用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种光传输领域的技术，具体是一种用于求解二阶微分方程的硅 基环形谐振腔结构。
【背景技术】
[0002] 微分方程建立了大量基本现象的模型并且在几乎所有的科学和工程原理中找到 了相关应用。常系数线性常微分方程是用来描述线性时不变系统的基本微分方程，是信号 与系统理论中的经典模型。求解常微分方程在实时信号处理、经典力学、控制理论、化学动 力学和天气预报等领域都有广泛应用。实现光学领域的常微分方程求解能够克服复杂光电 过程中的带宽瓶颈，并且操作速度比电系统提高了多个数量级，因此给超高速计算过程和 信息处理过程带来了很大希望。
[0003] 目前已经提出很多实现基于半导体光放大器、光滤波、光纤光栅和硅基集成电路 的全光常微分方程求解器，在这些器件中，基于硅基集成电路的常微分方程求解器是特别 值得关注的，因为它具有覆盖面积小、能量损耗低、易于大规模集成、与发展很好的硅基制 造技术兼容等优势。现已证实了基于硅基芯片上微环的一阶常微分方程求解器的可行性， 而具有更强大计算和处理功能的高阶常微分方程求解在复杂的高阶系统中也十分重要。虽 有关于基于微环谐振腔的二阶常微分方程求解器的研宄，但此类微分方程求解器都是通过 分立的谐振腔实现的，这就需要谐振波长严格一致。考虑到非线性热光效应导致的不对等 的谐振波长红移，系统的稳定性也会降低。更重要的是由于常微分方程的常系数已确定，所 以不具有可调性，而可调微分方程求解器具有更实际的应用价值。
[0004] 当两个或多个相互作用的模式在同一个谐振腔中共存时会发生模式分裂，是谐振 腔中普遍存在的现象，能够产生许多有意义的传输频谱，包括：电磁感应传输、电磁感应吸 收和法诺传输等。
[0005] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104375354A，公布日2015. 2. 25， 公开了一种基于干涉耦合硅基微环谐振腔的可调光微分方程求解器，待处理信号发生模块 产生待处理的光信号并从可调光微分方程求解模块求解后得到的输出信号由输出端输出 至信号观测分析模块进行显示观察，可调光微分方程求解模块包括：硅基微环谐振腔，硅基 微环谐振腔的微环分别与透射端和反射端直波导耦合且形成两个干涉耦合器，通过改变两 个干涉耦合器的外臂相移，改变微环和直波导之间的等效耦合强度，从而实现所求解常系 数微分方程系数的动态调节。但该技术需要两个干涉耦合器来实现两个系数的调节，微分 方程系数变量较多，其一致性不稳定，不利于高阶微分方程的求解。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于求解二阶微分方程的硅基环 形谐振腔结构，通过调节硅基环形谐振腔中光学模式之间的相互作用的耦合强度来求解系 数可变的二阶微分方程。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] 本发明包括：信号发生模块、谐振腔信号求解模块和信号分析模块，其中：信号发 生模块与谐振腔信号求解模块的输入相连，信号分析模块与谐振腔信号求解模块的输出相 连。
[0009] 所述的信号发生模块包括：依次相连的可调激光器、高斯脉冲产生系统和电光调 制系统。
[0010] 所述的高斯脉冲产生系统包括：两个串联的马赫曾德调制器、分别与两个马赫曾 德调制器相连的两个光放大器、分别与两个光放大器相连的脉冲信号发生器和电移相器。
[0011] 所述的电光调制系统包括：依次相连的掺饵光纤放大器、可调光滤波器、偏振控制 器和光隔离器。
[0012] 所述的谐振腔信号求解模块包括：一个直波导和一个边界与直波导耦合的自耦合 谐振腔。
[0013] 所述的自耦合谐振腔中心设有干涉耦合器。
[0014] 所述的信号分析模块包括：光分束器、与光分束器输出端分别相连的频域分析系 统和时域分析系统。
[0015] 所述的时域分析系统包括：依次相连的掺饵光纤放大器、可调光滤波器和示波器。
[0016] 所述的频域分析系统通过光谱分析仪实现。 技术效果
[0017] 与现有技术相比，本发明通过理论计算得到了环形谐振腔中模式分裂的时域表 征，利用自耦合环形谐振腔中可调的光学相互作用模式之间的耦合强度通过实验来实现线 性时不变系统的微分方程求解，并经5 - Gb/s和10 - Gb/s验证，为求解光域的高阶微分方 程开辟了一个新的途径，减小了调节的复杂性，提高了求解过程的稳定性。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明示意图；
