CN101035391A - 基于微环的1×n动态光波长路由器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微环的1×N动态光波长路由器。在芯层中设有输入波导、N个输出波导和N个微环，N个微环分别与各自的输出波导相邻。上包层上面设有与N个微环相对应的N个环形上电极，通过电光效应，改变微环的折射率，从而控制微环的谐振条件，实现不同波长光信号在输入波导与微环，及微环与输出波导间的耦合。N个不同波长光信号从输入波导输入，N个输出波导分别选择某一对应波长光信号输出，每个输出波导对应的波长可以进行动态配置。采用微环结构作为基本单元，结构简单，易于实现器件的小型化和功能的集成化；微环的损耗低、消光比大、品质因数高，具有优良的滤波特性；利用电光效应易于控制微环的谐振条件，实现输出波长的动态配置。

Description

基于微环的1×N动态光波长路由器

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别涉及一种基于微环的1×N动态光波长路由器。

背景技术

全光网(All Optical Networks，AON)以波长路由光交换技术和波分复用传输技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)为基础，它的网络节点由光分插复用器(Optical Add/Drop Multiplexer，OADM)和光交叉连接器(OpticalCross Connector，OXC)构成，能在光域上实现高速信息流的传输、交换、路由和故障恢复等功能。OADM和OXC是全光网中最重要的网络器件，是真正实现全光网关键性功能的必要前提。当信道数目增加时，为避免器件设备过于复杂，有必要将OADM和OXC集成化。光波长路由器(Wavelength Router，WR)是实现OADM和OXC集成化的核心模块，对于实现WDM全光网具有重要意义。

WR可将一个波长作为一个通道，利用波长的不同实现选路。例如，对于N×N的WR，N个波长光信号分别从WR的N个输入端口输入，再根据波长的不同，分别从WR的N个输出端口输出。根据功能的不同，WR可分为静态和动态两类。对于静态WR，每个输出端口对应的输出波长是固定的，多用于WDM线性传输系统；对于动态WR，每个输出端口对应的输出波长是可变的，即可以进行动态配置，实现网络资源配置的重新构建，适用于复杂的多波长光纤通信网络。具有动态配置功能的WR应用更广泛，竞争力更大，是光通信领域研究开发的热点之一。

与本发明相关的专利主要有：CN1255995C，CN1462125A，US6195187B1。专利CN1255995C提出一种全光波长路由交叉模块，采用解复用器、光空间开关矩阵、复用器实现动态光波长交换，但结构复杂，体积较大；专利CN1462125A将1×2型可调多波长选择路由器通过等比级联实现波长路由，但控制模块复杂，损耗较大；专利US6195187B1为实现多波长路由功能，整体采用矩阵架构，结点采用双微环结构，结构复杂，控制模块复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高度集成化的WR解决方案，设计一种基于微环的1×N动态光波长路由器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于微环的1×N动态光波长路由器，从下至上依次包括衬底、下电极、下包层、芯层、上包层和上电极。在芯层中设有输入波导、等分分布的N个输出波导和等分分布的N个微环，N个微环分别与各自的输出波导相邻，上包层上面设有与N个微环相对应的N个环形上电极，N个微环沿着输入波导的方向依次排列，N个输出波导与输入波导垂直且不相交。

输入波导、N个输出波导、N个微环在同一芯层平面内设置。

输入波导、N个输出波导在同一芯层平面内设置，位于芯层的上部，N个微环在同一芯层平面内设置，位于芯层的下部；或者输入波导、N个输出波导在同一芯层平面内设置，位于芯层的下部，N个微环在同一芯层平面内设置，位于芯层的上部。

微环的直径为10-1000微米，输入波导、输出波导和微环的横截面尺度为1-10微米，微环与输入波导或微环与输出波导间的距离均为1-10微米。

所述的微环是圆环形状微环或椭圆形状微环。

微环结构的工作原理是：包括微环，输入波导和输出波导。多波长光信号λ₁，λ₂，...，λ_i，...，λ_N从输入波导一端输入，部分光信号耦合进入微环，微环中的光信号又部分耦合进入输出波导并输出。特别的，若微环的谐振条件为n_effL＝mλ_i(其中，n_eff为微环的有效折射率，L为微环的长度，m是一个整数)，则只有波长为λ_i(λ_i为谐振波长)的光波耦合被加强，其他的光波耦合被抑制。最终，λ_i可以从输出波导输出，其他波长直接通过，从输入波导另一端输出。

微环谐振器有两个特征参数——自由光谱范围(FSR)和精细度(F)，各自定义如下：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}_i^2}{n_{\mathrm{eff}}L}\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_i^2}{n_{\mathrm{eff}}(2\mathrm{\πR}+2L_c)}$

其中，R是微环半径，L_c是耦合段长度。

$F=\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}}}=\frac{\mathrm{\π}}{2{\sin }^{-1}\left(\frac{1-R}{2\sqrt{R}}\right)}$

其中，R＝e^-α(1-κ)，α是每个环路的幅度衰减系数，κ是耦合段的归一化耦合系数。

每个微环配备电光控制结构，利用电光效应，通过控制施加在微环上的电压，改变微环的折射率，从而控制微环的谐振条件，实现不同波长光信号在输入波导与微环，及微环与输出波导间的耦合。

微环结构是构成动态光波长路由器的基本单元，将一定数量微环结构通过适当形式组合起来(如1×N结构)，再配备电光控制结构，即可实现动态光波长路由功能。N个不同波长光信号从输入波导输入，N个输出波导分别选择某一对应波长光信号输出，每个输出波导对应的波长可以进行动态配置。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明采用微环结构作为基本单元，结构简单，微环的直径通常为10-1000微米，尺寸小，易于实现器件的小型化和功能的集成化；

