CN112415663A - 一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关 - Google Patents

一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关，具有工作带宽较宽、结构紧凑、功耗低的特点；通过级联多个微盘谐振器，分别调整每个微盘谐振器的谐振波长，使微盘谐振器的谐振波长相互靠近合并，从而有效地提升了频谱响应带宽，提高了光开关的工作带宽。通过调节与两干涉臂耦合的微盘谐振器的折射率，使得通过两干涉臂传输的光信号相位差为π，实现光开关的直通态；通过两干涉臂传输的光信号相位差为0，实现光开关的交叉态；相比于马赫曾德尔或者微环谐振器构成的光开关，微盘谐振器由于只有一个外侧面具有尺寸更小的显著优势，能够显著降低光开关的功耗并且结构更加紧凑。

Description

一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关
技术领域
本发明属于集成光电子器件技术领域，具体涉及一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关。
背景技术
随着大数据、云计算、物联网、5G等信息业务的快速发展，传统的电子交换技术已经无法满足网络带宽发展的需求。基于光学技术实现光域内信息交互，即光交换技术，具有高速、宽带、低功耗的优点，是实现未来大容量数据交换全光网络的关键技术。作为光交换技术的核心器件，光开关实现光信号快速切换。目前，基于分立器件实现的光开关在插损、体积、功耗和可靠性等方面存在问题，不具备实际应用的前景，特别是不能满足大规模光开关阵列的技术需求。随着现代集成光子技术的蓬勃发展，通过利用高精密光子集成工艺实现光开关芯片，能够显著降低开关的体积、功率消耗和制备成本。而且，作为光开关阵列中的基本功能单元，光开关的性能指标，包括工作带宽、功率消耗和尺寸大小等，直接决定着整个开关阵列的性能。因此，研制一种大宽带、低功耗、结构紧凑的光开关单元具有重要的意义。
近些年来，国内外研究团队对光开关的结构与性能进行了深入的研究。IBM公司Joris Van Campenhout等人于2009年在OPTICS EXPRESS(Vol.17,No.26)上发表论文“Low-power,2×2silicon electro-optic switch with 110-nm bandwidth for broadbandreconfigurable optical networks”，提出了一种采用两个超宽带3dB定向耦合器的马赫曾德尔光开关，使得光谱的带宽110nm,功耗约为3mW,器件尺寸为50×4002(0.022),串扰小于-17dB。日本国立产业技术综合研究所光子网络研究中心Yuya Shoji等人于2010年在OPTICS EXPRESS(Vol.17,No.9)上发表论文“Low-crosstalk 2×2thermo-optic switchwith silicon wire waveguides”，提出一种基于2×2马赫曾德尔干涉仪阵列的光开关，通过这种级联四个开关单元的方法在光谱带宽100nm的范围内实现了光开关直通态串扰低于-30dB与交叉态串扰低于-16dB，其中每个马赫曾德尔开关单元的尺寸为200×2002,整个器件的总长度为700μm,器件的总功耗为160mW。康奈尔大学的Nicolás Sherwood-Droz等人于2008年在OPTICS EXPRESS(Vol.16,No.20)上发表论文“Optical 4x4 hitless siliconrouter for optical Networks-on-Chip(NoC)”，提出一种用于片上光网络的无阻塞4×4路由器，器件一共包含8个微环谐振器，每个开关单元由微环与两条垂直的波导耦合组成，可以实现各端口数据同时收发，器件的尺寸为0.072,3dB工作带宽为38GHz。在功耗低于2mW时，消光比为17dB；功耗为6.5mW时，消光比高于21dB。康奈尔大学的Andrew W.Poon等人于2009年在Proceedings of IEEE(Vol.97,No.7)上发表文章“Cascaded Microresonator-Based Matrix Switch for Silicon On-Chip Optical Interconnection”，提出一种由方形微环与两个垂直波导组成的开关单元，其工作带宽为0.45nm，功耗为0.61mW。
