一種矽基集成化的光學加密調製器的製作方法

2023-04-28 17:39:51 3

專利名稱：一種矽基集成化的光學加密調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信技術領域，特別涉及用一種矽基集成化的光學加密調製器。
背景技術：
在計算機與通信網絡中，加密是保證信息不被竊聽與幹擾的重要手段。在目前常 用的網絡技術中，加密往往是在計算機內部通過軟體實現的。這一做法有兩個弊端，其一是 會增加計算機的負擔，當需要加密的數據量很大且要求實時傳輸時，加密操作往往會消耗 計算機的大量資源，使加密進程變慢而影響信息傳輸的速率；其二是，此類在計算機內部通 過軟體加密的方法往往會被黑客通過入侵用戶計算機的方式予以破解，從而使加密功能完 全喪失。本發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製器中集成了 加密功能，作為一種硬體加密方式豐富了信息加密的手段。由於採用的是集成光學元件，該 方案並不顯著增加光調製器的體積與功耗。這使得本發明在對器件體積與功耗敏感的光接 入網中具有很好的應用前景。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、 數據加密解密、圖像處理、隨機數產生等眾多場合都有重要應用。本發明提出的光學加密調 制器，正是使用集成光學元件來實現異或O(OR)邏輯運算從而實現信息加密的。歷史上曾經有兩次大規模的光邏輯與光計算的研究熱潮。當時集成光學還未得到 充分發展，體光學元件實現的光信息處理系統往往體積龐大而且可編程性極低，與集成度 高、可編程性能優越的微電子技術相比優勢非常少。時至今日，在光通信產業的推動下，借 助微電子工藝實現的集成光學器件性能已經有了長足進步，能實現的功能越來越豐富，工 作模式也越來越靈活。基於這些集成光學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-曾德爾幹涉儀(MZI)實現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相同則輸出一種結果，相異則輸出 另一種結果。該方法的主要缺點在於，需要較強的光信號激勵，而且其輸入方式難以進行平 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體光放大器 (Semiconductor Optical Amplif ier, S0A)實現全光異或邏輯門的方法。該器件利用了非 線性光學效應，需要較高的光能量輸入，且SOA價格昂貴。韓國首爾國立大學的^ung Jin Jung等科學家發表於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 他們利用半導體光放大器構建光學異或邏輯門，並用它來實現10(ibpS的數據加密與解密系統。該研究都表明，光邏輯與光計算在某些特定應用中，具有比集成電路更大的發展潛 力。用集成光學邏輯單元來構建的計算與通信系統，可能在不久的將來在高性能處理 器中充當處理單元，也可能在集成電路晶片內部的光互聯中發揮作用。

發明內容
(一)要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種矽基集成化的光學加密調製器，以解 決傳統調製與加密方案中的速度瓶頸與安全性問題，達到提高光通信等應用中信息處理速 度的目的，並保持器件的小體積、低功耗及低成本。(二)技術方案為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下一種矽基集成化的光學加密調製器，該光學加密調製器由兩個納米線微環諧振器 MRR實現，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衝序列和一密 鑰電脈衝序列，輸出端輸出一密文光脈衝序列，該輸出的密文光脈衝序列可直接進入光纖 進行傳輸。上述方案中，該光學加密調製器採用絕緣體上矽材料製作而成，基本單元為帶熱 調製機構或電調製機構的納米線微環諧振器。上述方案中，所述納米線微環諧振器是直波導相互交叉的微環諧振器，由兩個相 互交叉的直波導和一個環形波導構成，該環形波導的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導 相切。上述方案中，該光學加密調製器同時實現加密與調製的過程是將特定波長的連 續雷射，待發送的明文電脈衝序列(作為第一個輸入)作用於一個微環諧振器，用於加密的 密鑰電脈衝序列(作為第二個輸入)作用於另一個微環諧振器，在輸出端就能得到經過異 或運算加密的密文光脈衝序列。