CN103220063A - 一种全光波长路由集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光波长路由集成芯片，属于光通信领域，其包括分布式布拉格反射激光器、多模干涉仪、半导体光放大器、阵列波导光栅和延迟干涉仪，并通过波导连接并集成在同一半导体基片上。本发明将泵浦光上的信号调制到不同波长的探测光上；加快调制光信号增益的有效恢复，提升了波长转换速度；并且利用延迟干涉仪的周期滤波特性使波长转换信号与原始信号同相，并且提高了消光比，改善了系统的性能，使得波长路由的单通道速率达到160Gbit/s，具备640Gbit/s交换容量的处理能力，并使整个全光波长路由集成芯片的尺寸小至9.6mm×3.7mm，且具有波长路由速度快、结构简单、体积小且易于集成等特点。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，特别涉及适用于波分复用（WDM）光通信的一种全光波长路由集成芯片。
背景技术
信息网络的高速发展对光纤通信网络提出了更高的要求，预计未来5年内，光网络的容量将达到100 Tbit/s，在10年内达到1 Pbit/s。对于如此大的通信容量，光波分复用已经逐渐成为高速、大容量光纤通信系统的标准骨干网络。在WDM中，多个波长复用在一根光纤里传输，达到一根光纤物理信道中传输超大容量的目标，从而解决了光纤通信对容量的要求。但是，在光网络节点处进行交换时，仍然采用电子信号处理和电子交换方式，存在着“光－电－光”转换瓶颈以及能耗高、体积庞大等难题，难以满足光网络的发展需求，正成为下一代信息网络发展的制约因素。
以著名路由器生产商Cisco采用最新电子技术设计的电子路由器CRS-1为例，要完成92 Tbit/s的交换能力，系统由80个标准机柜（213 cm×60 cm×91 cm）组成，共有2500个输入和输出信道。整个系统占地面积超过100平方米，重达60吨，而且耗电惊人（约为1 MW）。而当容量达到1 Pbit/s时，耗电量达到惊人的17.4 MW，相当于一个中型发电站的发电量。日本的调查报告表明，如果继续利用现有技术，2015年电子路由器的耗电量将占到日本全国总耗电的9％。此外，这样的庞然大物存在很大的安全隐患，在遭遇地震、区域性断电、恐怖袭击等突发事件时，容易造成灾难性后果。
此外，电子路由器采用基于多机柜互连的堆叠形式来实现容量的扩展，这种扩容方式导致路由器在尺寸、重量、能耗等方面都是非线性增长的，不能从根本上解决路由器的可扩展性问题，也就不能从根本上满足互联网容量持续增长的需求，因此研究新型路由器成为必然趋势。
基于波长路由的光子路由器为解决目前网络节点所面临的难题提供了一种新的途径。它采用光信号处理，秉承了“光”高速、宽带、透明、低功耗以及潜在的低成本等诸多优点，直接在光域中对光网络信号进行处理，实现路由功能。
美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）J. Bowers教授针对电（O-E-O）和光两种不同交换方式下节点容量与能耗之间的关系进行了对比分析，研究结果表明，采用光子路由器，可以使能耗节约1000－10000倍。美国加州大学戴维斯分校Ben Yoo教授根据他们初步开展的集成光信号处理工作所获得的数据测算，如果使用光子集成芯片来代替现有的CRS-1路由器的话，光网络节点处路由器的功耗、体积和重量均可降低3个数量级。
2009年3月，美国加州大学圣芭芭拉分校发布了全球首款基于单片光子集成芯片的可调谐光波长路由器（Monolithic Tunable Optical Router，简称MOTOR），芯片尺寸只有4.25 mm×14.5 mm，具备8端口、40 Gbit/s线速率、640 Gbit/s交换容量的处理能力，接近于单机柜电路由器的水平，而尺寸缩小了大约6个数量级，同时，重量、能耗也随之显著减小。其主要研究人员Nicholes. S. C等人在文献“Steven C. Nicholes, et al. An 8×8 InP Monolithic Tunable Optical Router (MOTOR) Packet Forwarding Chip.// Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 4, pp. 641-650, Feb. 2010”中具体说明了这种采用一个8×8的可调谐全光波长转换阵列及一个8×8的阵列波导光栅组成的全光波长路由集成芯片，如图1所示。该芯片利用取样光栅分布式布拉格反射激光器的波长可调谐以及半导体光放大器的交叉相位调制和交叉增益调制实现可调谐的全光波长转换，并利用阵列波导光栅的波长选择特性实现全光波长路由。
