专利名称：一种硅基集成化的光学加密调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及用一种硅基集成化的光学加密调制器。
背景技术：
在计算机与通信网络中，加密是保证信息不被窃听与干扰的重要手段。在目前常 用的网络技术中，加密往往是在计算机内部通过软件实现的。这一做法有两个弊端，其一是 会增加计算机的负担，当需要加密的数据量很大且要求实时传输时，加密操作往往会消耗 计算机的大量资源，使加密进程变慢而影响信息传输的速率；其二是，此类在计算机内部通 过软件加密的方法往往会被黑客通过入侵用户计算机的方式予以破解，从而使加密功能完 全丧失。本发明正是针对这一问题而提出的，它在光通信中必不可少的光调制器中集成了 加密功能，作为一种硬件加密方式丰富了信息加密的手段。由于采用的是集成光学元件，该 方案并不显著增加光调制器的体积与功耗。这使得本发明在对器件体积与功耗敏感的光接 入网中具有很好的应用前景。众所周知，异或(Exclusive Or,X0R)逻辑运算在信息编码与解码、信号奇偶校验、 数据加密解密、图像处理、随机数产生等众多场合都有重要应用。本发明提出的光学加密调 制器，正是使用集成光学元件来实现异或O(OR)逻辑运算从而实现信息加密的。历史上曾经有两次大规模的光逻辑与光计算的研究热潮。当时集成光学还未得到 充分发展，体光学元件实现的光信息处理系统往往体积庞大而且可编程性极低，与集成度 高、可编程性能优越的微电子技术相比优势非常少。时至今日，在光通信产业的推动下，借 助微电子工艺实现的集成光学器件性能已经有了长足进步，能实现的功能越来越丰富，工 作模式也越来越灵活。基于这些集成光学器件的光信息处理研究重新获得了重视。^ Jf T 1993 $ 的 ^lJ "Optical Mach-Zehnder type logic element whichperforms an XOR operation，，(United States Patent 5315422)描述了利用集成化 的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)实现全光异或及同或逻辑门的方法。两个光信号A和B分别 照射到MZI的两臂上，引起MZI两臂的相位差。所以A、B相同则输出一种结果，相异则输出 另一种结果。该方法的主要缺点在于，需要较强的光信号激励，而且其输入方式难以进行平 面集成。^JfT2002ip^#^lJ"All-optical XOR gate by using semiconductoroptical amplifiers，，(United States Patent 6930826)提出了一种利用两个半导体光放大器 (Semiconductor Optical Amplif ier, S0A)实现全光异或逻辑门的方法。该器件利用了非 线性光学效应，需要较高的光能量输入，且SOA价格昂贵。韩国首尔国立大学的^ung Jin Jung等科学家发表于2008年的“Demonstration of IOGbps, all-optical encryption and decryption systemutilizing SOA XOR logic gates，，(Source :0PTICAL AND QUANTUMELECTRONICS, Volume :40, Pages :425-430)描述了 他们利用半导体光放大器构建光学异或逻辑门，并用它来实现10(ibpS的数据加密与解密系统。该研究都表明，光逻辑与光计算在某些特定应用中，具有比集成电路更大的发展潜 力。用集成光学逻辑单元来构建的计算与通信系统，可能在不久的将来在高性能处理 器中充当处理单元，也可能在集成电路芯片内部的光互联中发挥作用。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基集成化的光学加密调制器，以解 决传统调制与加密方案中的速度瓶颈与安全性问题，达到提高光通信等应用中信息处理速 度的目的，并保持器件的小体积、低功耗及低成本。(二)技术方案为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种硅基集成化的光学加密调制器，该光学加密调制器由两个纳米线微环谐振器 MRR实现，具有两个输入端和一个输出端，该两个输入端分别输入一明文电脉冲序列和一密 钥电脉冲序列，输出端输出一密文光脉冲序列，该输出的密文光脉冲序列可直接进入光纤 进行传输。上述方案中，该光学加密调制器采用绝缘体上硅材料制作而成，基本单元为带热 调制机构或电调制机构的纳米线微环谐振器。