CN105814483A - 信息和通信技术系统中的并行和wdm硅光子集成 - Google Patents
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Abstract
一种波长转换器，其包括第一硅波导(102)和与第一硅波导(102)相交叉的第二硅波导(104)以形成阵列波导(100)。阵列波导(100)在第一输入(106)处接收相同波长的光数据信号并且在第二输入(108)处接收不同波长的光泵浦信号。微环谐振器(114，116)渐逝地将第一硅波导(102)的不同的硅波导耦合至第二硅波导(104)的不同的硅波导。每个微环谐振器(114，116)被调谐到光数据信号的波长，或光泵浦信号的波长的一个波长，使得光数据信号和光泵浦信号的不同组合在阵列波导(100)的输出(120)处被提供。非线性光介质(200)转换在阵列波导(100)的输出(120)处的每个组合的光信号的波长以产生每个具有新的专用波长的经波长转换的信号。
Description
技术领域
本发明一般涉及信息和通信技术系统，并且更特别地涉及用于信息和通信技术系统的并行和WDM光子集成。
背景技术
在大规模的信息和通信技术(ICT)系统中(诸如数据中心网络)，光互连，尤其是是硅光子，正在使得提供诸如高带宽、高密度、紧密、低成本、低功率消耗、与成熟的CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺(processes)兼容、单片集成等各种优势的技术成为可能。针对非常短距离的应用(诸如芯片到芯片、块到块、以及线路卡到线路卡的互连)，灰光(即单波长)并行硅光子的成本效益非常高。灰光并行硅光子可以将范围扩展到数千米。在发射器端使用多波长激光器阵列的WDM(波分复用)硅光子模块允许将高速光信号聚合到单一的光波导和光纤内以用于以更低的成本实现更长范围的互连。
不管在需求和技术实现中的差异，灰光和WDM的解决方案可以共存以实现不同的互连情景。例如，在较高的层级水平，诸如机架顶部(TOR)和聚合的开关或数据中心间的互连，通过使用更少的光纤(缆)以及提供全光无源路由，WDM解决方案能够利用较高成本的激光器芯片。另一方面，在较低的水平的更静态的点到点互连，灰光并行光学器件的成本效益更高并且要求更少的功率预算。在并行和WDM解决方案之间的差异常规上要求从单一波长的灰光到多波长的转换。虽然这种操作能够利用不同的光收发模块经由O-E-O(光-电-光)两级转换来实现，这个过程是非常昂贵的，并且仅仅单在电子器件上的电力消耗就非常高，特别是针对高比特率，其中的CDR(时钟数据恢复)以及信号处理和再生是必要的。
发明内容
根据本文描述的实施例，基于全光硅光子的波长转换方案被提供用于在没有O-E-O(光-电-光)转换的情况下将数据信号保存成光学格式(opticalformat)。硅微环谐振器被用来组合及分离相同波长的不同数据信号和不同波长的光泵浦信号，以及在波长转换之后选择分配的频谱和滤除谐波。本文描述的联网和网络功能可视化特征可以通过提供更多的层-1(L-1)特征(诸如波长和调制格式透明、弹性光谱、以及动态频谱分配)而被增强。基于波长的路由也可以被实施以经由全光分组交换实现一些层-2(L-2)特征。
根据波长转换器的实施例，该波长转换器包括第一硅波导和与第一硅波导相交叉的第二硅波导以形成阵列波导。该阵列波导被配置成在第一输入处接收相同波长的光数据信号以及在第二输入处接收不同波长的光泵浦信号。波长转化器进一步包括微环谐振器渐逝地(evanescently)将第一硅波导的不同的硅波导耦合到第二硅波导的不同的硅波导。每个微环谐振器被调谐到光数据信号的波长，或光泵浦信号的波长的一个波长，以便光数据信号和光泵浦信号的不同组合在阵列波导的输出处被提供。波长转换器还包括非线性光介质，该非线性光介质被配置成在阵列波导的输出处转换每个组合的光信号的波长以产生(yield)每个都具有新的专用波长的经波长转换的信号。
根据波长转换的方法的实施例，该方法包括：在阵列波导的第一输入处接收相同波长的光数据信号和在阵列波导的第二输入处接收不同波长的光泵浦信号，阵列波导包括第一硅波导和与第一硅波导相交叉的第二硅波导；经由微环谐振器渐逝地将第一硅波导的不同的硅波导耦合到第二硅波导的不同的硅波导，每个微环谐振器被调谐到光数据信号的波长或光泵浦信号的波长的一个波长，使得光数据信号和光泵浦信号的不同的组合在阵列波导的输出处被提供；并且在阵列波导的输出处转换每个组合的光信号的波长以产生每个都具有新的专用波长的经转换的信号。
根据制造波长转换器的方法的实施例，该方法包括：形成第一硅波导和与第一硅波导相交叉的第二硅波导以形成阵列波导；在阵列波导的第一硅波导和第二硅波导相交叉的区域形成微环谐振器，以便微环谐振器将第一硅波导的不同的硅波导耦合到第二硅波导的不同的硅波导，每个微环谐振器被设计成被调谐到光数据信号的波长或被输入到硅波导中的一个波导或两个波导二者的光泵浦信号的波长；测试阵列波导以确定微环谐振器中的任何微环谐振器对于为它设计的波长是否失谐；并且将测试的结果存储在存储器中，被存储的结果指示微环谐振器中的哪个微环谐振器是失谐的。
