基于模式分裂硅基微环的双通道波长转换的装置

摘要

一种基于模式分裂硅基微环的双通道波长转换的装置，属于光纤通信技术领域。本发明包括：探测信号发生器，泵浦信号发生器，硅基微环谐振系统，双通道波长转换测量系统，泵浦信号发生器和探测信号发生器的输出同时与硅基微环谐振系统的输入相连，硅基微环谐振系统的输出与双通道波长转换测量系统输入相连，其中：所述的硅基微环谐振系统包括硅基微环、直波导、第二耦合器、功分器、功率监控器，硅基微环和直波导的距离为几十到几百纳米，硅基环形谐振腔的输出用功分器分成两部分，其中功率大的输出与波长转换测量系统相连，功率小的输出与功率监控器相连。本发明装置具有体积小，结构简单，易于大规模集成的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤通信技术领域的波长转换装置，具体是一种基于模式分裂硅基微环的双通道波长转换的装置。

背景技术

在波分复用系统网络交汇和分支的节点部分，具有相同接收地址，也就是说相同波长的光信号有可能产生“冲突”。为避免这种冲突，需要将其中一种光信号的波长转换成另一个波长上。双通道波长转换是全光交换网络的一项关键技术，它将一个通道的数据信息转换到另外两个不同的通道。特别地，采用微纳米波导结构的片上双通道波长转换技术能应用于集成光路中。近年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，尺寸为亚微米级。因此在集成的绝缘体上硅结构上设计用于全光信号处理功能的器件是近来一个研究热点。

已有的双通道波长转换，集中在利用半导体光放大器材料，但尚未见到基于模式分裂硅基微环的双通道波长转换。

经对现有技术的文献检索发现，H.S.Chung等在《Electronics Letters》(《电子快报》)2005年第41期第432-433页上发表的“All-opticalmulti-wavelength conversion of 10 Gbit/s NRZ/RZ signals based on SOA-MZIfor WDM multicasting”(用于波分复用系统的基于半导体放大器-马赫曾德结构的10Gbit/s非归零/归零数据的全光多通道波长转换)，该文中提出利用半导体光放大器进行双通道波长转换，其原理是交叉相位调制，具体为：先将多束探测光分为两束相干光，泵浦光利用交叉相位调制对其中一束进行调制，使此束光相位随泵浦光而变化，然后利用干涉仪使两束光发生相干，干涉光强度随相位变化，从而达到实现多通道波长转换目的。其不足在于半导体光放大器尺寸一般有毫米量级。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于模式分裂硅基微环的双通道波长转换的装置，该技术利用具有模式分裂的硅基微环谐振腔中的载流子非线性效应实现双通道波长转换，将强的泵浦信号和两束弱的探测信号注入谐振腔中，两束探测信号分别位于具有模式分裂的两个谐振位置。泵浦信号通过双光子吸收效应产生自由载流子，产生的载流子将通过载流子色散效应导致折射率发生变化，从而使谐振峰往高频方向移动，将幅度调制信号转换到两束探测光上，从而实现双通道的波长转换，这种装置具有体积小、结构简单，易于大规模集成的优点。本发明基于硅基微环的尺寸则为微米量级。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：探测信号发生器、泵浦信号发生器、硅基微环谐振系统、双通道波长转换测量系统。探测信号发生器和泵浦信号发生器的输出同时与硅基微环谐振系统的输入相连，硅基微环谐振系统的输出与双通道波长转换测量系统的输入相连。

所述的探测信号发生器，包括第一可调激光器、第二可调激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一耦合器、第一光放大器，其中第一可调激光器和第二可调激光器均产生连续的激光，波长分别对应具有模式分裂的两个谐振峰，第一可调激光器的输出与第一偏振控制器的输入相连，第二可调激光器的输出与第二偏振控制器的输入相连，第一偏振控制器和第二偏振控制器分别控制进入波导的两束探测信号的偏振态，两偏振控制器的输出与第一耦合器的输入相连，第一耦合器的输出与第一光放大器的输入相连。

所述的泵浦信号发生器，包括第三可调激光器、电信号发生器、电光调制器、第二光放大器、第三偏振控制器。其中：第三可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔中的另外一个谐振位置，其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，产生非归零格式的光信号，并用第二光放大器将光信号放大以作为泵浦光，第二光放大器的输出与第三偏振控制器的输入相连。

所述的硅基微环谐振系统，包括硅基微环、直波导、第二耦合器、功分器、功率监控器。第一光放大器和第三偏振控制器的输出与第二耦合器的输入相连，第二耦合器的输出与直波导的输入相连，硅基微环和直波导的距离为几十到几百纳米，直波导的输出与功分器相连，通过功分器将功率分成两部分，其中功率大的部分输出与双通道波长转换测量系统相连，功率小的部分输出与功率监控器相连。其中硅基微环的制备采用电子束曝光技术，在微环的侧壁产生周期性的光栅结构，光栅对通过直波导进入微环的光进行反射，使环形谐振腔的谐振峰发生分裂，形成两个靠得很近的谐振峰(间距小于一个纳米)。

所述的双通道波长转换测量系统，包括第三光放大器、可调光带通滤波器和示波器。第三光放大器的输入为硅基微环谐振腔系统的输出，第三光放大器的输出与可调光带通滤波器的输入相连，可调光带通滤波器的带宽小于或者等于0.3nm，用来滤出一个探测信号通道，可调光带通滤波器的输出与示波器的输入相连，通过示波器测量波长转换波形。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明使用硅基微环谐振腔作为双通道波长转换的装置，相比现有技术而言体积小(半径只有几微米至几十微米)，而现有技术中半导体光放大器尺寸一般有毫米量级，非线性光纤尺寸一般为米量级，电吸收调制器一般为毫米量级，铌酸锂晶体一般为毫米量级。同时由于绝缘体上硅结构的制作工艺与超大规模集成电路完全相同，因此易于大规模光电集成。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明实施例进行双通道波长转换的装置图和器件结构图；