该方案是世界上第一个单片集成的可调谐波长路由器，其波长转换采用基于半导体光放大器的马赫曾德干涉仪结构，来实现交叉相位调制的波长转换。这种结构受到半导体光放大器载流子恢复较慢的限制，使其单通道的速率只能达到40 Gbit/s。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种速度快、体积小且结构简单的全光波长路由集成芯片，其旨在解决现有的波长路由集成芯片，其波长转换速度低因而通道速率过低的技术问题。
一种全光波长路由集成芯片，其特征在于，包括第一可调谐分布式布拉格反射激光器3、第一多模干涉仪5、第一半导体光放大器7、第二可调谐分布式布拉格反射激光器4、第二多模干涉仪6、第二半导体光放大器8、4×4阵列波导光栅13、第三多模干涉仪18、第四多模干涉仪19、第五多模干涉仪22、第一延迟干涉仪20、第二延迟干涉仪21和第六多模干涉仪23；上述所有器件通过波导连接并集成在同一半导体基片上，构成一个具有第一、第二两个输入端及第一、第二、第三、第四、第五、第六共六个输出端的集成芯片。
作为对本发明更进一步地描述，所述第一输入端1与第一可调谐分布式布拉格反射激光器3通过第一多模干涉仪5耦合与第一半导体光放大器7的输入端相连；所述第二输入端2与第二可调谐分布式布拉格反射激光器4通过第二多模干涉仪6耦合与第二半导体光放大器8的输入端相连；所述4×4阵列波导光栅13有八个端口即第一端口9、第二端口10、第三端口11、第四端口12、第五端口14、第六端口15、第七端口16和第八端口17，第二端口10和第四端口12空置，第一端口9与第一半导体光放大器7的输出端相连，第三端口11与第二半导体光放大器8的输出端相连，第五端口14通过第三多模干涉仪18与第一延迟干涉仪20的输入端相连，第六端口15与集成芯片的第三输出端26相连，第七端口16通过第四多模干涉仪19与第二延迟干涉仪21的输入端相连，第八端口17与集成芯片的第六输出端29相连；第一延迟干涉仪20的输出端经第五多模干涉仪22与集成芯片的第一输出端24、第二输出端25相连，第二延迟干涉仪21的输出端经第六多模干涉仪23与集成芯片的第四输出端27、 第五输出端28相连；
作为对本发明更进一步地描述，波长为l1和l2的载有调制信号的光脉冲作为泵浦光分别从集成芯片的第一输入端1、第二输入端2输入，第一可调谐分布式布拉格反射激光器3以及第二可调谐分布式布拉格反射激光器4分别输出波长为λ3、λ4的连续光作为探测光，波长为λ1的泵浦光和波长为λ3的探测光经第一多模干涉仪5耦合后输入第一半导体光放大器7，波长为λ2的泵浦光和波长为λ4的探测光经第二多模干涉仪6耦合后输入第二半导体光放大器8，半导体光放大器将泵浦光上载有的信号调制到探测光上，从而实现波长转换；转换后信号经过4×4阵列波导光栅，多余的泵浦光则被阵列波导光栅滤除，通过调节激光器的输出波长λ3和λ4，使波长为λ3的转换信号光从第五端口14输出经第三多模干涉仪18进入延迟干涉仪20，波长为λ4的转换信号光从第七端口16输出经第四多模干涉仪19进入延迟干涉仪21，在集成芯片的第一输出端24和第二输出端25分别输出与原始信号同相和反相的波长为λ3的高速转换信号，在集成芯片的第四输出端27和第五输出端28分别输出与原始信号同相和反相的波长为λ4的高速转换信号。
作为对本发明更进一步地描述，所述第三输出端26和第六输出端29能观察到高速的反相波长转换信号。
本发明的工作原理为：
本发明为一种基于分布式布拉格反射激光器的波长调谐、半导体光放大器交叉增益调制效应、阵列波导光栅的波长路由功能以及延迟干涉仪周期性滤波性能的全光波长路由集成芯片。分布式布拉格反射激光器作为芯片上的探测光源，可调谐覆盖整个C波带的输出波长；阵列波导光栅不仅对信号具有透明性，而且相同的波长也可以载波不同的信号从不同的输入端口输入，且不会在输出端口发生碰撞；其次，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，转换后的信号会与原始信号反相，延迟干涉仪的反相功能使得输出的转换信号与原始信号同相，例如，通过调节延迟干涉仪使探测光波长位于延迟干涉仪透过率最小值附近，这使得当泵浦光为“1”码时探测光由于具有较大频率啁啾而有较大透过率，当泵浦光为“0”码时探测光频率啁啾较小而透过率很低，其能量被极大地抑制，这样经延迟干涉仪输出得到的是具有高消光比、与原始信号同相的波长转换信号，改善了单个半导体光放大器实现波长转换的性能，从而提高系统的工作速率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、实现了高速的波长路由结构的芯片集成，利用阵列波导光栅的波长路由功能使得信号具有透明性，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，大幅度提高了半导体光放大器的增益有效恢复时间，从而提升了波长转换的速度；利用延迟干涉仪使波长转换信号与原始信号同相，同时改善了波长转换的性能，实现单通道速率为160 Gbit/s，交换容量为640 Gbit/s的全光波长路由。
