CN102841479A - 一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片 - Google Patents

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刘永
王蕾
陈立功
张雅丽
张尚剑
陆荣国
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Abstract

本发明公开了一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，属于光电子领域，该集成芯片包括半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪，所述半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪依次连接并集成在同一半导体基片上，构成一个芯片；所述半导体光放大器的输入端经光纤连接有一光功率耦合器，所述延迟干涉仪连接有光纤，该光纤为集成芯片的输出端。本发明利用半导体光放大器的交叉增益调制效应，将泵浦光上的信号调制到另一不同波长的探测光上；利用阵列波导光栅的蓝移滤波作用，提取超快的瞬态啁啾跃变动态过程，克服较慢的半导体光放大器增益恢复时间对工作速率的限制，提升波长转换的速度，具有波长转换速度快、体积小、易于集成等特点。整个全光波长转换集成芯片的尺寸可小至4.5mm×2mm，可应用于下一代光网络的路由系统中。

Description

一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片
技术领域
本发明涉及光电子技术领域中的全光信号处理技术，具体涉及一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片。
背景技术
在波分复用的光通信网络中，波长转换是解决波长竞争，实现波长重新利用和无阻塞波长路由的关键技术。它将需要进行波长转换的泵浦光信号载有的数字信号调制到另一路与泵浦光信号波长不同的探测光信号上，如图1所示，在波长转换装置的第一光输入端输入波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光，同时在第二光输入端输入波长为λprobe的连续光作为探测光，在输出端可获得波长为λprobe的载有数字信号的探测光，该数字信号与泵浦光所载有的数字信号一致，从而实现波长转换。
传统的波长转换装置结构为光-电-光型的结构，它将需要进行波长转换的光信号先转换成电信号，再用电信号调制所需波长的激光器从而实现波长转换。光-电-光型的波长转换装置采用的原理比较简单，但主要缺点是功率消耗大，电路结构复杂，而且经过光-电-光转换后，原先光信号的相位，幅度等信息会丢失，不能实现对光信号的完全透明传输，且最高速率受限于电子瓶颈。
全光结构的波长转换装置因能够成功克服速率瓶颈，提高网络的透明性，并具有功耗低、体积小的特点，是波长转换技术的必然发展趋势。R. J. Manning等人在文献“Manning R J, et al. Cancellation of Non-Linear Patterning in Semiconductor Amplifier Based Switches[C].// Optical Society of America. Whistler, Canada, 2006: paper OTuC1.”中提出了一种采用两个级联的半导体光放大器和一个可调谐滤波器组成的波长转换装置，如图2所示，包括一个光功率耦合器、第一半导体光放大器、可调谐滤波器和第二半导体光放大器。该装置利用第二个半导体光放大器的自身增益效应来消除第一半导体光放大器所产生的码型效应，从而实现高速全光波长转换，并利用可调谐滤波器将泵浦光滤除。该方案由于需要可调谐滤波器将泵浦光滤除，但是现在所用的滤波器都属于无源器件，而半导体光放大器属于有源器件，二者很难集成在一起，这就导致波长转换装置体积较大，无法实现集成化，小型化，产品化。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种波长转换速度快、体积小、易于集成的基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，其旨在解决的技术问题是: 现有的波长转换装置需要可调谐滤波器将泵浦光滤除，而现有的滤波器都属于无源器件、半导体光放大器却是有源器件，二者很难集成在一起，这就导致波长转换装置体积较大，无法实现集成化、小型化和产品化。
为了解决上述技术问题，达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，其特征在于，包括半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪，所述半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪依次连接并集成在同一半导体基片上，构成一个芯片；所述半导体光放大器的输入端经光纤连接有一光功率耦合器，所述延迟干涉仪连接有光纤，该光纤为集成芯片的输出端。
作为本发明更进一步地改进，所述光功率耦合器有两个输入端，波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光从光功率耦合器的第一输入端输入，波长为λprobe的连续光作为探测光从光功率耦合器的第二输入端输入，泵浦光和探测光经光功率耦合器耦合后输入半导体光放大器，半导体光放大器将波长为λpump的泵浦光上载有的数字信号调制到波长为λprobe的探测光上，实现波长转换；转换后信号经过阵列波导光栅，滤除多余的泵浦光，再经过延迟干涉仪，使信号变为与原始信号同相位，从集成芯片的输出端输出。
