基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点制造技术

一种光纤通信技术领域的基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S型结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。本发明专利技术在在交叉和直通状态下的实测消光比分别高达44.7dB和38.0dB，串扰值分别低至‐37.5dB和‐45.2dB，对于10Gb/s和12.5Gb/s非归零(NRZ)信号能够实现无误码的节点交换功能。

【技术实现步骤摘要】
基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点
本专利技术涉及的是一种光纤通信
的装置，具体是一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点。
技术介绍
随着半导体工艺的发展，现代通信的传输和处理速率不断提高。尽管多核处理器处理信息的能力一直在稳步提升，但芯片之间的互连却成为一个极大的限制因素。连接芯片、电路板以及系统的电线将很难赶上摩尔定律的脚步。传统的片上互连技术由于受到电互连物理特性的制约，传输中的时延、带宽、功耗等物理特性的改进成为通信容量提升的瓶颈。光互连技术具有大带宽、可复用、高速率、低时延、无需大量引脚、低传输损耗、低功耗、低串扰、可与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺相兼容等诸多优点，在解决传统通信技术瓶颈的问题上具有显著优势。目前，光互连技术正朝着更短传输距离、更高带宽密度和集成度的方向发展。而光交换节点是片上光网络的核心器件，一个光交换节点的性能很大程度上影响着整个光互连网络的性能。硅基微环谐振腔由于其尺寸微小、结构紧密、与CMOS工艺兼容、并具有潜在的亚纳秒量级节点交换时间，更加符合光交换节点小型化和大规模集成开发的需求和趋势。经过对现有技术的检索发现，2011年RuiqiangJi等人在OpticsExpress第19期20卷“Microring‐resonator‐basedfour‐portopticalrouterforphotonicnetworks‐on‐chip”中提出了一种由8个硅基微环谐振腔和6个十字交叉波导组成的四端口光路由器。该路由器中用到的基于十字交叉波导和硅基微环谐振腔的光交换单元的消光比为13dB，端口串扰为‐13dB。在实际应用中，过低的消光比和过高的串扰会增大交换节点的功耗并降低交换后信号的质量。考虑到大规模片上集成开发的条件，单一交换节点的功耗和交换质量会影响到整个系统的功耗和信号质量，上述方案中的光交换节点在消光比和串扰性能方面仍存在进一步改进和优化的空间。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，通过采用2个嵌套式硅基微环谐振腔实现了2×2无阻塞Benes型光交换节点，和其他的2×2Benes交换节点相比，本专利技术在消光比和串扰性能方面得到了大幅度的提升，大幅优化了交换单元的消光比和串扰性能，能够有效降低器件功耗和提升交换后信号质量，并具有易集成、可扩展的优点。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术为Benes交换节点结构，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，其中：嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器(MRR)；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。所述的嵌套式硅基微环谐振腔为两个串联的U型波导组成，其中：U型波导由水平部、圆弧部和耦合部组成，两段圆弧部的正中以及水平部的末端为耦合部。所述的微环谐振器为带有圆角的四边形结构封闭波导，其四边形部分的边长与所述的嵌套式硅基微环谐振腔的耦合部长度相同。所述的微环谐振器的外部设有基于热光效应以调整谐振波长的环绕式热光微型加热器，使得两个微环谐振腔的谐振波长完全重合。基于硅材料的热非线性效应，本专利技术提出的光交换节点的谐振波长在通入高功率泵浦光的条件下会产生红移，从而实现光交换节点工作状态的切换。同时，光交换节点的串扰值和消光比可以通过微调U型波导的相移进行深度优化，其中：移相器可通过在硅基上采用离子注入的方法形成PN结，在PN结两端引入正向或反向的偏置电压实现正或负的相移。用于制作本专利技术中基于硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点的材料是绝缘体上硅(SOI)晶片。