2)微环的自由光谱范围FSR通常为纳米量级，精细度F在一百左右，可以得到大的消光比和高的品质因数，具有优良的滤波特性；

3)微环的损耗低，通常损耗为0.1-10dB/cm；

4)利用电光效应易于控制微环的谐振条件，实现输出波长的动态配置。

附图说明

图1是本发明第一种结构去掉上包层和芯层后的结构示意图；

图2是本发明第一种结构的剖视图；

图3是本发明第二种结构的剖视图；

图4是本发明的一个具体实施例图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明第一种结构包括输入波导1，输出波导2，微环3，上电极4，上包层5，芯层6，下包层7，下电极8，衬底9。在芯层6中设有输入波导1、等分分布的N个输出波导2和等分分布的N个微环3，N个微环3分别与各自的输出波导2相邻，上包层5上面设有与N个微环3相对应的N个环形上电极4，N个微环3沿着输入波导1的方向依次排列，N个输出波导2与输入波导1垂直且不相交。输入波导1、N个输出波导2、N个微环3在同一芯层平面内设置。N个不同波长光信号从输入波导1输入，N个输出波导2分别选择某一对应波长光信号输出，每个输出波导2对应的波长可以进行动态配置。

如图3所示，本发明第二种结构包括输入波导1，输出波导2，微环3，上电极4，上包层5，芯层6，下包层7，下电极8，衬底9。输入波导1、N个输出波导2在同一芯层平面内设置，位于芯层6的上部；N个微环3在同一芯层平面内设置，位于芯层6的下部。

本发明的具体实施方式很多，在此以基于微环的1×2动态光波长路由器为实施例，但决非仅限于此实施例。以下结合附图对该实施例进行说明。

如图4所示，是基于微环的1×2动态光波长路由器的结构原理图：包括输入波导1，第一输出波导2.1和第二输出波导2.2，第一微环3.1和第二微环3.2，第一上电极4.1和第二上电极4.2，上包层5，芯层6，下包层7，下电极8，衬底9。输入波导1、第一输出波导2.1和第二输出波导2.2在同一芯层平面内设置，位于芯层6的上部；第一微环3.1和第二微环3.2在同一芯层平面内设置，位于芯层6的下部。

基于微环的1×2动态光波长路由器以高聚物为材料，具体制作过程如下：以硅片为衬底9，在其上沉积Au作为下电极8；采用旋转涂敷成膜法制作下包层7(材料为UV15)；采用旋转涂敷成膜法制作微环层，用反应离子刻蚀形成第一微环3.1和第二微环3.2(材料为CLD1/APC)；采用旋转涂敷成膜法制作芯层6(材料为UFC170)；采用光刻和反应离子刻蚀产生沟道，填充材料SU8形成输入波导1、第一输出波导2.1和第二输出波导2.2；采用旋转涂敷成膜法制作上包层5(材料为UFC170)；使用电晕极化方式对高聚物CLD1/APC进行极化；在上包层5上面沉积Au并刻出环形上第一上电极4.1和第二上电极4.2。由此就获得了基于微环的1×2动态光波长路由器。

如图4(a)所示，其工作原理如下：波长为λ₁，λ₂的光信号由输入波导1输入，利用电光效应控制第一微环3.1和第二微环3.2的谐振条件，使相应波长光信号分别耦合到第一微环3.1和第二微环3.2，再分别耦合到第一输出波导2.1和第二输出波导2.2并输出。工作在模式一时，第一上电极4.1上的电压为V₁，第二上电极4.2上的电压为V₂，第一微环3.1的谐振波长为λ₁，第二微环3.2的谐振波长为λ₂，第一输出波导2.1输出波长为λ₁的光信号，第二输出波导2.2输出波长为λ₂的光信号；工作在模式二时，第一上电极4.1上的电压为V₂，第二上电极4.2上的电压为V₁，第一微环3.1的谐振波长为λ₂，第二微环3.2的谐振波长为λ₁，第一输出波导2.1输出波长为λ₂的光信号，第二输出波导2.2输出波长为λ₁的光信号。由此实现输出波长的动态配置。

Claims (5)

1.一种基于微环的1×N动态光波长路由器，从下至上依次包括衬底、下电极、下包层、芯层、上包层和上电极；其特征在于：在芯层中设有输入波导、等分分布的N个输出波导和等分分布的N个微环，N个微环分别与各自的输出波导相邻，上包层上面设有与N个微环相对应的N个环形上电极，N个微环沿着输入波导的方向依次排列，N个输出波导与输入波导垂直且不相交。

2.根据权利要求1所述的一种基于微环的1×N动态光波长路由器，其特征在于：输入波导、N个输出波导、N个微环在同一芯层平面内设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于微环的1×N动态光波长路由器，其特征在于：输入波导、N个输出波导在同一芯层平面内设置，位于芯层的上部，N个微环在同一芯层平面内设置，位于芯层的下部；或者输入波导、N个输出波导在同一芯层平面内设置，位于芯层的下部，N个微环在同一芯层平面内设置，位于芯层的上部。

4.根据权利要求1所述的一种基于微环的1×N动态光波长路由器，其特征在于：微环的直径为10-1000微米，输入波导、输出波导和微环的横截面尺度为1-10微米，微环与输入波导或微环与输出波导间的距离均为1-10微米。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于微环的1×N动态光波长路由器，其特征在于：所述的微环是圆环形状微环或椭圆形状微环。

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