经阅读下面的详细描述并且经查看附图，本领域技术人员将认识到附加的特征和优势。
附图说明
附图中的元件不是必需地按比例与彼此相关。相同的附图标记指明相对应的类似部分。除非它们彼此排斥，各种图示的实施例的特征可以被组合。实施例在附图中被描述并且在如下的描述中被细化。
图1是被包含在全光波长转换器中的阵列波导的实施例的示意图。
图2是图1的阵列波导的微环耦合区域的实施例的示意图。
图3是图1的阵列波导的微环耦合区域的另一个实施例的示意图。
包括图4A和图4B的图4是图1的阵列波导的级联的微环耦合区域的不同实施例的示意图。
图5是示出了图1的阵列波导的四个光微环谐振器的在不同的波长谐振的输出端口传输响应的绘图。
图6是全光波长转换器的实施例的示意图。
包括图7A和图7B的图7是用于全光波长转换器的单泵和双泵的实施例的波长转换范围的绘图。
图8是全光波长转换器的另一个实施例的示意图。
图9是全光波长转换器的另一个实施例的示意图。
图10是全光波长转换器的仍然是另一个实施例的示意图。
包括图11A至11C的图11是耦合全光波长转化器的区域并且具有单独可控的带宽的级联微环的不同实施例的示意图。
图12是比较在入灰光并行数据信号到WDM固定的格栅波长之间的固定的格栅转换技术与用于高谱效率的弹性光带宽配置技术的示意图。
图13是制造全光波长转换器的方法的实施例的图。
具体实施方式
提供了全光波长转换器。波长转换器包括构成阵列波导的相交叉的硅波导以及形成阵列波导的微环谐振器，以及耦合到该阵列波导的输出的非线性介质。灰光(即单波长)由全光波长转换器转换成波分复用(WDM)光信号。通过提供波长、极化和数据格式透明的全光转换，全光波长转换器消除对于两级OEO的需要，并且不要求附加的电信号处理。被包括在阵列波导中的微环谐振器被用作路由和交换元件以将入口灰光并行数据信号线路与经选择的光泵浦信号重新排列和组合。微环谐振器消耗非常少的电力，并且可以提供可变的调谐，使得可以在硬件层次被实施的联网特征成为可能并且允许弹性光联网和动态谱分配用于在单个光纤中的更有效的数据聚合。波长转换在耦合到阵列波导的输出的非线性介质中被完成。波长转换在耦合到阵列波导的输出的非线性介质中完成。每个经波长转换的信号具有新的专用波长并且可以由基于相应的微环谐振器的元件提取，并且与具有不同波长的其他经转换的信号相组合。
图1图示了全光波长转换器的阵列波导100的实施例。第一硅波导102被第二硅波导104交叉以形成阵列波导100。阵列波导100在第一输入106处接收相同波长(由沿着图1的左手侧的索引‘0’表示)的灰光数据信号(λ0，n)和在第二输入108处接收不同波长(由沿着图1的右手侧的索引‘1’、‘2’、‘3’、以及‘4’表示)的光泵浦信号(λ1，λ2，λ3，λ4)。根据图1的实施例，第一硅波导102中的每个硅波导具有用于接收光数据信号中的一个光数据信号的第一端110和用于接收不同波长中的一个波长的光泵浦信号的第二端112。光数据信号和光泵浦信号的不同组合(λ0,4/λ3；λ0,1/λ4；λ0,2/λ2；λ0,3/λ1)在第二硅波导104的第一端114输出(egress)。在下面，术语波长λ＝c/ω表示它是直接地对波长转换，通常波长失谐Δλ<<λ。
全光波长转换器的阵列波导100还包括微环谐振器116、118，微环谐振器116、118将第一硅波导102的不同的硅波导耦合到第二硅波导104的不同的硅波导以在阵列波导的100的输出120处产生光数据信号和光泵浦信号的组合。硅光子(并且更特别地是在绝缘体上的硅(SOI))通常从作为波导材料的硅(nSi＝～3.4–3.5)、作为埋氧层(BOX)衬底材料的SiO2(nSiO2＝～1.4–1.5)、以及作为包覆材料的空气(nair≈1)或SiO2之间的高折射率对比(n)获益。光可以在没有附加损失的情况下利用非常小的弯曲半径被限制在硅亚微米波导中。
由于光沿着硅波导传播，一些功率在包层中的波导以外行进。延伸到硅波导之外的场被称为渐逝场。在两个(或更多)波导足够接近以便渐逝场重叠的情况下，渐逝场可以被用来将光从一个硅波导耦合到相邻的波导。
在微环(通常也被称为微盘)中，波围绕渐逝地耦合到一个或两个波导的腔行进。微环的电控制经由控制腔的载流子浓度或通过腔的局部温度来实现。这两种效应都有助于通过折射率的变化改变腔谐振波长。在微环谐振器中，高速光数据信号被调制到连续波(CW)光上，该连续波光在靠近环的波导中通过。例如，被调制的信道的波长可以被设置成稍微失谐以实现开关键控(OOK)光调制。
