CN105452921B - 波长选择开关和选择波长的方法 - Google Patents

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Abstract

一种波长选择开关和波长选择方法，包括：双微环谐振器，包括串联的第一微环(111)和第二微环(112)，该第一微环(111)和该第二微环(112)为硅基微环且各包含一个环形PN结，该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结的方向相同；电调谐模块(120)，该电调谐模块(120)的第一电端口与该第一微环(111)的P区和该第二微环(112)的N区相连，该电调谐模块(120)的第二电端口与该第一微环(111)的N区和该第二微环(112)的P区相连，该电调谐模块(120)用于向该第一微环111的环形PN结和该第二微环(112)的环形PN结施加方向相反的偏置电压；热调谐模块(130)，用于调节该双微环谐振器的工作温度。该开关适合高密度集成光互连。

Description

波长选择开关和选择波长的方法
技术领域
本发明涉及信息与通信技术领域，并且更具体地，涉及波长选择开关和选择波长的方法。
背景技术
可重构光分叉复用器件是波分复用光互连系统中的核心器件之一，而无干扰(Hitless)波长选择开关是该器件的关键元件。传统光通信中的无干扰波长选择开关多基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)等开关技术，体积大，速度慢，不适合用于片间和片上光互连波分复用网络。片间，特别是片上光互连需要体积小，速度快，便于高密度集成的无干扰波长选择开关。另外，基于InGaAs/InAlAs材料的五层反对称耦合量子井串行2阶和4阶微环结构的波长选择开关，和硅CMOS工艺不兼容，波长可调范围不大，因此也不适合高密度集成光互连。
发明内容
本发明实施例提供了一种波长选择开关和选择波长的方法，适合高密度集成光互连。
第一方面，提供了一种波长选择开关，包括：
双微环谐振器，包括串联的第一微环和第二微环，该第一微环和该第二微环为硅基微环波导且各包含一个环形PN结，该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结的方向相同；
电调谐模块，该电调谐模块的第一电端口与该第一微环的P区和该第二微环的N区相连，该电调谐模块的第二电端口与该第一微环的N区和该第二微环的P区相连，该电调谐模块用于向该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压；
热调谐模块，用于调节该双微环谐振器的工作温度。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，该电调谐模块用于向该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，使该第一微环和该第二微环的折射率发生相反的变化，以使该双微环谐振器处于失谐状态；
该热调谐模块用于调节该双微环谐振器的工作温度，改变该双微环谐振器的谐振波长；
该电调谐模块还用于停止向该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，以使该双微环谐振器在改变后的谐振波长处处于谐振状态。
结合第一方面或其上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，该第一微环和该第二微环为脊形波导。
结合第一方面或其上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，该热调谐模块包括：
温度探测器，用于探测该双微环谐振器的温度；
半导体制冷器，用于改变该双微环谐振器的温度；
控制芯片，用于根据该温度探测器探测的结果控制该半导体制冷器的工作状态，以调节该双微环谐振器的工作温度。
结合第一方面或其上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，该第一微环和该第二微环的靠近微环中心的部分为P区，远离微环中心的部分为N区，或者，靠近微环中心的部分为N区，远离微环中心的部分为P区。
结合第一方面或其上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，该第一微环的P区和该第二微环的P区包含P++区，该第一微环的N区和该第二微环的N区包含N++区。
第二方面，提供了一种由波长选择开关选择波长的方法，该波长选择开关包括双微环谐振器，电调谐模块和热调谐模块，其中，该双微环谐振器包括串联的第一微环和第二微环，该第一微环和该第二微环为硅基微环波导且各包含一个环形PN结，该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结的方向相同，该电调谐模块的第一电端口与该第一微环的P区和该第二微环的N区相连，该电调谐模块的第二电端口与该第一微环的N区和该第二微环的P区相连；
该方法包括：
