CN104238023A - 一种偏振无关的微环光交换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振无关的微环光交换方法及系统，属于光通信领域。本发明的方法包括：首先将泵浦光与信号光输入非线性介质光波导中，产生第一转换光，泵浦光的波长由第一转换光波长和光信号波长确定，其偏振态为TM或TE，第一转换光与泵浦光同偏振态；然后滤除泵浦光和波长为λ1、偏振态为TM或TE偏振态的光，输出第一转换光以及波长为λ1、偏振态为TE或TM偏振态的光至微环光开关进行光交换处理；接着再进行逆波长转换，产生波长为λ1、偏振态为TM或TE偏振态的第二转换光，且与信号光的功率和相位相同；最后滤除泵浦光和所述第一转换光，输出波长λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的光。本发明用于光交换处理，其实现通用性高，复杂度低。

Description

一种偏振无关的微环光交换方法及系统

技术领域

本发明属于光通信领域，具体涉及偏振无关的微环光交换处理。

背景技术

由于对芯片集成化的需求，芯片的尺寸越来越小，伴随着的是波导结构越来越大的芯层、包层折射率差，这样就会造成很严重的双折射现象，在这样的波导结构中偏振控制成为难题。在利用微环光开关芯片进行光交换时，微环中实现谐振的条件为：2πR×n_c＝mλ，其中R为微环半径，n_c为微环中光模式的有效折射率，m为谐振级次。λ为光信号的波长，由于不同偏振态的有效折射率不同而导致的横电模(TE)、横磁模(TM)偏振态的光信号谐振峰存在差异，因而对于同一波长的不同偏振态而言，同一路光难以兼顾两个偏振态信号的同步开关。另一方面，要获得更高速率的调制信号，往往需要偏振复用，如何有效地实现光信号的偏振无关传输和交换也是急待解决的问题。

参见图1，现行的方案主要是通过光纤偏振分束器，将一路光信号的两个正交的偏振态分开处理，然后通过偏振旋转器将其中一个偏振态旋转90度后，再将两路偏振态相同的信号分别经过两块相同的微环光交换芯片传输/交换后，再在系统输端将其中一个偏振态再旋转90度，最后将两路信号合为一路光信号在光纤中传输，从而实现偏振无关的光交换。由于该方案采用很多分立的光纤器件如图1中所示的偏振分束器、偏振旋转器等来构建，从而使得该方案的光交换系统体积大，集成度不够高；并且，在该方案中，完成一路光信号的光交换需要两块微环光交换芯片，且该两块芯片必须完全相同，若结构稍有不同，谐振峰就会有漂移，对微环芯片制作工艺要求极高；另外还需要两套相同的开关驱动电路对整个芯片进行控制，对开关的协同性要求非常高，其控制算法复杂度高。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有实现偏振无关的微环光交换系统的通用性差且复杂性高的技术问题，公开了一种简单，操作便捷的偏振无关的微环光交换方法及系统。

本发明的偏振无关的微环光交换方法，包括下列步骤：

步骤1：将波长为λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的信号光，波长为λ、偏振态为TM或TE偏振态的泵浦光输入非线性介质光波导中，产生波长为λ2、偏振态与泵浦光的偏振态相同的第一转换光；

所述泵浦光的波长λ为真空中光速与泵浦光频率之商，而泵浦光频率为第一转换光频率与信号光频率之和的二分之一；

所述第一转换光频率的设置为：

若泵浦光的偏振态为TM偏振态，则基于信号光的TM偏振态的有效折射率，确定TM偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长λ2，从而得到第一转换光频率；

若泵浦光的偏振态为TE偏振态，则基于信号光的TE偏振态的有效折射率，确定TE偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长λ2，从而得到第一转换光频率；

步骤2：对步骤1处理后的光进行滤波处理，滤除泵浦光和波长为λ1、偏振态为TM或TE偏振态的光，输出第一转换光以及波长为λ1、偏振态为TE或TM偏振态的光至微环光开关；

步骤3：基于微环光开关对步骤2得到的光进行光交换处理；

步骤4：将步骤3处理后的光，和波长为λ、偏振态为TM或TE偏振态的泵浦光输入非线性介质光波导中，产生波长为λ1、偏振态为TM或TE偏振态的第二转换光，且所述第二转换光与步骤1所述的信号光的功率和相位相同；

步骤5：对步骤4处理后的光进行滤波处理，滤除泵浦光和所述第一转换光，输出波长λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的光。

