CN103986671B

CN103986671B - 基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点

Info

Publication number: CN103986671B
Application number: CN201410211953.2A
Authority: CN
Inventors: 潘听; 吴佳旸; 杨玉星; 姜新红; 曹攀; 苏翼凯
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: CN103986671A

Abstract

一种光纤通信技术领域的基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。本发明在交叉和直通状态下的实测消光比分别高达44.7dB和38.0dB，串扰值分别低至‐37.5dB和‐45.2dB，对于10Gb/s和12.5Gb/s非归零(NRZ)信号能够实现无误码的节点交换功能。

Description

基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点

技术领域

本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的装置，具体是一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点。

背景技术

随着半导体工艺的发展，现代通信的传输和处理速率不断提高。尽管多核处理器处理信息的能力一直在稳步提升，但芯片之间的互连却成为一个极大的限制因素。连接芯片、电路板以及系统的电线将很难赶上摩尔定律的脚步。传统的片上互连技术由于受到电互连物理特性的制约，传输中的时延、带宽、功耗等物理特性的改进成为通信容量提升的瓶颈。光互连技术具有大带宽、可复用、高速率、低时延、无需大量引脚、低传输损耗、低功耗、低串扰、可与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺相兼容等诸多优点，在解决传统通信技术瓶颈的问题上具有显著优势。目前，光互连技术正朝着更短传输距离、更高带宽密度和集成度的方向发展。而光交换节点是片上光网络的核心器件，一个光交换节点的性能很大程度上影响着整个光互连网络的性能。硅基微环谐振腔由于其尺寸微小、结构紧密、与CMOS工艺兼容、并具有潜在的亚纳秒量级节点交换时间，更加符合光交换节点小型化和大规模集成开发的需求和趋势。

经过对现有技术的检索发现，2011年RuiqiangJi等人在Optics Express第19期20卷“Microring‐resonator‐based four‐port optical router for photonic networks‐on‐chip”中提出了一种由8个硅基微环谐振腔和6个十字交叉波导组成的四端口光路由器。该路由器中用到的基于十字交叉波导和硅基微环谐振腔的光交换单元的消光比为13dB，端口串扰为‐13dB。在实际应用中，过低的消光比和过高的串扰会增大交换节点的功耗并降低交换后信号的质量。考虑到大规模片上集成开发的条件，单一交换节点的功耗和交换质量会影响到整个系统的功耗和信号质量，上述方案中的光交换节点在消光比和串扰性能方面仍存在进一步改进和优化的空间。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，通过采用2个嵌套式硅基微环谐振腔实现了2×2无阻塞Benes型光交换节点，和其他的2×2Benes交换节点相比，本发明在消光比和串扰性能方面得到了大幅度的提升，大幅优化了交换单元的消光比和串扰性能，能够有效降低器件功耗和提升交换后信号质量，并具有易集成、可扩展的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明为Benes交换节点结构，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，其中：嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器(MRR)；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。

所述的嵌套式硅基微环谐振腔为两个串联的U型波导组成，其中：U型波导由水平部、圆弧部和耦合部组成，两段圆弧部的正中以及水平部的末端为耦合部。

所述的微环谐振器为带有圆角的四边形结构封闭波导，其四边形部分的边长与所述的嵌套式硅基微环谐振腔的耦合部长度相同。

所述的微环谐振器的外部设有基于热光效应以调整谐振波长的环绕式热光微型加热器，使得两个微环谐振腔的谐振波长完全重合。

基于硅材料的热非线性效应，本发明提出的光交换节点的谐振波长在通入高功率泵浦光的条件下会产生红移，从而实现光交换节点工作状态的切换。同时，光交换节点的串扰值和消光比可以通过微调U型波导的相移进行深度优化，其中：移相器可通过在硅基上采用离子注入的方法形成PN结，在PN结两端引入正向或反向的偏置电压实现正或负的相移。

用于制作本发明中基于硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点的材料是绝缘体上硅(SOI)晶片。为了实现该器件与单模光纤的耦合，在器件各个端口末端制备了TE模偏振的光栅耦合器。同时，制备了环绕MRR₁的微型加热器。微型加热器利用热光效应调整MRR₁的谐振波长，从而保证两个硅基微环谐振腔的谐振波长完全重合。

