CN103955025A - 用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光学延迟线的环联型分形拓扑结构微环阵列，它包括波导、M个环联微环拓扑结构。本发明扩展了环联分形拓扑结构微环阵列的延迟优势，使谐振效应于整体和局部同时得到增强，延迟效果得到改变。光信号首先从直波导输入端输入，通过波导耦合至第1个环联拓扑结构微环阵列，再通过微环和微环之间的耦合区输入下一个环联拓扑结构微环阵列，直至通过最后一个环联拓扑结构微环阵列与第1个环联拓扑结构微环阵列的耦合区，再次进入第1个环联拓扑结构微环阵列的耦合区，再耦合回波导，最后通过波导的输出端输出。光波在环联分形拓扑结构微环阵列中将经历更多、更复杂的谐振回路，使谐振效应于整体和局部同时得到增强，在此基础上，可使延迟效果得到可控的改变。

Description

用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列
技术领域
       本发明涉及一种用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，属于光波导器件领域。
技术背景
       微环谐振器是一种光器件，其结构和概念最早于1969年由美国贝尔实验室提出，在此基础上逐渐发展出了常见的串联型微环(也称coupled-resonator optical waveguide, CROW)和级联型微环(也称side-coupled integreted spaced sequence of resonators, SCISSOR)，以及微环阵列(Microring Resonator Array, MRA)。与单微环相比，串联型微环CROW能够产生平坦的通带和陡峭的边沿，适合滤波。近年来涌现的一些关于级联型微环SCISSOR结果表明，级联型微环通带平坦，带边沿陡峭，具有集成度高、稳定性好以及发射效率高等特点。而微环阵列MRA可以看作串联型微环和级联型微环的任意组合，能够实现陡峭边带的滤波特性，实现快光效应和慢光效应。在实际的各个领域应用中，微环谐振器作为高密度、大规模的基本光器件被广泛使用，常被用作滤波器、延迟线、调制器、缓存器等等。与此同时，随着全光网络的产生和全光信号处理研究的热潮，全光缓存技术的研究也在如火如荼地进行中。全光缓存器是全光数字分组交换网的关键，而实现全光缓存的关键机理便是慢光效应，指光波在介质中传播的速度远小于其在真空中的传播速度。通常实现慢光效应的方法有两种，一是通过介质的各种物理效应控制光的吸收、增益，从而改变光学介质色散，如相干布居振荡等；另一种方法是通过人工结构中光学谐振效应导致的强色散改变光速，实现延迟线型的光缓存效果，如光纤布拉格光栅、微环等。前者存在宽带窄、工作条件高以及系统庞大等缺点，较难在全光缓存中得以使用，也不便与其他全光信号处理单元集成。而硅基微环谐振器尺寸仅微纳米量级，制造工艺与成熟的互补金属氧化物半导体工艺兼容，适合大规模的单片集成，用来实现光缓存也十分便于与其它微环谐振器的光信号处理单元集成，因而有很好的发展前景。
发明内容
       本发明的目的在于针对现有的微环阵列模型存在的缺陷，提供一种用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，在谐振效应于整体和局部同时得到增强的基础上，光波将经历更多的谐振回路来改变延迟效果。
       为达到上述目的，本发明的构思是：
       本发明提出的用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列是M个M的环联微环拓扑结构阵列环联而成，叫做M×M环联分形拓扑结构微环阵列。“分形”是指具有偶中自相似性结构的集合，即部分与整体有相似的体系。理论研究表明，光波在环联拓扑结构微环阵列中会经历多个回路振荡，使其谐振效应得到加强，从而可以改变延迟效果。而将环联拓扑结构微环阵列再环联，形成的环联分形拓扑结构微环阵列，光波在其中将经历更多、更复杂的谐振回路，使谐振效应于整体和局部同时得到增强，在此基础上，可使延迟效果得到改变，因而我们提出了一种基于环联拓扑结构微环阵列的新型结构——环联分形拓扑结构微环阵列，可使光学延迟线得到更好的效果。
       本发明所涉及的结构采用全通型微环，单个全通型微环模型为一个微环与波导进行直接耦合，综合考虑耦合损耗以及光场在微环中的传输损耗，输出端光场强度与输入光场强度的比值为归一化响应函数，对其相角求导则得到归一化延迟，用来作为衡量模型延迟线效果的基本参量。
       本发明提出的用于光学延迟线的环联型分形拓扑结构微环阵列具体结构如下所述：