综上所述，基于马赫曾德尔干涉型的光开关的工作带宽大，但光开关器件尺寸较大，工作状态的转换所需要的功耗大，不利于大规模开关阵列的集成。基于微环谐振结构的光开关器件尺寸较小，功耗较低，但工作带宽却远远小于马赫曾德尔光开关。因此，发展一种工作带宽较宽、结构紧凑、功耗低的光开关至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关，具有工作带宽较宽、结构紧凑、功耗低的特点。
一种马赫曾德尔光开关，包括：
用于输入光信号的第一输入波导与第二输入波导；
用于输出光信号的第一输出波导与第二输出波导；
前置耦合器，用于将从第一输入波导或第二输入波导引进来的光信号进行均分，并将均分的光信号分别引入到上干涉臂与下干涉臂中；
后置耦合器，用于将从上干涉臂和下干涉臂输出来的两路光信号合并为一路光信号；
上干涉臂与下干涉臂均包括耦合波导和一组谐振器；每组谐振器中包括至少2个微盘谐振器；各谐振器布置在各自所在耦合波导的附近，通过耦合波导的耦合作用，构成级联谐振器。
较佳的，所述耦合波导为s形，微盘谐振器置于s形的凹陷区域内。
较佳的，采用离子色散效应对微盘谐振器的折射率进行调控。
较佳的，采用热光效应对微盘谐振器的折射率进行调控。
较佳的，采用光学非线性效应对微盘谐振器的折射率进行调控。
较佳的，每组谐振器包括5个微盘谐振器。
本发明具有如下有益效果：
通过级联多个微盘谐振器，分别调整每个微盘谐振器的谐振波长，使微盘谐振器的谐振波长相互靠近合并，从而有效地提升了频谱响应带宽，提高了光开关的工作带宽。通过调节与两干涉臂耦合的微盘谐振器的折射率，使得通过两干涉臂传输的光信号相位差为π，实现光开关的直通态；通过两干涉臂传输的光信号相位差为0，实现光开关的交叉态。相比于马赫曾德尔或者微环谐振器构成的光开关，微盘谐振器由于只有一个外侧面具有尺寸更小的显著优势，能够显著降低光开关的功耗并且结构更加紧凑。
附图说明
图1为本发明基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关的结构示意图。
图2为本发明实施例每组谐振器采用5个微盘谐振器级联的结构示意图。
图3为实施例光开关的相位响应示意图。
图4为实施例光开关在经过调节后在开通状态下直通端与交叉端传输谱线示意图。
图5为实施例在经过调节前光开关在关闭状态下直通端与交叉端传输谱线示意图。
图6为上下干涉臂与单个微盘耦合光开关直通端与交叉端传输谱线示意图。
其中，1，2-输入波导，7,8-输出波导，3-前置耦合器，4-上干涉臂，5下干涉臂，6-后置耦合器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种基于多级微盘耦合的马赫曾德尔宽带低功耗光开关包括：
一对输入波导，用于输入光信号。
一对输出波导，用于输出光信号。
一个前置耦合器，用于将从输入波导引进来的光信号进行均分，并将均分的光信号分别引入到上干涉臂与下干涉臂中。
一个后置耦合器，用于将从上干涉臂和下干涉臂输出来的两路光信号合并为一路光信号。
上干涉臂与下干涉臂，两个干涉臂的长度相等，连接于前置耦合器与后置耦合器之间，用于将从前置耦合器输出的光信号传输至后置耦合器。
两组谐振器，分别与上干涉臂、下干涉臂耦合，用于调整干涉臂中传输的光信号相位。每组谐振器由多个微盘谐振器组成，相邻的微盘谐振器之间需有足够的间距从而避免发生耦合。通过在干涉臂中利用弯曲波导(s形)增加微盘与干涉臂波导的耦合长度，可使每组微盘谐振器工作于过耦合状态，从而减小微盘与干涉臂耦合间距过小而带来的工艺难度且使开关结构更加紧凑。
通过对两组微盘谐振器或仅其中一组微盘谐振器进行控制，可以利用等离子色散效应、热光效应或光学非线性效应对微盘谐振器的折射率进行调控。通过改变微盘谐振器的有效折射率，使得上干涉臂、下干涉臂中的光信号的光程发生变化，进而对光信号的相位进行调节。
实施例：
输入波导1与输入波导2，用于输入光信号。
输出波导7与输出波导8，用于输出光信号。
一个前置耦合器3，用于将从输入波导1或2引进来的光信号进行均分，并将均分的光信号分别引入到上干涉臂4与下干涉臂5中。
一个后置耦合器6，用于将从上干涉臂4和下干涉臂5输出来的两路光信号合并为一路光信号。
上干涉臂4与下干涉臂5，两个干涉臂的长度相等，连接于前置耦合器3与后置耦合器6之间，用于将从前置耦合器3输出的光信号传输至后置耦合器6。
