CN101840028A - 基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器 - Google Patents

Abstract

一种基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，该器件的基本单元结构包括：一横向波导和一竖直波导，形成垂直交叉波导；该横向波导包括输入端和直通端；该竖直波导包括上载端和下载端；第一微环和第二微环，该第一微环和第二微环级联，形成半径不同的级联双微环结构；其中该第一微环和第二微环组成的半径不同的级联双微环结构位于横向波导的直通端和竖直波导的下载端形成的交叠区域。

Description

基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器

技术领域

本发明涉及一种基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器(Integrated Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer Based OnMicro-ring Resonator)，特别地，这种可重构光插分复用器由垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器(MRR，Micro-ring Resonator)构成的滤波器单元通过二维排布来实现。

背景技术

21世纪是一个以网络为核心的信息时代，随着科学技术的迅猛发展，通讯领域的信息传输量迅速膨胀，光信息传输网络为信息时代的发展提供了有力的技术支持。光传输网络具有大带宽、大容量、性能稳定等特点。波分复用(WDM)技术的出现迅速提升了光网络的传输容量。上世纪90年代以来，随着光纤通信技术的迅速发展，许多学者提出了“全光网络”的概念，即信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换，中间不经过任何光电转换，以达到全光传输的透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。基于波分复用的全光通信网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性和透明性。

新型光网络的发展对光电子器件提出了新的要求。首先，通信运营商在提升光网络容量时，将更加关注光网络的灵活性、稳定性和可扩展性，以降低运营成本和应对快速变化的市场环境。在器件级上，发展可调谐器件、多功能集成的光开关器件和网络性能的监测器件将是构建智能光网络的基石。可重构的光插分复用器(ROADM)作为全光网络的核心设备而越来越受到人们的重视。

光网络的迅速发展对传统的光插分复用器(OADM)也提出了更高的要求：

1、光网络向着灵活性和可扩展性的方向发展，从而要求光插分复用器不仅能够具有波长动态重构而且可以利用软件对网络进行远程控制以支持波长预留和网络恢复的要求。显然，传统的光插分复用器(OADM)难以满足网络发展的要求，而可重构的光插分复用器(ROADM)可以在一个节点上完成光信道的上下路以及光通道之间波长级别的交换，并且通过软件可以远程控制网络中的ROADM子***实现上下路波长的配置和调整，使网络具有动态重构和自愈功能，如果采用具有波长变换能力的模块，还可以实现开放式网络结构，使网络具有波长兼容性和业务透明性。

2、光网络向着高速、大容量方向发展，从而对光插分复用器传输容量和稳定性的要求也大大提高。构成基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器的传统结构单元如图1所示，由于该结构是一个单微环结构，其洛伦茨型的滤波特性很难满足***稳定性的要求，因为很小的波长漂移就很可能导致数据传输的错误。而且单微环结构的自由普范围较小，很难满足光网络的大容量要求。

一般情况增加ROADM传输容量的方法有两种：a.对于固定的信道数可以通过增加单个信道的容量来增加ROADM的传输容量；b.对于固定的信道容量可以通过增加信道数来增加ROADM的传输容量。

我们主要采取第二种方法即增加信道数。根据国际电信联盟(ITU)的规定对于一特定的***，信道间隔是一定的，例如100GHZ的通信***，信道间隔为0.8nm。所以对于基于微环谐振器的ROADM而言，要增加信道数必须增大微环的自由普范围(FSR)。由此可见，采取一定的措施扩展微环的自由普范围(FSR)显得尤为重要。

绝缘体上硅(SOI)技术是一项硅集成电路技术，在微电子行业中被广泛采用。为了与硅微电子兼容，硅基光子学也以SOI作为主要的研究平台。近年来基于SOI技术的硅纳米线波导结构成为硅基集成光学领域的研究热点。硅纳米线波导的结构紧凑，截面尺寸为百纳米量级，弯曲半径可以小至微米量级，这极大的减小了器件的面积。随着工艺和结构的改进，纳米线波导的传输损耗不断降低，目前有损耗小于3dB/cm的纳米线波导的报道，虽然该值相对较大，但是基于纳米线波导的器件面积很小，因此器件整体的传输损耗并不大。基于硅纳米线波导的微环谐振器结构具有性能良好、结构紧凑和功能配置灵活等特点。

