專利名稱：一種硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用一種硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器。
背景技術(shù)：
在計算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)中，加密是保證信息不被竊聽與干擾的重要手段。在目前常 用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，加密往往是在計算機(jī)內(nèi)部通過軟件實現(xiàn)的。這一做法有兩個弊端，其一是 會增加計算機(jī)的負(fù)擔(dān)，當(dāng)需要加密的數(shù)據(jù)量很大且要求實時傳輸時，加密操作往往會消耗 計算機(jī)的大量資源，使加密進(jìn)程變慢而影響信息傳輸?shù)乃俾?；其二是，此類在計算機(jī)內(nèi)部通 過軟件加密的方法往往會被黑客通過入侵用戶計算機(jī)的方式予以破解，從而使加密功能完 全喪失。本發(fā)明正是針對這一問題而提出的，它在光通信中必不可少的光調(diào)制器中集成了 加密功能，作為一種硬件加密方式豐富了信息加密的手段。由于采用的是集成光學(xué)元件，該 方案并不顯著增加光調(diào)制器的體積與功耗。這使得本發(fā)明在對器件體積與功耗敏感的光接 入網(wǎng)中具有很好的應(yīng)用前景。眾所周知，異或(Exclusive Or,X0R)邏輯運算在信息編碼與解碼、信號奇偶校驗、 數(shù)據(jù)加密解密、圖像處理、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生等眾多場合都有重要應(yīng)用。本發(fā)明提出的光學(xué)加密調(diào) 制器，正是使用集成光學(xué)元件來實現(xiàn)異或O(OR)邏輯運算從而實現(xiàn)信息加密的。歷史上曾經(jīng)有兩次大規(guī)模的光邏輯與光計算的研究熱潮。當(dāng)時集成光學(xué)還未得到 充分發(fā)展，體光學(xué)元件實現(xiàn)的光信息處理系統(tǒng)往往體積龐大而且可編程性極低，與集成度 高、可編程性能優(yōu)越的微電子技術(shù)相比優(yōu)勢非常少。時至今日，在光通信產(chǎn)業(yè)的推動下，借 助微電子工藝實現(xiàn)的集成光學(xué)器件性能已經(jīng)有了長足進(jìn)步，能實現(xiàn)的功能越來越豐富，工 作模式也越來越靈活。基于這些集成光學(xué)器件的光信息處理研究重新獲得了重視。^ 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 的馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)實現(xiàn)全光異或及同或邏輯門的方法。兩個光信號A和B分別 照射到MZI的兩臂上，引起MZI兩臂的相位差。所以A、B相同則輸出一種結(jié)果，相異則輸出 另一種結(jié)果。該方法的主要缺點在于，需要較強的光信號激勵，而且其輸入方式難以進(jìn)行平 面集成。^JfT2002ip^#^lJ"All-optical XOR gate by using semiconductoroptical amplifiers，，(United States Patent 6930826)提出了一種利用兩個半導(dǎo)體光放大器 (Semiconductor Optical Amplif ier, S0A)實現(xiàn)全光異或邏輯門的方法。該器件利用了非 線性光學(xué)效應(yīng)，需要較高的光能量輸入，且SOA價格昂貴。韓國首爾國立大學(xué)的^ung Jin Jung等科學(xué)家發(fā)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 他們利用半導(dǎo)體光放大器構(gòu)建光學(xué)異或邏輯門，并用它來實現(xiàn)10(ibpS的數(shù)據(jù)加密與解密系統(tǒng)。該研究都表明，光邏輯與光計算在某些特定應(yīng)用中，具有比集成電路更大的發(fā)展?jié)?力。