CN104297854B - 硅基多波长光源及其实现的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基多波长光源及其实现的方法，该硅基多波长光源包括一个由n(n≥1)个滤波长度不同的硅基微环组件Ri(i≤n)并联组成的硅基微环组以及多路复用器、光放大器、光耦合器和偏振控制器；硅基微环组将接收的杂散光过滤为n个不同波长的光传输给多路复用器；多路复用器对所述n个不同波长的光进行复合，并输入至光放大器；光放大器放大复合后的光信号，并发送给光耦合器；光耦合器的tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号传输给偏振控制器；偏振控制器控制剩余光信号输入硅基微环组的偏振状态。本发明利用硅基微环集成硅基多波长光源，解决了传统多波长光源系统复杂、体积庞大、成本较高以及波长间隔难以调控的问题。

Description

硅基多波长光源及其实现的方法
技术领域
本发明涉及光通信领域的集成光学结构，具体涉及硅基多波长光源及其实现的方法。
背景技术
在波分复用无源光网络和密集波分复用系统中，需要多波长光源，目前的多波长光源主要是分布反馈激光器，半导体激光器等，这些传统多波长光源系统复杂、体积庞大、成本较高，波长间隔难以调控。
集成光学器件由于具有紧凑的结构，近年得到高速的发展，尤其是硅基集成光器件，目前已有多种硅基集成光器件达到应用的标准，其具有结构紧凑、功耗低等诸多优点，如果能够利用硅基集成光器件制作硅基多波长光源，将可以有效解决传统多波长光源系统复杂、体积庞大、成本较高以及波长间隔难以调控的问题，而利用这种硅基多波长光源的集成光学通信系统必然是未来的发展趋势，但目前无商用的硅基集成多波长光源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何利用硅基集成光器件制作硅基多波长光源，以解决传统多波长光源系统复杂、体积庞大、成本较高以及波长间隔难以调控的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种硅基多波长光源，包括由n个滤波长度不同的硅基微环组件Ri并联组成的硅基微环组以及多路复用器、光放大器、光耦合器和偏振控制器；
所述光放大器将输入光放大复合后的光信号发送给所述光耦合器；所述光耦合器的tap端输出一部分所述光信号，剩余光信号传输给所述偏振控制器；所述偏振控制器控制所述剩余光信号输入硅基微环组的偏振状态；所述硅基微环组将从偏振控制器105方向接收的杂散光过滤形成n个不同波长的光传输给所述多路复用器；所述多路复用器对所述n个不同波长的光进行复合，并输入所述光放大器；所述光放大器放大复合后的光信号，并发送给所述光耦合器；所述光耦合器的tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号经所述偏振控制器输入硅基微环组，如此循环往复；
其中,n为大于等于1的正整数；i为小于等于n的正整数。
在上述硅基多波长光源中，所述硅基微环组件Ri包括一个硅基微环和包裹在硅基微环上形成的热电阻；
所述硅基微环具有上下话路型微环谐振腔，并与两个直波导耦合形成输入Add端和输出Drop端，其中Add端通过输入耦合单元连接上话路，Drop端通过输出耦合单元连接下话路。
在上述硅基多波长光源中，每个所述硅基微环的谐振波长λ为：
其中R为硅基微环半径，neff(λ)为微环的有效折射率，m为硅基微环中谐振模式的级数。
在上述硅基多波长光源中，在所述光放大器和所述光耦合器之间设置一个起偏器，使光耦合器输出线偏振光。
本发明还提供了一种硅基多波长光源实现的方法，步骤如下：
硅基微环组接收杂散光，并过滤形成n个不同波长的光传输给多路复用器；多路复用器对所述n个不同波长的光进行复合后输入光放大器；光放大器放大复合后的光信号并发送给光耦合器；光耦合器的tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号传输给偏振控制器；偏振控制器控制所述剩余光信号再次输入硅基微环组的偏振状态。