二、本发明不需要进行光-电-光的转换，其波分交换矩阵完全是光的，而且可以无阻塞的透明交换波长，实现全光网络端到端的波长分配。
三、本发明的分布式布拉格反射激光器、多模干涉仪、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，克服了以往波长路由装置结构复杂、体积较大，难以集成的困难，从而具有结构简单、体积小、易于集成的特点，整个全光波长路由集成芯片的尺寸小至9.6 mm×3.7 mm。
附图说明
图1是现有的一种8x8的波长可调谐全光波长路由集成芯片的示意图；
图2是本发明提供的一种2x2全光波长路由集成芯片的掩膜图；
图3是输入的160 Gbit/s原始泵浦光信号的眼图；
图4是160 Gbit/s的波长转换下，经本发明中阵列波导光栅输出的反相波长转换信号的眼图；
图5是160 Gbit/s的波长转换下，本发明输出端的仿真信号眼图；
附图标记：ａ为８×８可调谐全光波长转换阵列、ｂ为８×８波导阵列光栅、ｃ为取样光栅分布式布拉格反射激光器。
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。
一种全光波长路由集成芯片，包括分布式布拉格反射激光器、多模干涉仪、半导体光放大器、阵列波导光栅和延迟干涉仪，所述分布式布拉格反射激光器、多模干涉仪、半导体光放大器、阵列波导光栅和延迟干涉仪通过波导连接并集成在同一半导体基片上，构成一个芯片；所述第一输入端1与第一可调谐分布式布拉格反射激光器3通过第一多模干涉仪5耦合与第一半导体光放大器7的输入端相连；所述第二输入端2与第二可调谐分布式布拉格反射激光器4通过第二多模干涉仪6耦合与第二半导体光放大器8的输入端相连；所述4×4阵列波导光栅13有八个端口即第一端口9、第二端口10、第三端口11、第四端口12、第五端口14、第六端口15、第七端口16和第八端口17，第二端口10和第四端口12空置，第一端口9与第一半导体光放大器7的输出端相连，第三端口11与第二半导体光放大器8的输出端相连，第五端口14通过第三多模干涉仪18与第一延迟干涉仪20的输入端相连，第六端口15与集成芯片的第三输出端26相连，第七端口16通过第四多模干涉仪19与第二延迟干涉仪21的输入端相连，第八端口17与集成芯片的第六输出端29相连；第一延迟干涉仪20的输出端经第五多模干涉仪22与集成芯片的第一输出端24、第二输出端25相连，第二延迟干涉仪21的输出端经第六多模干涉仪23与集成芯片的第四输出端27、 第五输出端28相连。
波长为l1和l2的载有调制信号的光脉冲作为泵浦光分别从集成芯片的第一输入端1、第二输入端2输入，第一可调谐分布式布拉格反射激光器3以及第二可调谐分布式布拉格反射激光器4分别输出波长为λ3、λ4的连续光作为探测光，波长为λ1的泵浦光和波长为λ3的探测光经第一多模干涉仪5耦合后输入第一半导体光放大器7，波长为λ2的泵浦光和波长为λ4的探测光经第二多模干涉仪6耦合后输入第二半导体光放大器8，半导体光放大器将泵浦光上载有的信号调制到探测光上，从而实现波长转换；转换后信号经过4×4阵列波导光栅，多余的泵浦光则被阵列波导光栅滤除，通过调节激光器的输出波长λ3和λ4，使波长为λ3的转换信号光从第五端口14输出经第三多模干涉仪18进入延迟干涉仪20，波长为λ4的转换信号光从第七端口16输出经第四多模干涉仪19进入延迟干涉仪21，在集成芯片的第一输出端24和第二输出端25分别输出与原始信号同相和反相的波长为λ3的高速转换信号，在集成芯片的第四输出端27和第五输出端28分别输出与原始信号同相和反相的波长为λ4的高速转换信号。
集成芯片的输出端26和29可观察到高速的反相波长转换信号，此信号可用于监测波长路由的信号质量。
实施例
本发明在下述具体参数下，对本发明提供的全光波长路由集成芯片进行了单通道的模拟仿真。半导体光放大器的有源区长度为1000 um，载流子寿命为100 ps，工作电流为300 mA，模式损耗为1.7 ×10-3 um-1，TE模限制因子为0.28；泵浦光为波长λpump为1559.6 nm、工作速率为160 Gbit/s、脉冲宽度为1 ps、脉冲峰值功率为7.52 mW的高斯脉冲光；探测光为波长λprobe为1550 nm，平均功率为3.16 mW的直流光。阵列波导光栅的工作波段为1550 nm，通带间距是200 GHz，边带抑制比20 dB。延迟干涉仪的延时时间为2 ps。