技术效果

与现有技术相比，本实施例中的光交换节点具有高消光比和低串扰特性，可以显著降低功耗并提升交换后信号的质量。Benes交换节点结构在无阻塞型交换节点结构中具有最小的复杂度，有利于提高器件的集成度。采用高折射率差的绝缘体上硅(SOI)晶片，可以实现超小弯曲半径的谐振环，其制作工艺与成熟的CMOS加工工艺相兼容，有利于大规模集成和开发。经实测制备器件在交叉(cross)和直通(bar)状态下的消光比分别高达44.7dB和38.0dB，串扰值分别低至‐37.5dB和‐45.2dB。实验验证了该光交换节点对于10Gb/s和12.5Gb/s非归零(NRZ)信号的节点交换性能。

附图说明

图1为本发明原理图；

图中：(a)为本发明的原理图，(b)为(a)中虚线框内的局部放大图。

图2为本发明透射频谱图；

图中：(a)为输入端口1到输出端口2的归一化透射频谱；(b)为输入端口1到输出端口1的归一化透射频谱；(c)是T11/T12的归一化频谱，其中T11和T12分别是图2(a)和(b)的传输频谱，其中插图为波长范围在1549.5nm～1551.5nm的局部放大图；(d)为(a)和(b)中波长范围为1549.5nm～1551.5nm的局部放大图。

图3为本发明制备器件的显微镜照片与实测透射频谱；

图中：(a)为制备器件的光学显微镜照片(中)，中间定向耦合器(左)和硅基微环谐振腔(右)的扫描电子显微镜照片；(b)为输入端口2到输出端口1和输出端口2的实测透射频谱；(c)为输入端口1到输出端口2和输出端口1的实测透射频谱，λ1,2和λ1,2’分别代表(b)和(c)中的谐振波长。

图4为本发明性能测试的系统实验装置图；

图5为本发明的系统实验眼图和误码率。

图中：(a‐I)～(a‐III)分别为输入端口1处的输入探测信号、泵浦光关闭时输出端口1处的输出信号、泵浦光开启时输出端口2处的输出信号；(b‐I)～(b‐III)分别为输入端口2处的输入探测信号、泵浦光关闭时输出端口2处的输出信号、泵浦光开启时输出端口1处的输出信号；(c)和(d)分别为在交叉和直通状态下信号从输入端口1和输入端口2处输入得到的实验测量误码率曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例由两个对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的嵌套式硅基微环谐振腔组成，该嵌套式硅基微环谐振腔的U型波导互相耦合形成一个定向耦合器。由于Benes交换节点结构在无阻塞型交换节点结构中具有最小的复杂度，故基于此交换节点结构设计分析。

所述的嵌套式硅基微环谐振腔由两个串联的U型波导组成，其中：U型波导中的直波导部分与弯曲波导部分之间的空气间隙为L_a＝0.18μm，耦合部的长度为L_c1＝L_c2＝7μm，U型波导的横截面为450×220nm2，弯曲波导部分为弧线-直线-弧线的结构，其中圆弧部的半径为R₂＝40μm，U型波导的直线部分L＝128μm。

通过有限差分时域(FDTD)方法计算出中心定向耦合器的传输系数为r₁＝r₂＝0.8250，TE模的波导群折射率和损耗系数分别设为n_g＝4.3350、α＝350m‐1，仿真计算得到的输入端口1到输出端口2和输出端口1的归一化透射频谱分别如图2(a)和(b)所示。

相比于单个嵌套式硅基微环谐振腔，本实施例的光交换节点由于光在相同的谐振下通过两个对称的嵌套式硅基微环谐振腔，消光比有了进一步的提升。在图2(c)中，峰值和谷值之差对应于光交换节点的不同串扰值。若干自由光谱范围构成串扰值变化的周期性包络，在每个包络周期中都有一个最小的串扰值。本实施例设计的光交换节点在波长w₁处交叉状态下的串扰值约为‐48dB，在波长w₂处直通状态下的串扰值约为‐47dB。此外，光交换节点的最小串扰值可以通过微调直壁L上的相移进行深度优化。

所述的绝缘体上硅晶片的顶硅厚度为220nm，中间是厚度为2μm的二氧化硅缓冲层，顶部硅的图案化由248nm深紫外线光刻和离子耦合刻蚀(ICP)完成。为了实现该器件与单模光纤的耦合，在各个端口末端制备了TE模偏振的光栅耦合器。同时，制备了环绕MRR₁的热光微型加热器(图中未示出)，利用热光效应调整其谐振波长，从而保证两个硅基微环谐振腔的谐振波长完全重合。制备器件的显微镜照片如图3(a)所示。通过热光微型加热器调节MRR1的谐振波长，以实现λ₁＝λ₁’＝1551.282nm以及λ₂＝λ₂’＝1551.516nm的精确对准，其中λ_1,2和λ_1,2’分别代表图3(b)、(c)中的谐振波长，λ1＝1551.282nm和λ2＝1551.516nm分别是该交换节点在直通和交叉状态下的工作波长。该交换节点在直通和交叉状态下的消光比和串扰值如表1所示。通过散射矩阵法拟合得到的实验测量值与理论值一致。