用集成光學(xué)邏輯單元來構(gòu)建的計算與通信系統(tǒng)，可能在不久的將來在高性能處理 器中充當(dāng)處理單元，也可能在集成電路芯片內(nèi)部的光互聯(lián)中發(fā)揮作用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，以解 決傳統(tǒng)調(diào)制與加密方案中的速度瓶頸與安全性問題，達(dá)到提高光通信等應(yīng)用中信息處理速 度的目的，并保持器件的小體積、低功耗及低成本。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，該光學(xué)加密調(diào)制器由兩個納米線微環(huán)諧振器 MRR實現(xiàn)，具有兩個輸入端和一個輸出端，該兩個輸入端分別輸入一明文電脈沖序列和一密 鑰電脈沖序列，輸出端輸出一密文光脈沖序列，該輸出的密文光脈沖序列可直接進(jìn)入光纖 進(jìn)行傳輸。上述方案中，該光學(xué)加密調(diào)制器采用絕緣體上硅材料制作而成，基本單元為帶熱 調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的納米線微環(huán)諧振器。上述方案中，所述納米線微環(huán)諧振器是直波導(dǎo)相互交叉的微環(huán)諧振器，由兩個相 互交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成，該環(huán)形波導(dǎo)的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導(dǎo) 相切。上述方案中，該光學(xué)加密調(diào)制器同時實現(xiàn)加密與調(diào)制的過程是將特定波長的連 續(xù)激光，待發(fā)送的明文電脈沖序列(作為第一個輸入)作用于一個微環(huán)諧振器，用于加密的 密鑰電脈沖序列(作為第二個輸入)作用于另一個微環(huán)諧振器，在輸出端就能得到經(jīng)過異 或運算加密的密文光脈沖序列。上述方案中，明文電脈沖序列及密鑰電脈沖序列對各自的微環(huán)諧振器的作用方式 是當(dāng)電脈沖序列中出現(xiàn)比特“0”時，微環(huán)諧振器在工作波長處不諧振，信號直通；當(dāng)電脈 沖序列中出現(xiàn)比特“ 1，，時，微環(huán)諧振器在工作波長處諧振，信號下路。上述方案中，明文電脈沖序列及密鑰電脈沖序列需要逐比特對齊，在時間上精確 同步。上述方案中，輸出的密文光脈沖序列即是明文電脈沖序列與密鑰電脈沖序列逐比 特異或運算的結(jié)果。上述方案中，該光學(xué)加密調(diào)制器在接收端進(jìn)一步有與之配套的解密器，在該光學(xué) 加密調(diào)制器兩端分別集成一個光電轉(zhuǎn)換模塊即可得到配套的解密器；在接收端接收到密文 光脈沖序列后，經(jīng)過一次光電轉(zhuǎn)換得到密文電脈沖序列來調(diào)制第一個微環(huán)諧振器，同時使 用與發(fā)送端相同的密鑰電脈沖序列調(diào)制第二個微環(huán)諧振器，即可得到明文光脈沖序列，再 經(jīng)過一次光電轉(zhuǎn)換，即可得到明文電脈沖序列。(三)有益效果本發(fā)明的突出優(yōu)點是它在光通信中必不可少的光調(diào)制器中集成了加密功能，作為一種硬件加密方式豐富了信息加密的手段。利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗 低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成。該方案并不顯著增加光調(diào)制器的體積與功耗，這使得 本發(fā)明在對器件體積與功耗敏感的光接入網(wǎng)中具有很好的應(yīng)用前景。


從以下結(jié)合附圖通過優(yōu)選實施例的方式，進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，可使本發(fā)明的 上述目的、方案和優(yōu)點變得愈為清晰，其中圖1為交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器(MRR)，其對某些波長信號“下路”，對某些波長信號 “直通”(“下路”與“直通”的含義將在下文進(jìn)行詳細(xì)說明)，這取決于這些波長是否滿足諧 振條件，MRR是加密調(diào)制器的基本組成單元；圖2為用來對MRR進(jìn)行調(diào)諧的電極結(jié)構(gòu)，在電極上施加電壓，通過產(chǎn)生熱量或者改 變材料中的載流子濃度來改變環(huán)形波導(dǎo)的群折射率從而改變MRR的諧振波長，實現(xiàn)動態(tài)濾 