本发明提出的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器就是用基于硅基纳米线波导的微环谐振器结构实现的。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，其集成度高、可扩展性强、且便于与电学元件集成，能利用软件对网络进行远程控制，使网络具有动态重构和自愈功能，利用级联双环的滤波器结构展宽了滤波器的自由普范围(FSR)从而可以增加ROADM的信道数而且可以实现顶部平坦型的滤波特性，大大提高了光插分复用器的传输容量，提高了网络的稳定性。

本发明提供了一种一种基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，该器件的基本单元结构包括：一横向波导和一竖直波导，形成垂直交叉波导；该横向波导包括输入端和直通端；该竖直波导包括上载端和下载端；第一微环和第二微环，该第一微环和第二微环级联，形成半径不同的级联双微环结构；其中该第一微环和第二微环组成的半径不同的级联双微环结构位于横向波导的直通端和竖直波导的下载端形成的交叠区域。

其中所述的该级联双微环结构与横向波导和竖直波导形成的垂直交叉波导有一预定的耦合距离，且该级联双微环结构中的第一微环和第二微环之间也有一预定的耦合距离。

其中该级联双微环结构与横向波导和竖直波导形成的垂直交叉波导的预定耦合距离为150-450nm。

其中该级联双微环结构中的第一微环和第二微环之间的预定耦合距离为150-450nm。

其中该级联双微环结构的谐振波长为λi，i＝1，2，…，16，且相邻波长之间有一特定的信道间隔为0.8nm。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，利用现成的与CMOS工艺兼容的SOI技术，使得器件整体面积小，功耗低，器件的稳定性好，信息吞吐量大，便于与电学元件集成；利用器件的波长动态可重构的特性可以对网络进行远程控制，使网络具有动态可重构和自愈功能从而降低了网络的运营和维护成本。采用垂直交叉波导级联半径不同的双微环结构展宽了自由普范围(FSR)从而增加了器件的信道数，信道数的增加可以大大提高器件的信息吞吐量。利用双微环所具有的独特的平顶滤波特性大大提高了器件的稳定性。同时垂直交叉波导级联半径不同的双微环结构也增加了交叉节点到耦合区的距离，这为我们优化波导交叉结构、降低交叉损耗带来很大方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：

图1为传统的垂直交叉波导可调单微环谐振器结构；

图2为垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器结构；

图3为基于垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器的集成化16路可重构光插分复用器结构。

具体实施方式

请参阅图2，本发明提供一种基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，包括：

横向波导10和竖直波导20，形成垂直交叉波导；该横向波导10包括输入端和直通端；该竖直波导20包括上载端和下载端。

第一微环30和第二微环40，该第一微环30和第二微环40级联，形成半径不同的级联双微环结构；该级联双微环结构的谐振波长为λi，i＝1，2，…，16，每个谐振波长表示一个信道。

其中所述的该级联半径不同的双微环结构与横向波导10和竖直波导20形成的垂直交叉波导有一预定的耦合距离，该预定耦合距离为150-450nm；且该级联双微环结构中的第一微环30和第二微环40之间也有一预定的耦合距离，该预定耦合距离为150-450nm；

其中该级联的第一微环30和第二微环40位于横向波导10的直通端和竖直波导20的下载端的交叠区域。

本发明提出的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器是基于可集成的微环谐振器结构，适合用各种不同的材料来实现，如SOI、SiN以及III-V族材料。该基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器是利用基于微环谐振器的集成光子学的方法实现的，相比于其他实现方式，本发明的优点是：利用成熟的SOI技术，器件结构紧凑，功耗低，器件稳定性好，便于与电学元件集成；利用器件的波长动态可重构的特性可以对网络进行远程控制，使网络具有动态可重构和自愈功能从而降低了网络的运营和维护成本。