本发明利用硅基微环集成硅基多波长光源，使该硅基多波长光源具有集成光学器件结构紧凑、功耗低等诸多优点，简化了多波长光源的复杂系统，减小了多波长光源体积，降低了其制作成本，同时由于光源的波长数量由微环数量决定，硅基多波长光源的波段范围由光放大器的增益范围决定，这样就可以根据需求灵活运用，除此之外本发明还做到了利用热光效应控制中心波长及波长间隔。
附图说明
图1为本发明提供的硅基多波长光源的结构图；
图2为本发明中硅基微环组件的结构示意图；
图3为利用本发明输出激光为线偏振光实施例的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作出详细的说明。
如图1所示，本发明提供的硅基多波长光源包括一个由n(n≥1)个滤波长度不同的硅基微环组件Ri(i≤n)并联组成的硅基微环组101以及多路复用器102(MUX)、光放大器103(OA)、光耦合器104(OC)和偏振控制器105(PC)；
光放大器103将输入光放大复合后的光信号发送给光耦合器104；光耦合器104tap端将放大复合后的光信号一部分输出，剩余所述光信号传输给偏振控制器105；偏振控制器105控制所述剩余光信号输入硅基微环组的偏振状态，使得光耦合器104工作效率最高；硅基微环组101将从偏振控制器105方向接收的杂散光过滤为n个不同波长的光传输给多路复用器102；多路复用器102对所述n个不同波长的光进行复合，再次输入光放大器103；光放大器103放大复合后的光信号，发送给光耦合器104；光耦合器104 tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号再经过偏振控制器105输入硅基微环组，如此循环往复。
在本发明中，每个硅基微环组件Ri的工作波长可利用硅材料的热光效应或电光效应调谐，波长数量由微环个数决定；多路复用器102是波分复用器，可以是阵列波导光栅(AWG)、介质滤波片波分复用器，也可以是级联MZI型波分复用器或微环型波分复用器；光放大器103可以是所有商用光放大器，例如掺铒光纤放大器、半导体光放大器、拉曼光放大器以及布里渊光放大器和光参量放大器；光耦合器104可根据放大器的增益特性选择tap输出端功率比例，包括但不仅限于市面上能买到的输出比例为95/5比例、90/10比例以及99/1比例和50/50比例的光放大器，放大器增益越大，选择tap输出端功率比例越高。
在本发明提供的回路中，损耗主要是硅基微环组件Ri的耦合损耗和MUX102的耦合损耗，只要光放大器103的增益大于回路中的损耗，就能够形成激光振荡，光耦合器104 tap端输出即为多波长激光；由于硅基微环组件Ri腔长较长，所以本发明产生的激光线宽较窄，达KHz量级。
图2为本发明中硅基微环组件的结构示意图，该所述硅基微环组件Ri包括一个硅基微环202和包裹在硅基微环上形成的热电阻203；
硅基微环202具有上下话路型微环(也称Add-Drop型)谐振腔，并与两个直波导耦合形成输入Add端和输出Drop端，其中Add端通过输入耦合单元201连接上话路，Drop端通过输出耦合单元204连接下话路；
其中，输入耦合单元201和输出耦合单元204可以是耦合光栅、锥型耦合结构或倒锥耦合结构。
每个硅基微环组件实现对光波长的选择，可以从多个波长中过滤出所需谐振波长，而其他波长则被阻挡。所需的谐振波长由下式决定：
2лR·neff(λ)＝mλ,
即谐振波长
其中R为微环半径，neff(λ)为微环的有效折射率，m为硅基微环中谐振模式的级数，由此可见每个硅基微环的谐振波长由其半径以及有效折射率和硅基微环谐振模式的级数m决定。对于宽度为500nm的单模波导，可用Rsoft软件仿真得到群折射率ng为3.6。若m取74，R为5μm，那么λ＝1.55μm。
硅基微环的Q值衡量的是谐振腔对谐振光场的限制能力，是存储能量与耗散能量的比值，Q值可通过硅基微环传输谱线得到，其大小等于峰值波长(λ0)与峰值半宽(FWHM)的比值：
其中m为硅基微环谐振模式的级数，t1和t2分别为硅基微环的through端和drop端的功率透过系数，可以看出，Q值越大，谐振模式的级数越高；硅基微环中的光场的损耗越大，Q值越小。
硅基微环传输谱中的谐振峰是周期性出现的，FSR即定义为相邻谐振峰之间的波长差，可表示成：
或者表示成：
其中R为硅基微环半径，ng为群折射率，λ为波长。
为使单个硅基微环滤出单个波长，可设计小的微环半径，使FSR增大，超出光放大器(例如EDFA，Erbium-doped Optical Fiber Amplifer,掺铒光纤放大器)的增益范围，从而达到单个微环滤出单波长的效果。
