波分复用光交叉连接系统技术方案

一种基于双微环耦合马赫

【技术实现步骤摘要】
波分复用光交叉连接系统


[0001]本专利技术涉及集成光电子学领域，具体涉及一种波分复用光交叉连接系统。

技术介绍

[0002]近年来，不断升级的通信技术将大数据、云计算服务深入融合到人们的日常生活中，这造成了光纤通信系统的容量指数式增长。为了适应上述情景的迫切需求，光波分复用系统应运而生。在波分复用系统中，可重构光分插复用器是一种高效、可靠的光交换通道分配和管理工具，而高性能波分复用光交叉连接芯片则是可重构光分插复用器的核心元件。对于波分复用光交叉连接系统而言，已有的实现方式主要包括自由空间和片上集成，而片上集成方式因其尺寸紧凑、规模化潜力大和功耗较低等优势成为人们在该领域的研究热点。
[0003]绝缘体上硅(SOI)波导因其折射率差大，波导弯曲半径可以小到微米量级，因此可以实现紧凑的光器件，并且硅波导的损耗相对较低。因此，相比于传统的微机电(MEMS)、液晶(LCoS)、二氧化硅平面波导链路(SiO
2-PLC)等平台，SOI平台在无源集成光器件材料选择方面更受欢迎。
[0004]波分复用光交叉连接系统的关键单元是具有波长选择特性的光器件。基于SOI平台，研究人员已经设计了由波导阵列光栅(AWG)(Journal of Lightwave Technology,Vol.30,No.4,2012)、集成纳米孔波导(Nanobeam)(Journal of Lightwave Technology,Vol.38,No.2,2020)、级联微环谐振器(MRR)(OECC,2019)、对向耦合器辅助的微环谐振器(contra-directional coupler assisted MRR)(Journal of Lightwave Technology,Vol.38,No.12,2020)等结构构成的波分复用光交叉连接芯片。虽然它们都实现了波分复用和路径路由的功能，但是不可否认的是，它们都具备一些缺陷，譬如基于AWG的芯片波导链路复杂，面积大，插入损耗大；基于MRR和Nanobeam的芯片消光比低，不足以支持使用单个单元同时实现波分和复用的功能；特别是Nanobeam结构的工艺容差较小，难以利用180nm标准硅光工艺制备。
[0005]双微环耦合马赫-曾德尔干涉结构可以有效克服上述一系列问题，其结构比AWG简单，已经具有在标准硅光工艺平台进行大规模集成制备的案例(Journal of Lightwave Technology,Vol.36,No.2,2018)；单元器件尺寸比级联MRR略大但和Nanobeam相接近；可通过调谐集成在两臂上的微环谐振器来实现对目标波长的选择性滤波，从而实现波分复用/解复用的功能；最重要的是波分复用单元具有较高的消光比，可以使用一个波分复用单元同时实现波分和复用功能，从而使得片上系统更紧凑。基于此，我们提出了基于双微环辅助马赫-曾德尔干涉结构的波分复用光交叉连接芯片，通过上位机-外部设备联合控制装置共同构成具有波长、光交换路径自动重构的光交叉连接系统。

