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《上海交通大学》 2010年
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基于微纳米硅基环形谐振器件的光信号处理研究

刘芳菲  
【摘要】: 在过去的40年中,硅基芯片一直主导着电子行业,并且给世界带来了革命性的变化。如今,一块指甲大的硅基芯片能包含将近10亿个三极管,而其计算能力堪比10年前占据整间机房的服务器。随着没有止境的摩尔定律的继续以及网络通信的持续增长,对器件带宽的需求使得基于铜线的传统互连技术已越来越接近极限。这种限制使得全光互连成为一种替代的解决方案。然而这种全光互连的解决方案如果要应用到大众消费市场必须基于低成本的技术。在此背景下,全球的学术界和工业界都掀起了集成光电子的研究热潮。 而在这些技术中,基于绝缘体上硅结构(SOI)的技术引起了研究人员的广泛关注,硅基光子研究中一系列重大的技术突破使得硅基材料被认为是构建集成光子器件的理想平台。由于可以利用与现有的CMOS工艺相兼容的设备制作光子器件,使得硅基光子技术能够为大到通信系统,小到芯片间互连的应用提供低成本的光电集成解决方案,有望在未来带来光通信领域的又一次革命。 本文围绕硅基光子器件中的关键组成—硅基环形谐振腔的线性和非线性特性展开了如下工作: 基于硅基环形谐振腔线性特性的信号处理子系统 硅基环形谐振腔本质上是一个滤波器,本文详细研究了硅基环形谐振腔的幅频和相频特性,制作了不同尺寸大小的硅基环形谐振腔,并根据不同特性在如下三个方面进行了新颖的子系统演示: 1)光控可调光延迟线:可调光延迟线是光分组交换技术中的关键技术,可以避开复杂的光电光转换方式,直接对光信号进行缓存。环形谐振腔相比同样长度的光纤延迟线能利用谐振增强特性有效地提高延时量。本文首次研究了环形谐振腔对三种重要的调制码型(非归零码,归零码,差分相移键控码)的延时性能,并且利用硅基器件的热光效应实现了光控可调延迟线。 2)微波信号光域处理:由于硅基环形谐振腔的带宽一般在几GHz到几十GHz,因此适合应用于对微波信号的光域处理。本文首次提出并验证了工作在临界耦合状态的环形谐振腔可以作为光微分器;利用该微分特性,本文进一步演示了光子产生四倍频的毫米波;利用环形谐振腔的鉴频特性本文还演示了超宽带脉冲的光子产生。 3)高Q环形谐振腔在全光码型转换中的应用:本文探讨了利用高Q值带阻型环形谐振腔实现幅度调制到相位调制码型转换的可能性,并通过基于光纤中受激布里渊散射的窄带滤波特性实验验证了该方案。 基于硅基环形谐振腔载流子效应的信号处理子系统 硅基器件在有强光注入的情况下会通过双光子吸收效应产生自由载流子,自由载流子会对硅的折射率进行调制,硅基环形谐振腔会出现频谱蓝移等现象,根据这种现象,本文提出了以下两方面的应用: 1)基于模式分裂硅基环形谐振腔的波长转换:本文首次演示了基于模式分裂硅基环形谐振腔的双通道波长转换;在此基础上,利用不同波长处波长转换特性的不同,本文首次实现了幅度调制信号到频率调制信号的全光码型转换。 2)载流子慢响应特性的应用:由于载流子响应速度不快,因此在非归零脉冲的上升沿和下降沿处由于来不及响应会产生向上和向下的过冲,利用该特性,本文提出了一种简单的超宽带脉冲的光子产生方案,并通过实验进行了初步的探究。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN751.2

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【参考文献】
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