1。
[0051] 所述的中心耦合器1为干涉耦合器。
[0052] 所述的中心耦合器用于激发产生一个与输入端逆时针方向本征模式相反的顺时 针模式。
[0053] 所述的信号分析模块包括：光分束器13、与光分束器13输出端分别相连的频域分 析系统和时域分析系统。
[0054] 所述的时域分析系统包括：依次相连的掺铒光纤放大器8、可调光滤波器9和示波 器15。
[0055] 所述的频域分析系统包括：光谱分析仪。
[0056] 如图3所示，所述的所求解的二阶微分方程用于表示二阶连续时间线性时不变系 统，其形式为：
[0057]
〔1〕
[0058] 其中：X(t)为系统输入信号，Y(t)为系统输出信号，Aji = 0，1)和Bk(k = 0，1， 2)分别为常系数。
[0059] 如图4和图5所示，根据耦合模式原理，所述的基于模式分裂的硅基环形谐振腔与 周围光谱的传输函数为：
[0060]
⑵
[0061] 其中：j二V=T, ?是变化的角频率，《0是谐振角频率，a0、ai、b0和b力常系数，可 用以下公式表示：
[0062]&1= ? 〇(l/Qi+l/Qe),a〇= ?〇2[ (l/Qj+l/Qe) 2+l/Qu2]/4 (3)
[0063] b1= ? 0^,^= ? 〇2[l/Qi2 - l/Qe2+l/Qu2]/4(4)
[0064] 其中：QpQjP Qu分别表示与本征损耗、自耦合环和直波导间耦合的两个相反方向 的、与相互耦合有关的品质因数。
[0065] 定义临界耦合品质因数Qu。满足：
[0066] 1/Qj=|l/Qe2- 1/Qi2 (5)
[0067] 当Qu= Qu。时，T〇 ^ = 0 ;当QU>QU。时，传输函数和相位变化与单环类似；QU〈Q U。 时，发生耦合分裂。可通过改变微环中心位置的耦合强度实现改变Qu以得到不同的分裂谐 振峰之间的不同频谱变化范围时的不同模式分裂程度。中心耦合器1的耦合强度增加意味 着Q u减小，从而导致谐振分裂随着分裂的谐振峰之间的频谱范围的增加而增加。
[0068]假设输入光学信号，角频率为c^，线性时不变系统输出信号 YW= 。通过一个时域的经过如下傅立叶反变换后得到的常微分方程与输入信 号相联系：
[0069]
[0070] 其中：x(t)和y(t)分别为输入信号和输出信号的复杂包络线，在消除方程（6)中 的常因子pMot后，方程（6)可进一步简化如下：
[0071]
[0072] 由以上万程变化和对比口」知，经过光信号处理的万程与一般常微分方程相似，表 明模式分裂谐振腔可以用一个时域的二阶常微分方程来表征并且可以用来做一个二阶微 分方程求解器。决定输出信号幅度的变量d 2x(t)/dt2对于无源滤波器是归一化的。
[0073] 如图6所示，鉴于在实际过程中会有其他的放大或衰减，幅度变化将会进一步得 到补偿，微分项dt以皮秒为单位相当于表征高速光学信号的Gb/s，由％、QjP Qu决定的系 数a^a^b。和b :补偿由1/dt和1/dt2引起的阶数变化。
[0074] 如图7所示，改变Qi、Q，Qu可实现方程（7)中常系数的可调。
[0075] 如图8所示，根据计算，得出所述的品质因数理论计算值说=7. 93*10 4、Qe = 1. 27*104, Qu= 9. 68*10 3,和二阶微分方程中的系数apapbjP b :，得到相应的拟合曲线。
[0076] 通过微型加热器对设置于待测器件11上的基于模式分裂的硅基环形谐振腔进行 电压调节，所加电压分别为1. 2V、2. 0V、2. 5V和3. 0V，相应功率分别为3. 2mW、8. 9mW、13. 9mW 和27. 2mW，Q# Qe不变，得到相应模式分裂频谱图和Qu变化的频谱图。
[0077] 由图可知，当Qu随电压变化时，相应的二阶微分方程系数a ^和b ^也随之变化，分 裂的谐振峰之间的频谱范围减小直到变成一个深度增加的谐振峰，进一步增加电压时，单 个谐振峰的深度减小。
[0078] 如图9和图10所示，所述的可调激光器2作为光学载体输出连续光，通过高斯脉 冲产生系统产生5 - Gb/s的超高斯脉冲信号和10 - Gb/s的高斯脉冲信号输入电光调制系 统，调制后输入谐振腔信号求解模块（待测器件11)进行求解，输出的光信号通过信号分析 模块得到解析。
[0079] 所述的待测器件11的尺寸为25*90 y m2。
[0080] 所述的5 -Gb/s超高斯脉冲信号通过加在马赫曾德调制器4上的10 -Gb/s的NRZ 信号产生，所述的10 -Gb/s高斯脉冲信号通过加在马赫曾德调制器4上的10GHz的时钟信 号级联产生。