为了实现偏振无关的光交换，首先要保证不同偏振态的光具有相同的开关状态(即：1、开关关闭时同时处于谐振状态，开关打开后同时处于非谐振状态；2、开关关闭时同时处于非谐振状态，开关打开后同时处于谐振状态)，本发明将TE和TM两个不同偏振态模式的光信号转换到两个不同的波长进行开关，从而保证不同偏振态的两路光信号能同时开或者关，实现偏振无关的光开关。由于输入的信号光为同一波长、两个偏振态，因此需要进行波长变换，在输出端还要将其转换回来，所以利用非线性介质波导中的非线性效应来实现，根据信号光的波长与第一转换光的波长来确定泵浦光的波长，泵浦光的偏振态与其中一个模式相同，因此与另一个模式正交，这样就可以保证只有一个模式的光通过非线性效应发生波长变换，这里选用强光泵浦转换波长后的这个模式的光强与转换前相同，经过微环光开关交换后，同样的过程实现波长逆变换。

基于本发明的偏振无关的微环光交换方法，本发明还提出了一种偏振无关的微环光交换系统，用于并行完成N路信号光的微环光交换。本系统包括输入耦合单元、输入波长转换单元、偏振分束滤波单元、微环光开关矩阵单元、输出耦合单元、输出波长转换单元，偏振合束滤波单元：

所述输入耦合单元包括分光器、N个耦合器，所述分光器用于将泵浦光分成N路泵浦光光，N的取值对应于输入的N路信号光，每路信号光与泵浦光经耦合器耦合后进入输入波长转换单元；

所述信号光的波长为λ1、偏振态为TM和TE偏振态；所述泵浦光的波长为λ、偏振态为TM或TE偏振态；且所述泵浦光的波长λ为真空中光速与泵浦光频率之商，而泵浦光频率为第一转换光频率与信号光频率之和的二分之一，所述第一转换光频率的设置为：若泵浦光的偏振态为TM偏振态，则基于信号光的TM偏振态的有效折射率，确定TM偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长，从而得到第一转换光频率；若泵浦光的偏振态为TE偏振态，则基于信号光的TE偏振态的有效折射率，确定TE偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长，从而得到第一转换光频率；

所述输入波长转换单元包括N个非线性介质波导，信号光与泵浦光发生非线性效应，生成波长为λ2、偏振态与泵浦光的偏振态相同的第一转换光；

所述偏振分束滤波单元包括N个分束/滤波器，所述分束/滤波器的3dB带宽大于或等于所述光信号的带宽，用于对输入波长转换单元输出的包括信号光、泵浦光和第一转换光的各路混合光进行滤波处理，滤除泵浦光、以及波长为λ1、偏振态与泵浦光相同的光波；

所述微环光开关矩阵单元，包括N个微环光开关，用于对偏振分束滤波单元滤波后的N路光进行光交换处理；

所述输出耦合单元包括分光器、N个耦合器，所述分光器用于将波长为λ、偏振态与所述第一转换光的偏振态相同的泵浦光分成N路泵浦光，所述泵浦光与微环光开关矩阵单元输出的光经耦合器耦合后进入输出波长转换单元；

所述输出波长转换单元包括N个非线性介质波导，泵浦光与微环光开关矩阵单元输出的光发生非线性效应，生成波长为λ1、偏振态与第一转换光的偏振态相同的第二转换光；且所述第二转换光与输入耦合单元接收的信号光的功率和相位相同；

所述偏振合束滤波单元包括N个合束/滤波器，所述合束/滤波器的3dB带宽大于或等于所述光信号的带宽，用于滤除所述输出波长转换单元输出的各路混合光中的泵浦光、第一转换光，输出波长λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的光。

在本发明的偏振无关的微环光交换系统中，通过调节外部泵浦光源波长，微环光开关可工作在任意波长；所有偏振共享相同的微环光波导，同步开关过程很容易实现，可省去一半的驱动开关电路，大大降低了微环光开关的光交换芯片的制作成本和使用成本。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：与现有技术相比，通过一个光交换芯片即可完成对包含两种偏振态的一路光信号的光交换处理，集成度高，通用性高，控制复杂度低。

附图说明

图1是现有的微环光交换系统结构示意图；

图2是实施例1的光交换系统结构示意图；

图3是实施例1的微环光交换芯片下载端光谱图；

图4是实施例1的传输光谱图；

图5是实施例1的分束/滤波器的仿真结果示意图。

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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

预处理步骤：确定第一转换光的波长λ2，从而设定泵浦光的波长λ。

通过调节波导参数，使得其仅支持TM或TE基膜的传输。本实施例中所采用的波导结构参数为：脊宽为0.4um，脊高为0.45um，刻蚀深度为0.35um的脊型波导，微环光开关中微环半径为5.3365um。在1.55um处，TE模有效折射率为2.773616，而TM模有效折射率为2.769295，两者略有不同。