其中：图2(a)是实施例进行双通道波长转换的装置图；图2(b-i)为硅基微环的俯视图；图2(b-ii)为硅基微环的横截面示意图。

图3为本发明实施例测试结果图；

其中：图3(a)是实施例硅基微环的谐振光谱图；图3(b)是实施例双通道波长转换波形图。

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，本实施例包括：探测信号发生器，泵浦信号发生器，硅基微环谐振系统，双通道波长转换测量系统。其中泵浦信号发生器和探测信号发生器的输出同时与硅基微环谐振系统的输入相连，硅基微环谐振系统的输出与双通道波长转换测量系统的输入相连。

所述的探测信号发生器，包括第一可调激光器、第二可调激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一耦合器、第一光放大器，其中第一可调激光器和第二可调激光器均产生连续的激光，波长分别对应具有模式分裂的两个谐振峰，第一可调激光器的输出与第一偏振控制器的输入相连，第二可调激光器的输出与第二偏振控制器的输入相连，第一偏振控制器和第二偏振控制器分别控制进入波导的两束探测信号的偏振态，两偏振控制器的输出与第一耦合器的输入相连，第一耦合器的输出与第一光放大器的输入相连。

所述的泵浦信号发生器，包括第三可调激光器、电信号发生器、电光调制器、第二光放大器、第三偏振控制器。其中：第三可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔中的另外一个谐振位置，其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，产生非归零格式的光信号，并用第二光放大器将光信号放大以作为泵浦光，第二光放大器的输出与第三偏振控制器的输入相连。

所述的硅基微环谐振系统，包括硅基微环、直波导、第二耦合器、功分器、功率监控器。第一光放大器和第三偏振控制器的输出与第二耦合器的输入相连，第二耦合器的输出与直波导的输入相连，硅基微环和直波导的距离为几十到几百纳米，直波导的输出与功分器相连，通过功分器将功率分成两部分，其中功率较大部分输出与双通道波长转换测量系统相连，功率较小部分输出与功率监控器相连。其中硅基微环的制备采用电子束曝光技术，在微环的侧壁产生周期性的光栅结构，光栅对通过直波导进入微环的光进行反射，使环形谐振腔的谐振峰发生分裂，形成两个靠得很近的谐振峰(间距小于一个纳米)。

所述的双通道波长转换测量系统，包括第三光放大器、可调光带通滤波器和示波器。第三光放大器的输入为硅基微环谐振腔系统的输出，第三光放大器的输出与可调光带通滤波器的输入相连，可调光带通滤波器的带宽小于或者等于0.3nm，用来滤出一个探测信号通道，可调光带通滤波器的输出与示波器的输入相连，通过示波器测量波长转换波形。

如图2所示，为实施例进行双通道波长转换的装置图和器件结构图。图2(a)是装置图。在探测信号发生器支路，第一可调激光器和第二可调激光器分别产生两束连续的信号光，当两束光波长位于分裂的两个谐振位置(1552.54nm和1552.95nm)时，可以获得非反向双通道波长转换，当两束光波长位于分裂的两个谐振左侧(1552.50nm和1552.90nm)时，可以获得反向双通道波长转换，第一偏振控制器和第二偏振控制器分别控制进入波导的探测信号的偏振态。两束探测信号经第一3dB耦合器耦合，然后经第一掺铒光纤放大器放大。

在泵浦信号发生器支路，波长约为1560.5nm的第三可调光源输出的光载波进入马赫曾德调制器。马赫曾德调制器的偏置电压约为3.1V。电信号发生器产生1Gb/s，长度为2⁷-1的伪随机序列，经电放大器放大后，驱动马赫曾德调制器产生幅度调制的光信号。马赫曾德调制器的输出经过第二掺铒光纤放大器放大后与第三偏振控制器相连。

探测光和信号光通过第二3dB耦合器耦合进入硅基微环谐振系统，经过硅基微环谐振腔后的光信号用95∶5的功分器分成两部分。其中95％部分的光作为双通道波长转换测试系统的输入，另外5％部分用于功率监控。

在双通道波长转换测试系统中，第三掺铒光纤放大器用于放大输出信号，提高信噪比，其后的可调光带通滤波器，带宽为0.3nm，用以将一个通道的波长转换信号滤出，滤波后的信号用示波器记录其波形。

图2(b-i)为硅基微环的俯视图。硅基微环半径为10微米，微环和直波导宽都为450纳米，直波导和环之间的空气间隙为120纳米。图2(b-ii)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。

图3为本发明实施例测试结果图。图3(a)为测得的硅基环形谐振腔在1552.75nm附近具有模式分裂的谐振峰。具有模式分裂的两谐振峰分别位于1552.54nm和1552.95nm处，相隔0.41nm。左边谐振峰深度约为13.2dB，3dB带宽约为0.09nm；右边谐振峰深度约为12.4dB，3dB带宽约为0.07nm。当两探测信号分别为λ1和λ2时，可以获得非反向双通道波长转换，当两探测信号分别为λ3和λ4时，可以获得反向的双通道波长转换。图3(b-i)为泵浦信号的波形，图3(b-ii)和(b-iii)分别为非反向通道1和通道2经波长转换后的波形，图3(b-iv)和(b-v)分别为反向通道1和通道2经波长转换后的波形，验证了双通道波长转换装置的可行性。