两组谐振器，分别与上干涉臂4、下干涉臂5耦合，用于调整干涉臂中光信号的相位，每组谐振器由5个微盘谐振器级联组成。
光开关采用绝缘体上硅材料，前置耦合器3与后置耦合器6采用2×2多模干涉耦合器。在与上干涉臂4耦合的微盘谐振器(41、42、43、44、45)和与下干涉臂5耦合的微盘谐振器(51、52、53、54、55)都制作金属电阻，通过热光效应来改变微盘谐振器的折射率，从而调节微盘谐振器的谐振波长，实现光开关工作状态的转换。
光信号通过单个微盘谐振器后，信号的频率响应可表示为：
Figure BDA0002779092240000041
其中a代表光信号在谐振器中传播一圈的损耗系数，r代表微盘与干涉臂耦合的直通系数，φn代表光信号经过第n个微盘谐振器的单通相位偏移，n＝1,2,3,4,5。微盘谐振器(41、42、43、44、45、51、52、53、54、55)与干涉臂(4、5)设计成过耦合状态，即r<a。
通过单个微盘谐振器的有效相位可以表示为
Figure BDA0002779092240000042
对光信号由输入波导引进，通过前置耦合器3均匀分光后，经过干涉波导臂和一组级联微盘谐振器的调制，波导臂输出的总频率响应可以表示为：
Ht＝H1(w)·H2(W)·H3(w)·H4(w)·H5(w)
总相移可表示为：
Figure BDA0002779092240000043
其中
Figure BDA0002779092240000044
为经过波导臂的发生的相位偏移。
通过对其中一组级联的微盘谐振器(51、52、53、54、55)进行热光调制，使每个微盘的折射率发生Δn的变化，则通过上干涉臂4与下干涉臂5的两束光信号会有一定的相位差，当该相位差由
Figure BDA0002779092240000051
变为
Figure BDA0002779092240000052
时，光开关的工作状态由交叉态转换为直通态。
假设微盘的半径为5μm,损耗因子为0.9989,微盘与干涉臂的直通耦合系数为0.75，对微盘谐振器(51、52、53、54、55)进行加热，当Δn＝0.00135时，相位改变为π。
图3代表其中一组级联微盘(51、52、53、54、55)在折射率改变Δn＝0.00135的情况下，光信号在经过两个干涉臂后的相位响应图，其中下干涉臂5输出的光信号的相位响应发生了一定的偏移，使得在波长为λ0＝1557.3时两束光信号的相位差为π。
图4代表光开关直通端与交叉端的光谱响应，此时交叉端光谱响应为0，光信号在直通端输出，由于微盘谐振器存在损耗，直通端输出信号强度不为1，可以看出光开关的3dB工作带宽约为5.86nm。
图5代表光开关在热光效应调节前，光开关在关闭状态下直通端与交叉端的光谱响应，此时，光信号通过上下干涉臂的相位相同，即相位差为0，所以直通端的光强为0，由于微盘谐振器存在损耗，交叉端输出信号强度不为1。
图6代表上干涉臂与下干涉臂仅有一个微盘谐振器时光开关直通端与交叉端的光谱响应，微盘的半径为5μm,损耗因子为0.9989,微盘与干涉臂的直通耦合系数为0.75，同样利用热光效应对下干涉臂耦合的微盘进行调节，可以看出光开关的3dB工作带宽仅约为3.4nm。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种马赫曾德尔光开关，其特征在于，包括：
用于输入光信号的第一输入波导与第二输入波导；
用于输出光信号的第一输出波导与第二输出波导；
前置耦合器，用于将从第一输入波导或第二输入波导引进来的光信号进行均分，并将均分的光信号分别引入到上干涉臂与下干涉臂中；
后置耦合器，用于将从上干涉臂和下干涉臂输出来的两路光信号合并为一路光信号；
上干涉臂与下干涉臂均包括耦合波导和一组谐振器；每组谐振器中包括至少2个微盘谐振器；各谐振器布置在各自所在耦合波导的附近，通过耦合波导的耦合作用，构成级联谐振器。
2.如权利要求1所述的一种马赫曾德尔光开关，其特征在于，所述耦合波导为s形，微盘谐振器置于s形的凹陷区域内。
3.如权利要求1所述的一种马赫曾德尔光开关，其特征在于，采用离子色散效应对微盘谐振器的折射率进行调控。
4.如权利要求1所述的一种马赫曾德尔光开关，其特征在于，采用热光效应对微盘谐振器的折射率进行调控。
5.如权利要求1所述的一种马赫曾德尔光开关，其特征在于，采用光学非线性效应对微盘谐振器的折射率进行调控。
6.如权利要求1所述的一种马赫曾德尔光开关，其特征在于，每组谐振器包括5个微盘谐振器。
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