CN101813805A - 一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，包括五根波导和四个双环模块，其中波导分为两部分，中间的一根波导是作为主路的主路波导，标以Input和Output，表示整个结构的输入和输出；另外的四根波导是作为分路的上下载波导，标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4，表示上下载特定波长的信号；四个双环模块是ROADM的核心结构，标以R1、R2、R3、R4，每个模块的两个环的半径相同，能够谐振特定波长的光信号，R1、R2、R3、R4对应的半径各不相同，用来分别谐振波长为λ₁/λ′₁、λ₂/λ′₂、λ₃/λ′₃、λ₄/λ′₄的光信号。利用本发明，可以实现多路光信号的插分复用，改善器件带宽性能、降低插入损耗、提高器件集成度。

Description

一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构

技术领域

本发明涉及光通信网络中密集波分复用(DWFM)和硅光子学技术领域，特别是一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构。

背景技术

光插分复用器是光纤通信网络的节点设备，它的基本功能是从光纤中下载光信道中通往本地的信号，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，保持了光域的透明性。如果选择某个或某些固定的波长信道进行分插复用，则称为固定波长OADM(Fixed OADM)；如果能够选择性地分插复用某个或某些需要的波长信道，则称为可重构OADM(Reconfigurable Optical Add/DropMultiplexer，ROADM)。

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。面对大客户提供存储局域网(Storage Area Network，SAN)等波长级业务。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DWDM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。另外，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。可重构将成为光插分复用的主流技术，引起了国内外的高度关注，并将在高速大容量光纤通信和高速光互连等领域得到广泛应用。

ROADM的实现可以采用多种技术方案，如基于声光可调谐滤波器的ROADM、基于可调谐光纤光栅的ROADM、基于AWG和开关阵列的ROADM、基于自由空间光开关的ROADM、基于波导光栅的ROADM、基于光纤阵列和光学超大规模处理器的ROADM、以及基于环形谐振腔结构的ROADM等等。从提高器件集成度、降低器件成本和适应下一代光互联技术方面而言，基于环形谐振腔结构的ROADM器件具有良好的应用前景和学术价值。基于环形谐振腔结构的ROADM可以是单环谐振也可以是双环谐振，其滤波原理是波导耦合和封闭谐振腔的谐振。直波导中的光信号通过与谐振腔的耦合将信号耦合至谐振腔中，其中满足谐振条件mλ_m＝n_sffL的波长(L为封闭谐振腔的周长)在腔内谐振，通过谐振腔与直波导之间的耦合可以耦合至下载端，实现滤波。在滤波过程中，满足临界耦合条件时，可以获得最大的输入输出消光比。

基于环形谐振腔的ROADM一般采用高折射率差的SOI波导材料，利用平面波导工艺制作。根据硅光子学的相关原理，SOI材料的高折射率差使得波导对光有强限制作用，从而使波导具有小的弯曲损耗，这保证了在结构中采用小的谐振微环设计也可以实现高性能的波导滤波器。

波导材料硅具有较大的热光系数，这使得对硅波导微环的热光调制成为可能。同时，硅材料虽然不具有线性电光效应，但是，可以利用其等离子色散效应来进行电光调制。因此，往往利用热光或电光效应对硅波导微环进行调制，实现信道波长的动态重构功能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，以实现多路光信号的插分复用，同时获得较低的插入损耗和较好的带宽性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，该结构包括五根波导和四个双环模块，其中波导分为两部分，中间的一根波导是作为主路的主路波导，标以Input和Output，表示整个结构的输入和输出；另外的四根波导是作为分路的上下载波导，标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4，表示上下载特定波长的信号；四个双环模块是ROADM的核心结构，标以R1、R2、R3、R4，每个模块的两个环的半径相同，能够谐振特定波长的光信号，R1、R2、R3、R4对应的半径各不相同，用来分别谐振波长为λ₁/λ′₁、λ₂/λ′₂、λ₃/λ′₃、λ₄/λ′₄的光信号。

上述方案中，采用双环谐振结构，主路波导与上下载波导的输入输出方向一致，便于器件的测试和耦合封装。通过改变环的半径、环与直波导的间距、环与环的间距实现器件性能调节，再利用波导硅材料的热光特性或等离子色散效应进行外部调制，可以实现四路信号光的可重构插/分复用。

上述方案中，所述四根被标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4的波导作为分路的上下载波导，分别是第一上下载波导A1/D1、第二上下载波导A2/D2、第三上下载波导A3/D3和第四上下载波导A4/D4。其中，第一上下载波导A1/D1和第三上下载波导A3/D3位于主路波导的一侧，第二上下载波导A2/D2和第四上下载波导A4/D4位于主路波导的另一侧。

