专利名称：一种集成化可重构光插分复用器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成化可重构光插分复用器(Reconfigurable OpticalAdd/Drop Multiplexer, ROADM)，特别地，这种可重构光插分复用器是通过在一个半径较大的可调微 环谐振器(MRR)周围二维排布一系列半径较小的可调微环谐振器(MRR)实现的。
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爆炸式递增，普通的电信号网络已难以满足信息传输量的迅速增加。光信息传 输网络作为信息传输的基础网络为信息时代的发展提供了有力的技术支持，近几年来受到 科研人员的广泛关注，并得到了长足的发展，为社会的科技进步做出了很大的贡献。光网 络是在光纤提供大容量、长距离、高可靠的传输媒质的基础上，利用光子和电子控制技术实 现多节点网络的互联和灵活调度。光网络具有大带宽、大容量、高可靠等特点。波分复用 (WDM)技术的出现进一步挖掘了光纤的带宽潜力，极大的增加了光纤的传输容量，这为光层 的联网提供了有力保证，迅速提升了光网络的传输容量。ITU-T提出的光传输网(OTN)以波长作为交换粒度，通过光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM)实现组网，形成具有高度灵活性、透明性和生存性的光网络。尤 其是上世纪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更新的要求。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。光插分复用器(OADM)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)无法满足波长动态重构的功能，即难以满足网络发 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子系统，从而实 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的要求也大 大提高。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来增加ROADM的传输容量。 根据国际电信联盟(ITU)的规定对于一特定的系统，信道间隔是一定的，例如100GHZ的通 信系统，信道间隔为0.8nm。对于基于微环谐振器的ROADM而言，微环的自由普范围(FSR) 必须覆盖整个信道范围，所以对于基于微环谐振器的ROADM而言，提高传输容量可以通过 增大微环的自由普范围(FSR)从而增加信道数来实现。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。本方案采用级联半径不同的双环的办法来扩展自由 普范围(FSR)。
3)光网络向着大规模、高速、大容量方向的发展，对通信系统的可靠性提出了更高 的要求。对于基于微环谐振器的ROADM而言，单环的洛伦茨型的滤波特性很难满足通信系 统可靠性的要求，例如假设微环的谐振波长为λ ^而实际工作的波长与λ ^可能有一个很 小的偏差，这样实际工作的波长就不能准确的上下载，所以单环的洛伦茨型的滤波特性就 很难满足系统可靠性的要求了。因为很小的波长漂移就很可能导致数据传输的错误。由此 可见，对于高度稳定的通信系统而言，级联双环独特的平顶型的滤波特性具有很大的优势。 它可以容许小范围的波长漂移。本方案就是采用级联双环独特的平顶滤波特性来提高通信 系统的稳定性。材料方面绝缘体上硅(SOI)技术是一项硅集成电路技术，因为其工艺相对简单， 可靠性高，成本相对低廉等特点，在微电子行业中被广泛采用，目前已发展成为相对较为成 熟的微电子工艺技术。因此，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
(一)要解决的技术问题本发明的主要目的在于提供一种集成化可重构光插分复用器，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，利用级联半径不同的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，大大增加了光插分复用器的传输容量而且可以实现顶部平坦型的 滤波特性，提高了网络的稳定性。整个器件结构没有出现波导交叉，从而避免了因交叉波导 而引起的损耗和串扰问题，大大的提高了器件的通信效率，而且整个器件只需要十七个微 环谐振器就可以实现十六路性能良好的R0ADM，每一路都是由半径不同的双微环和互不交 叉的波导组成的滤波器单元，从而保证了滤波器单元的平顶特性和较大的自由普范围。(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种集成化可重构光插分复用器，该可重构光插分复用器单元采用级联可调双微环谐振器作为基本单元，包含有多个级联可调双微环谐振 器，其中每个级联可调双微环谐振器均包括两条互不交叉的直波导和两个半径不同的环形 波导，该两个环形波导位于两条直波导之间，且与两条直波导之间有一预定的耦合距离，且 两个环形波导之间也有一预定的耦合距离。上述方案中，该多个级联可调双微环谐振器共用半径较大的环形波导，该半径较 大的环形波导相当于每一信道的主线，每一信道都是由半径不同的大环形波导和小环形波 导构成，从而实现级联双环所独特的平顶滤波特性，展宽了器件的自由普范围。上述方案中，所述大环形波导的半径远大于小环形波导的半径，能够在大环形波 导的外围二维排布更多的小环形波导，从而增加信道数。