图2图示了针对渐逝地耦合到硅波导136的单一的微环134的输入和吞吐量(输出)路径130、132。如果被引入到微环134中的相位差是2π的倍数，针对满足这个条件的波长，微环134共振。假设L是环的周长并且n是微环的有效折射率，则共振条件是n*L＝N*λ，其中N是一个正整数并且λ是谐振波长。
由于高折射率反差，硅微环谐振器可以小到半径几微米。谐振条件被描述成λ＝n*L/N(其中N是正整数)以及λ和ng分别是谐振波长和群组索引。微环谐振器134的带宽δλ可以由腔导耦合比率k严格控制。自由谱范围(FSR)被定义成FSR＝Δλ≈λ2/ngL(L>>λ)在两个连续的腔谐振之间。共振波长索引、而不是有效索引可以被使用以获得更精确的值。无论属于哪种情况，微环的质量因子被定义成Q＝λ/δλ。不同的光耦合路径利用图2中的箭头被图示。
图3图示了针对渐逝地耦合到两个不同的硅波导148、150的单一的微环146的输入、吞吐量以及传输路径140、142、144。基于这样的吞吐量-传输(即上-下)配置，往返行程固有的功率损失比率是α(≤1)，并且到吞吐量和传输路径142、144的功率耦合效率分别是k和k’。在每次往返行程后，在微环146中光功率的流以G≈(1-α)(1-k)(1-k’)的因子被减少。在半最大带宽2δλ处的全带宽可以由2δλ≈(πngL)-1λ0 2ln[1/G]表示，其中λ0和分别是谐振波长和群组索引。损失或耦合的任何调谐导致带宽δλ的改变。如果k＝k’，则2δλ≈(πngL)-1λ0 2k2。微环谐振器带宽因此可以由环的尺寸、环的材料、以及耦合效率k来控制。不同的光耦合路径利用图3中的箭头被图示。
返回到图1的阵列波导100，每个微环谐振器116、118被调谐到光数据信号的单一波长的一个波长或光泵浦信号的波长的一个波长，使得光数据信号和光泵浦信号的不同组合可以在阵列波导100的输出120处被提供。经调谐的微环谐振器116、118被图示成填充的环并且非调谐的微环谐振器116、118被图示成非填充的环。例如，被设置在硅波导102、104的第一行和第二列的填充的微环谐振器116被调谐到第一输入光数据信号(λ0,1)的波长(λ0)并且设置在硅波导102、104的第一行和第四列的填充的微环谐振器118被调谐到光泵浦信号的第一波长(λ1)。被设置在沿着阵列波导100的第一行的交叉点处的所有其他微环谐振器116、118是非填充的，因为在该示例中他们没有被调谐到被注入到波导100的第一行的输入数据或泵浦信号。每个微环谐振器116、118的带宽是由其本征损失(intrinsicloss)和与相应的硅波导102的输入和/或输出端口110、112的耦合来确定的。单一的微环谐振器116、118的带宽是2δλ≈(πngL)-1λ0 2k2。
图4A图示了渐逝地级联在一起的相同的腔尺寸的三个微环160、162、164，并且图4B图示了也渐逝地级联在一起的相同的腔尺寸的四个微环170、172、174、176。耦合到每个微环内的光的方向是由在图4A和图4B中的弯箭头指示的。
通常，利用相同的腔尺寸的、渐逝地级联在一起的N个微环，对应的带宽可以降低到2δλ≈(πngL)-1λ0 2k2。耦合到微环的这样的渐逝地级联配置的波导182、184的传输端口180通过谐振波长λ1、λ2、λ3、λ4…，而其余的谱元素经由波导182、184的吞吐量端口186输出。
相比于通过使用单一微环或具有相同半径(radii)的渐逝地级联的微环，通过级联具有不同半径的多个微环，可以实现较大的FSR。针对两个不同半径的组合的FSR是FSR＝N·FSR1＝M·FSR2，其中N和M是自然数和互质数。热加热器、PN结和/或PIN结可以被有效地使用以修整每个单一微环/级联微环配置的共振，允许针对给定波长的波长选择性滤波和开/关转换。
图5例如示出了用于在不同的波长λ1、λ2、λ3、λ4共振的四个光微环谐振器的输出端口传输响应。微环谐振器的带宽可以由环尺寸、环材料、耦合效率k、级联在一起的微环的数目等控制。例如，环折射率的热控制可以被实施以调谐或调整滤波器传递函数。由温度变化ΔT引起的径向频率偏移Δω由Δω＝ΔTKω0/neff给出，其中K是热-光系数，ω0是环谐振频率，并且neff是有效的环折射率。
非线性效应可以被使用以实现全光信号处理和避免传统的OEO接口，减轻典型电子电路的限制。各种各样的材料平台能够具有强的四波混合(FWM)用于在全光信号处理中的应用，包括高度地非线性光纤、半导体光放大器、硫族化物(chalcogenide)波导、硅波导、以及硅有机波导。
图6图示了包括图1的阵列波导100和非线性光介质200的全光波长转换器的实施例。非线性光介质200将每个组合的光信号的波长(λ0,4/λ3；λ0,1/λ4；λ0,2/λ2；λ0,3/λ1)在阵列波导的100的输出120处产生每个具有新的专用波长(λn'，其中n指示经转换的信号索引)的经波长转换的信号。非线性光介质200可以包括高度地非线性的光纤、半导体光放大器，硫族化物波导、硅波导、和/或硅有机波导202。