上述方案中，所述第一上下载波导A1/D1与第三上下载波导A3/D3构成第一垂直交叉结构，所述第二上下载波导A2/D2与第四上下载波导A4/D4构成第二垂直交叉结构。该器件设计具有结构紧凑、集成度高的优点。

上述方案中，所述四个被标以R1、R2、R3、R4的双环模块中，第一双环模块R1和第三双环模块R3位于第一垂直交叉结构与主路波导之间，第二双环模块R2和第四双环模块R4位于第二垂直交叉结构与主路波导之间。

上述方案中，该结构采用的五根波导均为SOI材料波导，高折射率差使得波导对光有强限制作用，弯曲损耗小。

上述方案中，在该结构中，主路输入端与各分路上载端分支无交叉，避免主路信号传输中的串扰和散射，且各分路上载端的交叉结构采用波长间隔交叉和节点处垂直交叉，有效降低各上下载信号间的串扰和散射。

上述方案中，对所述结构的双环进行热光或电光调制，使波导有效折射率发生变化，从而使双环的谐振波长发生漂移，实现波长的动态重构功能。

上述方案中，通过改变环的半径可以调节谐振波长；改变环与直波导的间距以及环与环的间距可以调节耦合系数，通过优化设计可以实现ROADM器件的最佳耦合效率、3dB带宽和自由光谱范围。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、相比背景技术中的ROADM，本发明采用双环谐振结构，实现主路分路的输入输出端方向一致，减少通道间交叉，从而可以获得更低的插入损耗、更小的信道间串扰和更好的3dB带宽。通过改变环的半径、环与直波导的间距、环与环的间距调节器件性能，通过热光或电光调制实现四路波长的可重构光插/分复用。

2、本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，采用高折射率差SOI材料波导，对波导中的光有强限制作用，可以实现较低的波导弯曲损耗。

3、本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，采用双环谐振，相比单环谐振来说，所构成的带通滤波器滤波谱线更好，带宽性能更加符合网络应用中平坦通带顶部的要求。

4、本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，可以在多路传输时控制输入/输出端方向与主路一致，器件结构紧凑、集成度高。

5、本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，主路波导与各上下载波导分支无交叉，减小信道间的串扰和散射；且上下载波导的交叉结构采用波长间隔交叉和节点处垂直交叉，有效降低相邻信道间的串扰和散射。

附图说明

图1是本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构的示意图，该结构包括五根波导和四个双环模块，其中波导分为两部分，中间的一根波导是作为主路的主路波导，标以Input和Output，表示整个结构的输入和输出；另外的四根波导是作为分路的上下载波导，标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4，表示上下载特定波长的信号；四个双环模块是ROADM的核心结构，标以R1、R2、R3、R4，每个模块的两个环的半径相同，能够谐振特定波长的光信号，R1、R2、R3、R4对应的半径各不相同，用来分别谐振波长为λ₁/λ′₁、λ₂/λ′₂、λ₃/λ′₃、λ₄/λ′₄的光信号。

本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，采用双环谐振结构，主路波导与上下载波导的输入输出方向一致，避免主路与分路之间的串扰和散射，优化3dB带宽，同时通过改变环的半径、环与直波导的间距、环与环的间距调节器件性能，通过热光或电光调制实现四路信号光的可重构光插/分复用功能。

其中，所述四根被标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4的作为分路的上下载波导，分别是第一上下载波导A1/D1、第二上下载波导A2/D2、第三上下载波导A3/D3和第四上下载波导A4/D4，其中，第一上下载波导A1/D1和第三上下载波导A3/D3位于主路波导的一侧，第二上下载波导A2/D2和第四上下载波导A4/D4位于主路波导的另一侧。

该结构采用的五根波导均为SOI材料波导，高折射率差使得波导对光有强限制作用，弯曲损耗小。所述第一上下载波导A1/D1与第三上下载波导A3/D3构成第一垂直交叉结构，所述第二上下载波导A2/D2与第四上下载波导A4/D4构成第二垂直交叉结构。

所述四个被标以R1、R2、R3、R4的双环模块中，第一双环模块R1和第三双环模块R3位于第一垂直交叉结构与主路波导之间，第二双环模块R2和第四双环模块R4位于第二垂直交叉结构与主路波导之间。

在该结构中，主路输入端与各分路上载端分支无交叉，避免主路信号传输中的串扰和散射，且各分路上载端的交叉结构采用波长间隔交叉和节点处垂直交叉，有效降低相邻信号间的串扰和散射。