上述方案中，明文電脈衝序列及密鑰電脈衝序列對各自的微環諧振器的作用方式 是當電脈衝序列中出現比特「0」時，微環諧振器在工作波長處不諧振，信號直通；當電脈 衝序列中出現比特「 1，，時，微環諧振器在工作波長處諧振，信號下路。上述方案中，明文電脈衝序列及密鑰電脈衝序列需要逐比特對齊，在時間上精確 同步。上述方案中，輸出的密文光脈衝序列即是明文電脈衝序列與密鑰電脈衝序列逐比 特異或運算的結果。上述方案中，該光學加密調製器在接收端進一步有與之配套的解密器，在該光學 加密調製器兩端分別集成一個光電轉換模塊即可得到配套的解密器；在接收端接收到密文 光脈衝序列後，經過一次光電轉換得到密文電脈衝序列來調製第一個微環諧振器，同時使 用與發送端相同的密鑰電脈衝序列調製第二個微環諧振器，即可得到明文光脈衝序列，再 經過一次光電轉換，即可得到明文電脈衝序列。(三)有益效果本發明的突出優點是它在光通信中必不可少的光調製器中集成了加密功能，作為一種硬體加密方式豐富了信息加密的手段。利用現成的工藝技術，使得器件體積小，功耗 低，擴展性好，便於與電學元件集成。該方案並不顯著增加光調製器的體積與功耗，這使得 本發明在對器件體積與功耗敏感的光接入網中具有很好的應用前景。


從以下結合附圖通過優選實施例的方式，進一步詳細描述本發明，可使本發明的 上述目的、方案和優點變得愈為清晰，其中圖1為交叉結構的微環諧振器(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」的含義將在下文進行詳細說明)，這取決於這些波長是否滿足諧 振條件，MRR是加密調製器的基本組成單元；圖2為用來對MRR進行調諧的電極結構，在電極上施加電壓，通過產生熱量或者改 變材料中的載流子濃度來改變環形波導的群折射率從而改變MRR的諧振波長，實現動態濾 波，意即使MRR對某波長信號可能直通也可能下路(取決於所加電壓情況)；圖3為單個MRR實現異或運算的工作原理示意圖，這裡有三個輸入，χ與(1_χ)是 光脈衝輸入，y是電脈衝輸入，實現的是χ與y的逐比特異或運算，結果為光脈衝的形式；圖4為兩個MRR的組合實現電脈衝的調製與加密的工作原理示意圖，這是本發明 提出的加密調製器的基本結構，將固定波長的連續雷射輸入到器件中，要發送的明文電脈 衝序列及用來加密的密鑰電脈衝序列分別調製一個MRR，輸出結果是密文序列，為光脈衝形 式；圖5為發送端使用本發明實現調製與加密的一個例子的信號碼形圖，明文是三個 英文字符「MRR」對應的ASCII碼，密鑰是三個阿拉伯數字「 123」對應的ASCII碼，得到的 密文序列為「1111100，1100000，1100001」，通過查ASCII對應表，其對應的是三個字符是 "Pa"；圖6為接收端使用本發明外加兩個光電轉換模塊實現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衝形式的密文序列轉換為電脈衝形式(第一次光電 轉換)，然後用它來調製圖4中的MRR1，同時用密鑰序列調製圖4中的MRR2，即可在輸出端 得到光脈衝形式的明文，再使用一次光電探測器(第二次光電轉換)即可得到電脈衝形式 的明文序列。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明利用一種簡單的集成光學元件——微環諧振器(Micro-RingResonator， MRR)，實現了帶有加密功能的光調製器。本發明的基本結構為微環諧振器，採用矽基納米線 波導製作。該光學加密調製器由兩個微環諧振器構成，它有兩個輸入，其一是明文電脈衝序 列，其二是密鑰電脈衝序列；輸出是密文光脈衝序列。它同時完成了電光轉換的調製功能和 異或運算的加密功能。接收端收到密文光脈衝序列後，需要進行解密，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換操作。用作解密時，光學加密調製器與 兩個光電轉換模塊組合在一起，該組合器件的兩個輸入是密文光脈衝序列和密鑰電脈衝序 列，輸出是明文電脈衝序列。在通常的通信系統中，調製與加密往往是分步進行的，加密過程一般先進行。例 如，將明文電脈衝與密鑰電脈衝進行逐比特異或O(OR)即可實現簡單的加密，得到的新的 電脈衝序列稱為密文。在接收端，將接收到的密文序列與發送端使用的密鑰序列進行異或 運算即可還原出明文序列。在數字通信系統中，信息的載體是電脈衝序列。而在光通信系統中，傳輸的是光脈 衝序列。