上述方案中，该级联可调双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，该可重构光插分复用器是基于互不交叉波导结构的可调级联双微 环谐振器而构成，通过设计大环形波导的半径和热调谐的办法将大环形波导的自由普范 围设置成为器件工作时的信道间隔，这样假设波长λ工满足大环形波导的谐振条件，则波 长为λ 2 = λ 1+FSR、A3 = λ i+2FSR、……An= λ 1+nFSR的光信号也满足大环形波导的 谐振条件，所以只要通过热调谐使某一路中的小环形波导满足λρ A2= λ 1+FSR, A3 = λ !+2FSR,……λη= λ 1+nFSR中的一个谐振波长，则该波长的信号光就能够在该路信道上 下载，不满足小环形波导谐振条件的信号光将毫无影响的直通，这样就能够通过集成光学 的方式实现光网络节点中所需光信号的上下载而不影响其他光信号的传输。上述方案中，该可重构光插分复用器由16个并行排列的级联可调双微环谐振器 构成，来自单模光纤的多波长信号光在输入端输入，分别在器件的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，所述半径较大的微环谐振器为16个并行排列的滤波器单元所共用， 而且，通过设计其半径大小来确定其自由普范围，并把其自由普范围当作器件的信道间隔。上述方案中，所述级联可调双微环谐振器的具体实现过程是输入端由携带包含 波长λ 1、 λ 2= λ 1+FSR、λ 3 = λ 1+2FSR、……λ n = λ 1+nFSR的多波长信号的单模光纤 进行信号输入，FSR为大环的自由普范围，利用热光效应对滤波器单元中半径较小的微环谐 振器进行调谐，使每一个谐振器单元对应一个谐振波长Xi,其中，i = 1、2、…、16，从而在 上载端和下载端能够上下载一个对应的谐振波长Xi ；若第一个谐振器单元对应的谐振波 长为X1，则在下载端能够下载主线中光波长为X1的信号光，同时在上载端能够上载携带 本地信息的波长为λ ,的信号光；这样在第一个滤波器单元即第一信道完成波长为λ工的信 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能够同 时上下载16路不同波长的信号光，从而完成16路不同光信号的插分复用功能。(三)有益效果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集成化可重构光插分复用器，利用成熟的与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。采用级联半径不同的双环滤波器结构展宽了自由普范围(FSR)从而可以增加器件的信道数，信道数的增加可以大大增加器件的信息吞吐量。利用双环所具有的独特的平顶滤波特性大大的提高了器件的稳定性，而且，整个器件 无任何波导交叉，从而避免了交叉波导引起的损耗和串扰问题，而且整个器件只需十七个 微环，与一般的具有相同性能的ROADM相比，其使用的微环数大大减少，从而使整个器件更 加紧凑。
图1为平行的级联双微环谐振器的滤波器结构；图2为基于互不交叉波导的级联双微环谐振器的集成化16路可重构光插分复用 器结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明提出的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。该可重构光插分复用器是利用基于硅 基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。采用级联双环滤波器结构展宽了自由普范围(FSR)从而可以 增加器件的信道数，信道数的增加可以大大增加器件的信息吞吐量。利用双环所具有的独 特的平顶滤波特性大大的提高了器件的稳定性。对于集成光子学而言，波导交叉耗损和串 扰问题是一个很难避免的问题，而我们提出的这种器件结构经过巧妙的设计使整个器件中 无任何交叉波导出现，从而避免了因波导交叉而带来的耗损和串扰，这也是该器件结构的 独特之处。图1为平行的级联双微环谐振器的滤波器结构。端口 I为输入端，端口 T为直通 端，端口 D为下载端，端口 A为上载端，并假定两个微环的谐振波长都为λ ”大环的自由 普范围(FSR)经过半径设计和热调谐的办法确定为0.8nm。在输入端输入包含λρ λ2 = λ i+FSR、A3 = λ i+2FSR、……An= λ 1+nFSR的多波长信号(FSR为大环的自由普范围) 则在大环内有波长为λ” λ2……λη的信号光在其内谐振，对于半径较小的环而言，只有 λ ！满足谐振条件，所以波长为λ工的信号光在下载端口 D被下路，不满足谐振条件的其他波 长的信号光在直通端口 T输出，在上载端口 A可以上载满足谐振条件、携带本地信号波长为 λ ！的信号光。这种滤波器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小微环的折射率从而改变小微环的谐振波长，从而可以上下载 入工、A2……λ η中任意波长的信号光，即谐振波长动态可重构。而其整个滤波器结构没有 出现波导交叉，从而避免了因波导交叉而带来的损耗和串扰。图2为由图1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DD1,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波长为 λ ” λ 2 = λ i+FSR、λ 3 = λ i+2FSR、......λ 16 = λ 1+16FSR(FSR大环的自由普范围)的多波长信号光且波长λ” λ 2……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λ2……λ16 的信号光，在上载端DAnA2……A16可以分别上载携带本地信息的波长为X1, A2……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，而其， 可以通过热调谐的办法调谐半径较小的微环从而可以改变某一信道的工作波长。至此，该 器件完成了 16路波长信号的光插分复用。本发明提供的一种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，各个滤波 器单元中半径较小的微环谐振器在没有加热调谐的情况下的谐振波长是相同的，我们可以 通过热调谐的办法来改变小微环谐振器的谐振波长以满足本地上下载不同波长的光信号 的需要。至此，我们已经参照
