本发明专利技术公开了一种分多阶实现１６信道的可重构光插分复用器（ＲＯＡＤＭ结构），该ＲＯＡＤＭ结构由输入部分、第一阶滤波区、第二阶滤波区、本地下载区、本地上载区、合束器和输出部分构成，各组成部分之间通过纳米线波导连接。本发明专利技术利用微环形谐振器的自由频谱宽度具有一定的宽度，对多路入射波长进行分阶滤波，使各下载波导中所传播的波长数逐级减少，最终实现在各个输出端口中的单波长下载，降低了温度控制难度，提高了器件的响应速率。
Reconfigurable optical multiplexer division multiplexer with 16 channels
The invention discloses a multi order 16 channel reconfigurable optical add drop multiplexer (ROADM), the ROADM structure by the input part, the first order filter, second order filter area, local download area, combiner and an output part, between the parts of waveguide connection the nanowires. The invention uses the free spectrum width of micro ring resonator has a certain width, the multiple wavelength of order filter, the number of wavelengths spread the download waveguide in a gradual reduction, and ultimately in each output port of the single wavelength download, reduces the temperature control difficulty, improve the response rate of the device.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及可重构光插分复用器(ROADM)
，尤其涉及 一种采用多阶滤波方式实现基于硅基纳米线波导微环形谐振器的可实 现16路波长上下载的ROADM结构，使用该器件结构能够保证 ROADM的完全可重构性能，同时使得整个器件的温度稳定性更好， 响应速率更快。
技术介绍
光插分复用器(OADM)是光纤通信网络的节点设备，它的基本 功能是从光信道中下载通往本地的信号，同时上载本地用户发往其他 节点用户的信号进入光纤信道，而不影响其他波长信道的传输，并且 保持光域的透明性，可以处理任何格式和速率的信号。如果选择某个或某些固定的波长信道进行分插复用，则称为非重 构OADM，也称为固定OADM (Fixed OADM);如果可以选择性地分 插复用某些需要的波长信道，则称为可重构OADM，即ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer )。图1为常见的ROADM的工作原理示意图。作为光传送网的核心 设备，ROADM的使用，相对于非重构OADM，给网络的运营带来了 更多业务开展的便利和运营成本的降低。首先，ROADM的使用支持波长级业务开展的需要。面对大客户 提供波长级业务(如支持SAN，艮卩Storage Area Network存储局域网) 等，使用ROADM节点设备，只需通过网管系统进行远端配置即可， 极大地方便了这种新类型业务的开展，提高了对客户新需求的反应速 度。其次，ROADM的使用便于进行网络规划，降低运营费用。对于 突发和难以预测的业务，ROADM通过提供节点的重构能力，使得4DWDM网络也可以方便地重构，因此对网络规划的要求就可以大大降低，而且应对突发情况的能力也大大增强，使整个网络的效率有很大 的提升。另夕卜，ROADM的使用便于维护和降低维护成本。采用ROADM， 绝大多数日常维护操作(包括增开业务及进行线路调整等)可通过网 管进行，不需要人工操作，极大提高工作效率，降低维护成本。硅基电子的发展和工艺的成熟为制作硅基波导提供了较好的工艺 和设备基础，在硅片上实现大规模的光子、电子集成器件具有非常大 的吸引力，硅基光子学始终是集成光学中的研究热点。绝缘体上硅 (Silicon-on-insulator，即SOI)具有材料制备工艺成熟、与CMOS工 艺兼容、折射率差大等优点而成为硅基光子学集成与光电子集成的主 要材料。随着硅基波导研究的深入，特别是在SOI材料上制作硅基纳米线 波导成为现实，使得大规模硅基单片集成光波回路和大规模光电子集 成回路成为可能。硅基纳米线波导的芯层为硅，折射率为3.5，包层为 空气或二氧化硅，折射率为1或1.44，由于芯层和包层的折射率差很 高，使得条形波导的单模条件为波导的特征尺寸小于500纳米。高的折射率差和小的波导尺寸使得弯曲波导的弯曲损耗降低，弯 曲半径为5微米时的弯曲损耗仍然很小，这使得在一个芯片上通过不 同的耦合连接方式实现多个光学功能器件的集成成为可能；而传统的 波导器件的弯曲波导的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，极大的占 用了芯片面积， 一个芯片上通常只有一个光学器件。硅基纳米线波导 是未来实现大规模集成光波回路的理想平台。如此小的弯曲半径使得 基于纳米线波导的微环形谐振器结构的优势凸现出来。