基于硅基微环的光控可调光延迟线的装置和方法

摘要

一种基于硅基微环的光控可调光延迟线的装置和方法，属于光通信技术领域。装置包括：数据包发射机、泵浦控制光产生系统，硅基微环及其耦合系统、数据包延迟测量系统，其中：数据包发射机和泵浦控制光通过3dB耦合器相连，耦合器的输出与硅基微环及其耦合系统相连，从硅基微环输出的光输入到数据包延迟测量系统来计算数据包的相对延迟量。本发明中用硅基微环作为超小可集成的片上延迟线，用跟数据包一起耦合进入硅基微环的泵浦光控制数据包的延迟量。通过连续地调节可调光衰减器，可以连续地改变泵浦光的功率，从而实现对数据包延迟量精确连续的调节。本发明需要的泵浦功率低，方法简单，在外部控制，无需在器件的制作上增加额外的部分。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信技术领域的装置和方法，具体是一种基于硅基微环的光控可调光延迟线的装置和方法。

背景技术

光缓存技术是一种新兴的用以解决全光光交换网络以及计算机全光互连中数据包竞争的一项关键技术。特别地，采用微纳米波导结构的片上光缓存技术能应用于集成光路中。近来兴起的绝缘体上硅结构技术为光电集成器件提供了一个良好的平台，该结构的制作工艺与CMOS集成电路工艺完全兼容，制作的器件结构紧凑，尺寸可以达到亚微米级。光缓存的本质就是光延迟线，一般需要利用材料色散或结构色散引起的谐振增强效应以减小延迟线的长度。材料色散引起的谐振增强一般要利用材料的非线性效应，需要很高的控制光功率；结构色散引起的谐振增强通过设计谐振腔的结构，利用器件的线性效应实现延迟，具有更大的灵活性。

经对现有技术文献的检索发现，Fengnian Xia等人发表在自然光子学2007年第一期的文章“Ultracompact optical buffers on a silicon chip”(硅基片上超小型光缓存)，该文中在硅片上制作出了一个超小的光缓存器。该装置中，设计了级联了最多达100个的单端耦合的环形谐振腔构成的延迟线以及相互耦合的环形谐振腔构成的延迟线，能对20Gb/s的真实数据延迟10比特。该方法虽然提供的延迟量大，但不足之处在于延迟量固定不可调，缺乏灵活性。而很多应用场合需要光缓存的延迟可调。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于硅基微环的光控可调光延迟线的装置和方法，该技术利用硅基微环谐振腔的线性效应进行延迟，通过光泵浦注入产生的热效应对延迟进行调节，即通过光泵浦使硅基微环的温度升高，折射率发生变化，导致谐振峰的红移，从而等效于改变了输入信号的波长，也即信号通过硅基微环的延迟量发生了变化。本发明具有精确调节延迟量的优点，因为改输入泵浦功率的控制可以使延迟量从0到最大值范围内连续可调，达到对信号的延迟量进行精确的微调。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的基于硅基微环的光控可调光延迟线的装置，包括：数据包发射机、泵浦控制光产生系统，硅基微环及其耦合系统、数据包延迟测量系统。其中：数据包发射机和泵浦控制光产生系统同时与硅基微环及其耦合系统相连，从硅基微环输出的光输入到数据包延迟测量系统来计算数据包的相对延迟量。

所述的数据包发射机包括第一激光器、电信号发生器、电光调制器以及光放大器。其中：第一激光器的输出端口与电光调制器的输入端口相连，电信号发生器输出端口与电光调制器的电信号输入端口相连，电光调制器负责将电信号调制到光上，产生具有特定码型的数据包，光放大器将数据包放大以补偿电光调制器的插入损耗。

所述的泵浦控制光产生系统包括第二激光器、高功率光放大器以及可调光衰减器。其中：第二激光器的输出端口和高功率光放大器输入端口相连，高功率光放大器输出端口与可调光衰减器输入端口相连，可以连续改变泵浦光功率的大小。

