高速计算和信息处理驱动着当今信息时代,使得人们之间的交流方便迅捷。对于计算和信息处理系统而言,减少生产开发成本的关键是实现大规模片上集成以及制造工艺的标准化和流水线操作。在过去50年里,硅基集成电路一直主导着电子信息产业,并给世界带来了革命性变化。如今,硅基集成电路的成熟度和复杂度已经发展到了不可思议的程度,单片集成的晶体管数目已经超过80亿个,已经超过20年前占据100 m2机房的服务器。然而,随着Moore定律的延续以及网络通信容量的持续增长,传统电计算和信息处理的速率已越来越接近其理论极限,将很难满足未来百吉赫兹(GHz)乃至太赫兹(THz)超高速应用场合的需求。另一方面,全光运算和信息处理技术不仅能够突破电域计算和处理的带宽瓶颈,还具有传输损耗低、灵活度高、抗电磁干扰性强等优点,因而在超高速计算和信息处理领域具有显著优势。越来越多的人开始意识到,光不仅可以用作通信传输系统中“承载”信息的高速“引擎”,还可以成为计算和信息处理系统中对信号进行“裁剪整形”的锋利“剪刀”。在这样的背景下,基于硅基集成光子器件的光运算和信息处理技术应运而生。它面向未来光域超高速计算和信息处理的实际需求,依托于成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造体系,继承了硅基集成电路制造业低成本、高稳定性、可大规模集成和扩展的优势,是目前光运算和信息处理领域最活跃且发展势头最为迅猛的前沿科学技术,具有重要的应用价值和广阔的市场前景。在众多硅基集成光子器件结构中,硅基微谐振器不仅具有体积紧凑,结构灵活,易于大规模扩展的优势,还具有波长选择性,高品质因数和谐振场强增强效应等特点,因而在激光器、光滤波器、电光调制器、光开关、光延时线、光电探测器及传感器中具有非常广泛的应用。本论文研究了基于硅基微谐振器的光运算和信息处理技术:首先讨论介绍了硅基微谐振器的基本理论,仿真方法,制备工艺及测试方法;然后基于以上理论和实验方法,提出并通过实验演示验证了硅基微谐振器在高速光运算,微波光子信号处理和光交换中的应用。总体来说,全文的研究成果与贡献可概括为以下几个方面:1.基于硅基微谐振器的光运算计算是信号处理器的核心功能之一,本部分围绕实现更复杂强大的计算功能和更高的计算速度的目标,提出并演示验证了三种新颖的硅基光子计算器技术方案:1)基于硅基干涉耦合微环谐振器的可调一阶光子微分方程求解器:该方案首次实现一般形式一阶线性常系数常微分方程的求解,并具有多个方程系数的调节性。我们对器件工作原理进行了建模分析,并利用10 Gb/s高斯光脉冲测试了不同方程系数时微分方程求解器的动态求解性能,最终得到了与理论相一致的实验结果。2)基于硅基自耦合微环谐振器的可调二阶光子微分方程求解器:该方案首次从时域角度对微环谐振器中的模式分裂现象进行了表征,并将其应用于二阶微分方程的求解,有效避免了级联高阶微分方程求解器中的波长对准问题和温漂问题,还在一定程度上降低了系统结构和系数调节的复杂度。在实验中,我们利用10 Gb/s高斯和超高斯光脉冲演示验证了所制备的硅基微谐振器作为可调二阶光子微分方程求解器的有效性。3)基于硅基自耦合光波导谐振器的超高速四阶光子微分器:该方案首次成功实现了超高速皮秒光脉冲的四阶微分,是目前阶数最高、速率最高的硅基光子微分器。2.基于硅基微谐振器的微波光子信号处理微波信号处理在现代军事和通信中具有重要意义和广泛应用,本部分围绕改善微波光子信号处理性能和灵活度的目标,提出并演示验证了四种基于硅基微谐振器的微波光子信号处理功能:1)基于硅基自耦合微环谐振器的微波光子陷波器:该方案首次提出并演示验证了基于硅基自耦合微环谐振器的微波光子陷波器,通过改变不同谐振模式间的耦合强度,该器件的谐振峰分裂程度会发生改变,从而使得微波光子陷波器的滤波中心波长发生相应改变。在实验中,我们基于所制备的硅基微谐振器在20 GHz的带宽范围内实现了滤波中心波长的连续调节,并得到了超过25 d B的陷波抑制比。2)基于硅基自耦合微环谐振器的毫米波信号产生:该方案首次提出了基于硅基自耦合微环谐振器的毫米波信号产生方式,通过利用分插复用型硅基自耦合微环谐振器的反射端对光频率梳中的特定频率成分进行提取后拍频,可以实现毫米波信号的产生。产生毫米波信号的频率可通过改变分裂谐振峰间距而调节。在实验中,我们基于上述方案演示验证了39 GHz和29 GHz毫米波信号的产生。3)基于硅基微盘谐振器的光子射频移相器:该方案利用微盘谐振器具有高品质因数的特点,将单一谐振器光子射频移相器的最大相移范围由~4.6 rad提升至~6.1 rad,提升约30%,可实现移相的射频信号速率超过40 GHz。4)基于硅基嵌套微环谐振器的光延时线:该方案基于硅基嵌套微环谐振器,可在单一器件的不同谐振峰处实现不同程度的脉冲延时。它基于无源器件,这可以简化器件制造过程并降低生产成本。同一般无源硅基微环谐振器相比,它丰富了器件的幅频和相频响应,并可应对实际中多种不同脉冲延时的需求。我们实际制备了相应硅基器件,并通过系统实验测试了不同谐振峰处的光脉冲延时数值。3.基于硅基微谐振器的光交换伴随着信息时代的高速发展,网络总量和效率与日俱增,使得光通信网络中对光交换性能的需求不断攀升。本部分围绕改善硅基光交换器件交换性能和灵活度的目标,提出并演示验证了两种全新的基于硅基微谐振器的光交换器件技术方案:1)基于硅基嵌套微环谐振器的2×2无阻塞光交换节点:该方案将嵌套微环谐振器在某些谐振波长处接近临界耦合而具有高消光比的特点应用于光交换节点,使得交换节点的消光比和串扰性能得到大幅优化提升。实测制备器件在cross和bar状态下的消光比分别高达44.7 d B和38.0 d B,串扰值则分别低至–37.5 d B和–45.2 d B。2)基于硅基嵌套子环微环谐振器的1×2波长选择开关:该方案通过调节外环内部的嵌套子环可实现外环波长通道的选择性开启或关闭,不仅充分利用了微环内部的面积,使得器件结构更为紧凑,还有效避免了多环波长选择开关中不同器件谐振峰间的对准问题。我们实际制备了含有一对和两对嵌套子环的硅基微谐振器,并利用10 Gb/s非归零(NRZ)信号演示验证了其作为波长选择开关的有效性。