一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关制造技术

一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关，包括依次设置的多个复用单元，相邻两个复用单元之间通过绝热锥相连接；复用单元由多个依次相连接的微环谐振器组成，该微环谐振器包括平行设置的第一直波导和第二直波导，两根直波导之间设有纳米硅基纳米线微环；同一复用单元中相邻两个微环谐振器中的第一直波导相连接，同一复用单元中所有的第一直波导相连构成第一输出波导；一个复用单元中的第一输出波导通过绝热锥与和该复用单元相邻的复用单元中的输出波导相连接。该光模式开关能实现M路模式和N个波长的复用功能，每一个输入端复用到主干波导中的模式可自由选择和动态切换，实现模分复用系统中输入输出数量自由搭配、通路自由选择。

An integrated optical mode switch compatible with wavelength division multiplexing and mode division multiplexing

An integrated optical mode switch compatible with the functions of wavelength division multiplexing and division multiplexing comprises a plurality of multiplexing units arranged in sequence connected by an adiabatic cone between two adjacent multiplexing units; the multiplexing unit is composed of a plurality of micro-ring resonators connected in sequence, the micro-ring resonator comprises a first straight waveguide arranged in parallel and a first straight waveguide arranged in parallel. Two straight waveguides, two straight waveguides with nano-silicon nanowire Microrings between them; two adjacent microring resonators in the same multiplexing unit are connected by the first straight waveguides; all the first straight waveguides in the same multiplexing unit are connected to form the first output waveguide; and the first output waveguide in one multiplexing unit is connected by an adiabatic cone The output waveguide of the multiplexing unit adjacent to the multiplexing unit is connected. The optical mode switch can realize the multiplexing of M-mode and N wavelengths. The mode multiplexed into the backbone waveguide at each input can be freely selected and dynamically switched, and the number of input and output can be freely matched and the channel can be freely selected in the mode division multiplexing system.