了本发明实现一种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。
权利要求
一种集成化可重构光插分复用器，其特征在于，该可重构光插分复用器单元采用级联可调双微环谐振器作为基本单元，包含有多个级联可调双微环谐振器，其中每个级联可调双微环谐振器均包括两条互不交叉的直波导和两个半径不同的环形波导，该两个环形波导位于两条直波导之间，且与两条直波导之间有一预定的耦合距离，且两个环形波导之间也有一预定的耦合距离。
2.根据权利要求1所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，该多个级联可调 双微环谐振器共用半径较大的环形波导，该半径较大的环形波导相当于每一信道的主线， 每一信道都是由半径不同的大环形波导和小环形波导构成，从而实现级联双环所独特的平 顶滤波特性，展宽了器件的自由普范围。
3.根据权利要求1所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，所述大环形波导 的半径远大于小环形波导的半径，能够在大环形波导的外围二维排布更多的小环形波导， 从而增加信道数。
4.根据权利要求1所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，该级联可调双微 环谐振器是通过热光调制的可调谐微环谐振器。
5.根据权利要求1所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，该可重构光 插分复用器是基于互不交叉波导结构的可调级联双微环谐振器而构成，通过设计大环 形波导的半径和热调谐的办法将大环形波导的自由普范围设置成为器件工作时的信道 间隔，这样假设波长λ 1满足大环形波导的谐振条件，则波长为λ2= λ 1+FSR, A3 = Xi+2FSR.......An= λ 1+nFSR的光信号也满足大环形波导的谐振条件，所以只要通过热调谐使某一路中的小环形波导满足λ” A2= λ 1+FSR, A3= λ 1+2FSR.......An =λ i+nFSR中的一个谐振波长，则该波长的信号光就能够在该路信道上下载，不满足小环形 波导谐振条件的信号光将毫无影响的直通，这样就能够通过集成光学的方式实现光网络节 点中所需光信号的上下载而不影响其他光信号的传输。
6.根据权利要求1所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，该可重构光插分 复用器由16个并行排列的级联可调双微环谐振器构成，来自单模光纤的多波长信号光在 输入端输入，分别在器件的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。
7.根据权利要求6所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，所述半径较大的 微环谐振器为16个并行排列的滤波器单元所共用，而且，通过设计其半径大小来确定其自 由普范围，并把其自由普范围当作器件的信道间隔。
8.根据权利要求6所述的集成化可重构光插分复用器，其特征在于，所述级联可调双 微环谐振器的具体实现过程是输入端由携带包含波长λ1、 λ 2 = λ1+FSR, A3 = λ i+2FSR、......An= λ 1+nFSR的多波长信号的单模光纤进行信号输入，FSR为大环的自由普范围，利用热光效应对滤波器单 元中半径较小的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Xi,其中，i=1、2.....16，从而在上载端和下载端能够上下载一个对应的谐振波长λ i ；若第一个谐振器单元对应的谐振波长为X1，则在下载端能够下载主线中光波长为X1的信号光，同时在 上载端能够上载携带本地信息的波长为λ i的信号光；这样在第一个滤波器单元即第一信 道完成波长为λ i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能够同时上下载16路不同波长的信号光，从而完成16路不同光信号的插分复用功能。
全文摘要
本发明公开了一种集成化可重构光插分复用器，该可重构光插分复用器单元采用级联可调双微环谐振器作为基本单元，包含有多个级联可调双微环谐振器，其中每个级联可调双微环谐振器均包括两条互不交叉的直波导和两个半径不同的环形波导，该两个环形波导位于两条直波导之间，且与两条直波导之间有一预定的耦合距离，且两个环形波导之间也有一预定的耦合距离。本发明利用成熟的工艺技术，器件结构紧凑，可扩展性强，稳定性好；采用级联半径不同的双环的办法展宽了自由普范围(FSR)从而可以增加信道数、提高器件的信息吞吐量，利用双环平顶的滤波特性提高了器件的稳定性。利用热光效应调谐微环使得其谐振波长动态可调从而构成了可重构光插分复用器。
文档编号H04Q11/00GK101840029SQ20101016232
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者冀瑞强, 卢洋洋, 张磊, 杨林, 田永辉, 贾连希, 陈平 申请人:中国科学院半导体研究所