图1为传统的垂直交叉波导可调单微环谐振器结构。端口1为输入端，端口2为直通端，端口3为下载端，端口4为上载端，并假定微环的谐振波长为λ1。在输入端输入包含λ1的多波长信号光，则满足谐振条件波长为λ1的信号光在下载端口3被下路，不满足谐振条件的其他波长的信号光在直通端口2输出，在上载端口4可以上载满足谐振条件、携带本地信号波长为λ1的信号光。这种结构可以从网络中上下路所需的信号光完成光插分复用的功能，而且可以利用热光效应调谐微环从而改变微环的谐振波长，从而可以上下载任意波长的信号光，即谐振波长动态可重构。但是与下面图2相比，其存在严重的不足。

图2为垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器结构。端口1为输入端，端口2为直通端，端口3为下载端，端口4为上载端，并假定两个微环的谐振波长都为λ1。在输入端输入包含λ1的多波长信号光，则满足谐振条件波长为λ1的信号光在下载端口3被下路，不满足谐振条件的其他波长的信号光在直通端口2输出，在上载端口4可以上载满足谐振条件、携带本地信号波长为λ1的信号光。这种结构可以从网络中上下路所需的信号光完成光插分复用的功能。与图1的结构相比，此结构具有明显的优点：a：具有较大的自由普范围(FSR)b：具有平顶的滤波特性c：交叉节点到耦合区的距离更长。

图3为由图2结构单元并行级联而成的16路可重构光插分复用器结构示意图；端口I为输入端，端口T为直通端，端口D1，D2…D16为下载端，端口A1，A2…A16为上载端。假定在输入端输入包含λ1，λ2…λ16的多波长信号光且波长λ1，λ2…λ16分别对应编号为1，2…16的滤波器单元的谐振波长，则在下载端口D1，D2…D16可以分别下载波长为λ1，λ2…λ16的信号光，在上载端口A1，A2…A16可以分别上载携带本地信息的波长为λ1，λ2…λ16的信号光。对于不满足谐振条件的其他波长的信号光将毫无影响的在直通端T输出。至此，该器件完成了16路波长信号的光插分复用。

本专利提供的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，可以用不同的材料制作，原理直观，实现简单，稳定性好，信息吞吐量大。所有微环都采用相同的设计和工艺流程，各种结构中的微环谐振器在没有加热调谐情况下的谐振波长都是相同的，我们可以通过热调谐的办法来改变微环谐振器的谐振波长以满足本地上下载不同波长光信号的需要。

至此，我们已经参照附图说明了本发明实现基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器的原理。需要说明的是，其中的具体实例、制作材料以及调谐机制的相关说明仅仅是为了阐明原理之需，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器结构的功能实现过程是：

输入端由携带多波长信号的单模光纤进行信号输入，利用热光效应对结构单元中的级联双微环谐振器进行调谐，使每一个谐振器单元对应一个谐振波长，从而在上载端和下载端可以上下载一个对应的谐振波长λi(其中，i＝1，2，…，16)。例如：若第一个谐振器单元对应的谐振波长为λ1，则在下载端可以下载主通道光波长为λ1的信号光同时在上载端可以上载携带本地信息的波长为λ1的信号光。这样就在第一个结构单元即第一信道完成了波长为λ1的信号光的上下路。对于另外的15个信道也具有同样的功能，这样在本地网络节点处就可以同时上下载16个不同波长的信号光，从而完成16路不通光信号的插分复用功能。

基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，该器件是网络中重要的节点器件，它由16个并行排列的垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器结构单元构成，每个垂直交叉波导级联半径不同的可调双微环谐振器结构单元可以通过调谐微环实现在该节点、携带本地业务的特定波长上路(***)或者下路(分离)主业务流，从而在该节点实现16路的可重构光插分复用器(ROADM)的功能。

上述方案中，该基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器的基本单元是由垂直交叉波导结构级联半径不同的可调双微环谐振器(MRR)所构成的滤波器单元结构。