所述高功率光放大器，是指饱和输出功率大于20dBm的光放大器。

所述的硅基微环及其耦合系统包括硅基环形谐振腔、端面切平的输入裸光纤和输出裸光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、耦合器、功分器、功率监控器。其中：第一偏振控制器的输入端与数据包发射机的输出相连，第二偏振控制器的输入端和泵浦控制光产生系统的输出相连，第一偏振控制器的输出端和第二偏振控制器的输出端与耦合器的两个输入相连，耦合器的输出与输入裸光纤相连，输入裸光纤将光从光纤耦合到硅基微环中，输出裸光纤用来收集来自硅基微环的光，其输出与功分器的输入端相连，功分器输出功率较大的输出端口与数据包延迟测量系统相连，输出功率较小的输出端口与功率监控器相连。

所述的数据包延迟测量系统包括光放大器、可调光带通滤波器、示波器。其中：光放大器与硅基微环及其耦合系统的输出相连，可调光带通滤波器与光放大器的输出相连，以分离出数据包，可调光带通滤波器的输出连到示波器上。

本发明利用硅基环形谐振腔对数据包进行延时，该延时量在谐振波长处最大，偏离谐振波长越远，延时量越小。该延时能通过改变注入泵浦控制光功率的办法精确控制。其具体为泵浦光波长位于谐振谱中不同于数据包信号波长的另一谐振峰附近，泵浦光产生的热效应改变硅基微环的折射率，使得硅基微环的谐振谱往低频方向移动，不同的泵浦光功率导致不同的谐振谱的偏移量，从而相当于通过调节数据信号包的波长来控制延时量。

本发明涉及的基于硅基微环的光控可调光延迟线的方法，包括如下具体步骤：

步骤一，在数据包发射机中，将电信号发生器产生的伪随机序列通过电光调制器调到光上，产生所需要码型的数据包。

步骤二，关闭泵浦信号，调节与数据包发射机支路相连的第一偏振控制器，使功率监控器探测到的光的输出功率最大，固定第一偏振控制器的位置。调节数据包信号支路的波长，观察功率监控器的读数，使功率监控器探测到的光功率最小，则数据包波长刚好位于硅基微环的一个谐振峰处。调节数据包延迟测量系统的可调光带通滤波器，使得可调光带通滤波器中心波长和数据包的波长一样。

步骤三，打开产生泵浦光的第二激光器，关闭数据包发射机。调节与泵浦控制光产生系统相连的第二偏振控制器，使功率监控器探测到的光最大，固定该偏振控制器的位置。调节第二激光器的输出波长(不同于数据包信号波长的另一谐振峰位置)，观察功率监控器的读数，使功率监控器探测到的光功率最小，找到硅基微环的另一个谐振峰，再继续增大波长，使功率监控器的读数增大约3dB，将此波长设为泵浦光的波长。

步骤四，打开数据包发射机，调节泵浦控制光产生系统的可调光衰减器使衰减最大，在示波器下记录下通过硅基微环及其耦合系统和数据包测量系统后的数据包信号光的波形；连续调节泵浦控制光产生系统的可调光衰减器，记录下输入到裸光纤的泵浦光功率以及对应的波形。

步骤五，对于记录的波形，通过单个信号脉冲的边沿或峰值处的位置判断延迟量，这样可以得到一条延迟量随入纤泵浦光功率的定标曲线，通过该定标曲线，可以调节入纤泵浦功率得到需要的延迟量。