波，意即使MRR對某波長信號可能直通也可能下路(取決于所加電壓情況)；圖3為單個MRR實現(xiàn)異或運算的工作原理示意圖，這里有三個輸入，χ與(1_χ)是 光脈沖輸入，y是電脈沖輸入，實現(xiàn)的是χ與y的逐比特異或運算，結(jié)果為光脈沖的形式；圖4為兩個MRR的組合實現(xiàn)電脈沖的調(diào)制與加密的工作原理示意圖，這是本發(fā)明 提出的加密調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)，將固定波長的連續(xù)激光輸入到器件中，要發(fā)送的明文電脈 沖序列及用來加密的密鑰電脈沖序列分別調(diào)制一個MRR，輸出結(jié)果是密文序列，為光脈沖形 式；圖5為發(fā)送端使用本發(fā)明實現(xiàn)調(diào)制與加密的一個例子的信號碼形圖，明文是三個 英文字符“MRR”對應(yīng)的ASCII碼，密鑰是三個阿拉伯?dāng)?shù)字“ 123”對應(yīng)的ASCII碼，得到的 密文序列為“1111100，1100000，1100001”，通過查ASCII對應(yīng)表，其對應(yīng)的是三個字符是 "Pa"；圖6為接收端使用本發(fā)明外加兩個光電轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)解密的例子的信號碼形圖， 在接收端首先使用光電探測器將光脈沖形式的密文序列轉(zhuǎn)換為電脈沖形式(第一次光電 轉(zhuǎn)換)，然后用它來調(diào)制圖4中的MRR1，同時用密鑰序列調(diào)制圖4中的MRR2，即可在輸出端 得到光脈沖形式的明文，再使用一次光電探測器(第二次光電轉(zhuǎn)換)即可得到電脈沖形式 的明文序列。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明利用一種簡單的集成光學(xué)元件——微環(huán)諧振器(Micro-RingResonator， MRR)，實現(xiàn)了帶有加密功能的光調(diào)制器。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為微環(huán)諧振器，采用硅基納米線 波導(dǎo)制作。該光學(xué)加密調(diào)制器由兩個微環(huán)諧振器構(gòu)成，它有兩個輸入，其一是明文電脈沖序 列，其二是密鑰電脈沖序列；輸出是密文光脈沖序列。它同時完成了電光轉(zhuǎn)換的調(diào)制功能和 異或運算的加密功能。接收端收到密文光脈沖序列后，需要進(jìn)行解密，解密操作使用的器件與加密操作相同，只是器件的輸入輸出兩端各多了一次光電轉(zhuǎn)換操作。用作解密時，光學(xué)加密調(diào)制器與 兩個光電轉(zhuǎn)換模塊組合在一起，該組合器件的兩個輸入是密文光脈沖序列和密鑰電脈沖序 列，輸出是明文電脈沖序列。在通常的通信系統(tǒng)中，調(diào)制與加密往往是分步進(jìn)行的，加密過程一般先進(jìn)行。例 如，將明文電脈沖與密鑰電脈沖進(jìn)行逐比特異或O(OR)即可實現(xiàn)簡單的加密，得到的新的 電脈沖序列稱為密文。在接收端，將接收到的密文序列與發(fā)送端使用的密鑰序列進(jìn)行異或 運算即可還原出明文序列。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信息的載體是電脈沖序列。而在光通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖枪饷} 沖序列。所以待傳輸?shù)男畔⒃诩用芎螅枰獙㈦娒}沖密文序列轉(zhuǎn)換為光脈沖序列。電脈沖 中的電壓高低的變化，被轉(zhuǎn)換為光脈沖中光信號的有無，這一步操作稱為調(diào)制。本發(fā)明的突出優(yōu)點是在對明文電脈沖序列進(jìn)行調(diào)制(電光轉(zhuǎn)換)的同時，用密鑰 電脈沖序列對其進(jìn)行加密(異或運算)。此外，本發(fā)明利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積 小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成。本發(fā)明提出的集成化光學(xué)加密調(diào)制器之所以 具有這些優(yōu)點，與它所采用的材料屬性及器件工作原理關(guān)系密切。