上述方案中，所述纳米线微环谐振器是直波导相互交叉的微环谐振器，由两个相 互交叉的直波导和一个环形波导构成，该环形波导的外边缘同时与相互交叉的两个直波导 相切。上述方案中，该光学加密调制器同时实现加密与调制的过程是将特定波长的连 续激光，待发送的明文电脉冲序列(作为第一个输入)作用于一个微环谐振器，用于加密的 密钥电脉冲序列(作为第二个输入)作用于另一个微环谐振器，在输出端就能得到经过异 或运算加密的密文光脉冲序列。上述方案中，明文电脉冲序列及密钥电脉冲序列对各自的微环谐振器的作用方式 是当电脉冲序列中出现比特“0”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，信号直通；当电脉 冲序列中出现比特“ 1，，时，微环谐振器在工作波长处谐振，信号下路。上述方案中，明文电脉冲序列及密钥电脉冲序列需要逐比特对齐，在时间上精确 同步。上述方案中，输出的密文光脉冲序列即是明文电脉冲序列与密钥电脉冲序列逐比 特异或运算的结果。上述方案中，该光学加密调制器在接收端进一步有与之配套的解密器，在该光学 加密调制器两端分别集成一个光电转换模块即可得到配套的解密器；在接收端接收到密文 光脉冲序列后，经过一次光电转换得到密文电脉冲序列来调制第一个微环谐振器，同时使 用与发送端相同的密钥电脉冲序列调制第二个微环谐振器，即可得到明文光脉冲序列，再 经过一次光电转换，即可得到明文电脉冲序列。(三)有益效果本发明的突出优点是它在光通信中必不可少的光调制器中集成了加密功能，作为一种硬件加密方式丰富了信息加密的手段。利用现成的工艺技术，使得器件体积小，功耗 低，扩展性好，便于与电学元件集成。该方案并不显著增加光调制器的体积与功耗，这使得 本发明在对器件体积与功耗敏感的光接入网中具有很好的应用前景。
从以下结合附图通过优选实施例的方式，进一步详细描述本发明，可使本发明的 上述目的、方案和优点变得愈为清晰，其中图1为交叉结构的微环谐振器(MRR)，其对某些波长信号“下路”，对某些波长信号 “直通”(“下路”与“直通”的含义将在下文进行详细说明)，这取决于这些波长是否满足谐 振条件，MRR是加密调制器的基本组成单元；图2为用来对MRR进行调谐的电极结构，在电极上施加电压，通过产生热量或者改 变材料中的载流子浓度来改变环形波导的群折射率从而改变MRR的谐振波长，实现动态滤 波，意即使MRR对某波长信号可能直通也可能下路(取决于所加电压情况)；图3为单个MRR实现异或运算的工作原理示意图，这里有三个输入，χ与(1_χ)是 光脉冲输入，y是电脉冲输入，实现的是χ与y的逐比特异或运算，结果为光脉冲的形式；图4为两个MRR的组合实现电脉冲的调制与加密的工作原理示意图，这是本发明 提出的加密调制器的基本结构，将固定波长的连续激光输入到器件中，要发送的明文电脉 冲序列及用来加密的密钥电脉冲序列分别调制一个MRR，输出结果是密文序列，为光脉冲形 式；图5为发送端使用本发明实现调制与加密的一个例子的信号码形图，明文是三个 英文字符“MRR”对应的ASCII码，密钥是三个阿拉伯数字“ 123”对应的ASCII码，得到的 密文序列为“1111100，1100000，1100001”，通过查ASCII对应表，其对应的是三个字符是 "Pa"；图6为接收端使用本发明外加两个光电转换模块实现解密的例子的信号码形图， 在接收端首先使用光电探测器将光脉冲形式的密文序列转换为电脉冲形式(第一次光电 转换)，然后用它来调制图4中的MRR1，同时用密钥序列调制图4中的MRR2，即可在输出端 得到光脉冲形式的明文，再使用一次光电探测器(第二次光电转换)即可得到电脉冲形式 的明文序列。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明利用一种简单的集成光学元件——微环谐振器(Micro-RingResonator， MRR)，实现了带有加密功能的光调制器。本发明的基本结构为微环谐振器，采用硅基纳米线 波导制作。该光学加密调制器由两个微环谐振器构成，它有两个输入，其一是明文电脉冲序 列，其二是密钥电脉冲序列；输出是密文光脉冲序列。它同时完成了电光转换的调制功能和 异或运算的加密功能。接收端收到密文光脉冲序列后，需要进行解密，解密操作使用的器件与加密操作相同，只是器件的输入输出两端各多了一次光电转换操作。用作解密时，光学加密调制器与 两个光电转换模块组合在一起，该组合器件的两个输入是密文光脉冲序列和密钥电脉冲序 列，输出是明文电脉冲序列。在通常的通信系统中，调制与加密往往是分步进行的，加密过程一般先进行。例 如，将明文电脉冲与密钥电脉冲进行逐比特异或O(OR)即可实现简单的加密，得到的新的 电脉冲序列称为密文。