[0081] 由图可知，实验测得的频谱图与理论拟合曲线图相吻合，证明了本实施例所提出 的基于模式分裂的硅基环形谐振腔可调二阶微分方程求解器的可行性。
[0082] 本实施例中主要调节Qu，带宽由环形谐振腔的自由频谱范围限制。
[0083] 所述的硅基环形谐振腔在输入端和输出端分别设有一个TE偏振光栅耦合器，用 以进行光纤与SOI芯片之间的光耦合。
[0084] 所述的中心耦合器1的干涉仪两臂上设有推挽式相移器，可减小由于外加电压后 引起频谱的轻微红移，红移对二阶微分方程系数的改变可忽略不计。
[0085] 所述的微型加热器通过调节硅基环形谐振腔的热效应产生的相移实现中心耦合 器1的耦合强度的调节，进而实现可调的模式分裂。
[0086] 由于模式分裂谐振腔中的自校准谐振，不需要精确校正谐振波长，也不需要考虑 微环中热效应引起的红移，因而可通过热调制干涉耦合器调节谐振腔中模式相互耦合引起 的模式分裂，相当于调节二阶微分方程中的系数。
[0087] 决定所述的二阶微分方程中的系数a(l、&1、心和b i的变量数目分别是3、2、3、1，较 少的变量减缓系数变化的复杂过程。
[0088] 所述的可调光滤波器9可控制自发辐射噪声放大。
[0089] 所述的偏振控制器3可减低插损。
[0090] 所述的光隔离器10可防止可调激光器2损坏。
【主权项】
1. 一种用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征在于，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，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。2. 根据权利要求1所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 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。3. 根据权利要求2所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 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。4. 根据权利要求1所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 所述的直波导耦合区域的间隙为180nm。5. 根据权利要求4所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 所述的自耦合谐振腔与直波导之间的直接耦合长度为3 ym。6. 根据权利要求5所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 所述的自耦合谐振腔周长为232. 5 ym。7. 根据权利要求6所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 所述的干涉耦合器的干涉仪两臂上设有推挽式相移器。8. 根据权利要求1所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 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。9. 根据权利要求8所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 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。10. 根据权利要求9所述的用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，其特征是， 所述的频域分析系统包括：光谱分析仪。
【专利摘要】一种用于求解二阶微分方程的硅基环形谐振腔结构，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；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；本发明通过调节硅基环形谐振腔中光学模式之间的相互作用(即模式分裂)的耦合强度来求解系数可变的二阶微分方程，减小了调节的复杂性，提高了求解过程的稳定性。
【IPC分类】G02F1/365
【公开号】CN104991397
【申请号】CN201510392304
【发明人】周换颖, 吴佳旸, 潘听, 毛俊明, 苏翼凯
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月6日