所以待傳輸的信息在加密後，需要將電脈衝密文序列轉換為光脈衝序列。電脈衝 中的電壓高低的變化，被轉換為光脈衝中光信號的有無，這一步操作稱為調製。本發明的突出優點是在對明文電脈衝序列進行調製(電光轉換)的同時，用密鑰 電脈衝序列對其進行加密(異或運算)。此外，本發明利用現成的工藝技術，使得器件體積 小，功耗低，擴展性好，便於與電學元件集成。本發明提出的集成化光學加密調製器之所以 具有這些優點，與它所採用的材料屬性及器件工作原理關係密切。首先，在材料方面，本發明採用的是絕緣襯底上的矽(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矽薄膜，其製備及 加工工藝與微電子領域廣泛使用的CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)工藝兼容。SOI波導的芯區為矽，材料折射率為3. 5，包層為空氣(或二氧化 矽)，材料折射率為1(或1.44)。由於芯區和包層的折射率差很高，SOI波導的光場限制能 力很強。高的折射率差使得彎曲波導的彎曲損耗很低，半徑為5微米時的彎曲損耗仍然很 小，這使得在一個晶片上實現多個不同形狀與功能的SOI波導器件的集成成為可能；而傳 統波導器件(如LiNbO3)的彎曲半徑普遍在毫米甚至釐米量級，極大的佔用了晶片面積，一 塊晶片上通常只能放下一個器件。其次，在器件方面，本發明的基本單元為基於矽基納米線波導的微環諧振器，它是 一種功能多樣，性能優越，近年來被廣泛研究的集成光學元件。圖1為交叉結構的微環諧 振器結構圖，它由兩個相互交叉的直波導和一個環形波導組成。利用微環諧振器結構可以 實現光開關、光調製器、光濾波器、光分插復用器等很多光通信用功能部件。由於環形波導 的半徑可以小至5微米，其器件結構非常緊湊，可以實現器件密度為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所示的微環諧振器(MRR)是本發明的基本單元。MRR有兩種基本結構，圖1所 示的直波導相互交叉是其中之一，另外還有直波導相互平行的結構(環形波導處在兩平行 波導之間)。交叉結構的MRR具有的二維擴展性好的優點，主要缺點在於交叉節點會引入一 定損耗。下面介紹單個MRR的製造工藝。首先依照諧振波長、偏振與損耗特性、調諧特性等 方面的要求，設計好MRR的幾何結構(包括截面尺寸、環與直波導的間距)和熱調製或電調 制結構(包括電極材料、形狀與尺寸)。然後就可以利用半導體工藝在SOI材料上製作MRR 及其熱調製或電調製單元，下面介紹具體步驟1)、將設計好的MRR版圖製成光刻版；2)、依照設計，選擇SOI片進行清潔處理，得到待處理的SOI片，其頂層Si厚度依設計選定，為波導芯層的厚度。埋層S^2的厚度則要保證以頂層Si為芯區的波導中光場 不會洩露到襯底Si中，一般埋層SW2的厚度在1 3 μ m ；3)、在SOI片上均勻塗敷光刻膠層，對其進行烘焙、堅膜，並在光刻機中用紫外光 機將光刻版的線條方向與矽片的參考邊調整至平行，然後對光刻膠曝光；4)、在顯影液中對光刻膠顯影形成光刻膠圖形，並再次烘焙；5)、以光刻膠層的剩餘部分為掩模，採用反應離子刻蝕(Reactive IonEtching, RIE)工藝去除腐蝕窗口的頂層Si。反應離子刻蝕是指利用能與被刻蝕材料起化學反應的 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行腐蝕。它利用活 性離子對襯底的物理轟擊與化學反應的雙重作用進行刻蝕，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。正是它的這些優越性使得它成為目前應用範 圍最為廣泛的幹法刻蝕。反應離子刻蝕工藝包括六個步驟(1)刻蝕物質的產生射頻電源施加在一個充 滿刻蝕氣體的反應腔上，通過等離子體輝光放電產生電子、離子、活性反應基團；(2)刻蝕 物質向矽片表面擴散；C3)刻蝕物質吸附在矽片表面上；(4)在離子轟擊下刻蝕物質和矽片 表面被刻蝕材料發生反應；(5)刻蝕反應副產物在離子轟擊下解吸附離開矽片表面；(6)揮 發性刻蝕副產物和其它未參加反應的物質被真空泵抽出反應腔。整個過程中有諸多的參數影響刻蝕工藝，其中最重要的是壓力、氣體比率、氣體 流速、射頻電源。另外矽片的位置和刻蝕設備的結構也會對刻蝕工藝。在這一步中，需要嚴 格控制刻蝕條件，避免側向鑽蝕；6)、去除光刻膠層的剩餘部分，得到圖形轉移之後的二維MRR結構；7)MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition)MRR 應部位生長用於熱調製或電調製用的金屬電極。