基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的波长选择开关

摘要

一种光纤通信技术领域的基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的波长选择开关，包括：待处理信号发生模块、波长选择开关模块和处理后信号观测分析模块，其中：待处理信号发生模块产生待处理的光信号并由波长选择开关模块的输入端输入，波长选择开关模块的输出端向处理后信号观测分析模块输出处理后的信号。本发明应用于波分复用光通信网络，为可重构光分插复用单元中的波长选择开关提供了一种构建方案。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的装置，具体是一种基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的波长选择开关。

背景技术

伴随着信息时代的高速发展，网络数据总量不断提升，使得基于波分复用技术的光通信网络中需要更加高效的数据管理分配方案。可重构光分插复用单元能够提供灵活的波长通道管理和配置技术，是下一代波分复用光通信网络中的基本组件。波长选择开关是可重构光分插复用单元中的核心器件。通过控制各个波长通道的透射率，波长选择开关能够在不同光网络交换节点之间实现灵活的路由选择。

经过对现有技术的文献检索发现，现有的波长选择开关主要分为四大类，分别基于微机电调节系统、液晶光栅、二氧化硅平面光波导线路以及硅基集成光波导。相较于其他三类波长选择开关，基于硅基集成光波导的波长选择开关能够结合成熟的互补金属氧化物半导体CMOS工艺实现大规模片上集成，可大大降低制造开发的成本。同时，硅材料的高折射率和硅波导的强光场束缚特性能够有效降低器件尺寸，更加符合器件小型化的发展趋势。

C.Doerr等人在2011年美国光电子激光学会议CLEO上发表的“Monolithicgridless 1x2wavelength-selective switch in silicon单片集成无栅格1×2硅基波长选择开关”以及Y.Goebuchi等人在2008年Optics Express第16卷第535-548卷“Optical cross-connect circuit using hitlesswavelength selective switch基于无损波长选择开关的光交叉互连线路”中分别提出了基于级联马赫-曾德干涉器和微环谐振腔的硅基波长选择开关，这两个方案都实现了不同波长通道间的路由选择，但不足之处在于体积较大，整体结构较复杂，且需要多个子单元的精确协调对准，增加了实际调节的难度。

中国专利文献号CN103986671，公开日2014-8-13，公开了一种光纤通信技术领域的基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S型结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。但该现有技术相比本申请的不足之处在于只能实现两个波长到两个端口的路由，而不能实现多个波长到两个端口的路由。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的波长选择开关，本发明应用于波分复用光通信网络，为可重构光分插复用单元中的波长选择开关提供了一种构建方案，本发明的器件整体制备工艺与成熟的互补金属氧化物半导体CMOS工艺相兼容，还兼有结构紧凑，便于调节的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：待处理信号发生模块、波长选择开关模块和处理后信号观测分析模块，其中：待处理信号发生模块产生待处理的光信号并由波长选择开关模块的输入端输入，波长选择开关模块的输出端向处理后信号观测分析模块输出处理后的信号；

所述的波长选择开关模块为1×2波长选择开关，具体包括基于外环嵌套子环对的结构模式的硅基微环谐振腔，该硅基微环谐振腔中同时存在沿相反方向传播的两个相互作用的模式，通过调节两个相互作用的模式实现波长通道的开关控制。

所述的调节两个相互作用的模式的方式是指：调整硅基微环谐振腔中外环的周长与嵌套子环的周长的比值以调节分裂谐振峰间的未分裂谐振峰的数目，进而调整波长通道的透射率，实现波长通道的开启或者关闭。

所述的波长选择开关模块的两个输出端的透射方程分别为：

$>T_{\mathrm{OUT}1}=\frac{-\sqrt{A}{{{\kappa }_1}^{2}e}^{\mathrm{i\Phi }/2}{M}_T[1-A{r_1}^2{e}^{\mathrm{i\Phi }}(M_T^2-M_D^2)]}{1-2A{r_1}^2{e}^{\mathrm{i\Phi }}+A^2{r_1}^4{e}^{2\mathrm{i\Phi }}{(M_T^2-M_D^2)}^2},T_{\mathrm{OUT}2}=\frac{r_1[1-2A^{e^{\mathrm{i\Phi }}}+A^2{r_1}^2{e}^{2\mathrm{i\Phi }}{(M_T^2-M_D^2)}^2]}{1-2A{r_1}^2{e}^{\mathrm{i\Phi }}+A^2{r_1}^4{e}^{2\mathrm{i\Phi }}{(M_T^2-M_D^2)}^2},$>