在接收端，将接收到的密文序列与发送端使用的密钥序列进行异或 运算即可还原出明文序列。在数字通信系统中，信息的载体是电脉冲序列。而在光通信系统中，传输的是光脉 冲序列。所以待传输的信息在加密后，需要将电脉冲密文序列转换为光脉冲序列。电脉冲 中的电压高低的变化，被转换为光脉冲中光信号的有无，这一步操作称为调制。本发明的突出优点是在对明文电脉冲序列进行调制(电光转换)的同时，用密钥 电脉冲序列对其进行加密(异或运算)。此外，本发明利用现成的工艺技术，使得器件体积 小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成。本发明提出的集成化光学加密调制器之所以 具有这些优点，与它所采用的材料属性及器件工作原理关系密切。首先，在材料方面，本发明采用的是绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator， SOI)材料。SOI是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其制备及 加工工艺与微电子领域广泛使用的CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)工艺兼容。SOI波导的芯区为硅，材料折射率为3. 5，包层为空气(或二氧化 硅)，材料折射率为1(或1.44)。由于芯区和包层的折射率差很高，SOI波导的光场限制能 力很强。高的折射率差使得弯曲波导的弯曲损耗很低，半径为5微米时的弯曲损耗仍然很 小，这使得在一个芯片上实现多个不同形状与功能的SOI波导器件的集成成为可能；而传 统波导器件(如LiNbO3)的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，极大的占用了芯片面积，一 块芯片上通常只能放下一个器件。其次，在器件方面，本发明的基本单元为基于硅基纳米线波导的微环谐振器，它是 一种功能多样，性能优越，近年来被广泛研究的集成光学元件。图1为交叉结构的微环谐 振器结构图，它由两个相互交叉的直波导和一个环形波导组成。利用微环谐振器结构可以 实现光开关、光调制器、光滤波器、光分插复用器等很多光通信用功能部件。由于环形波导 的半径可以小至5微米，其器件结构非常紧凑，可以实现器件密度为105/cm2以上的高集成 度，减少分立器件耦合时的损耗，同时降低器件的封装成本。图1所示的微环谐振器(MRR)是本发明的基本单元。MRR有两种基本结构，图1所 示的直波导相互交叉是其中之一，另外还有直波导相互平行的结构(环形波导处在两平行 波导之间)。交叉结构的MRR具有的二维扩展性好的优点，主要缺点在于交叉节点会引入一 定损耗。下面介绍单个MRR的制造工艺。首先依照谐振波长、偏振与损耗特性、调谐特性等 方面的要求，设计好MRR的几何结构(包括截面尺寸、环与直波导的间距)和热调制或电调 制结构(包括电极材料、形状与尺寸)。然后就可以利用半导体工艺在SOI材料上制作MRR 及其热调制或电调制单元，下面介绍具体步骤1)、将设计好的MRR版图制成光刻版；2)、依照设计，选择SOI片进行清洁处理，得到待处理的SOI片，其顶层Si厚度依设计选定，为波导芯层的厚度。埋层S^2的厚度则要保证以顶层Si为芯区的波导中光场 不会泄露到衬底Si中，一般埋层SW2的厚度在1 3 μ m ；3)、在SOI片上均勻涂敷光刻胶层，对其进行烘焙、坚膜，并在光刻机中用紫外光 机将光刻版的线条方向与硅片的参考边调整至平行，然后对光刻胶曝光；4)、在显影液中对光刻胶显影形成光刻胶图形，并再次烘焙；5)、以光刻胶层的剩余部分为掩模，采用反应离子刻蚀(Reactive IonEtching, RIE)工艺去除腐蚀窗口的顶层Si。反应离子刻蚀是指利用能与被刻蚀材料起化学反应的 气体，通过辉光放电使之形成低温等离子体，对晶片表面未被掩蔽部分进行腐蚀。它利用活 性离子对衬底的物理轰击与化学反应的双重作用进行刻蚀，具有良好的形貌控制能力(各 向异性)；较高的选择比和较快的刻蚀速率。正是它的这些优越性使得它成为目前应用范 围最为广泛的干法刻蚀。反应离子刻蚀工艺包括六个步骤(1)刻蚀物质的产生射频电源施加在一个充 满刻蚀气体的反应腔上，通过等离子体辉光放电产生电子、离子、活性反应基团；(2)刻蚀 物质向硅片表面扩散；C3)刻蚀物质吸附在硅片表面上；(4)在离子轰击下刻蚀物质和硅片 表面被刻蚀材料发生反应；(5)刻蚀反应副产物在离子轰击下解吸附离开硅片表面；(6)挥 发性刻蚀副产物和其它未参加反应的物质被真空泵抽出反应腔。整个过程中有诸多的参数影响刻蚀工艺，其中最重要的是压力、气体比率、气体 流速、射频电源。