一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，包括输入模块、求解模块和输出模块。输入模块包括可调谐激光器、偏振控制器、强度调制器以及掺铒光纤放大器；求解模块包含一个上下载型微盘谐振器以及在微盘谐振器的圆盘形微腔上嵌入的一层光学非易失存储材料Ge2Sb2Te5(GST)。所述输出模块包括掺铒光纤放大器、衰减器以及通信信号分析仪。输入模块通过向求解模块的输入端注入大功率光脉冲信号来调控圆盘形微腔上的GST材料的晶化度，以确定系数k值；再向求解模块注入发生谐振的低功率光脉冲信号完成求解，并通过输出模块观测不同求解系统的输出波形。本发明专利技术采用微盘谐振器可以增大常系数k值的调谐范围，采用GST材料可以实现非易失性。用GST材料可以实现非易失性。用GST材料可以实现非易失性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器


[0001]本专利技术涉及光信号处理领域，具体涉及一种基于微盘谐振器和光学非易失存储材料的常系数可调全光微分方程求解器结构技术。

技术介绍

[0002]此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的
技术介绍
信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题。
[0003]随着通信与计算机技术的飞速发展，传统的基于电子方式进行信号处理与传输已经远远不能应对当前通信容量爆炸式增长以及处理速度限制等挑战。与电信号处理相比，全光信号处理技术打破了电子瓶颈，能够更好的实现信息传输、存储及处理中超快信号处理速度、超大带宽、超高并行性与超低功耗等的需求。正如多功能电子器件的基本功能单元一样，许多全光信号处理的基本功能单元也展开了广泛的研究，比如全光微分器、全光积分器、全光希尔伯特变换器等等。利用这些基本功能单元，可以实现更复杂的光学信号处理，如超快光脉冲处理、脉冲整形、光学存储以及求解常系数微分方程(Ordinary Differential Equation,ODE)。其中微分方程求解器在科学工程领域发挥着不可替代的作用。微分方程是用来描述一些基本物理现象以及控制系统、电气系统等动态变化模型的数学语言，如温度扩散过程、分子扩散过程、RC电路响应等。与传统依靠电子器件进行微分方程求解不同，全光微分方程求解器具有更大的可操作带宽、更快的处理速度以及更低的功耗，这使得微分方程的全光求解在通信与信号处理以及光计算领域成为重要的研究对象。/>[0004]目前，全光微分方程求解器主要分为基于微分原理以及基于积分原理两种求解方式。基于微分原理的全光微分方程求解器要得到稳定的输出解时通常要引入反馈环路，如基于半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,SOA)的反馈环路或基于全通型微环谐振器(All
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Pass Micro
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ring Resonator,APMRR)的反馈环路，这种方式往往会导致处理单元的结构复杂且尺寸过大而不利于集成。基于积分原理的全光微分方程求解器可以由光纤布拉格光栅(FBG)、法布里
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珀罗(Fabry
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Perot,FP)腔、上下载型微环谐振器(Add
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Drop Microring Resonator,ADMRR)或上下载型微盘谐振器(Add
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Drop Microdisk Resonator,ADMDR)来实现。由FBG或FP腔构成ODE求解器需要外界泵浦源或SOA，且器件尺寸过大不利于集成。微环和微盘均属于回音壁模式的微腔，由于其尺寸小、功耗低等优点，是目前光信号处理中最常用的一类器件。但微盘相比于微环具有更为明显的优势，如在同样的尺寸下能够实现更高的Q值、具有更快的调制速度、更高的调制效率、功耗低以及对制造偏差敏感性更小。可以利用上下载型微盘谐振器的drop端来实现ODE全光求解，同时为了实现微分方程常系数k可调以完成不同ODE系统的求解，主要有两类方式：一种是有源调谐，即采用等离子色散效应或热光效应方式，然而这些方式都是易失性的，在电源断开时，ODE求解器的工作状态便不能保持；另一种则是无源调谐，可以利用微环内逆拉曼散射(Inverse Raman Scattering,IRS)效应引入损耗，实现常系数k可调，然而这种方式在微环内引入IRS效应的同时，不可避免会产生双光子吸收效应、自由载流子吸收效应等非线性效应，从而带
来额外的损耗。为此另一种无源调谐的方式可以引入一种光学非易失性存储材料Ge2Sb2Te5(GST)。GST能够在亚纳秒时间尺度上进行晶态和非晶态两种状态的可逆切换。并且在正常工作温度下，GST的状态可以稳定保持15
