一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，由解复用器、微环开关阵列和复用器组成。该模式交换器具有良好的可重构特性，能实现任意两种模式的交换作用。该模式交换器采用相对简单的结构将传统波分复用的波长交换功能引入到模式复用系统中，为光通信系统中提升网络资源利用率和灵活性提供一定推动作用。在器件制作方面，该器件可以基于SOI材料实现，能与现有的成熟CMOS工艺完全兼容，使得器件制作成本低、易于与电学元件集成，期望在光通信与光互连等方面将有很好的应用前景。

A reconfigurable arbitrary optical mode switch based on microring resonator

【技术实现步骤摘要】
一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器
本专利技术属于光的模式处理
，涉及一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器。
技术介绍
随着信息时代的快速发展，人们对信息处理与传输的容量和速度提出了前所未有的高要求。传统的依靠减小片上晶体管尺寸、增加芯片集成度的方法已经遇到了物理瓶颈。目前，多核处理器正成为微处理器架构的主流方式，人们不得不寻求新的方式来大幅度提升信息传输的速度与容量，以减少核与核之间的信息交流时间，提升整体的工作效率与可靠性。硅基光子学由于具有低成本、高折射率差以及与CMOS工艺兼容等优点，使得它被认为是解决这一问题最有前景的技术方案。与此同时，为了增加片上光互连中信息传输的容量，人们研究出光的多种复用方式包括：时分复用、空分复用、波分复用等等。其中波分复用技术是发展的最为成熟的复用技术，依靠多个波长的光互相独立传播的特性，增加光网络的传输容量。但由于硅基平台上的片上多个激光光源难以实现这一问题，使得波分复用技术的发展受到制约。因此，众多研究人员把目光转移到一种新的复用方式：模式复用。所谓的模式复用就是利用光纤中光的不同模态进行多路信号的传输。利用光的模式复用技术不仅可以有效增加信号的容量，还可以避免波分复用所需要的多个激光器的难题。此外，利用模式复用还可以结合其他的复用技术，可以成倍的提升信号的传输容量。目前已经出现了各种各样模式复用器件，但模式复用技术其他方面相关的重要研究还相对较少。模式交换作为光的模式处理中一种极为重要的技术，就是将两个或多个光信号所携带的光模态相互交换，从而实现数据和信号的网络传输、交换、导流等功能。类似于波分复用系统中波长的交换功能，模式交换技术能够大量节省建网和网络升级成本，提高光网络的重构灵活性和生存性，更加灵活、有效地提高宽带利用率。为了实现光的模式交换，华中科技大学王健等人于2015年发表了科技论文“On-chipopticalmodeexchangeusingtapereddirectionalcoupler”（ScientificReports,Vol.5,Articlenumber:16072）在大量仿真的基础上提出了一种基于渐变锥的定向耦合器的模式交换器。但该方交换器中器件的尺寸较大，且效率较低。此后，2016年华中科技大学余宇等研究人员发表科技论文“On-chipdataexchangeformodedivisionmultiplexedsignals”（OpticsExpressVol.24,Issue1,pp.528-535）提出了一种利用微环谐振器来实现光模式数据交换器，但该数据交换器只能实现特定的两种模式之间的交换（例如文章中提到TE0和TE1之间的交换），即不具备多个模式同时存在的情况下选择性地进行任意两个模式之间交换的功能，不具备大规模光网络中信息的灵活性与可重构性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，以解决光通信模式复用技术中的数据网络交换、数据导流等问题，实现器件中任意两种模式之间的交换功能。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，该光模式交换器由依次相连的解复用器、微环开关阵列和复用器构成；所述的解复用器包括多根解复用器用弯曲波导和多根依次相连的解复用器用直波导，该多根解复用器用弯曲波导的数量为该多根解复用器用直波导的数量减一，该多根解复用器用直波导的宽度依次递减，相邻解复用器用直波导通过绝热锥相连，所有解复用器用弯曲波导的宽度均与宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；多根解复用器用弯曲波导的一端与多根解复用器用直波导中除宽度最小的解复用器用直波导外的其它解复用器用直波导分别耦合，所有解复用器用弯曲波导的另一端和宽度最小的解复用器用直波导的另一端均与微环开关阵列相连；微环开关阵列包括一个环形波导和并排设置的多根微环开关阵列用直波导，微环开关阵列用直波导数量与解复用器用直