有效折射率是随波长的增加而减小的，通过有效折射率法，波长从1.5um到1.6um取离散的点，求得TE、TM模式随波长变化的有效折射率。并将有效折射率带入微环单环模型，可得如图3所示的透射谱，从透射谱中可得TE模式在1.55um处谐振(即TE模式在所采用微环的透射峰位置)，而TM模式在1.566um处谐振(即TM模式在所采用微环的透射峰位置)，因此，若设定泵浦光的偏振态为TM偏振态，则取1.566um作为第一转换光的波长；若设定泵浦光的偏振态为TE偏振态，则取1.55um作为第一转换光的波长。

本实施例中，设定泵浦光的偏振态为TM偏振态，故取第一转换光的波长为1.566um来确定所采用的泵浦光的波长λ。

参见图2，波长为λ、偏振态为TM偏振态的泵浦光源经分光器后，得到N路泵浦光，与N路信号光(波长为λ1)在输入耦合单元中经由耦合器耦合后进入输入波长转换单元的各个非线性介质波导中在非线性介质波导中，波长为λ1、偏振态为TM的信号光波由于强泵浦的作用发生非线性效应，泵浦光能量转移到波长为λ1、偏振态为TM的信号光波与新产生的波长为λ2、偏振态为TM的第一转换光上(图4所示传输光谱图的第一个光谱图)。

本实施例通过硅线波导的四波混频效应来实现波长转换，由四波混频过程中能量守恒可得泵浦光波长为1.5581um，TM偏振态，这里选用长度为1cm，截面为400nm*400nm的条形硅线波导，根据以上数据建立四波混频仿真模型，仿真结果图5所示，在输入波长转换单元中，同一波长、两个偏振态的信号光，其中TM偏振态的光由于与泵浦光偏振态相同，在非线性介质波导中发生非线性效应，将信息传递到第一转换光上。

利用转换后两个偏振态的光谐振状态相同的特性，将泵浦光和波长为λ1、TM偏振态的光滤除(图4所示的第二个光谱图)，本实施例通过结构参数与微环光开关矩阵单元中相同的微环来实现偏振分束滤波，其自由光谱范围需要大于(λ1-λ2)，同时对TM模式而言，微环谐振峰位于第一转换光波长处，这里为1.566um，泵浦光(1.5581um)和转换前信号光(1.55um)处于非谐振状态，而微环结构的3dB带宽需要大于等于信号带宽，若滤波效果不理想还可以通过引入微环串并联结构，优化透射光谱的陡降性和串扰。

经过滤波后的光进入微环光开关矩阵单元进行交换，由于这两个不同偏振态、不同波长的光在该微环结构中具有相同的谐振状态，通过载流子注入或热光效应等调节光开关矩阵单元的折射率，从而引起微环谐振峰的漂移，这两个不同偏振态、不同波长的光谐振状态同时改变，实现了两个偏振态的同时交换。根据光开关配置进行信息交换，实现开关功能。

将波长为λ、偏振态为TM偏振态的泵浦光源经分光器分光后进入输出耦合单元，泵浦光与经微环光开关矩阵单元输出的光经由耦合器耦合进入非线性介质波导(与输入耦合单元一样，本实施采用硅线波导)，在硅线波导中，波长为λ2的信号光由于强光泵浦的作用发生非线性效应，泵浦光能量转移到TM偏振态、波长为λ2的信号光和TM偏振态、波长为λ1的第二转换光。即在输出波长转换单元中，第一转换光同样由于与泵浦光偏振态相同，在泵浦光的持续泵浦下发非线性效应，第一转换光中的信息又重新加载到1.55um波长的光波中，实现了波长逆变换(图4所示的第三个光谱图)。同时，还需要通过调节泵浦光功率和相位，实现对转换光功率、相位的控制，保证两个偏振态的光在输出端功率及相位关系与输入端相同。

最后，再将光波进入偏振合束滤波单元，输出波长为λ1、TE偏振态的光波，和波长为λ1、TM偏振态的光波(图4所示的第四个光谱图)。同样可以用微环结构来实现滤波功能，在本实施例中，将微环的截面尽量做到正方形，以消除TE、TM模式之间有效折射率差，从而使相同波长的不同偏振态的光具有相同的有效折射率，因为这两个偏振态同时谐振，通过设计微环尺寸等使泵浦光和波长为1.566um、TM偏振的光不满足谐振条件，同样可以通过引入串并联结构来优化滤波效果，还需注意的是滤波器的3dB带宽需要大于等于光信号带宽，从而保证信号的正常传输。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种偏振无关的微环光交换方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：将波长为λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的信号光，波长为λ、偏振态为TM或TE偏振态的泵浦光输入非线性介质光波导中，产生波长为λ2、偏振态与泵浦光的偏振态相同的第一转换光；