例如，Si纳米线波导，通常具有＜0.1μm2的横截面，具有单晶硅的非常大的三阶非线性光极化率。这由强的光限制增强，并且需要相对较低的光功率以利用在几百微米到毫米的位阶的设备长度实现强的非线性光学效应。此外，色散可以通过横截面区域的精确的几何形状控制，因此使得非线性光学功能的精确控制成为可能。
色散增强硅纳米线光波导可以支持高效的非线性光学处理，它提供了用于波长转换的、实现了简单低成本制造以及与现有技术的CMOS电子和其他CMOS光子学设备高密度集成的CMOS兼容的平台。例如，FWM机制是两个或两个以上的波长之间的导致一些新的波长的元素的三阶非线性相互作用。转换效率由三种机制确定：载流子密度调制；动态载流子加热；以及光谱烧孔(spectralholeburning)。例如，在频率ωsignal的光信号和在频率ωpump的光泵浦信号在非线性介质中的出现导致如图7A中示出的两个新的频率元素2ωpump-ωsignal和2ωsignal-ωpump以及其他的高阶的但具有较小的强度的项。通常当单光泵被使用时，ωconverted＝2ωpump-ωsignal。
在另一个实施例中，如在本文的后面将更详细地描述的，其中并行的双泵被使用以扩展转换波长范围，如图7B示出的，经转换的信号频率是ωconverted＝ωpump2-ωpump1+ωsignal。许多较高阶的FWM项在图7A和图7B中被省略，因为他们可以在波长转换后被容易地过滤掉。经转换的信号可以在波长转换器的输出级204被提取和放大。在一个实施例中，附加硅波导206从非线性光介质200接收经波长转换的信号。附加的微环谐振器208被渐逝地耦合到附加硅波导206。附加的微环谐振器208基于每个波长转换信号的新的专用波长(λ1'，λ2'，λ3'，λ4')对波长转换信号进行滤波。光电二极管或其他类型的光信号监视器210可以在每个附加的硅波导206的末端处被提供。
在图6中，具有相同波长λ0的灰光并行数据信号在图6的左手侧被标记为λ0,1、λ0,2、λ0,3、λ0,4并且具有4种不同波长的WDM泵浦信号在图6的右手侧被标记为λ1、λ2、λ3、λ4。在阵列波导100的给定行中的“填充”的微环谐振器116在每个相应的波导交叉的左侧处被调谐以基于数据流量路由命令与专用泵浦波长组合。每个专用泵浦波长也被选择性地调谐，但由“填充的”微环谐振器118在相应的波导交叉的右侧进行调谐。在这个示例中的合并的数据信号-泵浦对是(λ4，λ0,4)、(λ3，λ0,1)、(λ2，λ0,2)、(λ1，λ0,3)。
针对用作双态切换(如本文中对于图2到图4的先前描述的用于水平传播的‘吞吐量’和作为垂直重定向的‘传输’)的每个微环谐振器的116、118，调谐范围要求λT小，因为进入灰光信号波长和WDM泵浦波长是已知的。例如在阵列波导100的第一行，在每个交叉的左侧的微环116的范围从λ0,1到λ0,1+λT(或λ0,1-λT)，并且在每个交叉的右侧的微环118的范围从λ1到λ1+λT(或λ1-λT)。
然而，在波导交叉点处的相邻微环可以引起严重的干扰，因为光可能被耦合到不希望的微环。因此，避免了重叠的渐逝耦合的级联微环的方案可以如图6示出的被使用。级联微环谐振器116起到波长选择开关的作用，例如本文先前对于图4A和图4B所描述的。更详细的，被调谐到光数据信号的波长的微环谐振器116可以被配置成不同的级联微环谐振器群组。相同群组的级联微环谐振器116中的相邻的一些被渐逝地耦合到彼此。每一群组的级联微环谐振器116通过被包括在该群组中的微环谐振器116渐逝地将第一硅波导102之一耦合到第二硅波导104之一。如果需要，例如如果FSR或谐振带宽需要被调整，用于WDM泵浦信号的微环118也可以被配置成级联的方式。相同的原则适用于波长转换后的滤波微环208。
图8图示了包括阵列波导100和非线性光介质200的全光波长转换器的另一个实施例。图8的实施例与在图6中示出的实施例类似，但是，双泵方案被使用以扩展波长调谐范围。根据这一实施例，第二泵浦激光器阵列(为便于图示而未示出)被设置在固定的波长λ0+Δλ以提高波长转换效率。与本文中描述的以前的实施例一样，微环谐振偏移很小，允许环共振的“吞吐量”和“传输”与选定数据信号光和泵浦波长对准，并且最小化例如在相邻环或环阵列之间的热串扰。根据图8的实施例，第二硅波导104中的每个第二硅波导具有与第一端114相对的第二端115用于接收固定的波长(λ0+Δλ)的附加的光泵浦信号，该固定的波长从光数据信号(λ0，n)的波长(λ0)稍微偏移。被调谐到光数据信号的波长的微环谐振器116也被调谐到附加光泵浦信号的固定的波长，使得光数据信号、光泵浦信号和附加的光泵浦信号(λ0+Δλ/λ0,4/λ3；λ0+Δλ/λ0,1/λ4；λ0+Δλ/λ0,2/λ2；λ0+Δλ/λ0,3/λ1)出现在阵列波导100的输出120处。