【技术实现步骤摘要】
一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关
本专利技术属于光模式复用解复用
，涉及一种硅基集成化光模式处理器件，特别涉及一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关。
技术介绍
随着经济社会的迅速发展，人们对大容量、高速率的信息处理及通信技术的需求日益增长。集成电路技术作为通信领域最为关键的技术，保障了近五十年来的信息处理需求得以满足。然而，现有的集成电路中器件特征尺寸的进一步缩小受到隧道泄漏电流效应、热耗散、成本非线性增加等因素的限制，导致集成电路已经很难继续遵循摩尔定律的速度发展。光与电相比具有更高的速度、更低的延迟、更强的抗电磁干扰、更大的处理容量等突出优点，因此光信息处理技术的出现为满足日益增长的信息处理需求和解决单一电学集成瓶颈提供了有效的方案。为了满足日益增长的大容量信息处理需求，现已研究出很多高速光传输方面的复用技术，如时分复用技术、码分复用技术、波分复用技术、偏振复用技术等，其中时分复用技术、码分复用技术、尤其是波分复用技术已广泛应用于现代光纤通信技术中。然而，随着时代发展，今后相当长时间内的带宽需求将远超现有复用技术所能提供的带宽容量。为了解决这一日益严峻的问题，研究人员将目光投向了一种新的光信号复用技术，即空分复用。空分复用主要包括两种方式，一是多芯复用，二是多模复用。多芯复用是将光纤中的多根芯按照一定规则排列，每个芯都可以作为一个单独的传输通道，芯与芯之间由于被较低折射率的介质包裹且间隔较远，彼此之间的串扰非常小。为了获得更大的传输带宽，可采取多芯并行排列的方法。波导中实现多芯复用则可以并行排列二维或三维的多个波导阵列。多芯复用技术可以降低光传输线的数量，然而它难以实现多芯光纤中不同通道信号的有效放大及不同通道之间的数据交换，且其本身尺寸较大，不利于集成。多模复用技术是在发射端通过一定技术手段将光的不同正交模态复用到一根多模光纤或少模光纤上传输，并在接收端通过相反的技术手段将不同模态解复用还原成相应光信息的技术。其实很早以前人们就发现了光的不同模态的存在，并且其在特定结构中易发生色散和串扰。为了避免这些色散和串扰，得到稳定且质量好的激光，人们将主要精力放在单模激光器和单模光纤的研究上。然而由于现有的单模技术并不能完全满足传输容量的需求，光的多模态又回到了人们的研究视野中。光的模态作为光的一种维度，跟波长一样可以作为光通信中的一种重要复用形式。通过将多种模式复用到一根多模光纤中传播，可以更有效地减小物理尺寸，成倍提高通信容量，并且仅通过使用一个激光器复用多个数据通道传输就可以大大降低能耗和成本。此外，多模分复用可以兼容时分复用、波分复用等多种复用方式以增加数据中心互连中片上光链路的数据传输能力，在降低成本的同时成倍提高信道容量，解决通信信道理论最大数据传输速率（Shannon极限）带来的挑战。在普通的模分复用系统中，发射端（输入端）和接收端数量必须严格相等，并且每一个发射端和接收端必须一一对应，某一个特定的发射端的信号无法到达与它对应的接收端之外的其他接收端。在很多实际应用中，发射端和接收端的数量可能会不一样，某一发射端的信号通常也不仅仅需要到达它本身所对应的接收端，还可能需要能够到达其他接收端。同样地，一个接收端所接收的信号也不能仅仅是来自某一个特定的发射端，它也需要接收来自其他发射端的信号。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关，以解决光通信模式复用系统中的输入端和接收端必须数量相等、不能自由连通等问题，本专利技术兼具微环谐振器的小尺寸和成熟CMOS工艺的低成本等特点。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关，包括依次设置的多个复用单元，相邻两个复用单元之间通过绝热锥相连接，第一个复用单元为基模复用单元，其它的复用单元均为高阶模复用单元；所述的复用单元由多个依次相连接的微环谐振器组成，该微环谐振器包括平行设置的第一直波导和第二直波导，第一直波导和第二直波导之间设有纳米硅基纳米线微环；同一复用单元中相邻两个微环谐振器中的第一直波导相连接，同一复用单元中所有的第一直波导相连构成第一输出波导；一个复用单元中的第一输出波导通过绝热锥与和该复用单元相邻的复用单元中的输出波导相连接；依次设置的所有复用单元中每个复用单元第N个微环谐振器中的第二直波导分别与其下一复用单元倒数第N个微环谐振器中的第二直波导相连接；本专利技术光模式开关是利用相对简单的微环谐振器，提出的一种新型器件，该器件可以实现光模分复用系统中输入端和接收端数量任意组合、通路任意选择功能；能够更加灵活、有效率地实现片上通信，节省建网和网络升级成本，提高网络的灵活性和生存性。将该光模式开关添加在模式复用系统中，使光模式复用系统中任意一个发射端的信号能转换成任意模式到多模波导中传输，系统任意一个接收端也能接收到来自任意发射端的光信号，即能选择性填充和提取新模式，实现模式开关的功能。该模式开关能实现M路模式和N个波长的复用功能，并且每一个输入端复用到主干波导中的模式可自由选择和动态切换。本专利技术采用相对简单的结构解决了普通模式复用系统中输入输出端数目必须相等且一一对应的弊端，能够实现模分复用系统中输入输出数量自由搭配、通路自由选择，为更快应用模式复用技术提供一定推动作用。本专利技术光模式开关有望在将来集成化光网络系统尤其是模分复用系统中实现大规模应用。附图说明图1是本专利技术光模式开关的结构示意图。图2是本专利技术光模式开关的第一复用单元中微环谐振器的示意图。图3是所有复用单元中的输出波导依次相连形成的主干波导的示意图。图4是本专利技术光模式开关的第二复用单元中微环谐振器的示意图。图5是单路模式开关示意图。图6是本专利技术光模式开关的复用单元示意图。图7是模分复用系统原理示意图。图8是本专利技术中带有调谐电极的波导的横截面结构示意图。图中：1.第一复用单元，2.第二复用单元，3.第M复用单元，4.第一绝热锥，5.第M-1绝热锥，6.第一直波导，7.第二直波导，8.微环谐振器。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术光模式开关，包括依次设置的多个复用单元，相邻两个复用单元之间通过绝热锥相连接，如：相邻的第一复用单元1和第二复用单元2通过第一绝热锥4相连，相邻的第M-1复用单元和第M复用单元3通过第M-1绝热锥5相连。其中的M为任意正整数。第一复用单元1为基模复用单元，其它的复用单元均为高阶模复用单元。本专利技术光模式开关中的第一复用单元1由多个（N个，N为任意正整数）依次相连接的微环谐振器组成。该微环谐振器的结构如图2所示，包括平行设置的第一直波导6和第二直波导7，第一直波导6和第二直波导7之间设有纳米硅基纳米线微环MRR；第一复用单元1中相邻两个微环谐振器中的第一直波导6相连接，所有的第一直波导6相连构成第一输出波导1-1；第一输出波导1-1通过第一绝热锥4与第二复用单元2相连接。第二复用单元2的结构与第一复用单元1的结构基本相同，两者之间的区别在于：第二复用单元2中的第二输出波导2-1的宽带大于第一输出波导1-1的宽带，且第二输出波导2-1的宽带与第一绝热锥4宽度较宽的一端的宽度相同。第一输出波导1-1通过第一绝热锥4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关，其特征在于，包括依次设置的多个复用单元，相邻两个复用单元之间通过绝热锥相连接，第一个复用单元为基模复用单元，其它的复用单元均为高阶模复用单元；所述的复用单元由多个依次相连接的微环谐振器组成，该微环谐振器包括平行设置的第一直波导（6）和第二直波导（7），第一直波导（6）和第二直波导（7）之间设有纳米硅基纳米线微环；同一复用单元中相邻两个微环谐振器中的第一直波导（6）相连接，同一复用单元中所有的第一直波导（6）相连构成第一输出波导（1‑1）；一个复用单元中的第一输出波导（1‑1）通过绝热锥与和该复用单元相邻的复用单元中的输出波导相连接；依次设置的所有复用单元中每个复用单元第N个微环谐振器中的第二直波导（7）分别与其下一复用单元倒数第N个微环谐振器中的第二直波导（7）相连接。

【技术特征摘要】
1.一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关，其特征在于，包括依次设置的多个复用单元，相邻两个复用单元之间通过绝热锥相连接，第一个复用单元为基模复用单元，其它的复用单元均为高阶模复用单元；所述的复用单元由多个依次相连接的微环谐振器组成，该微环谐振器包括平行设置的第一直波导（6）和第二直波导（7），第一直波导（6）和第二直波导（7）之间设有纳米硅基纳米线微环；同一复用单元中相邻两个微环谐振器中的第一直波导（6）相连接，同一复用单元中所有的第一直波导（6）相连构...

【专利技术属性】
技术研发人员：田永辉，肖恢芙，刘子龙，韩旭，陈文平，赵婷，廖苗苗，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62