首先，在材料方面，本發(fā)明采用的是絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator， SOI)材料。SOI是指在SiO2絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜，其制備及 加工工藝與微電子領(lǐng)域廣泛使用的CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)工藝兼容。SOI波導(dǎo)的芯區(qū)為硅，材料折射率為3. 5，包層為空氣(或二氧化 硅)，材料折射率為1(或1.44)。由于芯區(qū)和包層的折射率差很高，SOI波導(dǎo)的光場限制能 力很強。高的折射率差使得彎曲波導(dǎo)的彎曲損耗很低，半徑為5微米時的彎曲損耗仍然很 小，這使得在一個芯片上實現(xiàn)多個不同形狀與功能的SOI波導(dǎo)器件的集成成為可能；而傳 統(tǒng)波導(dǎo)器件(如LiNbO3)的彎曲半徑普遍在毫米甚至厘米量級，極大的占用了芯片面積，一 塊芯片上通常只能放下一個器件。其次，在器件方面，本發(fā)明的基本單元為基于硅基納米線波導(dǎo)的微環(huán)諧振器，它是 一種功能多樣，性能優(yōu)越，近年來被廣泛研究的集成光學(xué)元件。圖1為交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧 振器結(jié)構(gòu)圖，它由兩個相互交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成。利用微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可以 實現(xiàn)光開關(guān)、光調(diào)制器、光濾波器、光分插復(fù)用器等很多光通信用功能部件。由于環(huán)形波導(dǎo) 的半徑可以小至5微米，其器件結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以實現(xiàn)器件密度為105/cm2以上的高集成 度，減少分立器件耦合時的損耗，同時降低器件的封裝成本。圖1所示的微環(huán)諧振器(MRR)是本發(fā)明的基本單元。MRR有兩種基本結(jié)構(gòu)，圖1所 示的直波導(dǎo)相互交叉是其中之一，另外還有直波導(dǎo)相互平行的結(jié)構(gòu)(環(huán)形波導(dǎo)處在兩平行 波導(dǎo)之間)。交叉結(jié)構(gòu)的MRR具有的二維擴(kuò)展性好的優(yōu)點，主要缺點在于交叉節(jié)點會引入一 定損耗。下面介紹單個MRR的制造工藝。首先依照諧振波長、偏振與損耗特性、調(diào)諧特性等 方面的要求，設(shè)計好MRR的幾何結(jié)構(gòu)(包括截面尺寸、環(huán)與直波導(dǎo)的間距)和熱調(diào)制或電調(diào) 制結(jié)構(gòu)(包括電極材料、形狀與尺寸)。然后就可以利用半導(dǎo)體工藝在SOI材料上制作MRR 及其熱調(diào)制或電調(diào)制單元，下面介紹具體步驟1)、將設(shè)計好的MRR版圖制成光刻版；2)、依照設(shè)計，選擇SOI片進(jìn)行清潔處理，得到待處理的SOI片，其頂層Si厚度依設(shè)計選定，為波導(dǎo)芯層的厚度。埋層S^2的厚度則要保證以頂層Si為芯區(qū)的波導(dǎo)中光場 不會泄露到襯底Si中，一般埋層SW2的厚度在1 3 μ m ；3)、在SOI片上均勻涂敷光刻膠層，對其進(jìn)行烘焙、堅膜，并在光刻機(jī)中用紫外光 機(jī)將光刻版的線條方向與硅片的參考邊調(diào)整至平行，然后對光刻膠曝光；4)、在顯影液中對光刻膠顯影形成光刻膠圖形，并再次烘焙；5)、以光刻膠層的剩余部分為掩模，采用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive IonEtching, RIE)工藝去除腐蝕窗口的頂層Si。反應(yīng)離子刻蝕是指利用能與被刻蝕材料起化學(xué)反應(yīng)的 氣體，通過輝光放電使之形成低溫等離子體，對晶片表面未被掩蔽部分進(jìn)行腐蝕。它利用活 性離子對襯底的物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)的雙重作用進(jìn)行刻蝕，具有良好的形貌控制能力(各 向異性)；較高的選擇比和較快的刻蝕速率。