1）  将一环联拓扑结构微环阵列中的一个微环与一波导直接耦合；
2）  将另一个结构完全相同的环联拓扑结构微环阵列与该环联拓扑结构微环阵列直接耦合，依次重复，即第2个至第M个环联拓扑结构微环阵列均与前一个环联拓扑结构微环阵列相耦合；
3）  第M个环联拓扑结构微环阵列除与第M-1个环联拓扑结构微环阵列相耦合之外，还要将其与第1个环联拓扑结构微环阵列相耦合。
根据模型中各微环的耦合方式，从模型中提取四个基本微环单元，分别为耦合点分别在左、右的两种光场按逆时针传播的环谐振器；耦合点分别在左、右的两种光场按顺时针传播的环谐振器；光场从左向右传播的耦合器；光场从右向左传播的耦合器。当光信号从模型的波导一端输入，通过波导与微环的耦合区，一部分光信号进入第1个环联拓扑结构微环阵列的第1个微环，逆时针在第1个环联拓扑结构微环阵列中传播，当光信号经过第1个环联拓扑结构微环阵列与第2个环联拓扑结构微阵列的耦合区时，光信号有一部分分配给第二个环联拓扑结构微阵列，在其中顺时针传播；另一部分继续在第1个环联拓扑结构微阵列中逆时针传播，当经过该微环与第M个环联拓扑结构微阵列的耦合区时，又有一部分光信号分配给这第M个环联拓扑结构微阵列，在其中顺时针传播。而进入第2个环联拓扑结构微阵列以及第M个环联拓扑结构微阵列的光信号也以同样的方式继续向后续环联拓扑结构微阵列传播光信号。最终所有的光信号汇聚，一同通过第1个环联拓扑结构微阵列与波导的耦合区，传播至波导的另一端输出，达到慢光缓存的光学延迟线效果。
       根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，包括波导、M个环联微环拓扑结构，其特征在于：将M个环联微环拓扑结构阵列环联，并耦合于波导。
所述环联微环拓扑结构，由M个微环依次串联耦合组成，并将依次串联的头尾两个微环最终耦合在一起。
所述环联微环拓扑结构中，M个微环的中心轨迹为一个圆，令该圆圆心为中心o，形成的环联拓扑结构微环阵列，以o为顶点，环联拓扑结构微环阵列中相邻微环之间的耦合切线为边，中心角度数为(360/ M)°；每一个微环都被相邻的两个微环截成两个部分，靠近中心o点的微环长度e为(M-2)/ M，远离中心o点的微环长度f为(M+2)/M。
所述M个环联微环拓扑结构阵列环联，M个中心o的轨迹为一个圆，令该圆圆心为o’。
所述M为奇数时，光信号在微环中存在顺时针模式和逆时针模式，使得输入端产生反射信号。因此，为保证信号光的方向，M必须是偶数。
所采用的微环是完全相同的，它们不仅大小完全相等，并且有相同的损耗系数，微环-微环耦合系数、微环-波导耦合系数均可在设定范围动态调整。
本发明与已有的微环结构的光学延迟器相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明提出的环联分形拓扑结构微环阵列是在串联微环结构基础上发展而来的，有一定的器件加工基础，并且结构中存在多个可控因素，在具体应用实施光学延迟线时，可以通过实际情况的需求选择一个或者若干个可控因素，从而进一步进行延迟线效果的控制和调整。
附图说明
图1是用于光学延迟线的M×M环联分形拓扑结构微环阵列的一般模型。
图2是用于光学延迟线的M×M环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构模型。
       图3是用于光学延迟线的4×4环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构示意图。
       图4是用于光学延迟线的6×6环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构示意图。
       图5是用于光学延迟线的8×8环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构示意图。
       图6是图3示例的延迟线的延迟效果示意图。
       图7是图4示例的延迟线的延迟效果示意图。
图8是图5示例的延迟线的延迟效果示意图。
具体实施方法
       本发明的优选实施例并结合附图说明如下：
实施例一：
       参见图1，本用于光学延迟线的环联型分形拓扑结构微环阵列，包括波导、M个环联微环拓扑结构。
实施例二：