波导的数量相同，环形波导与多根微环开关阵列用直波导中位于最外侧的两根微环开关阵列用直波导外的其它微环开关阵列用直波导均相交，环形波导与多根微环开关阵列用直波导中位于最外侧的微环开关阵列用直波导之间均设有微环谐振器，环形波导与相交的微环开关阵列用直波导围成的每个区域内均设有微环谐振器，所有微环谐振器与微环开关阵列用直波导的耦合间距都相同，所有微环谐振器的大小和宽度均相同，微环开关阵列用直波导中一根直波导的一端与解复用器用直波导中宽度最小的直波导的另一端相连，微环开关阵列用直波导中其余直波导的一端与解复用器用弯曲波导的另一端分别相连，所有微环开关阵列用直波导的另一端均与复用器相连；复用器包括多根复用器用弯曲波导和多根依次相连的复用器用直波导，复用器用弯曲波导的数量与解复用器用弯曲波导的数量相同，复用器用直波导的数量与解复用器用直波导的数量相同，该多根复用器用直波导的宽度依次递减，相邻复用器用直波导通过绝热锥相连，所有复用器用弯曲波导的宽度和宽度最小的复用器用直波导的宽度均与宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；多根复用器用弯曲波导的一端与多根复用器用直波导中除宽度最小的复用器用直波导外的其它复用器用直波导分别耦合，所有复用器用弯曲波导的另一端和宽度最小的复用器用直波导的另一端与微环开关阵列用直波导的另一端分别相连。微环开关阵列中所有微环开关阵列用直波导的宽度和所有微环谐振器的宽度均与解复用器中宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；复用器中宽度最小的复用器用直波导的宽度和所有复用器用弯曲波导的宽度均与解复用器中宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同。本专利技术可重构任意光模式交换器是利用相对简单的结构将传统波分复用技术中波长交换的概念借鉴到了最新的光模式复用技术中，可以实现高速大容量的数据交换、信息导流和复杂信息处理等功能。发生模式交换的原理是结合模式耦合的折射率匹配条件，在同一时刻内发生两次模式的相互转换，以达到交换的目的。另外，本专利技术交换器具有可重构的特性，只需增加输入波导的模式数量，改变相应微环的数量即可实现任意两个模式之间的交换功能。另一方面，在制作工艺上，本专利技术结合成熟的CMOS工艺，使得器件低功耗，低成本，便于与电学元件集成，以期望本专利技术在光通信、光网络及光子计算机中发挥重要的作用。附图说明图1是模式交换在光网络系统的作用示意图。图2是本专利技术可重构任意光模式交换器的结构示意图。图3是本专利技术可重构任意光模式交换器的基本原理图图4是本专利技术以4个模式为例的一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器的结构示意图。图5是图4所示光模式交换器中解复用器的示意图。图6是图4所示光模式交换器中微环开关阵列的示意图。图7是图4所示光模式交换器中复用器的示意图。图8是本专利技术中硅基热光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构示意图。图9是本专利技术中硅基电光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构示意图。图10是硅基微环谐振器在热光调制下直通端的光谱响应曲线。图中：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，其特征在于，该光模式交换器由依次相连的解复用器（1）、微环开关阵列（2）和复用器（3）构成；/n所述的解复用器（1）包括多根解复用器用弯曲波导和多根依次相连的解复用器用直波导，该多根解复用器用弯曲波导的数量为该多根解复用器用直波导的数量减一，该多根解复用器用直波导的宽度依次递减，相邻解复用器用直波导通过绝热锥相连，所有解复用器用弯曲波导的宽度均与宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；多根解复用器用弯曲波导的一端与多根解复用器用直波导中除宽度最小的解复用器用直波导外的其它解复用器用直波导分别耦合，所有解复用器用弯曲波导的另一端和宽度最小的解复用器用直波导的另一端均与微环开关阵列（2）相连；/n微环开关阵列（2）包括一个环形波导和并排设置的多根微环开关阵列用直波导，微环开关阵列用直波导数量与解复用器用直波导的数量相同，环形波导与多根微环开关阵列用直波导中位于最外侧的两根微环开关阵列用直波导外的其它微环开关阵列用直波导均相交，环形波导与多根微环开关阵列用直波导中位于最外侧的微环开关阵列用直波导之间均设有微环谐振器，环形波导与相交的微环开关阵列用直波导围成的每个区域内均设有微环谐振器，所有微环谐振器与微环开关阵列用直波导的耦合间距都相同，所有微环谐振器的大小和宽度均相同，微环开关阵列用直波导中一根直波导的一端与解复用器