该电调谐模块向该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，使该第一微环和该第二微环的折射率发生相反的变化，以使该双微环谐振器处于失谐状态；
该热调谐模块调节该双微环谐振器的工作温度，改变该双微环谐振器的谐振波长；
该电调谐模块停止向该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，以使该双微环谐振器在改变后的谐振波长处处于谐振状态。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，该第一微环和该第二微环为脊形波导。
结合第二方面或其上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，该热调谐模块包括温度探测器、半导体制冷器和控制芯片；
该热调谐模块调节该双微环谐振器的工作温度，包括：
该控制芯片根据该温度探测器探测的结果控制该半导体制冷器的工作状态，以调节该双微环谐振器的工作温度。
结合第二方面或其上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，该第一微环和该第二微环的靠近微环中心的部分为P区，远离微环中心的部分为N区，或者，靠近微环中心的部分为N区，远离微环中心的部分为P区。
结合第二方面或其上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，该第一微环的P区和该第二微环的P区包含P++区，该第一微环的N区和该第二微环的N区包含N++区。
基于上述技术方案，本发明实施例的波长选择开关和选择波长的方法，采用硅基双微环谐振器，可以与硅互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺兼容；通过电调谐模块和热调谐模块协同对双微环谐振器进行电调谐和热调谐，可以实现无干扰波长选择，波长可调范围大，因此适合高密度集成光互连。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的波长选择开关的结构示意图。
图2是图1所示的截面位置处的微环截面的结构示意图。
图3a至图3d是本发明实施例的双微环谐振器的输出光谱图。
图4是本发明实施例的选择波长的方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1示出了根据本发明实施例的波长选择开关100的结构示意图。如图1所示，波长选择开关100包括：双微环谐振器110，电调谐模块120和热调谐模块130。
双微环谐振器110包括串联的第一微环111和第二微环112。也就是说，第一微环111和第二微环112通过串联的方式级联，构成双微环谐振器110。第一微环111和第二微环112为硅基微环波导且各包含一个环形PN结，第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结的方向相同。具体地，第一微环111和第二微环112的靠近微环中心的部分为P区，远离微环中心的部分为N区；或者，靠近微环中心的部分为N区，远离微环中心的部分为P区。可选地，在P区中还可以进一步包含P++区，在N区中还可以进一步包含N++区。
图2示出了图1所示的截面位置处的微环截面的结构示意图。在图2中，靠近微环中心的部分为P区，远离微环中心的部分为N区；在P区中包含P++区，在N区中包含N++区。应理解，图2只是一种示例，不应对本发明的保护范围构成限制。
应理解，本发明实施例中的PN结，可以变换为PIN结，金属氧化物半导体(MetalOxide Semiconductor，MOS)结等，这些变换也应落入本发明的保护范围之内。
可选地，在本发明的一个实施例中，第一微环111和第二微环112为脊形波导。例如，可以为如图2所示的脊形波导。
电调谐模块120的第一电端口121与第一微环111的P区和第二微环112的N区相连，电调谐模块120的第二电端口122与第一微环111的N区和第二微环112的P区相连。电调谐模块120用于向第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结施加方向相反的偏置电压。
当电调谐模块120不施加电压时，第一微环111和第二微环112的谐振波长相同，双微环谐振器110处于谐振状态。
当双微环谐振器110的第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结被施加方向相反的偏置电压时，第一微环111和第二微环112的折射率会发生相反的变化，因此，第一微环111和第二微环112的谐振波长会不同，从而双微环谐振器110处于失谐状态。
以图2所示的PN结为例，当第二电端口122输出正电压，第一电端口121输出负电压时，第二微环112的环形PN结处于正向偏置状态，第一微环111的环形PN结处于反向偏置状态，双微环谐振器110的两个微环的折射率发生相反的变化，进而谐振波长不同，从而达到失谐状态。