表1.制作器件的消光比和串扰

工作状态	交叉	直通
			工作波长(nm)	λ₁＝λ₁’＝1551.282nm	λ₂＝λ₂’＝1551.516nm
消光比(dB)	P_C‐P_B＝44.7dB	P_D‐P_A＝38.0dB
			串扰(dB)	P_A‐P_C＝‐37.5dB	P_B‐P_D＝‐45.2dB

▲:PA，PB，PC和PD分别代表图3(c)中A，B，C和D的透射功率。

在交叉/直通状态下消光比/串扰值的变化主要是由于硅基微环谐振腔和外围反馈回路的谐振波长不匹配引起的，这种变化可以通过微调U型波导的相移而改善，从而得到两种工作状态下平衡的消光比和串扰值，其中：移相器可通过在硅基上采用离子注入方法形成PN结，在PN结两端引入正向或反向的偏置电压实现正或负的相移。

本实施例交换节点性能测试的系统实验装置图如图4所示。探测信号光波长设定为λ2＝1551.516nm(如图3(b)所示)，泵浦光的波长设定为输入端口1到输出端口2的透射谱中的另一个谐振波长1545.433nm处。由于热非线性效应，在器件谐振波长处的注入高功率泵浦光会产生频谱红移。当波长λ₁＝1551.282nm红移到波长λ₂＝1551.516nm时，光交换节点从直通状态变成交叉状态。脉冲发生器(PPG)产生字长为2³¹-1的电伪随机比特序列(PRBS)以驱动Mach‐Zehnder调制器。可调光衰减器用来调整泵浦功率。泵浦光经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大以后，通过3dB耦合器与探测光信号合并，之后与待测器件的输入端相连。待测器件的输出信号通过两个串联的EDFA进行信号放大，并通过与之相连的可调滤波器抑制自发辐射噪声。可调滤波器同时用来分离泵浦光和探测光信号，以便于接入示波器观察眼图。误码率性能通过光检测器后面的误码测试仪进行测量。

输入探测信号在输入端口1处的眼图如图5(a‐I)所示，当泵浦光关闭时，信号通过输出端口1输出，对应于直通状态。当泵浦光开启时，信号通过输出端口2输出，对应于交叉状态。在这两种状态下输出信号的眼图分别如图5(a‐II)、(a‐III)所示。对于波长红移，泵浦功率的阈值约为1dBm。当λ₁’＝1551.282nm红移到λ₂’＝1551.516nm时，泵浦功率为7.9dBm。与输入探测信号的误码率相比，输出信号在直通状态下有0.8dB的功率代价，交叉状态下有1.0dB的功率代价。同时本实施例的光交换节点能够实现交换无误码(误码率＜10^‐9)。

Claims

1.一种基于嵌套式硅基微环谐振腔的无阻塞2×2光交换节点，其特征在于，具体为Benes交换节点结构，由两个中心对称设置且由绝缘体上硅晶片制成的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔构成，其中：嵌套式硅基微环谐振腔相对的两个U型波导耦合形成一个定向耦合器，两个U型波导的外侧各设有一个微环谐振器；该光交换节点包括两组输入输出共四个交换端口。

2.根据权利要求1所述的无阻塞2×2光交换节点，其特征是，所述的嵌套式硅基微环谐振腔为两个串联的U型波导组成，其中：U型波导由水平部、圆弧部和耦合部组成，两段圆弧部的正中以及水平部的末端为耦合部。

3.根据权利要求2所述的无阻塞2×2光交换节点，其特征是，所述的微环谐振器为带有圆角的四边形结构封闭波导，其四边形部分的边长与所述的嵌套式硅基微环谐振腔的耦合部长度相同。

4.根据权利要求3所述的无阻塞2×2光交换节点，其特征是，所述的微环谐振器的外部设有基于热光效应以调整谐振波长的环绕式热光微型加热器，使得两个嵌套式硅基微环谐振腔的谐振波长完全重合。

5.根据权利要求1所述的无阻塞2×2光交换节点，其特征是，所述的绝缘体上硅晶片的顶硅厚度为220nm，中间是厚度为2μm的二氧化硅缓冲层；所述的S形结构的嵌套式硅基微环谐振腔位于顶部，由248nm深紫外线光刻和离子耦合刻蚀完成图案化处理。