图3是输入的160 Gbit/s原始泵浦光信号的眼图，图4是从阵列波导光栅输出的、反相的波长转换后信号眼图，图5是从延时干涉仪输出的、正相波长转换后信号眼图。从仿真结果可以看出，无论是反相波长转换输出，还是正相波长转换输出，输出信号的眼图都张得很开，完全满足数字通信无误码判决的要求，能够实现160 Gbit/s的工作速率。实现了数字信号从波长1559.6 nm到1550 nm的转移，完成了160 Gbit/s的全光波长转换。
从本发明的具体实施方式可知，本发明提出的基于分布式布拉格反射激光器、半导体光放大器、阵列波导光栅和延迟干涉仪的全光波长路由集成芯片速度快、体积小、结构简单且易于集成，能够满足高速、大容量的光纤通信系统的需求，实现高效的组网能力，具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种全光波长路由集成芯片，其特征在于，包括第一可调谐分布式布拉格反射激光器（3）、第一多模干涉仪（5）、第一半导体光放大器（7）、第二可调谐分布式布拉格反射激光器（4）、第二多模干涉仪（6）、第二半导体光放大器（8）、4×4阵列波导光栅（13）、第三多模干涉仪（18）、第四多模干涉仪（19）、第五多模干涉仪（22）、第一延迟干涉仪（20）、第二延迟干涉仪（21）和第六多模干涉仪（23）；上述所有器件通过波导连接并集成在同一半导体基片上，构成一个具有第一、第二两个输入端及第一、第二、第三、第四、第五、第六共六个输出端的集成芯片。
2.根据权利要求1所述的全光波长路由集成芯片，其特征在于，所述第一输入端（1）与第一可调谐分布式布拉格反射激光器（3）通过第一多模干涉仪（5）耦合与第一半导体光放大器（7）的输入端相连；所述第二输入端（2）与第二可调谐分布式布拉格反射激光器（4）通过第二多模干涉仪（6）耦合与第二半导体光放大器（8）的输入端相连；所述4×4阵列波导光栅（13）有八个端口即第一端口（9）、第二端口（10）、第三端口（11）、第四端口（12）、第五端口（14）、第六端口（15）、第七端口（16）和第八端口（17），第二端口（10）和第四端口（12）空置，第一端口（9）与第一半导体光放大器（7）的输出端相连，第三端口（11）与第二半导体光放大器（8）的输出端相连，第五端口（14）通过第三多模干涉仪（18）与第一延迟干涉仪（20）的输入端相连，第六端口（15）与集成芯片的第三输出端（26）相连，第七端口（16）通过第四多模干涉仪（19）与第二延迟干涉仪（21）的输入端相连，第八端口（17）与集成芯片的第六输出端（29）相连；第一延迟干涉仪（20）的输出端经第五多模干涉仪（22）与集成芯片的第一输出端（24）、第二输出端（25）相连，第二延迟干涉仪（21）的输出端经第六多模干涉仪（23）与集成芯片的第四输出端27）、 第五输出端（28）相连。
3.根据权利要求1或2所述的全光波长路由集成芯片，其特征在于，波长为l1和l2的载有调制信号的光脉冲作为泵浦光分别从集成芯片的第一输入端（1）、第二输入端（2）输入，第一可调谐分布式布拉格反射激光器（3）以及第二可调谐分布式布拉格反射激光器（4）分别输出波长为λ3、λ4的连续光作为探测光，波长为λ1的泵浦光和波长为λ3的探测光经第一多模干涉仪（5）耦合后输入第一半导体光放大器（7），波长为λ2的泵浦光和波长为λ4的探测光经第二多模干涉仪（6）耦合后输入第二半导体光放大器（8），半导体光放大器将泵浦光上载有的信号调制到探测光上，从而实现波长转换；转换后信号经过4×4阵列波导光栅，多余的泵浦光则被阵列波导光栅滤除，通过调节激光器的输出波长λ3和λ4，使波长为λ3的转换信号光从第五端口（14）输出经第三多模干涉仪（18）进入延迟干涉仪（20），波长为λ4的转换信号光从第七端口（16）输出经第四多模干涉仪（19）进入延迟干涉仪（21），在集成芯片的第一输出端（24）和第二输出端（25）分别输出与原始信号同相和反相的波长为λ3的高速转换信号，在集成芯片的第四输出端（27）和第五输出端（28）分别输出与原始信号同相和反相的波长为λ4的高速转换信号。
4.根据权利要求3所述的全光波长路由集成芯片，其特征在于，所述第三输出端（26）和第六输出端（29）能观察到高速的反相波长转换信号。
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2013
- 2013-04-18 CN CN201310135586.8A patent/CN103220063B/zh not_active Expired - Fee Related
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