热调谐模块130用于调节双微环谐振器110的工作温度。热调谐模块130通过调节双微环谐振器110的工作温度，使双微环谐振器110的输出光谱整体发生漂移，改变双微环谐振器110的谐振波长。热调谐模块130还可以用于维持双微环谐振器110的工作温度，从而抵御环境温度变化的影响。
可选地，热调谐模块130可以包括温度探测器、半导体制冷器和控制芯片。温度探测器用于探测双微环谐振器110的温度；半导体制冷器用于改变双微环谐振器110的温度；控制芯片用于根据温度探测器探测的结果控制半导体制冷器的工作状态，以调节双微环谐振器110的工作温度。
应理解，热调谐模块130也可以由其他调节温度的器件构成，例如，可以由加热电偶改变双微环谐振器110的温度。
可选地，作为本发明的一个实施例，电调谐模块120用于向第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结施加方向相反的偏置电压，使第一微环111和第二微环112的折射率发生相反的变化，以使双微环谐振器110处于失谐状态；
热调谐模块130用于调节双微环谐振器110的工作温度，改变双微环谐振器110的谐振波长；
电调谐模块120还用于停止向第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结施加方向相反的偏置电压，以使双微环谐振器110在改变后的谐振波长处处于谐振状态。
具体而言，当电调谐模块120不施加电压时，第一微环111和第二微环112的谐振波长相同，双微环谐振器110处于谐振状态。此时，双微环谐振器110的输出光谱如图3a所示，双微环谐振器110在波长1546nm和1556nm附近发生谐振。在需要选择其他波长时，电调谐模块120向第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结施加方向相反的偏置电压，第一微环111和第二微环112的折射率会发生相反的变化，谐振波长会不同，双微环谐振器110处于失谐状态。此时，双微环谐振器110的输出光谱如图3b所示，双微环谐振器110在波长1546nm和1556nm附近不再谐振，处于失谐状态。然后，热调谐模块130调节双微环谐振器110的工作温度，使双微环谐振器110的输出光谱整体发生漂移，改变双微环谐振器110的谐振波长。也就是说，调节双微环谐振器110的工作温度达到双微环谐振器110在预期的新的谐振波长处发生谐振的条件。如图3c所示，双微环谐振器110的输出光谱整体发生漂移，预期的新的谐振波长为1543nm，1551nm和1559nm附近。然后，电调谐模块120不再施加电压，即电调谐模块120停止向第一微环111的环形PN结和第二微环112的环形PN结施加方向相反的偏置电压，此时，双微环谐振器110在改变后的谐振波长(即预期的新的谐振波长)处处于谐振状态。如图3d所示，电调谐模块120停止施加电压后，双微环谐振器110在波长1543nm，1551nm和1559nm附近发生谐振。这样，通过双微环谐振器谐振-失谐-谐振的状态变化，可以实现无干扰波长选择。
应理解，本发明实施例中的第一微环111和第二微环112可同时替换为串联的偶数个微环的结构。例如，第一微环111用2个微环替换，第二微环112用4个微环替换。这些替换也应落入本发明的保护范围之内。
本发明实施例采用环形PN结实现微环的波导折射率调制，这样，通过反向偏置电压将波导芯区的载流子抽出改变波导折射率的同时，又不会产生导通电流，因而不会产生热量而破坏整个器件的hitless的特性。换言之，反向PN结的调制方式，可以使hitless的特性保持住很长的时间。另一方面，通过热调谐改变谐振波长，能够得到较大的波长可调范围。因此，本发明实施例的波长选择开关在波长可调范围和调谐时间方面都有较优的性能。
本发明实施例的波长选择开关，采用硅基双微环谐振器，可以与硅CMOS工艺兼容，而且体积小，速度快；通过电调谐模块和热调谐模块协同对双微环谐振器进行电调谐和热调谐，可以实现无干扰波长选择，波长可调范围大，因此，本发明实施例的波长选择开关适合高密度集成光互连。
上文中详细描述了本发明实施例的波长选择开关，下面将描述本发明实施例的由波长选择开关选择波长的方法。
图4示出了本发明实施例的由波长选择开关选择波长的方法400的示意性流程图。该波长选择开关为本发明实施例的波长选择开关100。如图4所示，该方法400包括：
S410，电调谐模块向第一微环的环形PN结和第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，使该第一微环和该第二微环的折射率发生相反的变化，以使双微环谐振器处于失谐状态；
S420，热调谐模块调节该双微环谐振器的工作温度，改变该双微环谐振器的谐振波长；
S430，该电调谐模块停止向该第一微环的环形PN结和该第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，以使该双微环谐振器在改变后的谐振波长处处于谐振状态。
在本发明实施例中，可选地，在该热调谐模块包括温度探测器、半导体制冷器和控制芯片的情况下，该热调谐模块调节该双微环谐振器的工作温度，包括：