第二泵浦激光器阵列可以是在某波长范围内可调谐的WDM泵激光器。微环谐振器116、118也可以以某更宽的波长调谐范围制作，以便于允许更灵活的转换波长范围和频谱分配。而且对于双泵方案，相比于单泵方案，经转换的信号与原始信号承载相同的相位信息，在单泵方案中转换后的信号具有倒转的频谱，即移相π，如图7A和图7B示出的。信号泵浦配置和波长转换机制是非排他的。也就是说，本文中描述的功能构建块也可以利用其他方法和配置来实现。
在单泵方案中，经转换的信号波长是λ3’＝2λ3-λ0,4、λ4’＝2λ4-λ0,1、λ2’＝2λ2-λ0,2、λ1’＝2λ1-λ0,3。原始信号的波长是相同的灰光，即λ0,1＝λ0,2＝λ0,3＝λ0,4＝λ0。
在双泵方案中，经转换的信号波长是λ3’＝λ3-Δλ、λ4’＝λ4-Δλ、λ2’＝λ2-Δλ、λ1’＝λ1-Δλ。在这两种方案中，如果具有相等的频谱间隔的WDM激光器阵列被使用，经转换的信号可以融入WDM等间隔格栅。由于入信号重新布置并且和采用WDM泵浦重新布置阶段，该设备可以在每个道上提供更灵活的波长布置用于直接波长依赖路由，例如阵列波导光栅路由器(AWGR)。
图9图示了包括阵列波导100和非线性光介质200的全光波长转换器的另一个实施例。图9的实施例与在图8中示出的实施例相似，然而，波长转换信号直接与用于路由的AWGR设备220连接。同时，入灰光信号重新布置和WDM泵浦任意分布到每个入口信号是没必要的，如果在出口处所有经转换的信号被聚合到单一的光纤。入信号重新布置或WDM泵浦重新布置是足够的并且简化了单泵组合器阶段。
图10图示了包括阵列波导和非线性光介质的全光波长转化器的另一个实施例。图10的实施例是类似于在图6中示出的实施例，然而，在阵列波导100的每行被提供的微环谐振器116只用于渐逝地耦合灰光数据信号，并且不用于WDM信号。根据图10的实施例，第一硅波导102的每一个具有用于接收光数据信号中的一个光数据信号的端110，并且每个第二硅波导104具有用于接收不同波长的光泵浦信号中的一个光泵浦信号的端115。光数据信号和光泵浦信号的不同组合(λ0,4/λ4；λ0,1/λ3；λ0,2/λ2；λ0,3/λ1)在第二硅波导104的另一端114输出。
根据这一实施例，WDM泵浦激光源230(诸如倒装芯片的多波长激光器阵列、嵌入式的多波长激光器、或外部提供的多波长激光光源)经由单模光纤232耦合到阵列波导100，并且将不同波长的信号注入到相应的第二硅波导104。这可以是，例如，经由单模光纤将多个单波长激光器、或模式锁定的量子点梳激光器(mode-lockedquantumdotcomblasers)组合的外部配置的光源。在外部激光源的情况下，微环谐振器234也可以被用来分离不同波长的作为泵浦。经波长转换的信号也可以经由被调谐到各自的波长(λ1'，λ2'，λ3'，λ4')的附加的微环谐振器208转换信号被组合到单一的光纤236，或如本文先前对于图9描述的直接连接到AWGR。
对于本文中套路的实施例的每个实施例，每个微环谐振器的带宽可以由级联微环的数目和环耦合效率来控制，例如经由独立的加热器和环尺寸。带宽由微环维度和级联微环的数目来确定。特定微环的谱窗口或级联微环的配置可以被调谐。为了调谐窗口的带宽和频谱，例如作为弹性和选择性的滤波器，不同的微环或级联微环布置可以被使用在阵列波导的每个交叉口上。此外，在一行中不同尺寸的微环也可以增加带宽可调谐性。
包括图11A到11C的图11图示了具有单独地可控带宽的微环谐振器300的不同的实施例。在图11A中，微环谐振器300的级联布置被示出。每个微环谐振器300包括设备302，设备302诸如加热器、PN结或PIN结用于改变对应的微环谐振器300的耦合比率、自由谱范围和谐振频率中的至少一个。在加热器的情况下，加热器元件可以经由金属层来实现，该金属层被设置在各自的微环300下面或上面，并且该加热器元件可操作以通过增加在金属层中的电流加热那个微环300。在图11A中的微环谐振器的级联布置包括相同尺寸的微环谐振器300。
在图11B中，微环谐振器的级联布置包括不同周长(L1，L2)的微环谐振器300用以调节级联微环布置的带宽。被示出在图11A中的级联微环谐振器的群组能够被用来在第一带宽处的阵列波导100的第一区域渐逝地将第一硅波导102的第一个硅波导耦合到第二硅波导102的第一个硅波导。在图11B中示出的级联微环谐振器的群组可以被用来在第二带宽处的阵列波导110的第二区域渐逝地将第一硅波导102中的第二个硅波导耦合到第二硅波导104中的第二个硅波导。第一和第二带宽是不同的，因为级联微环谐振器的两个群组利用了不同尺寸的微环谐振器300。在另一个实施例中，与微环谐振器的第二群组相比，微环谐振器的第一群组可以具有微环谐振器的不同数目，例如在图4A和图4B中示出的，以使得第一带宽不同于第二带宽。
在图11C中，微环谐振器300被并行地级联用于带宽和FSR控制。微环谐振器300可以包括设备302，诸如加热器、PN结或PIN结以用于改变对应的微环谐振器300的耦合比率、自由谱范围和谐振频率中的至少一个，如本文先前描述的。