所述泵浦光的波长λ为真空中光速与泵浦光频率之商，而泵浦光频率为第一转换光频率与信号光频率之和的二分之一；

所述第一转换光频率的设置为：

若泵浦光的偏振态为TM偏振态，则基于信号光的TM偏振态的有效折射率，确定TM偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长λ2，从而得到第一转换光频率；

若泵浦光的偏振态为TE偏振态，则基于信号光的TE偏振态的有效折射率，确定TE偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长λ2，从而得到第一转换光频率；

步骤2：对步骤1处理后的光进行滤波处理，滤除泵浦光和波长为λ1、偏振态为TM或TE偏振态的光，输出第一转换光以及波长为λ1、偏振态为TE或TM偏振态的光至微环光开关；

步骤3：基于微环光开关对步骤2得到的光进行光交换处理；

步骤4：将步骤3处理后的光，和波长为λ、偏振态为TM或TE偏振态的泵浦光输入非线性介质光波导中，产生波长为λ1、偏振态为TM或TE偏振态的第二转换光，且所述第二转换光与步骤1所述的信号光的功率和相位相同；

步骤5：对步骤4处理后的光进行滤波处理，滤除泵浦光和所述第一转换光，输出波长λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的光。

2.一种偏振无关的微环光交换系统，其特征在于，包括输入耦合单元、输入波长转换单元、偏振分束滤波单元、微环光开关矩阵单元、输出耦合单元、输出波长转换单元，偏振合束滤波单元：

所述输入耦合单元包括分光器、N个耦合器，所述分光器用于将泵浦光分成N路泵浦光光，N的取值对应于输入的N路信号光，每路信号光与泵浦光经耦合器耦合后进入输入波长转换单元；

所述信号光的波长为λ1、偏振态为TM和TE偏振态；所述泵浦光的波长为λ、偏振态为TM或TE偏振态；且所述泵浦光的波长λ为真空中光速与泵浦光频率之商，而泵浦光频率为第一转换光频率与信号光频率之和的二分之一，所述第一转换光频率的设置为：若泵浦光的偏振态为TM偏振态，则基于信号光的TM偏振态的有效折射率，确定TM偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长λ2，从而得到第一转换光频率；若泵浦光的偏振态为TE偏振态，则基于信号光的TE偏振态的有效折射率，确定TE偏振态在所采用的微环光开关中的微环的透射峰位置，取所述透射峰位置作为第一转换光的波长λ2，从而得到第一转换光频率；

所述输入波长转换单元包括N个非线性介质波导，信号光与泵浦光发生非线性效应，生成波长为λ2、偏振态与泵浦光的偏振态相同的第一转换光；

所述偏振分束滤波单元包括N个分束/滤波器，所述分束/滤波器的3dB带宽大于或等于所述光信号的带宽，用于对输入波长转换单元输出的包括信号光、泵浦光和第一转换光的各路混合光进行滤波处理，滤除泵浦光、以及波长为λ1、偏振态与泵浦光相同的光波；

所述微环光开关矩阵单元，包括N个微环光开关，用于对偏振分束滤波单元滤波后的N路光进行光交换处理；

所述输出耦合单元包括分光器、N个耦合器，所述分光器用于将波长为λ、偏振态与所述第一转换光的偏振态相同的泵浦光分成N路泵浦光，所述泵浦光与微环光开关矩阵单元输出的光经耦合器耦合后进入输出波长转换单元；

所述输出波长转换单元包括N个非线性介质波导，泵浦光与微环光开关矩阵单元输出的光发生非线性效应，生成波长为λ1、偏振态与第一转换光的偏振态相同的第二转换光；且所述第二转换光与输入耦合单元接收的信号光的功率和相位相同；

所述偏振合束滤波单元包括N个合束/滤波器，所述合束/滤波器的3dB带宽大于或等于所述光信号的带宽，用于滤除所述输出波长转换单元输出的各路混合光中的泵浦光、第一转换光，输出波长λ1、偏振态为TM偏振态和TE偏振态的光。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分束/滤波器为微环结构，所述微环结构的结构参数与微环光开关矩阵单元中的微环相同，所述微环结构的自由光谱范围大于第一转换光的波长与信号光的波长的差值，且微环结构的3dB带宽大于等于所述信号光的带宽。