该控制芯片根据该温度探测器探测的结果控制该半导体制冷器的工作状态，以调节该双微环谐振器的工作温度。
根据本发明实施例的选择波长的方法400中的各个流程可分别由根据本发明实施例的波长选择开关100中的相应部件执行和实现，为了简洁，在此不再赘述。
本发明实施例的选择波长的方法，通过电调谐模块和热调谐模块协同对硅基双微环谐振器进行电调谐和热调谐，可以实现无干扰波长选择。
应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述方法实施例中的相应过程，可以参考前述装置实施例描述的装置的具体工作过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种波长选择开关，其特征在于，包括：
双微环谐振器，包括串联的第一微环和第二微环，所述第一微环和所述第二微环为硅基微环波导且各包含一个环形PN结，所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结的方向相同；
电调谐模块，所述电调谐模块的第一电端口与所述第一微环的P区和所述第二微环的N区相连，所述电调谐模块的第二电端口与所述第一微环的N区和所述第二微环的P区相连，所述电调谐模块用于向所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压；
热调谐模块，用于调节所述双微环谐振器的工作温度；
其中，所述电调谐模块用于向所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，使所述第一微环和所述第二微环的折射率发生相反的变化，以使所述双微环谐振器处于失谐状态；
所述热调谐模块用于调节所述双微环谐振器的工作温度，改变所述双微环谐振器的谐振波长；
所述电调谐模块还用于停止向所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，以使所述双微环谐振器在改变后的谐振波长处处于谐振状态。
2.根据权利要求1所述的波长选择开关，其特征在于，所述第一微环和所述第二微环为脊形波导。
3.根据权利要求1或2所述的波长选择开关，其特征在于，所述热调谐模块包括：
温度探测器，用于探测所述双微环谐振器的温度；
半导体制冷器，用于改变所述双微环谐振器的温度；
控制芯片，用于根据所述温度探测器探测的结果控制所述半导体制冷器的工作状态，以调节所述双微环谐振器的工作温度。
4.根据权利要求1或2所述的波长选择开关，其特征在于，所述第一微环和所述第二微环的靠近微环中心的部分为P区，远离微环中心的部分为N区，或者，靠近微环中心的部分为N区，远离微环中心的部分为P区。
5.根据权利要求1或2所述的波长选择开关，其特征在于，所述第一微环的P区和所述第二微环的P区包含P++区，所述第一微环的N区和所述第二微环的N区包含N++区。
6.一种由波长选择开关选择波长的方法，其特征在于，所述波长选择开关包括双微环谐振器，电调谐模块和热调谐模块，其中，所述双微环谐振器包括串联的第一微环和第二微环，所述第一微环和所述第二微环为硅基微环波导且各包含一个环形PN结，所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结的方向相同，所述电调谐模块的第一电端口与所述第一微环的P区和所述第二微环的N区相连，所述电调谐模块的第二电端口与所述第一微环的N区和所述第二微环的P区相连；
所述方法包括：
所述电调谐模块向所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，使所述第一微环和所述第二微环的折射率发生相反的变化，以使所述双微环谐振器处于失谐状态；
所述热调谐模块调节所述双微环谐振器的工作温度，改变所述双微环谐振器的谐振波长；
所述电调谐模块停止向所述第一微环的环形PN结和所述第二微环的环形PN结施加方向相反的偏置电压，以使所述双微环谐振器在改变后的谐振波长处处于谐振状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一微环和所述第二微环为脊形波导。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述热调谐模块包括温度探测器、半导体制冷器和控制芯片；
所述热调谐模块调节所述双微环谐振器的工作温度，包括：
所述控制芯片根据所述温度探测器探测的结果控制所述半导体制冷器的工作状态，以调节所述双微环谐振器的工作温度。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第一微环和所述第二微环的靠近微环中心的部分为P区，远离微环中心的部分为N区，或者，靠近微环中心的部分为N区，远离微环中心的部分为P区。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第一微环的P区和所述第二微环的P区包含P++区，所述第一微环的N区和所述第二微环的N区包含N++区。
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