一般来说，不同的微环谐振器设计可以被用在相同的阵列波导格栅上以在可用的频谱上允许弹性光带宽分配，虽然入灰光数据信号具有相同的波长，他们的比特率、带宽、调制格式可以不同。这样的弹性光带宽分配基于单个数据信号的特点更好地利用可用频谱。
图12图示了在入灰光并行数据信号到WDM固定格栅波长之间的固定格栅转换技术与用于高谱效率的弹性光带宽分配技术之间的示例性比较。入信号(In)可以携带不同的调制类型、比特率、以及带宽，并且本文中描述的波长转换器可以在谱的宽范围上动态地重新分配入灰光信号，例如遵照网络规范和传输要求。也就是，本文中描述的波长转换器可以基于整体流量状态和数据模式来分配波长和专用通带用于每个入数据流。
更详细地，图11的左手侧示出了相同带宽(λ0)的六个入灰光并行数据信号(In)。图11中示出的上部的波长转换表示在入灰光并行数据信号到WDM固定格栅波长之间的固定格栅转换。当谱带宽充裕并且低成本的固定波长泵浦和用于灰光的过分简单的开-关微环谐振器和WDM泵浦可以利用简化设计被使用时，固定格栅转换技术是最适合的，例如图10中示出的。然而利用固定格栅转换技术时大量的可用谱未被使用，因为入灰光并行数据信号具有不同的带宽(BWn)，该带宽不由固定格栅转换技术考虑。
在图11中示出的中间的波长转换表示用于有限带宽的弹性光带宽分配技术的使用以及低成本梳WDM格栅固定波长泵浦的应用。当可调带宽微环谐振器可以被使用以避免高带宽入信号失真，WDM格栅波长泵浦的选择替代地可以被使用以进行波长转换。与固定格栅转换相比，谱效率大大提高。
在图11中示出的底部的波长转换表示用于非常有限的带宽可用性的弹性光带宽分配技术的使用。任何适当的波长可调激光源可以作为泵浦被使用以云溪精细的波长分配。这个实施例产生最高的谱效率，但该实施例可以是最复杂和最昂贵的。
作为用于波长转换的泵浦的WDM激光源可以经由本文中先前描述的光纤来外部地提供。这有助于各种转换场景。通过简单地重新配置微环阵列参数，提升的灰色光并行发射机到利用聚合的信道的WDM弹性谱转换器可以被提供。此外，在系统升级的情况下无需更换其他基础设施，信号泵浦组合器部件和非线性介质可以被更换。在合适的地方，光放大器(诸如半导体光放大器(SOA)、掺铒光纤放大器(EDFA)或拉曼光纤放大器)可以被使用以在线性模式(regime)操作以放大和调整组合的WDM信号。
图13图示了制造本文中描述的波长转换器的方法的实施例。该方法包括形成具有交叉的硅波导102的阵列波导100和在硅波导102、104的各个交叉口处的微环谐振器116、118，以及将非线性光介质200耦合带阵列波导的100的输出120(块400)。该方法还包括测试阵列波导100以确定微环谐振器116、118中的任何微环谐振器是否对于为它设计的波长失谐(块410)。可以使用任何适合的光测试技术。该方法还包括在存储器中存储测试的结果(块420)。存储的结果指示微环谐振器116、118中的哪个是失谐的。然后在该场中任何失谐的微环谐振器的116、118可以被纠正，例如通过使用加热器、PN结或PIN结以改变每个谐振器116、118的带宽。此外，或替代地，TEC(热电冷却器)可以被附加于波长转换器用于进行带宽相关的温度调整。
诸如“第一”、“第二”等的术语被用来描述各种元素、区域、部分等，并且并不意为做出限制。相似的术语在整个描述中指代相似的元素。
如在本文中被使用的，术语“有”、“包含”(containing)、“包括”(including)、“包括”(comprising)等是指示阐明的元素或特征的出现的开放式的术语，但不排除附加的元素或特征。除非上下文清楚地另有所指，不定冠词“一”、“一个”、和“该”旨在包括复数以及单数。
将被理解的是，本文描述的各种实施例的特征可以与彼此相组合，除非特定地另有通知。
虽然具体的实施例已经在本文中图示和描述，将被本领域普通技术人员理解的是，各种替代和/或等效的实现可以被取代用于示出和描述的具体的实施例而没有脱离本发明的范围。这个申请旨在涵盖本文讨论的特定实施例的任何修改或变化。因此，这项发明旨在只通过权利要求和其等同而被限制。
Claims (23)
1.一种波长转换器，包括：
第一硅波导(102)；
第二硅波导(104)，与所述第一硅波导(102)相交叉以形成阵列波导(100)，所述阵列波导(100)被配置成在第一输入(106)处接收在相同波长处的光数据信号并且在第二输入(108)处接收在不同波长处的光泵浦信号；
微环谐振器(116，118)，渐逝地将所述第一硅波导(102)中的不同的第一硅波导耦合到所述第二硅波导(104)中的不同的第二硅波导，每个微环谐振器(116，118)被调谐到所述光数据信号的波长、或所述光泵浦信号的波长中的一个波长，使得所述光数据信号和所述光泵浦信号的不同组合在所述阵列波导(100)的输出(120)处被提供；以及
非线性光介质(200)，被配置成在所述阵列波导(100)的所述输出(120)处转换每个经组合的光信号的波长以产生每个具有新的专用波长的经波长转换的信号。