所述通过单个信号脉冲的边沿或峰值处的位置判断延迟量，具体方法是以数据包信号完全偏离谐振时的边沿或峰值位置作为参考位置，延迟量为边沿或峰值处位置与参考位置之差。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明在数据包的支路上加入了控制光，使得数据包的延迟量可以通过改变控制光的光功率精确可调。而Fengnian Xia等人的装置只能实现固定的延迟量。另外，本发明利用泵浦光产生的热效应调节延迟，由于热效应是最容易产生的效应，因此需要的泵浦功率低。延迟发生变化的阈值功率约为0dBm(输入裸光纤处测得)，使信号波长完全偏离谐振位置的功率约为10dBm。此外，此方法简单，在外部控制，无需在器件的制作上增加额外的部分，使得制作工艺上简单。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的实施例中实验装置和器件结构图；

图3为本发明的实施例结果图。

具体实施方式

下面结合附图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。

如图1所示，本发明基于硅基微环的光控可调光延迟线的装置的结构原理图，包括：数据包发射机、泵浦控制光产生系统、硅基微环及其耦合系统、数据包延迟测量系统。其中：数据包发射机和泵浦控制光同时与硅基微环及其耦合系统相连，从硅基微环输出的光输入到数据包延迟测量系统来计算数据包的相对延迟量。

所述的数据包发射机包括第一激光器、电信号发生器、电光调制器、光放大器。其中：第一激光器的输出端口与电光调制器的输入端口相连，电信号发生器输出端口与电光调制器的电信号输入端口相连，电光调制器负责将电信号调制到光上，产生具有特定码型的数据包，光放大器将数据包放大以补偿电光调制器的插入损耗。

所述的泵浦控制光产生系统包括第二激光器、高功率(饱和输出功率大于20dBm)光放大器以及可调光衰减器。其中：第二激光器的输出端口和高功率光放大器输入端口相连，高功率光放大器输出端口与可调光衰减器输入端口相连，可以连续改变泵浦光功率的大小。

所述的硅基微环及其耦合系统包括硅基环形谐振腔、端面切平的输入裸光纤和输出裸光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、耦合器、功分器、功率监控器。其中：第一偏振控制器的输入端与数据包发射机的输出相连，第二偏振控制器的输入端和泵浦控制光产生系统的输出相连，第一偏振控制器的输出端和第二偏振控制器的输出与耦合器的两个输入相连，耦合器的输出与输入裸光纤相连，裸光纤将光从光纤耦合到硅基微环中，输出裸光纤用来收集来自硅基微环的光，其输出与功分器的输入端相连，功分器输出功率较大的输出端口与数据包延迟测量系统相连，输出功率较小的输出端口与功率监控器相连。

所述的数据包延迟测量系统包括光放大器、可调光带通滤波器、示波器。其中：光放大器与硅基微环及其耦合系统的输出相连，可调光带通滤波器与光纤放大器的输出相连，以分离出数据包，可调光带通滤波器的输出连到示波器上。

本发明上述的第一偏振控制器、第二偏振控制器、电光调制器等部件的个数可以调整，既可以为一个，也可以为多个。

如图2所示，为实施例对归零码格式的数据包进行光控调节延迟的情况。图2(a)是装置图。

步骤一，在数据包发射机中，第一激光器输出连续光载波送到电光调制器，电信号发生器产生5Gb/s的长度为2⁷-1的伪随机电信号以及5GHz的正弦信号，电光调制器用来将电信号调到光上，产生占空比为50％的归零码。其中电信号发生器包括第一电信号发生器产生伪随机电信号和第二电信号发生器产生正弦信号，以及第一电放大器和第二电放大器以产生能够驱动电光调制器的射频信号；电光调制器包括第一马赫曾德调制器用来将第一电信号发生器产生的伪随机电信号调到光上，产生非归零格式的光信号，第二马赫曾德调制器用来将第二电信号发生器产生的正弦信号调到光上，产生光时钟信号将非归零格式的光信号切割成归零格式；分别位于第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器前的第三偏振控制器和第四偏振控制器分别控制第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器的偏振态；以及位于第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器之间的可调光纤延迟线用来同步非归零格式的光信号和光时钟信号。第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器的偏置电压都约为3.1V。第一光放大器包括第一掺铒光纤放大器和第一带通滤波器，将第二马赫曾德调制器的输出放大和滤波后作为最终的数据包信号。

