虽然是以一个更短的积分时间窗为代价。双脉冲实验. 双脉冲实验的结果显示，该积分器可以简单地把无相位差的两波形叠加（图4b,d）。作为对比，脉冲反相时，第二个光脉冲的时间积分抵消了第一个脉冲（假设两脉冲完全相同），这产生了类似于方波的包络且持续时间由输入的脉冲见的延时决定（图4c,e）。这些结果显示本文已经提到的光子积分器的大量重要应用。例如，1比特光学记忆单元可以被加载，就是说能通过输入串脉冲“集合”被转换为状态1，并且随后被具有相位差的脉冲“集合”清除掉或重置为状态0。在这个方案中，记忆转换时间是被积

12、分器的处理速度固定的，记忆的寿命是由积分时间窗（分别为8ps和800ps）。我们回顾了图4中以强度形式表现的所有的细节，因为这一般来讲于光处理和测量有关。因此，前面综合考虑该仪器对场振幅求积分，图4b,d显示了同相位双脉冲实验里有一个1:4的增幅，与之相反，输出的场振幅的测量值有一个1:2的跳变。复积分. 图4中的结果说明这个积分器工作在光信号的复时域包络（振幅和相位）。为了强调这一点，我们进行了对有很大TBP的复杂光波的时域积分的实验。在这种情况下，输入的脉冲（见图4.f的插图）是通过使光纤色散设备传输的宽激光脉冲发生色散获得的，为了产生强度半峰宽为950ps（场的半峰宽为1,340ps）强

13、线性调频脉冲。然后把该线性调频脉冲输入到环形共振腔，在共振腔的出口（滴口）时间强度波形就测量出来了。图4f显示的是线性调频脉冲的实验结果（黑色曲线）和理论时域积分（蓝色曲线）。尽管输出波形极为复杂，但是实验和理论曲线在时间尺度是的吻合很好，远远超过了设备的分辨率（8ps）。最终结果说明从我们的设备输出口的一个任意给定的光波形中恢复相位信息是可能的，这与最近发展的一种使用光微分器的相位恢复方法相似。讨论对于任何无源光子时间积分器，我们的仪器的全部积极的性能基本被共振腔线宽与信号频谱宽的比值限制。在我们的实验中，400MHz的共振腔线宽和110GHz的信号频谱带宽（这些数据被定义为最大输出的10%

14、间的宽度。共振腔的半峰宽为160MHz产生了一个大约为24dB的最大理论效率。在实际中，高效的产出会被耦合损耗或任何共振频率处腔中的非理想能量传输。引入增益，例如，通过四波混合有可能会改善积极的性能和响应的质量。正如图2说明的，无源共振腔的响应违背了理想情况下的响应尤其是在共振频率。事实上，任何给定的共振频率附近的频谱形状可以由洛伦兹公式很好的近似出来。这的确是与公式（3）中的脉冲响应一致的转换方程，因此，为了更好的近似一个理想的积分器而引入增益到腔中的方法（通过增加）已经被提出来了。那就是由得出k=0,它决定了共振腔腔内损耗与增益的精确的平衡。然而，我们想到一个有源积分器也有一个缺点，例如高

15、噪声水平（产生于自发辐射）、高能量损耗和仪器制造运行中的技术困难，尤其是集成的解决方案。更有甚者，实现增益可能要增加仪器的体积，这会使工作带宽减小。正如已经提到的，有源光子积分器会一定程度上限制工作速度（<20GHz）。虽然仍高于大多数先进的电子技术，这一点是已经被基于最优化布拉格光栅的共振腔证实了的。虽然这些缺点可以通过使用无源光学滤光器克服，但是这会带来较差的吞吐量和受到限制的积分时间窗。有人曾估算，在没有额外传输损失（），产生的总往返损耗少于的前提下，要用一个无源共振腔来实现近乎理想的积分特性，每个镜子的场反射率应该是r>99.99%。这是一个极具挑战的要求。这里提到的基于高Q值的微型共振腔光子积分器能够满足这些严格的要求。总结，本文提出了第一个单片全光时间积分器。这个基于无源高Q值微型环状共振腔的仪器让我们能在8ps分辨率下实现复数域光波的时间积分，远远超过了电子积分器能达到的水平，并且只有一个十亿分之一秒的“驻留”时间窗。这个在CMOS兼容式光学芯片里的成就为人们提出了一个关于高度集成、超速的光信息加工、记忆、测量和计算系统的意义非凡的前景。图像1/输入-输出的光学积分器系统 确定的输入时域波形与下列基本应用有关：数据处理、分析，比特计算，光学记忆单元和差分方程的模拟光学计算。图像2/光学共振腔积分器的工作限制 上图显示