为了实现该器件与单模光纤的耦合，在器件各个端口末端制备了TE模偏振的光栅耦合器。同时，制备了环绕MRR1的微型加热器。微型加热器利用热光效应调整MRR1的谐振波长，从而保证两个硅基微环谐振腔的谐振波长完全重合。技术效果与现有技术相比，本实施例中的光交换节点具有高消光比和低串扰特性，可以显著降低功耗并提升交换后信号的质量。Benes交换节点结构在无阻塞型交换节点结构中具有最小的复杂度，有利于提高器件的集成度。采用高折射率差的绝缘体上硅(SOI)晶片，可以实现超小弯曲半径的谐振环，其制作工艺与成熟的CMOS加工工艺相兼容，有利于大规模集成和开发。经实测制备器件在交叉(cross)和直通(bar)状态下的消光比分别高达44.7dB和38.0dB，串扰值分别低至‐37.5dB和‐45.2dB。实验验证了该光交换节点对于10Gb/s和12.5Gb/s非归零(NRZ)信号的节点交换性能。附图说明图1为本专利技术原理图；图中：(a)为本专利技术的原理图，(b)为(a)中虚线框内的局部放大图。图2为本专利技术透射频谱图；图中：(a)为输入端口1到输出端口2的归一化透射频谱；(b)为输入端口1到输出端口1的归一化透射频谱；(c)是T11/T12的归一化频谱，其中T11和T12分别是图2(a)和(b)的传输频谱，其中插图为波长范围在1549.5nm～1551.5nm的局部放大图；(d)为(a)和(b)中波长范围为1549.5nm～1551.5nm的局部放大图。图3为本专利技术制备器件的显微镜照片与实测透射频谱；图中：(a)为制备器件的光学显微镜照片(中)，中间定向耦合器(左)和硅基微环谐振腔(右)的扫描电子显微镜照片；(b)为输入端口2到输出端口1和输出端口2的实测透射频谱；(c)为输入端口1到输出端口2和输出端口1的实测透射频谱，λ1,2和λ1,2’分别代表(b)和(c)中的谐振波长。图4为本专利技术性能测试的系统实验装置图；图5为本专利技术的系统实验眼图和误码率。图中：(a‐I)～(a‐III)分别为输入端口1处的输入探测信号、泵浦光关闭时输出端口1处的输出信号、泵浦光开启时输出端口2处的输出信号；(b‐I)～(b‐III)分别为输入端口2处的输入探测信号、泵浦光关闭时输出端口2处的输出信号、泵浦光开启时输出端口1处的输出信号；(c)和(d)分别为在交叉和直通状态下信号从输入端口1和输入端口2处输入得到的实验测量误码率曲线。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例由两个对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的嵌套式硅基微环谐振腔组成，该嵌套式硅基微环谐振腔的U型波导互相耦合形成一个定向耦合器。由于Benes交换节点结构在无阻塞型交换节点结构中具有最小的复杂度，故基于此交换节点结构设计分析。所述的嵌套式硅基微环谐振腔由两个串联的U型波导组成，其中：U型波导中的直波导部分与弯曲波导部分之间的空气间隙为La＝0.18μm，耦合部的长度为Lc1＝Lc2＝7μm，U型波导的横截面为450×220nm2，弯曲波导部分为弧线-直线-弧线的结构，其中圆弧部的半径为R2＝40μm，U型波导的直线部分L＝128μm。通过有限差分时域(FDTD)方法计算出中心定向耦合器的传输系数为r1＝r2＝0.8250，TE模的波导群折射率和损耗系数分别设为ng＝4.3350、α＝3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，其特征在于，具体为Benes交换节点结构，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，其中：嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，其特征在于，具体为Benes交换节点结构，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，其中：嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。2.根据权利要求1所述的无阻塞2×2光交换节点，其特征是，所述的嵌套式硅基微环谐振腔为两个串联的U型波导组成，其中：U型波导由水平部、圆弧部和耦合部组成，两段圆弧部的正中以及水平部的末端为耦合部。3.根据权利要求2所述的无阻塞2...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘听，吴佳旸，杨玉星，姜新红，曹攀，苏翼凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31