本发明的工作原理为：
本发明为一种基于半导体光放大器交叉增益调制效应的波长转换芯片，与传统的波长转换芯片相比，它增加了一个阵列波导光栅，利用阵列波导光栅的蓝移滤波作用，提取超快的瞬态啁啾跃变动态过程，大幅度加快了半导体光放大器的增益有效恢复，提升了波长转换的速度。本发明利用半导体光放大器中的交叉增益调制效应实现波长转换时，输出的探测光信号会与泵浦光信号反相，例如，如果泵浦光信号是一系列的正脉冲数字信号，则输出的探测光信号就是一系列的负脉冲数字信号，所以利用延迟干涉仪实现反相功能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、实现了高速的波长转换装置的芯片集成，同时利用阵列波导光栅作为滤波器，利用瞬态啁啾跃变效应，大大提高了半导体光放大器的增益有效恢复时间。
二、本发明为一种全光波长转换芯片，克服了电子速率瓶颈，大大提高了网络的吞吐量和透明性，减少了装置能耗；本发明也可以说是一种已经制成集成芯片的全光波长转换装置，其半导体光放大器、阵列波导光栅和延迟干涉仪可集成于同一半导体基片上，克服了以往全光波长转换装置体积较大，难以集成的困难，从而具有体积小、易于集成的特点。整个全光波长转换集成芯片的尺寸可小至4.5mm×2mm，可应用于下一代光网络的路由系统中。
附图说明
图1是全光波长转换装置原理示意图。
图2是现有的一种基于半导体光放大器的波长转换装置示意图。
图3是本发明提供的一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片的掩膜图。
图4是160Gb/s的波长转换下，本发明输出端的仿真信号结果。
附图标记为： 1是波长为λpump的泵浦光、2是波长为λprobe的探测光、3是波长为λprobe的输出探测光、4是光功率耦合器，5是半导体光放大器，6是阵列波导光栅，7是延迟干涉仪。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，包括半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪，所述半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪依次连接并集成在同一半导体基片上，构成一个芯片；所述半导体光放大器的输入端经光纤连接有一光功率耦合器，所述光纤干涉仪连接有光纤，该光纤为集成芯片的输出端。波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光从光功率耦合器的一个输入端输入，波长为λprobe的连续光作为探测光从光功率耦合器的另一个输入端输入，泵浦光和探测光经光功率耦合器耦合后输入半导体光放大器。半导体光放大器将波长为λpump的泵浦光上载有的数字信号调制到波长为λprobe的探测光上，实现波长转换。转换后信号经过阵列波导光栅，滤除多余的泵浦光，再经过延迟干涉仪，使信号变为与原始信号同相位，从输出端输出。
实施例
在下述具体参数下，对本发明提供的基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换芯片进行了模拟仿真。半导体光放大器的有源区长度为 1mm，载流子寿命为 60ps，工作电流为 400mA，模式损耗为 17cm -1 ， TE 模限制因子为 0.2， TM 模限制因子为 0.14； 泵浦光为波长 λpump 为 1550nm、工作速率为 160Gb/s、 脉冲宽度为 2ps、脉冲峰值功率为20mW的高斯脉冲光；探测光为波长 λprobe 为 1565nm，平均功率为1mW的直流光。阵列波导光栅的工作波段为1550nm，通带间距是200GHz，边带抑制比20dB。延迟干涉仪的延时时间为2ps。上述具体实施方式实现了数字信号从波长1550nm到1565nm的转移，完成了全光波长转换，可达到160Gb/s的波长转换速率。图4是从延时干涉仪输出的反相波长转换后信号。从仿真结果可以看出，能够实现160Gb/s的工作速率。
下一代光网络的路由系统实现需要小型化、集成化、超高速的全光波长转换器件。从本发明的具体实施例可知，本发明提出的基于半导体光放大器、阵列波导光栅以及延迟干涉仪的超高速全光波长转换集成结构能够满足未来路由系统对超高速、小型化、集成化器件的要求。因此，本发明提出的基于瞬态啁啾跃变的高速全光波长转换集成结构能够为下一代光网络的路由系统实现提供有力的推动作用，具有广泛的应用前景。

Claims (2)

1.一种基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，其特征在于，包括半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪，所述半导体光放大器、阵列波导光栅、延迟干涉仪依次连接并集成在同一半导体基片上，构成一个芯片；所述半导体光放大器的输入端经光纤连接有一光功率耦合器，所述延迟干涉仪连接有光纤，该光纤为集成芯片的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于瞬态啁啾跃变的全光波长转换集成芯片，其特征在于，所述光功率耦合器有两个输入端，波长为λpump的载有数字信号的脉冲光作为泵浦光从光功率耦合器的第一输入端输入，波长为λprobe的连续光作为探测光从光功率耦合器的第二输入端输入，泵浦光和探测光经光功率耦合器耦合后输入半导体光放大器，半导体光放大器将波长为λpump的泵浦光上载有的数字信号调制到波长为λprobe的探测光上，实现波长转换；转换后信号经过阵列波导光栅，滤除多余的泵浦光，再经过延迟干涉仪，使信号变为与原始信号同相位，从集成芯片的输出端输出。
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