另外，对所述结构的双环进行热光或电光调制，使波导有效折射率发生变化，从而使双环的谐振波长发生漂移，实现波长的动态重构功能。

通过改变环的半径调节谐振波长，改变环与直波导的间距以及环与环的间距调节耦合系数，进而调节器件的耦合效率、带宽和自由光谱范围，通过相关软件模拟，反复调试不同参数，根据模拟结果，得出最佳设计参数。

再参照图1，本发明提供的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构的工作过程：从Input端口输入波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄......λ_n的光信号，其中，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光信号分别满足R1、R2、R3、R4双环模块的谐振条件，经过环与直波导的耦合，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光信号分别下载至D1、D2、D3、D4端口，实现特定波长光信号的下载。除此之外，其余没有被谐振的光信号直通至Output端口，实现主路信号的传输。对于信号的上载，分别从A1、A2、A3、A4端口输入波长为λ′₁、λ′₂、λ′₃、λ′₄的光信号，其中，λ′₁、λ′₂、λ′₃、λ′₄分别满足R1、R2、R3、R4双环模块的谐振条件，当信号传输至双环模块对应的耦合区时，经过直波导与环的耦合作用，耦合至主路，加载的信号输出至Output端口，实现特定波长光信号的上载。

图1所示结构能够同时实现光信号的上/下载，而不是说下载和上载需要分时进行，能够做到时分复用，所牺牲的是空间，除主路外，另外引入四条上/下载波导。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，该结构包括五根波导和四个双环模块，其中波导分为两部分，中间的一根波导是作为主路的主路波导，标以Input和Output，表示整个结构的输入和输出；另外的四根波导是作为分路的上下载波导，标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4，表示上下载特定波长的信号；四个双环模块是ROADM的核心结构，标以R1、R2、R3、R4，每个模块的两个环的半径相同，能够谐振特定波长的光信号，R1、R2、R3、R4对应的半径各不相同，用来分别谐振波长为λ₁/λ₁′、λ₂/λ′₂、λ₃/λ′₃、λ₄/λ′₄的光信号。

2.根据权利要求1所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，该结构采用双环谐振结构，主路波导与上下载波导的输入输出方向一致，便于器件的测试和耦合封装。通过改变环的半径、环与直波导的间距、环与环的间距实现器件性能调节，再利用波导硅材料的热光特性或等离子色散效应进行外部调制，可以实现四路信号光的可重构插/分复用。

3.根据权利要求1所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，所述四根被标以A1/D1、A2/D2、A3/D3、A4/D4的作为分路的上下载波导，分别是第一上下载波导(A1/D1)、第二上下载波导(A2/D2)、第三上下载波导(A3/D3)和第四上下载波导(A4/D4)，其中，第一上下载波导(A1/D1)和第三上下载波导(A3/D3)位于主路波导的一侧，第二上下载波导(A2/D2)和第四上下载波导(A4/D4)位于主路波导的另一侧。

4.根据权利要求3所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，所述第一上下载波导(A1/D1)与第三上下载波导(A3/D3)构成第一垂直交叉结构，所述第二上下载波导(A2/D2)与第四上下载波导(A4/D4)构成第二垂直交叉结构。

5.根据权利要求3所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，所述四个被标以R1、R2、R3、R4的双环模块中，第一双环模块(R1)和第三双环模块(R3)位于第一垂直交叉结构与主路波导之间，第二双环模块(R2)和第四双环模块(R4)位于第二垂直交叉结构与主路波导之间。

6.根据权利要求1所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，该结构采用的五根波导均为SOI材料波导，高折射率差使得波导对光有强限制作用，弯曲损耗小。

7.根据权利要求1所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，在该结构中，主路输入端与各分路上载端分支无交叉，避免主路信号传输中的串扰和散射，且各分路上载端的交叉结构采用波长间隔交叉和节点处垂直交叉，有效降低各上载信号间的串扰和散射。

8.根据权利要求1所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，采用双环结构，可以实现谐振波长的带通平坦化、降低不同信道间的串扰。对所述结构的双环进行热光或电光调制，使波导有效折射率发生变化，从而使双环的谐振波长发生漂移，实现波长的动态重构功能。

9.根据权利要求1所述的双环谐振的四路可重构光插分复用器结构，其特征在于，通过改变环的半径可以调节谐振波长；改变环与直波导的间距以及环与环的间距可以调节耦合系数，通过优化设计可以实现ROADM器件的最佳耦合效率、3dB带宽和自由光谱范围。

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