2.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述第一硅波导(102)中的每个第一硅波导具有用于接收所述光数据信号中的一个光数据信号的第一端(110)以及用于在所述不同波长中的一个波长处接收所述光泵浦信号的第二端(112)，并且其中所述光数据信号和所述光泵浦信号的所述不同组合在所述第二硅波导(104)的第一端(114)输出。
3.根据权利要求2所述的波长转换器，其中所述第二硅波导(104)中的每个第二硅波导具有与所述第一端(114)相对的用于接收固定波长的附加光泵浦信号的第二端(116)，所述固定波长从所述光数据信号的波长稍微偏移，并且其中被调谐到所述光数据信号的波长的所述微环谐振器(116，118)也被调谐到所述附加的光泵浦信号的所述固定波长，使得所述光数据信号、所述光泵浦信号、以及所述附加的光泵浦信号的不同组合出现在所述阵列波导(100)的所述输出(120)处。
4.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述第一硅波导(102)中的每个第一硅波导具有用于接收所述光数据信号中的一个光数据信号的第一端(110)，其中所述第二硅波导(104)中的每个第二硅波导具有用于接收在所述不同的波长中的一个波长处的所述光泵浦信号的第一端(114)，并且其中所述光数据信号和所述光泵浦信号的所述不同组合在所述第二硅波导(104)的第二端(116)输出，所述第二端(116)与所述第一端(114)相对。
5.根据权利要求1所述的波长转换器，其中被调谐到所述光数据信号的所述波长的所述微环谐振器(114，116)被布置在级联微环谐振器(114，116)的不同的群组中，其中相同群组的所述级联微环谐振器(114，116)中的相邻的微环谐振器被渐逝地耦合到彼此，并且其中级联微环谐振器(114，116)的每个群组通过被包括在该群组内的所述级联微环谐振器(114，116)渐逝地将所述第一硅波导(102)中的一个第一硅波导耦合到所述第二硅波导(104)中的一个第二硅波导。
6.根据权利要求1所述的波长转换器，进一步包括：
第三硅波导(206)，用于从所述非线性光介质(200)接收所述经波长转换的信号；以及
附加的微环谐振器(208)，渐逝地耦合到所述第三硅波导(206)并且被配置成基于每个经波长转换的信号的所述新的专用波长来对所述经波长转换的信号进行滤波。
7.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述光泵浦信号经由单模光纤(232)被输入到所述第二硅波导(104)，所述单模光纤(232)被耦合到可操作以生成所述光泵浦信号的激光源(230)。
8.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述微环谐振器(114，116)中的至少一些微环谐振器包括加热器，所述加热器可操作以通过加热该微环谐振器(114，116)来改变对应的微环谐振器(114，116)的耦合比率、自由谱范围和谐振频率中的至少一项。
9.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述微环谐振器(114，116)中的至少一些微环谐振器包括PN或PIN结，所述PN或PIN结可操作以改变对应的微环谐振器(114，116)的耦合比率、自由谱范围以及谐振频率中的至少一项。
10.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述经波长转换的信号被组合到单个光纤(236)内或直接耦合到AWGR(阵列波导光栅路由器)(220)。
11.根据权利要求1所述的波长转换器，其中被调谐到所述光数据信号的所述波长的所述微环谐振器(114，116)具有单独地可控制的带宽。
12.根据权利要求1所述的波长转换器，其中所述微环谐振器(114，116)的第一群组在所述阵列波导(100)的第一区域中、在第一带宽处渐逝地将所述第一硅波导(102)中的第一个第一硅波导耦合到所述第二硅波导(104)中的第一个第二硅波导，并且所述微环谐振器(114，116)的第二群组在所述阵列波导(100)的第二区域中、在与所述第一带宽不同的第二带宽处渐逝地将所述第一硅波导(102)中的第二个第一硅波导耦合到所述第二硅波导(104)中的第二个第二硅波导。
13.根据权利要求12所述的波长转换器，其中与所述微环谐振器(114，116)的第二群组相比，所述微环谐振器(114，116)的第一群组具有不同数目的微环谐振器，使得所述第一带宽不同于所述第二带宽。
14.根据权利要求12所述的波长转换器，其中与所述微环谐振器(114，116)的第二群组相比，所述微环谐振器(114，116)的第一群组具有不同尺寸的微环谐振器，使得所述第一带宽不同于所述第二带宽。