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20年，这是实现非易失性的关键要求。将GST集成在硅波导上，通过改变GST状态可以实现对波导折射率的调控从而实现常系数k可调，且当GST状态一旦改变，就无需外界能量进行维持，静态功耗为零。如申请号201510404325.0专利名称为“基于微环谐振腔的全光微分方程求解器”，虽然采用微环谐振器来解决器件尺寸过大而不利于集成的问题，但采用热光调谐的方式不能避免易失性问题，此外微环相比微盘在相同尺寸下器件的Q值更低，从而常系数k的可调谐范围更小。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决目前基于微盘的常系数可调全光微分方程求解器的调谐范围小和易失性问题，提出了一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器。一个上下载型微盘谐振器的drop端的幅频响应与理想ODE求解器相似，同时其相位响应在载波频率处也会发生相位跳变，因此一个上下载型微盘谐振器可以构成一个任意光脉冲输入的全光微分方程求解器。此外，在微盘谐振器圆盘形微腔上嵌入一块光学非易失存储材料，具体为GST，通过调节GST晶化度来对微盘谐振器的环程损耗进行控制，进而实现对微盘品质因子Q值的控制，从而实现输入光信号在不同常系数k值的微分方程系统中进行求解。相比此前提出的基于微环的系数可调微分方程求解器实现方案，此方案采用微盘这一微腔，其调谐效率更高、Q值更大、制造偏差更小，相应的常系数k值可调谐范围更大。此外，采用GST材料进行非易失调谐，实现了无静态功耗以及无非线性损耗的全光求解，且其状态可以保持数年。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，其由输入模块、求解模块以及输出模块依次相连接组成。
[0008]所述求解模块，包括微盘谐振器和嵌在所述微盘谐振器圆盘形微腔上的光学非易失存储材料GST，微盘谐振器置于两直波导之间，其中一根直波导具有输入端，另一根直波导具有下载端。
[0009]输入模块，向所述输入端输入不与微盘谐振器发生谐振的大功率光脉冲信号，以确定不同常系数k值；再向求解模块输入端注入被求解的低功率光脉冲信号，其与微盘谐振器发生谐振并输出完成求解；所述输入模块通过光纤与微盘谐振器采用垂直耦合的方式进行耦合。
[0010]输出模块，从下载端接收与所述微盘谐振器发生谐振的光信号，用以观测不同求解系统的输出波形，从而得到被求解的输入光脉冲在不同常系数微分方程系统中的求解。
[0011]进一步，所述输入模块包括可调谐激光器、偏振控制器、强度调制器以及掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EPDA)，其中强度调制器前后均需要一个偏振控制器，以实现特定模式的单模传输，这里均采用TE模传输；可调谐激光器用于实现特定工作波段的波长扫描，以发出连续光信号，这里使用光通信载波中的C波段(1530
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1560nm)，扫描分辨率为0.01nm；强度调制器由两个马赫曾德尔调制器(Mach
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Zehnder Modulator,MZM)和位模式产生器(Bit Pattern Generator,BPG)组成，以产生需要的输入信号脉冲波形，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，其特征在于，包括：求解模块，包括微盘谐振器和嵌在所述微盘谐振器圆盘形微腔上的光学非易失存储材料GST，微盘谐振器置于两直波导之间，其中一根直波导具有输入端，另一根直波导具有下载端；输入模块，向所述输入端输入不与微盘谐振器发生谐振的大功率光脉冲信号，以确定不同常系数k值；再向求解模块输入端注入被求解的低功率光脉冲信号，其与微盘谐振器发生谐振并输出完成求解；所述输入模块通过光纤与微盘谐振器采用垂直耦合的方式进行耦合；输出模块，从下载端接收与所述微盘谐振器发生谐振的光信号，从而得到被求解的输入光脉冲在不同常系数微分方程系统中的求解。2.根据权利要求1所述一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，其特征在于，所述微盘谐振器为上下载型微盘谐振器。3.根据权利要求2所述一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，其特征在于：所述上下载型微盘谐振器的下载端能够对输入光脉冲进行微分方程求解，其中微分方程中的常系数k值与微盘谐振器的品质因数Q值呈反比，常系数k值满足：其中n
g
为波导的群折射率，L为圆盘形微腔周长，λ
res
为微盘谐振器的谐振波长，r1和r2分别表示微盘上下两个直波导的自传输系数，ω0为光谐振角频率，α为环程损耗因子。4.根据权利要求3所述一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，其特征在于：所述环程损耗因子满足下式：其中κ
eff,disk
为圆盘形微腔有效折射率虚部，R
GST
为GST材料的半径，λ
res
为微盘谐振器的谐振波长。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述一种基于微盘谐振器的常系数可调全光微分方程求解器，其特征在于：向求...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏星，周佳豪，刘志远，侯维刚，郭磊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学空间通信研究院，
类型：发明
国别省市：