用直波导中宽度最小的直波导的另一端相连，微环开关阵列用直波导中其余直波导的一端与解复用器用弯曲波导的另一端分别相连，所有微环开关阵列用直波导的另一端均与复用器（3）相连；/n复用器（3）包括多根复用器用弯曲波导和多根依次相连的复用器用直波导，复用器用弯曲波导的数量与解复用器用弯曲波导的数量相同，复用器用直波导的数量与解复用器用直波导的数量相同，该多根复用器用直波导的宽度依次递减，相邻复用器用直波导通过绝热锥相连，所有复用器用弯曲波导的宽度和宽度最小的复用器用直波导的宽度均与宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；多根复用器用弯曲波导的一端与多根复用器用直波导中除宽度最小的复用器用直波导外的其它复用器用直波导分别耦合，所有复用器用弯曲波导的另一端和宽度最小的复用器用直波导的另一端与微环开关阵列用直波导的另一端分别相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，其特征在于，该光模式交换器由依次相连的解复用器（1）、微环开关阵列（2）和复用器（3）构成；
所述的解复用器（1）包括多根解复用器用弯曲波导和多根依次相连的解复用器用直波导，该多根解复用器用弯曲波导的数量为该多根解复用器用直波导的数量减一，该多根解复用器用直波导的宽度依次递减，相邻解复用器用直波导通过绝热锥相连，所有解复用器用弯曲波导的宽度均与宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；多根解复用器用弯曲波导的一端与多根解复用器用直波导中除宽度最小的解复用器用直波导外的其它解复用器用直波导分别耦合，所有解复用器用弯曲波导的另一端和宽度最小的解复用器用直波导的另一端均与微环开关阵列（2）相连；
微环开关阵列（2）包括一个环形波导和并排设置的多根微环开关阵列用直波导，微环开关阵列用直波导数量与解复用器用直波导的数量相同，环形波导与多根微环开关阵列用直波导中位于最外侧的两根微环开关阵列用直波导外的其它微环开关阵列用直波导均相交，环形波导与多根微环开关阵列用直波导中位于最外侧的微环开关阵列用直波导之间均设有微环谐振器，环形波导与相交的微环开关阵列用直波导围成的每个区域内均设有微环谐振器，所有微环谐振器与微环开关阵列用直波导的耦合间距都相同，所有微环谐振器的大小和宽度均相同，微环开关阵列用直波导中一根直波导的一端与解复用器用直波导中宽度最小的直波导的另一端相连，微环开关阵列用直波导中其余直波导的一端与解复用器用弯曲波导的另一端分别相连，所有微环开关阵列用直波导的另一端均与复用器（3）相连；
复用器（3）包括多根复用器用弯曲波导和多根依次相连的复用器用直波导，复用器用弯曲波导的数量与解复用器用弯曲波导的数量相同，复用器用直波导的数量与解复用器用直波导的数量相同，该多根复用器用直波导的宽度依次递减，相邻复用器用直波导通过绝热锥相连，所有复用器用弯曲波导的宽度和宽度最小的复用器用直波导的宽度均与宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；多根复用器用弯曲波导的一端与多根复用器用直波导中除宽度最小的复用器用直波导外的其它复用器用直波导分别耦合，所有复用器用弯曲波导的另一端和宽度最小的复用器用直波导的另一端与微环开关阵列用直波导的另一端分别相连。


2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，其特征在于，微环开关阵列（2）中所有微环开关阵列用直波导的宽度和所有微环谐振器的宽度均与解复用器（1）中宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同；复用器（3）中宽度最小的复用器用直波导的宽度和所有复用器用弯曲波导的宽度均与解复用器（1）中宽度最小的解复用器用直波导的宽度相同。


3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的可重构任意光模式交换器，其特征在于，所述的解复用器（1）包括第一弯曲波导（1-5）、第二弯曲波导（1-6）、第三弯曲波导（1-7）以及依次相连的第一直波导（1-1）、第二直波导（1-2）、第三直波导（1-3）和第四直波导（1-4）；第一直波导（1-1）的宽度大于第二直波导（1-2）的宽度，第二直波导（1-2）的宽度大于第三直波导（1-3）的宽度，第三直波导（1-3）的宽度大于第四直波导（1-4）的宽度；第一弯曲波导（1-5）的宽度、第二弯曲波导（1-6）的宽度、第三弯曲波导（1-7）的宽度和第四直波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：田永辉，陈文平，肖恢芙，蒋永恒，韩旭，周旭东，谭剑宗，张朴，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62