15.一种波长转换的方法，所述方法包括：
在阵列波导(100)的第一输入(106)处接收在相同波长处的光数据信号并且在所述阵列波导(100)的第二输入(108)处接收在不同波长处的光泵浦信号，所述阵列波导(100)包括第一硅波导(102)和与所述第一硅波导(102)相交叉的第二硅波导(104)；
经由微环谐振器(114，116)渐逝地将所述第一硅波导(102)中的不同的第一硅波导耦合到所述第二硅波导(104)中的不同的第二硅波导，每个微环谐振器(114，116)被调谐到所述光数据信号的波长、或所述光泵浦信号的波长中的一个波长，使得所述光数据信号和所述光泵浦信号的不同组合在所述阵列波导(100)的输出(120)处被提供；以及
在所述阵列波导(100)的所述输出(120)处，转换每个经组合的光信号的波长以产生每个具有新的专用波长的经波长转换的信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述阵列波导(100)的所述第一输入(106)处接收所述光数据信号并且在所述阵列波导(100)的所述第二输入(108)处接收所述光泵浦信号包括：
将所述光数据信号耦合到所述第一硅波导(102)的第一端(110)；以及
将所述光泵浦信号耦合到所述第一硅波导(102)的与所述第一端(110)相对的第二端(112)，使得所述光数据信号和光泵浦信号的所述不同组合在所述第二硅波导(104)的第一端(114)输出。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
在所述第二硅波导(104)的第二端(116)处接收固定波长的附加的光泵浦信号，所述第二端(116)与所述第一端(114)相对，所述固定波长从所述光数据信号的所述波长稍微偏移，以及
其中被调谐到所述光数据信号的波长的所述微环谐振器(114，116)也被调谐到所述附加的光泵浦信号的所述固定波长，使得所述光数据信号、所述光泵浦信号以及所述附加的光泵浦信号的不同组合出现在所述阵列波导(100)的所述输出(120)处。
18.根据权利要求15所述的方法，其中在所述阵列波导(100)的所述第一输入(106)处接收所述光数据信号并且在所述阵列波导(100)的第二输入(108)处接收所述光泵浦信号包括：
将所述光数据信号耦合到所述第一硅波导(102)的第一端(110)；以及
将所述光泵浦信号耦合到所述第二硅波导(104)的第一端(114)，使得所述光数据信号和所述光泵浦信号的所述不同组合在所述第二硅波导(104)的第二端(116)输出，所述第二端(116)与所述第一端(114)相对。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
将所述经波长转换的信号耦合到第三硅波导(206)；以及
基于每个经波长转换的信号的所述新的专用波长经由渐逝地耦合到所述第三硅波导(206)的附加的微环谐振器(114，116)对所述经波长转换的信号进行滤波。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
经由耦合到可操作以生成所述光泵浦信号的激光源(230)的单模光纤(232)将所述光泵浦信号耦合到所述第二硅波导(104)。
21.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
加热所述微环谐振器(114，116)中的至少一些微环谐振器以改变那些微环谐振器(114，116)的耦合比率、自由谱范围和谐振频率中的至少一项。
22.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
单独地控制被调谐到所述光数据信号的波长的所述微环谐振器(114，116)的带宽。
23.一种制造波长转换器的方法，所述方法包括：
形成第一硅波导和与所述第一硅波导相交叉的第二硅波导以形成阵列波导(400)；
在所述第一硅波导和所述第二硅波导相交叉的所述阵列波导的区域处形成微环谐振器，使得所述微环谐振器渐逝地将所述第一硅波导中的不同的第一硅波导耦合到所述第二硅波导中的不同的第二硅波导，每个微环谐振器被设计成被调谐到光数据信号的波长、或被输入到所述硅波导(400)中的一个或两个硅波导的光泵浦信号的波长；
将非线性光介质耦合到所述阵列波导(400)的输出；
测试所述阵列波导以确定所述微环谐振器中的任何微环谐振器是否对于为它设计的波长是失谐的(410)；以及
在存储器中存储所述测试的结果，存储的所述结果指示所述微环谐振器中的哪个微环谐振器是失谐的(420)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190806 |
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