另外硅片的位置和刻蚀设备的结构也会对刻蚀工艺。在这一步中，需要严 格控制刻蚀条件，避免侧向钻蚀；6)、去除光刻胶层的剩余部分，得到图形转移之后的二维MRR结构；7)MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition)MRR 应部位生长用于热调制或电调制用的金属电极。经过上面这些步骤，精确控制工艺过程，就可以得到预先设计的MRR及其调制结 构。下面通过分析光信号在图1所示的MRR中的传输过程，简要说明其工作原理(1、3 端口之间的直波导称为a，2、4端口之间的直波导称为b)1)、一定波长的激光脉冲信号由1端口输入，进入MRR后在直波导a中向前传播。 尽管SOI纳米线波导折射率差大，光场限制能力强，但仍有倏逝场(Evanescent Wave)弥散 到直波导之外；2)、在光信号经过环形波导时，由于环形波导材料折射率比周围材料高，根据电磁 场传播的基本规律(光场有向高折射率区域传播的趋势)，光场将向折射率高的环形波导 区域传播，所以弥散到直波导a之外的光场将有一部分耦合进环形波导中，而后沿着环形 波导逆时针传播；3)、如果光信号的波长满足谐振条件(mX λ = NgX 2 π X R，其中m为整数，称为谐 振阶数，λ为光信号波长，Ng为环形波导的群折射率，R为环形波导半径)，那么光脉冲在 环形波导中传播若干圈之后，其能量将几乎全部由直波导a耦合进环形波导，并由环形波 导耦合进直波导b，最终由4端口输出G端口称为下路端，上述过程称为“下路”)。而如 果光信号的波长不满足上面所谓的谐振条件，那么尽管部分光场会从直波导a进入环形波 导，但最终仍会耦合回直波导a中，然后几乎全部由3端口输出(3端口称为直通端，上述过程称为“直通”)。如若信号由端口 2输入，那么端口 3是相应的下路端，端口 4是相应的直 通端，工作原理与上面描述的由端口 1输入时完全相同，此处不再赘述。上面分析的是MRR的静态工作特性，即MRR会固定地使某些波长信号下路(满足 谐振条件的波长)，某些波长信号直通(不满足谐振条件的波长)。实际工作时，需要MRR谐 振波长动态可调(即动态滤波)以实现更加复杂的功能。下面对谐振波长计算公式mXλ =Ν8Χ2π XR进行分析，从而得出如何调节MRR使得它的下路波长动态可调。通过上面的谐振条件公式(mX λ = NgX2 π XR)可以看到，要调节谐振波长以实 现动态滤波，可以改变的物理量有环形波导的半径R及其群折射率Ng。前者在工艺完成之 后就确定下来，无法进行调节。所以只能通过调节环形波导的群折射率Ng，来改变MRR的谐 振波长。群折射率Ng与材料折射率密切相关，硅的材料折射率随温度变化而变化，称为硅 材料的热光效应，利用这一效应可以实现对群折射率Ng的调节。利用金属有机化学气相 淀积(Metal-Organic Chemical VapourDeposition, M0CVD)技术在微环上生长金属电极， 对其施加电压后，电流流过有电阻的金属电极而使其发热，热场传导至波导，使波导的温度 发生变化，环形波导的群折射率Ng随之变化，带来MRR谐振波长的改变，从而实现动态滤 波——即对于某一特定波长，可以通过施加于电极的电信号来改变环形波导的温度，使得 光信号或者从下路端，或者从直通端输出。图2所示为MRR的热调制机构，加电后金属电极发热，热场传导至波导，使波导的 温度发生变化，环形波导的群折射率Ng发生变化，MRR的谐振波长λ随之变化。此外，也可 通过电光效应实现MRR的调谐，电光调谐适于对调制速率要求高的场合。热光调谐与电光调谐的电极设计有不同的地方前者需要设计高电阻的电极来产 生热量，所以要选择高电阻率材料，并设计截面较小、长度较长的电极来增大其电阻，通常 采用盘状电极(通过蜿蜒盘旋的结构来增加电极长度从而增加电阻)；而后者通过电极引 入的电场改变载流子浓度，此时热效应是不可控的因素，需要加以抑制，所以希望电极电阻 越小越好，所以要选择电阻率低的材料，采用截面大、长度短的设计，另外还要考虑不同电 极形状产生的电场分布的不同，带来的载流子分布的不同对滤波性能的影响。硅材料的热 光与电光性质已经得到了广泛的研究，以热光效应为例，硅材料的热光效应可以用下式表 示dn/dT = 9. 48X 10_5+3. 47 X IO-7XT-I. 49 X IO^10T2+. . . (1)其中dn为折射率变化量，dT为温度变化量，T为环境温度。在常温下(Τ = 300K)， dn/dT = 1. 86X 10_4/K，折射率随温度的升高而增大。Si的大热光系数和高热导率(^si = 1. 49ff/cm ·Κ)可以保证SOI的热光调节有较快的响应速度。