步骤二，关闭泵浦信号，调节与第一带通滤波器相连的第一偏振控制器使功率监控器探测到的光的输出功率最大，固定第一偏振控制器的位置。其中硅基微环及其耦合系统中用到的耦合器为3dB耦合器，功分器为95:5的功分器。调节第一激光器的波长，观察功率监控器的读数，使功率监控器探测到的光功率最小，则数据包波长刚好位于硅基微环的一个谐振峰处，此时第一激光器的波长为1548.675nm附近，在输入裸光纤处测得的数据包功率为-7dBm。调节数据包延迟测量系统的可调光带通滤波器，使得可调光带通滤波器中心波长也为1548.675nm。

步骤三，打开产生泵浦光的第二激光器，关闭数据包发射机。调节与泵浦控制光产生系统相连的第二偏振控制器，使功率监控器探测到的光最大，固定该偏振控制器的位置。调节第二激光器的输出波长，观察功率监控器的读数，使功率监控器探测到的光功率最小，找到硅基微环的另一个谐振峰，再继续增大波长，使功率监控器的读数增大约3dB，将此波长设为泵浦光的波长，此时泵浦光的波长为1552.860nm。其中泵浦控制光产生系统中的高功率光放大器包括饱和输出功率为21dBm的高功率掺铒光纤放大器以及第二带通滤波器以滤除自发辐射噪声。

步骤四，打开数据包发射机，调节泵浦控制光产生系统的可调光衰减器使衰减最大(约60dB衰减)，在示波器下记录下通过硅基微环及其耦合系统和数据包测量系统后的数据包信号光的波形；连续调节泵浦控制光产生系统的可调光衰减器，记录下输入到裸光纤的泵浦光功率以及对应的波形。其中硅基微环的结构图如图2(b)所示。图2(b-i)和(b-ii)为不同放大倍数下硅基微环的俯视图。硅基微环半径为20微米，宽450纳米，直波导和环之间的空气间隙为120纳米。图2(b-iii)为硅基微环的横截面示意图。用来制作硅基微环的绝缘体上的硅结构最上方为250纳米厚的单晶硅，中间是3微米厚的二氧化硅缓冲层，最下面是525微米厚的硅衬底。数据包测量系统中的第二光放大器包括第二掺铒光纤放大器和第三掺铒光纤放大器两级放大。

步骤五，对于记录的波形，通过单个信号脉冲的峰值处的位置判断延迟量，这样可以得到一条延迟量随入纤泵浦光功率的定标曲线，通过该定标曲线，可以调节入纤泵浦功率得到需要的延迟量。

如图3所示，是本实施例的结果图。图3(a-i)和(a-ii)分别为硅基微环的两个谐振峰，其中数据包信号波长位于图3(a-i)对应的谐振峰附近，中心波长为1548.675nm。泵浦光波长位于图3(a-ii)对应的谐振峰附近，中心波长为1552.860nm。图3(a-i)对应的谐振峰深度约为8dB，3dB带宽约为0.036nm；图3(a-ii)对应的谐振峰深度约为10dB，3dB带宽约为0.038nm。图3(b)为泵浦功率在-37dBm，3.2dBm，13.6dBm时的数据包信号脉冲波型。当泵浦功率很低时(如-37dBm)，数据包的波长刚好位于谐振峰的中心，延迟量最大。图3(c)为延迟量与泵浦功率的关系曲线，入纤泵浦功率大约在0dBm时延迟量开始减小。泵浦功率从0dBm增加到约10dBm延迟就可从最大延迟量约70ps连续调节到0。图3(d)为谐振处和非谐振处数据包信号通过硅基微环后的误码率曲线，二者的接收机灵敏度只相差不到1dB，可见数据包信号在获得可变延迟的同时信号质量几乎不发生变化。