也可以利用硅基热光效应，对集成的热电阻加电使硅基微环的谐振波长改变，将波长移动到需要的波长处，由于硅材料具有良好的热光系数，在温度为300K～600K时，在1550nm波长附近，硅的折射率n随温度T变化的经验公式为：
由于硅的热光系数随温度增加而增大，所以随着温度升高，硅的折射率变化会更快，由此可见热调谐效率会随温度升高而提高，有利于降低器件功耗。对于绝缘体硅(Silicon-On-Insulator,简称SOI)，包层二氧化硅的热导率很小，可以有效起到绝热作用，减少热量散失，降低调谐功耗，因此在本发明中在硅基微环上制作热电阻，是利用热光效应控制硅基微环组件滤过的波长。
利用本发明提供的硅基多波长光源还可以输出线偏振光，图3所示的是利用本发明输出激光为线偏振光实施例的结构图，在该实施例中采用的光放大器为掺铒光纤放大器EDFA、多路复用器为阵列波导光栅(AWG)；并在掺铒光纤放大器EDFA与光耦合器OC之间接入一个起偏器302，EDFA的作用是产生增益，起偏器加在回路中，使回路产生的激光为线偏振光。
本发明还提供了一种硅基多波长光源实现的方法，步骤如下：
硅基微环组接收杂散光，并过滤形成n个不同波长的光传输给多路复用器；多路复用器对所述n个不同波长的光进行复合后输入光放大器；光放大器放大复合后的光信号并发送给光耦合器；光耦合器的tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号传输给偏振控制器；偏振控制器控制所述剩余光信号再次输入硅基微环组的偏振状态。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.硅基多波长光源，其特征在于，包括由n个滤波长度不同的硅基微环组件Ri并联组成的硅基微环组以及多路复用器、光放大器、光耦合器和偏振控制器；
所述光放大器将输入光放大复合后的光信号发送给所述光耦合器；所述光耦合器的tap端输出一部分所述光信号，剩余光信号传输给所述偏振控制器；所述偏振控制器控制所述剩余光信号输入硅基微环组的偏振状态；所述硅基微环组将从偏振控制器方向接收的杂散光过滤形成n个不同波长的光传输给所述多路复用器；所述多路复用器对所述n个不同波长的光进行复合，并输入所述光放大器；所述光放大器放大复合后的光信号，并发送给所述光耦合器；所述光耦合器的tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号经所述偏振控制器输入硅基微环组，如此循环往复；
其中,n为大于等于1的正整数；i为小于等于n的正整数。
2.如权利要求1所述的硅基多波长光源，其特征在于，所述硅基微环组件Ri包括一个硅基微环和包裹在硅基微环上形成的热电阻；
所述硅基微环具有上下话路型微环谐振腔，并与两个直波导耦合形成输入Add端和输出Drop端，其中Add端通过输入耦合单元连接上话路，Drop端通过输出耦合单元连接下话路。
3.如权利要求2所述的硅基多波长光源，其特征在于，每个所述硅基微环的谐振波长λ为：
<mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;R</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>eff</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中R为硅基微环半径，neff(λ)为微环的有效折射率，m为硅基微环中谐振模式的级数。
4.如权利要求1所述的硅基多波长光源，其特征在于，在所述光放大器和所述光耦合器之间设置一个起偏器，使光耦合器输出线偏振光。
5.硅基多波长光源实现的方法，其特征在于，步骤如下：
硅基微环组接收杂散光，并过滤形成n个不同波长的光传输给多路复用器；多路复用器对所述n个不同波长的光进行复合后输入光放大器；光放大器放大复合后的光信号并发送给光耦合器；光耦合器的tap端将所述光信号一部分输出多波长激光，剩余光信号传输给偏振控制器；偏振控制器控制所述剩余光信号再次输入硅基微环组的偏振状态。
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