同时，埋层SW2的热导率很小， 只有Si的百分之一，可以有效的起到绝热的作用，减少热量散失，降低开关功耗。因此SOI 是很好的热光效应材料。另外，从谐振波长计算公式mX λ = NgX2 π XR还可以看出，由于m只能取整数 值，微环形谐振器的谐振波长是离散的，相邻两个谐振波长的间隔称为自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)，其值可以表示为FSR = Am2/(NgX2 π XR) (2)其中λ m为谐振波长计算公式中整数m对应的谐振波长，称为自由光谱范围的FSR是谐振阶数(m-Ι)与(m+1)所对应谐振波长与间隔，由(2)可见FSR与环的半径成 反比。受弯曲损耗的限制，微环的半径通常不小于5微米，此时FSR的通常为十几个纳米。本发明拟采用的波段为光通信中常用的1.55μπι区域，信道间隔为100GHz，对应 的波长间隔约为0. Snm0由谐振波长计算公式可以得到谐振波长变化与折射率变化的关系
权利要求
1.一种硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，该光学加密调制器由两个纳米线 微环谐振器MRR实现，具有两个输入端和一个输出端，该两个输入端分别输入一明文电脉 冲序列和一密钥电脉冲序列，输出端输出一密文光脉冲序列，该输出的密文光脉冲序列可 直接进入光纤进行传输。
2.根据权利要求1所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，该光学加密调 制器采用绝缘体上硅材料制作而成，基本单元为带热调制机构或电调制机构的纳米线微环 谐振器。
3.根据权利要求2所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，所述纳米线微 环谐振器是直波导相互交叉的微环谐振器，由两个相互交叉的直波导和一个环形波导构 成，该环形波导的外边缘同时与相互交叉的两个直波导相切。
4.根据权利要求1所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，该光学加密调 制器同时实现加密与调制的过程是将特定波长的连续激光输入到器件中，待发送的明文 电脉冲序列作为第一个输入作用于一个微环谐振器，用于加密的密钥电脉冲序列作为第二 个输入作用于另一个微环谐振器，在输出端就能得到经过异或运算加密的密文光脉冲序 列。
5.根据权利要求4所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，明文电脉冲序 列及密钥电脉冲序列对各自的微环谐振器的作用方式是当电脉冲序列中出现比特“0” 时，微环谐振器在工作波长处不谐振，信号直通；当电脉冲序列中出现比特“ 1”时，微环谐 振器在工作波长处谐振，信号下路。
6.根据权利要求4所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，明文电脉冲序 列及密钥电脉冲序列需要逐比特对齐，在时间上精确同步。
7.根据权利要求4所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，输出的密文光 脉冲序列即是明文电脉冲序列与密钥电脉冲序列逐比特异或运算的结果。
8.根据权利要求1所述的硅基集成化的光学加密调制器，其特征在于，该光学加密调 制器在接收端进一步有与之配套的解密器，在该光学加密调制器两端分别集成一个光电转 换模块即可得到配套的解密器；在接收端接收到密文光脉冲序列后，经过一次光电转换得 到密文电脉冲序列来调制第一个微环谐振器，同时使用与发送端相同的密钥电脉冲序列调 制第二个微环谐振器，即可得到明文光脉冲序列，再经过一次光电转换，即可得到明文电脉 冲序列。
全文摘要
本发明公开了一种硅基集成化的光学加密调制器，该光学加密调制器由两个纳米线微环谐振器MRR实现，具有两个输入端和一个输出端，该两个输入端分别输入一明文电脉冲序列和一密钥电脉冲序列，输出端输出一密文光脉冲序列，该输出的密文光脉冲序列可直接进入光纤进行传输。本发明的突出优点是使用单个器件同时完成了加密与调制功能，它利用现成的工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成，特别适合用于对体积、功耗及成本敏感的场合。
文档编号G02B6/12GK102062896SQ20091023784
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者冀瑞强, 刘育梁, 卢洋洋, 张磊, 杨林, 田永辉, 贾连希, 陈平 申请人:中国科学院半导体研究所