正是它的這些優(yōu)越性使得它成為目前應(yīng)用范 圍最為廣泛的干法刻蝕。反應(yīng)離子刻蝕工藝包括六個步驟(1)刻蝕物質(zhì)的產(chǎn)生射頻電源施加在一個充 滿刻蝕氣體的反應(yīng)腔上，通過等離子體輝光放電產(chǎn)生電子、離子、活性反應(yīng)基團(tuán)；(2)刻蝕 物質(zhì)向硅片表面擴(kuò)散；C3)刻蝕物質(zhì)吸附在硅片表面上；(4)在離子轟擊下刻蝕物質(zhì)和硅片 表面被刻蝕材料發(fā)生反應(yīng)；(5)刻蝕反應(yīng)副產(chǎn)物在離子轟擊下解吸附離開硅片表面；(6)揮 發(fā)性刻蝕副產(chǎn)物和其它未參加反應(yīng)的物質(zhì)被真空泵抽出反應(yīng)腔。整個過程中有諸多的參數(shù)影響刻蝕工藝，其中最重要的是壓力、氣體比率、氣體 流速、射頻電源。另外硅片的位置和刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)也會對刻蝕工藝。在這一步中，需要嚴(yán) 格控制刻蝕條件，避免側(cè)向鉆蝕；6)、去除光刻膠層的剩余部分，得到圖形轉(zhuǎn)移之后的二維MRR結(jié)構(gòu)；7)MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition)MRR 應(yīng)部位生長用于熱調(diào)制或電調(diào)制用的金屬電極。經(jīng)過上面這些步驟，精確控制工藝過程，就可以得到預(yù)先設(shè)計的MRR及其調(diào)制結(jié) 構(gòu)。下面通過分析光信號在圖1所示的MRR中的傳輸過程，簡要說明其工作原理(1、3 端口之間的直波導(dǎo)稱為a，2、4端口之間的直波導(dǎo)稱為b)1)、一定波長的激光脈沖信號由1端口輸入，進(jìn)入MRR后在直波導(dǎo)a中向前傳播。 盡管SOI納米線波導(dǎo)折射率差大，光場限制能力強，但仍有倏逝場(Evanescent Wave)彌散 到直波導(dǎo)之外；2)、在光信號經(jīng)過環(huán)形波導(dǎo)時，由于環(huán)形波導(dǎo)材料折射率比周圍材料高，根據(jù)電磁 場傳播的基本規(guī)律(光場有向高折射率區(qū)域傳播的趨勢)，光場將向折射率高的環(huán)形波導(dǎo) 區(qū)域傳播，所以彌散到直波導(dǎo)a之外的光場將有一部分耦合進(jìn)環(huán)形波導(dǎo)中，而后沿著環(huán)形 波導(dǎo)逆時針傳播；3)、如果光信號的波長滿足諧振條件(mX λ = NgX 2 π X R，其中m為整數(shù)，稱為諧 振階數(shù)，λ為光信號波長，Ng為環(huán)形波導(dǎo)的群折射率，R為環(huán)形波導(dǎo)半徑)，那么光脈沖在 環(huán)形波導(dǎo)中傳播若干圈之后，其能量將幾乎全部由直波導(dǎo)a耦合進(jìn)環(huán)形波導(dǎo)，并由環(huán)形波 導(dǎo)耦合進(jìn)直波導(dǎo)b，最終由4端口輸出G端口稱為下路端，上述過程稱為“下路”)。而如 果光信號的波長不滿足上面所謂的諧振條件，那么盡管部分光場會從直波導(dǎo)a進(jìn)入環(huán)形波 導(dǎo)，但最終仍會耦合回直波導(dǎo)a中，然后幾乎全部由3端口輸出(3端口稱為直通端，上述過程稱為“直通”)。如若信號由端口 2輸入，那么端口 3是相應(yīng)的下路端，端口 4是相應(yīng)的直 通端，工作原理與上面描述的由端口 1輸入時完全相同，此處不再贅述。上面分析的是MRR的靜態(tài)工作特性，即MRR會固定地使某些波長信號下路(滿足 諧振條件的波長)，某些波長信號直通(不滿足諧振條件的波長)。實際工作時，需要MRR諧 振波長動態(tài)可調(diào)(即動態(tài)濾波)以實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。下面對諧振波長計算公式mXλ =Ν8Χ2π XR進(jìn)行分析，從而得出如何調(diào)節(jié)MRR使得它的下路波長動態(tài)可調(diào)。通過上面的諧振條件公式(mX λ = NgX2 π XR)可以看到，要調(diào)節(jié)諧振波長以實 現(xiàn)動態(tài)濾波，可以改變的物理量有環(huán)形波導(dǎo)的半徑R及其群折射率Ng。