[0019] 图2为模式分裂微环谐振腔示意图；
[0020] 图中：1为中心耦合器，2为激光器，3为偏振控制器，4为马赫曾德调制器，5为电 子放大器，6为脉冲信号发生器，7为电移相器，8为掺铒光纤放大器，9为可调光滤波器，10 为光隔离器，11为待测器件，12为直流稳压源，13为光分束器，14为光谱分析仪，15为示波 器；
[0021 ] 图3为线性时不变系统不意图；
[0022] 图中：x(t)为系统输入信号，y(t)为系统输出信号，1/s为拉普拉斯变换中积分器 的系统函数，a。、Iv匕和b 2为方程系数；
[0023] 图4为％= 5*10 5, Qe= 3*10 4,不同Qu时的模式分裂微环谐振腔谱图；
[0024] 图中：（a)为归一化传输函数谱；(b)为相位变化曲线；
[0025] 图5为％= 3*10 4, Qe= 4*10 4,不同Qu时的模式分裂微环谐振腔谱图；
[0026] 图中：（a)为归一化传输函数谱；(b)为相位变化曲线；
[0027] 图6为Qu = 1*104时，微分方程系数随Q河Q e变化图形；
[0028] 图中：(a)、（b)、（c)和（d)分别为微分方程系数V a。和b。随Q种Q e变化图 形；
[0029] 图7为在％和Q e取不同值时，微分方程系数随Q U/QU。变化的曲线；
[0030] 图中：(a)为aQ随Q U/QU。变化的曲线，（b)为b。随Q U/QU。变化的曲线；
[0031] 图8为待测器件显微图和不同加热电压下的实测及理论拟合传输函数谱；
[0032] 图中：（a)为待测器件显微图，（b) - (f)为加热电压分别为0V、1. 2V、2. 0V、2. 5V和 3. 5V时，实测及理论拟合传输函数谱；
[0033] 图9为实验频谱图和理论拟合曲线；
[0034] 图中：（a)为输入10 -Gb/s高斯脉冲信号的实验频谱图和理论拟合曲线，（b) - (f) 为加热电压分别为〇V、l. 2V、2. 0V、2. 5V和3. 5V时的实验频谱图和理论拟合曲线；
[0035] 图10为高斯脉冲曲线图；
[0036] 图中：(a - i)为5 - Gb/s高斯脉冲曲线，（a - ii)为加热电压为2. 5V时的输出脉 冲信号曲线，（b - i)为10-Gb/s超高斯脉冲曲线，（b - ii)为加热电压为0V时的输出脉冲 信号曲线，（c - i)为10 -Gb/s超高斯脉冲曲线，（c - ii)为加热电压为2. 5V时的输出脉冲 信号曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例1
[0038] 如图1所示，本实施例包括：信号发生模块、谐振腔信号求解模块和信号分析模 块，其中：信号发生模块与谐振腔信号求解模块的输入相连，信号分析模块与谐振腔信号求 解模块的输出相连。
[0039] 所述的信号发生模块包括：依次相连的可调激光器2、高斯脉冲产生系统和电光 调制系统。
[0040] 所述的可调激光器2与高斯脉冲产生系统之间设有偏振控制器3。
[0041] 所述的高斯脉冲产生系统包括：两个串联的马赫曾德调制器4、分别与两个马赫 曾德调制器4相连的两个光放大器5、分别与两个光放大器5相连的脉冲信号发生器6和电 移相器7。
[0042] 所述的两个马赫曾德调制器4之间设有偏振控制器3。
[0043] 所述的电光调制系统包括：依次相连的掺饵光纤放大器8、可调光滤波器9、偏振 控制器3和光隔离器10。
[0044] 如图2所示，所述的谐振腔信号求解模块为基于模式分裂的硅基环形谐振腔，包 括：一个直波导和一个边界与直波导耦合的自耦合谐振腔。
[0045] 所述的硅基为顶硅层厚度为220nm的SOI芯片，采用248nm深度紫外光刻。
[0046] 所述的直波导充当基于模式分裂的硅基环形谐振腔输入和输出通道。
[0047] 所述的直波导耦合区域的间隙为180nm，单模直波导截面尺寸为500*220nm 2。
[0048] 所述的自耦合谐振腔周长为232. 5 y m。
[0049] 所述的自耦合谐振腔与直波导之间的直接耦合长度为3 y m。
[0050] 所述的自耦合谐振腔中心设有中心耦合器