利用微环形谐 振器结构可以实现光开关、光调制器、光学滤波器、光插分复用器等 很多光学功能器件。由于微环的半径可以达到5微米，其器件结构非 常紧凑，可以实现密度为iOVci^以上的高集成度，因此在一个芯片上 能够实现同时集成多个功能器件，提高器件的性能，减少分立器件耦 合时的耦合损耗，同时降低器件的封装成本。硅基纳米线波导的工作原理与传统的波导原理相同，是利用全内反射实现波导对光信号的传输。微环形谐振器的工作原理是当输入信 号波长与环的半径满足以下关系时mX=nx27ir (1)公式(1)中m为整数，X为波长，n为微环形谐振器波导的折射 率，r为微环的半径。该谐振波长的信号就会由输入的直波导耦合至微 环内，在微环内发生谐振，谐振波长信号在环内传输并耦合至下路直 波导内下载至本地，理想情况下输入的谐振波长信号完全被耦合至微 环内并被完全下载至本地；本地以与下载波长相同的波长在上载端口 上载本地信号，上载的本地信号经过微环上载至输出端，与其他不满 足谐振条件的波长信号由输出端输出，完成固定OADM的功能。硅材料具有热光效应，即硅材料的折射率随温度变化而变化的效 应。利用金属有机化学气相淀积(MOCVD)技术在微环上生长金属电 极，加电后金属电极发热，热场传导至波导，使波导的温度发生变化， 改变微环波导的折射率n，调制微环的谐振波长X，从而实现动态选择 下载/上载波长，即ROADM。图2为基于硅基纳米线波导微环结构的ROADM工作原理示意图。 由公式(1)中可以看出微环形谐振器的谐振波长不是连续的，相邻谐 振波长的间隔称为自由光谱范围(Free spctral range, FSR)，其值可以 表示为FSR=[mx (m+l)]/(nx2兀r) (2) FSR与环的半径成反比。受到弯曲损耗的限制，微环的半径通常 不小于5微米，FSR的最大值通常在十几个纳米量级。利用多个微环结构组成的网络可以实现多个信道的ROADM器 件。利用多个微环可以同时下载/上载多个不同波长的信号，并且通过 热光效应调谐微环的谐振波长，可以实现任意波长从任意端口下载/上 载，满足不同端口的实际需要。图3为由4个微环形谐振器组成的4 路单阶ROADM器件工作示意图。硅材料的热光效应可以用下式表示 dn/dT=9.48xl(T5+3.47xl(r7xT-1.49xl0.10T2+… (3) 其中dn为折射率变化量，dT为温度变化量，T为环境温度。在常温下，dnAHM.86xlO力K。折射率随温度的升高而增大。Si的大热光 系数和Si的高热导率(cjSi=1.49W/cnrK)可以保证SOI的热光调制有 较快的响应速度。埋层Si02的热导率很小，只有Si的1/100，可以有 效的起到绝热的作用，减少热量散失，降低开关功耗。SOI是很好的 热光开关材料。光通信中常用的工作波段在1.55pm附近，信道间隔为100GHz ，对应的波长间隔约为0.8nrn。折射率变化与谐振波长变化的关系为An=nxAX/ i (4)调节谐振波长至相邻的一个信道波长，即波长变化0.8mn，对应的 折射率变化大约为0.0023，对应的温度变化约为12K。对四信道 ROADM器件，其波长的最大调谐范围为2.4nm，其最大的温度变化约 为36K，根据(5)与(6)式可以分别对器件的功耗和响应时间进行 计算，P为器件功耗，T为响应时间。对四通道的ROADM器件其最大 功耗约为12mW，响应时间为0.1ps。P=AT.ciSi02.Seff/dSi02 (5)T=H-dSi02.ps「cSi / aSi02 (6)(5)中AT为温度变化量，as化为Si02的热导率，ds化为上包层 Si02厚度，有效加热面积Seff=wxl， w为波导宽度，l为整个热极的长 度，(6)中H为波导高度，psi与Csi分别为Si的密度和比热容。图4是热调制结构截面示意图，硅基波导外包裹着本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分多阶实现１６信道的可重构光插分复用器ＲＯＡＤＭ结构，其特征在于，该ＲＯＡＤＭ结构由输入部分、第一阶滤波区、第二阶滤波区、本地下载区、本地上载区、合束器和输出部分构成，各组成部分之间通过纳米线波导连接。
【技术特征摘要】
1、一种分多阶实现16信道的可重构光插分复用器ROADM结构，其特征在于，该ROADM结构由输入部分、第一阶滤波区、第二阶滤波区、本地下载区、本地上载区、合束器和输出部分构成，各组成部分之间通过纳米线波导连接。2、 根据权利要求1所述的分多阶实现16信道的ROADM结构， 其特征在于，所述输入部分用于将在光纤内传输的16路复用光信号耦 合至纳米线波导内，并经该纳米线波导输入至所述第一阶滤波区。3、 根据权利要求1所述的分多阶实现16信道的ROADM结构， 其特征在于，所述第一阶滤波区由四个微环构成，用于对16路复用光 信号进行初级解复用和初级选择端口，将纳米线波导输入的16路复用 光信号分成四组，每一个微环下载一个波长信号组，每一组包括4个 波长信号，四个波长信号组分别被下载至一条纳米线波导内，并传输 至第二阶滤波区。4、 根据权利要求3所述的分多阶实现16信道的ROADM结构， 其特征在于，所述16路复用光信号经过第一阶滤波区被解复用成4组 4路复用信号，并且通过调制第一滤波区的微环谐振波长初级选择从第 二阶滤波区的哪个子区域被下载，具体的下载端口由第二阶滤波区确 定。5、 根据权利要求1所述的分多阶实现16信道的ROADM结构...
【专利技术属性】
技术研发人员：耿敏明，张磊，贾连希，杨林，刘育梁，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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