技术实现思路

[0006]针对上述波分复用光交叉连接芯片及系统迫切的应用需求以及现有的几种方案
各自的缺陷，本专利技术提出一种波分复用光交叉连接系统。该系统不仅结构简单，易于规模化，而且可重构性高，能连续自动设定工作波长且路径选择自由。最重要的是，该芯片的波分复用器件消光比很高，单个单元兼具波分和复用功能，使得校准单元数减半，有利于降低校准系统的复杂度，具有很明显的应用价值。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：
[0008]一种波分复用光交叉连接系统，包括硅基光芯片与自动控制装置，其特征在于，所述硅基光芯片包括M路光输入耦合器、M组N波长波分复用器、N组M
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M光开关阵列和M路光输出耦合器，所述M路光输入耦合器和M组N波长波分复用器的输入端逐一连接，所述N波长波分复用器的N个波分输出端和对应N组M
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M光开关阵列的指定输入端连接，所述每个M
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M光开关阵列的M个输出端分别和M组N波长波分复用器的指定复用输入端连接，所述M组N波长波分复用器的输出端和M路光输出耦合器连接以输出信号光。所述的自动控制装置由宽谱激光器模块、可调滤波模块、多通道电信号输出模块、多通道光功率采集模块、上位机模块和光开关模块构成。所述宽谱激光器模块的输出端与可调滤波模块的输入端相连，对宽谱光进行带通滤波，所述可调滤波模块的输出端通过一个光开关模块与所有光输入耦合器相连，由路由路径选择算法控制光开关模块切换光信号到指定的光输入耦合器。所述多通道光功率采集模块的输入端与所有M路光输出耦合器的输出端相连。所述多通道电信号输出模块的电信号输出端和N波长波分复用器以及M
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M光开关阵列的所有电信号输入端连接，所述的上位机模块分别和宽谱激光器模块、可调滤波模块、多通道电信号输出模块、多通道光功率采集模块的通信接口连接。
[0009]所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述的M路光输入耦合器和输出耦合器采用光栅耦合器结构以垂直耦合的方式，或采用倒锥形模斑转换结构以水平耦合的方式将光信号耦合到片上系统。
[0010]所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述N波长波分复用器由N个双微环耦合马赫-曾德尔结构串联而成，即前一级单元的第二输出端和后一级单元的第一输入端依次连接，第一级的第一输入端和第N级第二输出端分别为该波分复用器的光输入端和光输出端；所有级联结构上双环耦合马赫-曾德尔结构的第一输出端为该波分复用器的波分输出端，第二输入端为该波分复用器的复用输入端。所述双微环耦合马赫-曾德尔结构由两个输入波导、两个微环谐振器、一个2
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2等臂马赫-曾德尔干涉仪、四个波导移相器以及两个光输出波导构成。所述两个微环谐振器分别与所述等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂耦合，耦合参数相同；所述波导移相器中有两个集成在微环谐振器上，用于调控两微环谐振器的相位差以改变器件的工作波长和工作状态。所述波导移相器中的剩余两个集成在2
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2等臂马赫-曾德尔干涉仪的两臂上，用于调控两臂间的相位差以进一步提高器件的滚降和消光比；所述波导移相器采用TiN热电阻或半导体加热器等结构，通过热光效应实现波导相移；或采用P-I-N结构，通过载流子色散效应实现波导相移；所述波导移相器的电信号输入端与所述控制装置中多通道电信号输出模块的输出端连接。所述的两个输入波导和两个输出波导作为双环耦合马赫-曾德尔结构的两个输入端和两个输出端。
[0011]所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述M
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M光开关阵列由若干个2
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2光开关单元、输入输出波导以及波导交叉结构成，采用包括但不限于Benes,Crossbar,Switch and Select,DLN以及PILOSS等拓扑结构。所述2
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2光开关单元可以采用马赫-曾德
尔干涉仪、微环谐振器、多模干涉仪或双微环耦合-马赫曾德尔干涉仪等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波分复用光交叉连接系统，包括硅基光芯片和自动控制装置(105)，其特征在于，所述的硅基光芯片包括M路光输入耦合器(101)、M组N波长波分复用器(102)、N组M
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M光开关阵列(103)和M路光输出耦合器(104)，所述的M路光输入耦合器(101)和M组N波长波分复用器(102)的输入端逐一连接，所述的N波长波分复用器(102)的N个波分输出端和对应的N组M
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M光开关阵列(103)的指定输入端连接，所述的每个M
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M光开关阵列(103)的M个输出端分别和M组N波长波分复用器(102)的指定复用输入端连接，所述的M组N波长波分复用器(103)的输出端和M路光输出耦合器(104)连接以输出信号光，所述的自动控制装置(105)由宽谱激光器模块(3001)、可调滤波模块(3002)、多通道电信号输出模块(3003)、多通道光功率采集模块(3004)、上位机模块(3005)和光开关模块(3006)构成；所述的宽谱激光器模块(3001)的输出端与所述的可调滤波模块(3002)的输入端相连，对宽谱光进行带通滤波，所述可调滤波模块(3002)的输出端通过一个光开关模块(3006)与所有光输入耦合器(101)相连，由路由路径选择算法(5001)控制光开关模块(3006)切换光信号到指定的光输入耦合器(101)，所述多通道光功率采集模块(3004)的输入端与所有M路光输出耦合器(104)的输出端相连，所述的多通道电信号输出模块(3003)的电信号输出端和N波长波分复用器(102)以及M
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M光开关阵列(103)的所有电信号输入端连接，所述的上位机模块(3005)分别和所述的宽谱激光器模块(3001)、可调滤波模块(3002)、多通道电信号输出模块(3003)、多通道光功率采集模块(3004)、光开关(3006)的通信接口连接。2.如权利要求1所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述的M路光输入耦合器(101)和输出耦合器(104)采用光栅耦合器结构以垂直耦合的方式，或采用倒锥形模斑转换结构以水平耦合的方式将光信号耦合到片上系统。3.如权利要求1所述的波分复用光交叉连接系统，其特征在于，所述的N波长波分复用器(102)由N个双微环耦合马赫-曾德尔结构串联而成，即前一级单元的第输出端和后一级单元的第一输入端依次连接，第一级的第一输入端和第N级第二输出端分别为该波分复用器(102)的光输入端和光输出端；所有级联结构上双环耦合马赫-曾德尔结构的第一输出端为该波分复用器(102)的波分输出端，第二输入端为该波分复用器(102)的复用输入端，所述双微环耦合马赫-曾德尔结构由两个输入波导(1001)、两个微环谐振器(1002)、一个2
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2等臂马赫-曾德尔干涉仪(1003)、四个波导移相器(1004)以及两个光输出波导(1005)构成，所述的两个微环谐振器(1002)分别与所述的等臂马赫-曾德尔干涉仪(1003)的两臂耦合，耦合参数相同；所述的波导移相器(1004)中有两个集成在微环谐振器(1002)上，用于调控两微环谐振器(1002)的相位差以改变器件的工作波长和工作状态，所述的波导移相器(1004)中的剩余两个集成在2
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2等臂马赫-曾德尔干涉仪(1003))的两臂上，用于调控两臂间的相位差以进一步提高器件的滚降和消光比；所述的波导移相器(1004)采用TiN热电阻或半导体加热等结构，通过热光效应实现波导相移；或采用P-I-N结构，通过载流子色散效应实现波导相移；所述的波导移相器(1004)的电信号输入端与所述的控制装置(105)中多通道电信号输出模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆梁军，高伟，李鑫，周林杰，陈建平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：