經過上面這些步驟，精確控制工藝過程，就可以得到預先設計的MRR及其調製結 構。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 埠之間的直波導稱為a，2、4埠之間的直波導稱為b)1)、一定波長的雷射脈衝信號由1埠輸入，進入MRR後在直波導a中向前傳播。 儘管SOI納米線波導折射率差大，光場限制能力強，但仍有倏逝場(Evanescent Wave)彌散 到直波導之外；2)、在光信號經過環形波導時，由於環形波導材料折射率比周圍材料高，根據電磁 場傳播的基本規律(光場有向高折射率區域傳播的趨勢)，光場將向折射率高的環形波導 區域傳播，所以彌散到直波導a之外的光場將有一部分耦合進環形波導中，而後沿著環形 波導逆時針傳播；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，稱為諧 振階數，λ為光信號波長，Ng為環形波導的群折射率，R為環形波導半徑)，那麼光脈衝在 環形波導中傳播若干圈之後，其能量將幾乎全部由直波導a耦合進環形波導，並由環形波 導耦合進直波導b，最終由4埠輸出G埠稱為下路端，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，那麼儘管部分光場會從直波導a進入環形波 導，但最終仍會耦合回直波導a中，然後幾乎全部由3埠輸出(3埠稱為直通端，上述過程稱為「直通」)。如若信號由埠 2輸入，那麼埠 3是相應的下路端，埠 4是相應的直 通端，工作原理與上面描述的由埠 1輸入時完全相同，此處不再贅述。上面分析的是MRR的靜態工作特性，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 振波長動態可調(即動態濾波)以實現更加複雜的功能。下面對諧振波長計算公式mXλ =Ν8Χ2π XR進行分析，從而得出如何調節MRR使得它的下路波長動態可調。通過上面的諧振條件公式(mX λ = NgX2 π XR)可以看到，要調節諧振波長以實 現動態濾波，可以改變的物理量有環形波導的半徑R及其群折射率Ng。前者在工藝完成之 後就確定下來，無法進行調節。所以只能通過調節環形波導的群折射率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，矽的材料折射率隨溫度變化而變化，稱為矽 材料的熱光效應，利用這一效應可以實現對群折射率Ng的調節。利用金屬有機化學氣相 澱積(Metal-Organic Chemical VapourDeposition, M0CVD)技術在微環上生長金屬電極， 對其施加電壓後，電流流過有電阻的金屬電極而使其發熱，熱場傳導至波導，使波導的溫度 發生變化，環形波導的群折射率Ng隨之變化，帶來MRR諧振波長的改變，從而實現動態濾 波——即對於某一特定波長，可以通過施加於電極的電信號來改變環形波導的溫度，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的熱調製機構，加電後金屬電極發熱，熱場傳導至波導，使波導的 溫度發生變化，環形波導的群折射率Ng發生變化，MRR的諧振波長λ隨之變化。此外，也可 通過電光效應實現MRR的調諧，電光調諧適於對調製速率要求高的場合。熱光調諧與電光調諧的電極設計有不同的地方前者需要設計高電阻的電極來產 生熱量，所以要選擇高電阻率材料，並設計截面較小、長度較長的電極來增大其電阻，通常 採用盤狀電極(通過蜿蜒盤旋的結構來增加電極長度從而增加電阻)；而後者通過電極引 入的電場改變載流子濃度，此時熱效應是不可控的因素，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，採用截面大、長度短的設計，另外還要考慮不同電 極形狀產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。矽材料的熱 光與電光性質已經得到了廣泛的研究，以熱光效應為例，矽材料的熱光效應可以用下式表 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的大熱光係數和高熱導率(^si = 1. 49ff/cm ·Κ)可以保證SOI的熱光調節有較快的響應速度。同時，埋層SW2的熱導率很小， 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，降低開關功耗。因此SOI 是很好的熱光效應材料。