前者在工藝完成之 后就確定下來，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以只能通過調(diào)節(jié)環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng，來改變MRR的諧 振波長。群折射率Ng與材料折射率密切相關(guān)，硅的材料折射率隨溫度變化而變化，稱為硅 材料的熱光效應(yīng)，利用這一效應(yīng)可以實現(xiàn)對群折射率Ng的調(diào)節(jié)。利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相 淀積(Metal-Organic Chemical VapourDeposition, M0CVD)技術(shù)在微環(huán)上生長金屬電極， 對其施加電壓后，電流流過有電阻的金屬電極而使其發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至波導(dǎo)，使波導(dǎo)的溫度 發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng隨之變化，帶來MRR諧振波長的改變，從而實現(xiàn)動態(tài)濾 波——即對于某一特定波長，可以通過施加于電極的電信號來改變環(huán)形波導(dǎo)的溫度，使得 光信號或者從下路端，或者從直通端輸出。圖2所示為MRR的熱調(diào)制機(jī)構(gòu)，加電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至波導(dǎo)，使波導(dǎo)的 溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng發(fā)生變化，MRR的諧振波長λ隨之變化。此外，也可 通過電光效應(yīng)實現(xiàn)MRR的調(diào)諧，電光調(diào)諧適于對調(diào)制速率要求高的場合。熱光調(diào)諧與電光調(diào)諧的電極設(shè)計有不同的地方前者需要設(shè)計高電阻的電極來產(chǎn) 生熱量，所以要選擇高電阻率材料，并設(shè)計截面較小、長度較長的電極來增大其電阻，通常 采用盤狀電極(通過蜿蜒盤旋的結(jié)構(gòu)來增加電極長度從而增加電阻)；而后者通過電極引 入的電場改變載流子濃度，此時熱效應(yīng)是不可控的因素，需要加以抑制，所以希望電極電阻 越小越好，所以要選擇電阻率低的材料，采用截面大、長度短的設(shè)計，另外還要考慮不同電 極形狀產(chǎn)生的電場分布的不同，帶來的載流子分布的不同對濾波性能的影響。硅材料的熱 光與電光性質(zhì)已經(jīng)得到了廣泛的研究，以熱光效應(yīng)為例，硅材料的熱光效應(yīng)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為折射率變化量，dT為溫度變化量，T為環(huán)境溫度。在常溫下(Τ = 300K)， dn/dT = 1. 86X 10_4/K，折射率隨溫度的升高而增大。Si的大熱光系數(shù)和高熱導(dǎo)率(^si = 1. 49ff/cm ·Κ)可以保證SOI的熱光調(diào)節(jié)有較快的響應(yīng)速度。同時，埋層SW2的熱導(dǎo)率很小， 只有Si的百分之一，可以有效的起到絕熱的作用，減少熱量散失，降低開關(guān)功耗。因此SOI 是很好的熱光效應(yīng)材料。另外，從諧振波長計算公式mX λ = NgX2 π XR還可以看出，由于m只能取整數(shù) 值，微環(huán)形諧振器的諧振波長是離散的，相鄰兩個諧振波長的間隔稱為自由光譜范圍(Free Spectral Range，F(xiàn)SR)，其值可以表示為FSR = Am2/(NgX2 π XR) (2)其中λ m為諧振波長計算公式中整數(shù)m對應(yīng)的諧振波長，稱為自由光譜范圍的FSR是諧振階數(shù)(m-Ι)與(m+1)所對應(yīng)諧振波長與間隔，由(2)可見FSR與環(huán)的半徑成 反比。受彎曲損耗的限制，微環(huán)的半徑通常不小于5微米，此時FSR的通常為十幾個納米。