上述方案中，所述微环谐振器是通过热光调制的可调谐微环谐振器。

上述方案中，垂直交叉波导级联半径不同的双微环谐振器是由两个相互垂直的波导和两个级联半径不同的环形波导构成，这两个环形波导分别与两个相互垂直的波导之间有一预定的耦合距离。

上述方案中，该基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器由16个并行的滤波器单元构成，来自单模光纤的多波长信号光在输入端输入，分别在上载端和下载端实现携带本地业务的特定波长的光信号任意上下路而不影响其他信号光的传输。

上述方案中，该基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器的功能实现过程是：输入端由携带多波长信号的单模光纤进行信号输入，利用热光效应对滤波器单元中的级联双微环谐振器进行调谐，使每一个谐振器单元对应一个谐振波长λi(其中，i＝1，2，…，16)从而在上载端和下载端可以上下载一个对应的谐振波长λi(其中，i＝1，2，…，16)。例如：若第一个谐振器单元对应的谐振波长为λ1，则在下载端可以下载主通道光波长为λ1的信号光同时在上载端可以上载携带本地信息的波长为λ1的信号光。这样就在第一个滤波器单元即第一信道完成了波长为λ1的信号光的上下路。对于另外的15个信道也具有同样的功能，这样在本地就可以同时上下载16个不同波长的信号光，显然ROADM的信息吞吐量大大增加。当然对于ROADM而言信道数的增加并不是随意的，其主要取决于谐振器单元的自由普范围(FSR)和交叉损耗。我们采取了两个不同半径的微环级联的办法来展宽谐振器单元的自由普范围(FSR)。对于每一个微环而言，假设其自由普范围分别为F1和F2，对于级联双环而言，要经过两次滤波，即只有同时满足两个微环的谐振条件的信号光才能在上载端和下载端上下载。即级联双环的自由普范围FSR＝NF1＝MF2。其中N和M是与F1和F2相关的正整数。由此可见级联双微环的自由普范围要比单微环的自由普范围大的多。除此之外，与相同尺寸的微环相比，由(图1)可见级联双微环大大增加了交叉节点与波导和微环的耦合区的距离。这一点对于优化波导交叉结构降低交叉损耗非常重要。对于传统的垂直交叉波导可调单微环谐振器结构如(图1)，由于微环的半径是几个微米，这就导致了交叉节点到波导和微环的耦合区的距离很小，无论是采用文献[Low Loss Intersection of SiPhotonic Wire Waveguides]中提到的椭圆形展宽模场优化波导交叉结构还是采用文献[Low-Loss Multimode-Interference-Based Crossings forSilicon Wire Waveguides]中提到的利用MMI结构优化交叉都受到很大的限制。而对于级联双微环而言，交叉节点到耦合区的距离很大，这为我们优化波导交叉结构提供了很大的自由度。

在上述方案中，我们利用热光效应调谐微环的办法能够在ROADM的任意信道上下载任意波长的信号光，这就是所谓的波长动态可重构，这为我们利用软件对网络进行远程控制提供了可能。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，该器件的基本单元结构包括：一横向波导和一竖直波导，形成垂直交叉波导；该横向波导包括输入端和直通端；该竖直波导包括上载端和下载端；第一微环和第二微环，该第一微环和第二微环级联，形成半径不同的级联双微环结构；其中该第一微环和第二微环组成的半径不同的级联双微环结构位于横向波导的直通端和竖直波导的下载端形成的交叠区域。

2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，其中所述的该级联双微环结构与横向波导和竖直波导形成的垂直交叉波导有一预定的耦合距离，且该级联双微环结构中的第一微环和第二微环之间也有一预定的耦合距离。

3.根据权利要求2所述的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，其中该级联双微环结构与横向波导和竖直波导形成的垂直交叉波导的预定耦合距离为150-450nm。

4.根据权利要求2所述的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，其中该级联双微环结构中的第一微环和第二微环之间的预定耦合距离为150-450nm。

5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器，其中该级联双微环结构的谐振波长为λi，i＝1，2，…，16，且相邻波长之间有一特定的信道间隔为0.8nm。

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