另外，從諧振波長計算公式mX λ = NgX2 π XR還可以看出，由於m只能取整數 值，微環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範圍(Free Spectral Range，FSR)，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m對應的諧振波長，稱為自由光譜範圍的FSR是諧振階數(m-Ι)與(m+1)所對應諧振波長與間隔，由(2)可見FSR與環的半徑成 反比。受彎曲損耗的限制，微環的半徑通常不小於5微米，此時FSR的通常為十幾個納米。本發明擬採用的波段為光通信中常用的1.55μπι區域，信道間隔為100GHz，對應 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係
權利要求
1.一種矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，該光學加密調製器由兩個納米線 微環諧振器MRR實現，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 衝序列和一密鑰電脈衝序列，輸出端輸出一密文光脈衝序列，該輸出的密文光脈衝序列可 直接進入光纖進行傳輸。
2.根據權利要求1所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，該光學加密調 制器採用絕緣體上矽材料製作而成，基本單元為帶熱調製機構或電調製機構的納米線微環 諧振器。
3.根據權利要求2所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，所述納米線微 環諧振器是直波導相互交叉的微環諧振器，由兩個相互交叉的直波導和一個環形波導構 成，該環形波導的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導相切。
4.根據權利要求1所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，該光學加密調 制器同時實現加密與調製的過程是將特定波長的連續雷射輸入到器件中，待發送的明文 電脈衝序列作為第一個輸入作用於一個微環諧振器，用於加密的密鑰電脈衝序列作為第二 個輸入作用於另一個微環諧振器，在輸出端就能得到經過異或運算加密的密文光脈衝序 列。
5.根據權利要求4所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，明文電脈衝序 列及密鑰電脈衝序列對各自的微環諧振器的作用方式是當電脈衝序列中出現比特「0」 時，微環諧振器在工作波長處不諧振，信號直通；當電脈衝序列中出現比特「 1」時，微環諧 振器在工作波長處諧振，信號下路。
6.根據權利要求4所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，明文電脈衝序 列及密鑰電脈衝序列需要逐比特對齊，在時間上精確同步。
7.根據權利要求4所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，輸出的密文光 脈衝序列即是明文電脈衝序列與密鑰電脈衝序列逐比特異或運算的結果。
8.根據權利要求1所述的矽基集成化的光學加密調製器，其特徵在於，該光學加密調 制器在接收端進一步有與之配套的解密器，在該光學加密調製器兩端分別集成一個光電轉 換模塊即可得到配套的解密器；在接收端接收到密文光脈衝序列後，經過一次光電轉換得 到密文電脈衝序列來調製第一個微環諧振器，同時使用與發送端相同的密鑰電脈衝序列調 制第二個微環諧振器，即可得到明文光脈衝序列，再經過一次光電轉換，即可得到明文電脈 衝序列。
全文摘要
本發明公開了一種矽基集成化的光學加密調製器，該光學加密調製器由兩個納米線微環諧振器MRR實現，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衝序列和一密鑰電脈衝序列，輸出端輸出一密文光脈衝序列，該輸出的密文光脈衝序列可直接進入光纖進行傳輸。本發明的突出優點是使用單個器件同時完成了加密與調製功能，它利用現成的工藝技術，使得器件體積小，功耗低，擴展性好，便於與電學元件集成，特別適合用於對體積、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 優先權日2009年11月11日
發明者冀瑞強, 劉育梁, 盧洋洋, 張磊, 楊林, 田永輝, 賈連希, 陳平 申請人:中國科學院半導體研究所