其中：

r_i和κ_i，i＝1,2分别为是长度为L_i，i＝1,2的定向耦合器的直通系数和耦合系数，A和a则分别为外环和单个嵌套子环的单圈传输率，Ф和是外环和单个嵌套子环的单圈相移。

所述的调整外环和单个嵌套子环的单圈相移Ф和通过调节环绕嵌套子环对的微纳加热片上的功率来实现。

所述的待处理的光信号为10Gb/s光非归零伪随机序列。

所述的嵌套子环对的数量为1对及以上。

所述的待处理信号发生模块包括可调激光器和电光调制模块，其中，可调激光器产生连续光载波且输出端口与电光调制模块的输入端口相连，电光调制模块将由电信号发生器产生的电伪随机序列调制到光载波上，产生待处理的光伪随机序列。

所述的处理后信号观测分析模块包括：功率分束器、频域观测分析系统和时域观测分析系统，其中，功率分束器的输入端与1×2波长选择开关模块的输出端通信，功率分束器的输出分别与时域观测分析系统和频域观测分析系统相连，分别用于观察波长选择处理后的眼图和观测输出信号的频谱。

本发明增加嵌套子环对的数目可实现相邻两个分裂的谐振峰间若干个波长通道的选择性开启和关闭。

本发明的波长选择开关可充分利用谐振腔内部的空间，使得器件整体结构紧密，体积仅为微米数量级，实际制备的含有一组嵌套子环对和两组嵌套子环对的硅基1×2波长选择开关尺寸仅分别为140μm×40μm和240μm×40μm。同时，由于本发明所提出的波长选择开关针对单一硅基微环谐振腔原有谐振波长的进行选择性分裂，所以相比于基于级联硅基微环谐振腔的波长选择开关不需要精确对准各个子环的谐振峰，因而实际调节会更加方便。此外，器件的整体制备工艺与成熟的互补金属氧化物半导体CMOS工艺完全兼容，适于低成本开发和大规模集成。该方案的可行性已通过10-Gb/s光非归零伪随机序列进行系统验证。由于基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关具有以上诸多优点，这类结构的波长选择开关具有较好的发展和应用前景。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2中：(a)为基于一组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关结构示意图，(b)为与(a)中虚线框内嵌套子环对的局部放大图；

图3中：(a)为基于一组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关中输出端1的归一化透射频谱，(b)为基于一组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关中输出端2的归一化透射频谱，(c)为图(a)和图(b)中的在1551.8nm～1555.8nm波长范围内的局部放大图；

图4中：(a)为实际制备的含有一组嵌套子环对的波长选择开关的微纳显微镜照片，(b)为含有两个嵌套子环对的波长选择开关的微纳显微镜照片；

图5中：(a)为实测基于一组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关输出端2的归一化透射频谱，(b)中实线为图(a)中λ₁波长附近的归一化的透射频谱放大图，虚线为采用散射矩阵法拟合计算得到的归一化透射频谱，(c)～(f)为对图4(a)加热器分别施加0.0mW，5.8mW，11.1mW和16.1mW加热功率后，输出端1的归一化透射频谱；

图6中：(a)为实测基于两组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关输出端1的归一化透射频谱，(b)～(f)为图4(b)中加热器分别施加4.5mW，8.8mW，13.0mW，17.0mW和20.7mW加热功率后输出端1的归一化透射频谱；