       本实施例与实施例1基本相同，特别之处是：环联微环拓扑结构，由M个微环依次串联耦合组成，并将依次串联的头尾两个微环最终耦合在一起；M个微环的中心轨迹为一个圆，令该圆圆心为中心o，形成的环联微环拓扑结构，以o为顶点，环联微环拓扑结构中相邻微环之间的耦合切线为边，中心角度数为(360/ M)°；每一个微环都被相邻的两个微环截成两个部分，靠近中心o点的微环长度e为(M-2)/ M，远离中心o点的微环长度f为(M+2)/ M；将M个环联微环拓扑结构阵列环联，M个中心o的轨迹为一个圆，令该圆圆心为o’； M为偶数时，光信号在微环中存在顺时针模式和逆时针模式，使得输入端产生反射信号，因此，为保证信号光的方向，M必须是偶数；所采用的微环是完全相同的，它们不仅大小完全相等，并且有相同的损耗系数，微环-微环耦合系数、微环-波导耦合系数均可在设定范围动态调整。
实施例三：
       图2为用于光学延迟线的M×M环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构阵列模型，假设输入/输出波导与微环之间的环-波导耦合系数为                                                ，相对应的传输系数为，其中的两个微环环-环耦合系数为，相对应的传输系数为，微环环程传输系数相等，均为为（越大，损耗越小），为归一化频率。
       图3为用于光学延迟线的4×4环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构示意图，环联拓扑结构微环阵列中心角为90°，e=1/2，f=3/2。
       图4为用于光学延迟线的6×6环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构示意图，环联拓扑结构微环阵列中心角为60°，e=2/3，f=4/3。
       图5为用于光学延迟线的8×8环联分形微环阵列的环联微环拓扑结构示意图，环联拓扑结构微环阵列中心角为45°，e=3/4，f=5/4。
       图6为4×4环联分形拓扑结构微环阵列延迟线的延迟效果示意图（其中k 0=0.9，k 1=0.5，=0.99）。图中3个延迟峰，中间的延迟峰位于中心频率上，另两个延迟峰关于中心频率对称，且峰值远大于位于中心频率上的谐振峰。
       图7为6×6环联分形拓扑结构微环阵列延迟线的延迟效果示意图（其中k 0=0.9，k 1=0.5，=0.99）。图中4个延迟峰，分别两两关于中心频率对称，且远离中心频率对称的延迟峰峰值要远大于靠近中心频率对称的延迟峰的峰值。
       图8为8×8环联分形拓扑结构微环阵列延迟线的延迟效果示意图（其中k 0=0.9，k 1=0.5，=0.99）。图中5个延迟峰，中间的延迟峰位于中心频率上，其余4个延迟峰分别两两关于中心频率对称，且远离中心频率对称的延迟峰峰值要远大于靠近中心频率对称的延迟峰的峰值。 

Claims (6)

1.一种用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，包括波导(a)、M个环联微环拓扑结构，其特征在于：将M个环联微环拓扑结构阵列环联，并耦合于波导(a)。
2.根据权利要求1所述的用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，其特征在于：所述环联微环拓扑结构，由M个微环(b)依次串联耦合组成，并将依次串联的头尾两个微环最终耦合在一起。
3.根据权利要求2所述的用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，其特征在于：所述环联微环拓扑结构中，M个微环(b)的中心轨迹为一个圆，令该圆圆心为中心o，形成的环联拓扑结构，以o为顶点，环联拓扑结构中相邻微环(b)之间的耦合切线为边，中心角度数为(360/ M)°；每一个微环(b)都被相邻的两个微环截成两个部分，靠近中心o点的微环长度e为(M-2)/ M，远离中心o点的微环长度f为(M+2)/ M。
4.根据权利要求1所述的用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，其特征在于：所述将M个环联微环拓扑结构阵列环联：M个中心o的轨迹为一个圆。
5.根据权利要求1、或2、或3所述的用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，其特征在于：为保证信号光的方向，所述M必须是偶数。
6.根据权利要求1、或2、或3、或4、或5所述的用于光学延迟线的环联分形拓扑结构微环阵列，其特征在于：所采用的微环(b)是完全相同的，它们不仅大小完全相等，并且有相同的损耗系数，微环-微环耦合系数、微环(b)-波导(a)耦合系数均可在设定范围动态调整。
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