本發(fā)明擬采用的波段為光通信中常用的1.55μπι區(qū)域，信道間隔為100GHz，對應(yīng) 的波長間隔約為0. Snm0由諧振波長計算公式可以得到諧振波長變化與折射率變化的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，該光學(xué)加密調(diào)制器由兩個納米線 微環(huán)諧振器MRR實現(xiàn)，具有兩個輸入端和一個輸出端，該兩個輸入端分別輸入一明文電脈 沖序列和一密鑰電脈沖序列，輸出端輸出一密文光脈沖序列，該輸出的密文光脈沖序列可 直接進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，該光學(xué)加密調(diào) 制器采用絕緣體上硅材料制作而成，基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的納米線微環(huán) 諧振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，所述納米線微 環(huán)諧振器是直波導(dǎo)相互交叉的微環(huán)諧振器，由兩個相互交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu) 成，該環(huán)形波導(dǎo)的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導(dǎo)相切。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，該光學(xué)加密調(diào) 制器同時實現(xiàn)加密與調(diào)制的過程是將特定波長的連續(xù)激光輸入到器件中，待發(fā)送的明文 電脈沖序列作為第一個輸入作用于一個微環(huán)諧振器，用于加密的密鑰電脈沖序列作為第二 個輸入作用于另一個微環(huán)諧振器，在輸出端就能得到經(jīng)過異或運算加密的密文光脈沖序 列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，明文電脈沖序 列及密鑰電脈沖序列對各自的微環(huán)諧振器的作用方式是當(dāng)電脈沖序列中出現(xiàn)比特“0” 時，微環(huán)諧振器在工作波長處不諧振，信號直通；當(dāng)電脈沖序列中出現(xiàn)比特“ 1”時，微環(huán)諧 振器在工作波長處諧振，信號下路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，明文電脈沖序 列及密鑰電脈沖序列需要逐比特對齊，在時間上精確同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，輸出的密文光 脈沖序列即是明文電脈沖序列與密鑰電脈沖序列逐比特異或運算的結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，其特征在于，該光學(xué)加密調(diào) 制器在接收端進(jìn)一步有與之配套的解密器，在該光學(xué)加密調(diào)制器兩端分別集成一個光電轉(zhuǎn) 換模塊即可得到配套的解密器；在接收端接收到密文光脈沖序列后，經(jīng)過一次光電轉(zhuǎn)換得 到密文電脈沖序列來調(diào)制第一個微環(huán)諧振器，同時使用與發(fā)送端相同的密鑰電脈沖序列調(diào) 制第二個微環(huán)諧振器，即可得到明文光脈沖序列，再經(jīng)過一次光電轉(zhuǎn)換，即可得到明文電脈 沖序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基集成化的光學(xué)加密調(diào)制器，該光學(xué)加密調(diào)制器由兩個納米線微環(huán)諧振器MRR實現(xiàn)，具有兩個輸入端和一個輸出端，該兩個輸入端分別輸入一明文電脈沖序列和一密鑰電脈沖序列，輸出端輸出一密文光脈沖序列，該輸出的密文光脈沖序列可直接進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。本發(fā)明的突出優(yōu)點是使用單個器件同時完成了加密與調(diào)制功能，它利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成，特別適合用于對體積、功耗及成本敏感的場合。
文檔編號G02B6/12GK102062896SQ20091023784
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者冀瑞強, 劉育梁, 盧洋洋, 張磊, 楊林, 田永輝, 賈連希, 陳平 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所