图7为实施例1的系统测试装置图；

图8中：(a-I)、(a-II)分别为当基于一组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关的加热器分别施加0.0mW，5.8mW，11.1mW和16.1mW加热功率后输出端1和输出端2的在波长λ₁～λ₄处的时域眼图，(b-I)和(b-II)分别为当基于两组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关的加热器分别施加0.0mW，4.5mW，8.8mW，13.0mW，17.0mW和20.7mW加热功率后输出端1和输出端2的在波长λ1’～λ6’处的时域眼图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：待处理信号发生模块、基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关模块以及处理后信号观测与分析模块。其中，待处理信号发生模块与基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关模块的输入相连接，处理后信号观测与分析模块与基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关模块的输出相连接。

图2中(a)为基于一组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关的器件结构示意图。通过在单一硅基微环谐振腔中引入嵌套子环对，使得在同一谐振腔中同时存在沿相反方向传播的两个模式。这两个模式之间的相互耦合和作用会使得外环谐振腔的某些波长发生谐振分裂，进而改变原有波长通道的透射率，实现波长通道的开启或者关闭。根据散射矩阵法推导计算，图2中输出端1和输出端2的透射方程分别为：

$>T_{\mathrm{OUT}1}=\frac{-\sqrt{A}{{{\kappa }_1}^{2}e}^{\mathrm{i\Phi }/2}{M}_T[1-A{r_1}^2{e}^{\mathrm{i\Phi }}(M_T^2-M_D^2)]}{1-2A{r_1}^2{e}^{\mathrm{i\Phi }}+A^2{r_1}^4{e}^{2\mathrm{i\Phi }}{(M_T^2-M_D^2)}^2},$>

$>T_{\mathrm{OUT}2}=\frac{r_1[1-2A^{e^{\mathrm{i\Phi }}}+A^2{r_1}^2{e}^{2\mathrm{i\Phi }}{(M_T^2-M_D^2)}^2]}{1-2A{r_1}^2{e}^{\mathrm{i\Phi }}+A^2{r_1}^4{e}^{2\mathrm{i\Phi }}{(M_T^2-M_D^2)}^2},$>其中：M_T、M_D分别代表嵌套子环对透射端和反射端的传输方程，可分别表示为：

其中：r_i和κ_i，i＝1,2分别为是长度为L_i，i＝1,2的定向耦合器的直通系数和耦合系数，A和a则分别为外环和单个嵌套子环的单圈传输率，Ф和是外环和单个嵌套子环的单圈相移。实际中可以通过调节环绕嵌套子环对的微纳加热片上的功率来改变Ф和的值，进而在不移动外环谐振波长的前提下改变分裂谐振波长的位置，从而实现不同波长的路由选择。仿真结果显示，当狭缝宽度为0.18μm，直线耦合长度L₁＝4μm、L₂＝2μm，嵌套子环半径R＝10μm，同时内外环周长比等于4时，器件输出端1和输出端2的消光比分别为18dB和20dB。通过增加嵌套子环对和外环之间的耦合或者降低器件的损耗，消光比还可以进一步增加。

如图4所示，所述的基于一组和两组嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关的显微镜照片。待测器件在绝缘体上硅silicon-on-insulator晶片上制备完成，顶硅厚度为220nm。器件整体结构由248-nm深紫外线光刻及后续的等离子体深硅刻蚀工艺完成。器件输入输出端口采用光栅耦合器与单模光纤进行耦合。所制备热光效应微纳加热片与嵌套子环对部分重合，以便通过热光效应调节分裂谐振峰的位置，实现对波长的路由选择。

针对基于含有一组和两组嵌套子环对的硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关分别设计并演示了四组和六组系统测试来证明本发明的可行性：1)对于基于一组嵌套子环对的硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关，对微纳加热器分别施加0.0mW，5.8mW，11.1mW和16.1mW加热功率后观察四个波长通道λ₁～λ₄处的眼图，2)对于基于两组嵌套子环对的硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关，对微纳加热器分别施加0.0mW，4.5mW，8.8mW，13.0mW，17.0mW和20.7mW加热功率后观察六个波长通道λ1’～λ6’处的眼图。测试中每组实验的输出端1和输出端2的眼图如图7和8所示，可以看出实测结构证明了本发明所提出的器件能够实现波长通道的路由选择功能，这很好地证明了本发明所提出的基于嵌套子环对硅基微环谐振腔的1×2波长选择开关的可行性。