CN108333678A - 基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型roadm - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，包括二维光子晶体单元，在二维光子晶体单元上设有主波导、下路波导、上路波导、第一磁控谐振腔开关区域、第二磁控谐振腔开关区域、反射微腔，下路波导与上路波导相互平行且同时与主波导相互垂直，第一磁控谐振腔开关区域内、第二磁控谐振腔开关区域内和反射微腔内分别设有一个铁氧磁体缺陷介质柱。本发明在体积小、易于集成的二维光子晶体中引入线缺陷与点缺陷，实现类似谐振腔的功能，由此实现低损耗传输和90％以上的透射率；通过在点缺陷中引入铁氧磁体缺陷介质柱，设计磁控谐振腔型开关，实现DWDM系统C波段与L波段的动态重配置，灵活性高，利于远程动态重构。

Description

基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM

技术领域

本发明涉及一种ROADM，尤其涉及一种基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM。

背景技术

随着物联网、智慧城市、三网融合、云计算等新兴信息技术的兴起，各行各业对高速信息传输的要求越来越高，光传输网作为提供可靠传输的基础，所起的作用越来越大，发展越来越迅速，随之而来的运营成本也越来越高，具体表现为：高频率的出现错综交叉的光传输干线及数量较大的上行/下行节点。因此运营商对光传送骨干网的灵活性、快速调度与分配提出了新的要求。可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-DropMultiplexer)即ROADM作为节点关键器件，具有可灵活调度波长业务、可以降低建设光传送骨干网络的成本、减少资源浪费等优异特性，成为光电信息行业研究的重点。

ROADM是一种使用在波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM) 系统中的器件或设备，其作用是通过远程的重新配置，实现波长业务的上传与下载。也就是说，在线路的中间可以根据需要任意指配上下业务的波长，实现业务的灵活调度。

常见的ROADM可分为开关型和调谐型两大类。开关型ROADM主要有“分波器+光开关+合波器”结构和“AWG+光开关”结构两类，对于开关型的ROADM 器件，是先通过分波器将多波长信号分成多个单波长信号，然后通过光开关对单波长信号进行下载和上传。而对于调谐型ROADM器件，其主要是通过调谐滤波器实现波长下载、上传和直通功能。一般采用可调谐滤波器从通信网路的主干网中将多波长信号中所需要的波长信号分离出，然后通过下载端口实现该信号的下载操作，同时也可以从上传端口上传所需波长信号进入主干网。

可调谐ROADM器件又分：波长阻断(Wavelength Blocker.WB)结构的 ROADM(WB-ROADM)，集成平面波导(Integrated Planar Lightwave Circuits， IPLC)结构的ROADM，波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)结构的ROADM。

为实现全光网络的高速率、大容量的传输，ROADM一直向着集成化、低损耗、高隔离度、高效耦合方向发展，下面具体介绍：

1、ROADM的集成化：

现有技术将光解复用器、光复用器、衰减器和光开关等器件集成在一个晶片上的集成平面波导型ROADM。如德国Fraunhofer Institute报道的单片集成 ROADM，它由超高折射率差聚合物材料制作而成，整体结构包括四个ROADM 通道、两个数字光开关阵列、两个数字光开关以及两个阵列波导光栅结构，它的插入损耗小于17dB，串扰小于-2dB，芯片大小20mm*30mm。也有基于InP 基单片集成ROADM，它采用双波导集成技术，结构更为紧凑，整个芯片尺寸 10mm*6mm。

2、损耗方面：

有基于WSS结构的ROADM，在此基础上结合PLC技术，实现1*9WSS，信道数39个，信道间隔0.8mm，插入损耗实现小于7.6dB。也有采用LCoS技术的WSS，LCoS一种液晶显示技术，可在一有缘硅片上设计多个单元，并且每个单元都有相应的电控单元，通过调节控制单元的偏执电压实现对各像元单元反射光的控制，其基本结构为1*9WSS，插入损耗小于5dB。

上述传统ROADM在集成度和损耗方面依然不尽人意，具体理由如下：

1.基于集成平面波导(PLC)结构ROADM将光解复用器、衰减器和光开关等器件集成在一个晶片上，由于本身器件选型及材料的限制，很难实现整体器件突破mm量级，所以导致集成度不高、微型化较差。

2.由于WB结构的ROADM一旦解复用器和光复用器确定，其上传和下载的波长也确定了，整体结构相对简单，失去了灵活性与远程可重构的上传与下载信号的能力，导致插入损耗大、灵活性不高、实现较为复杂。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种集成度高且损耗低的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，包括光子晶体晶格常数为anm、无源硅介质柱半径为b nm的二维光子晶体单元，在所述二维光子晶体单元上设有一条较长的线缺陷形成的主波导、一条较短的线缺陷形成的下路波导、一条较短的线缺陷形成的上路波导、一个中心位置去除对应的所述无源硅介质柱形成的第一磁控谐振腔开关区域、一个中心位置去除对应的所述无源硅介质柱形成的第二磁控谐振腔开关区域、一个中心位置去除对应的所述无源硅介质柱形成的反射微腔，所述下路波导与所述上路波导相互平行且同时与所述主波导相互垂直，所述第一磁控谐振腔开关区域设于所述主波导与所述下路波导之间，所述第二磁控谐振腔开关区域设于所述主波导与所述上路波导之间，所述反射微腔设于所述第一磁控谐振腔开关区域与所述第二磁控谐振腔开关区域之间的中心位置且位于所述主波导的另一侧，所述第一磁控谐振腔开关区域内、所述第二磁控谐振腔开关区域内和所述反射微腔内分别设有一个铁氧磁体缺陷介质柱。

作为优选，所述第一磁控谐振腔开关区域内位于四角的四个所述无源硅介质柱与所述第二磁控谐振腔开关区域内位于四角的四个所述无源硅介质柱的半径均为2b nm。

作为优选，所述第一磁控谐振腔开关区域内的所述铁氧磁体缺陷介质柱位于中心位置向所述主波导偏移2b nm的位置，所述第二磁控谐振腔开关区域内的所述铁氧磁体缺陷介质柱位于中心位置向所述上路波导偏移2b nm的位置。

作为优选，所述反射微腔内的所述铁氧磁体缺陷介质柱位于中心位置向所述主波导偏移2b nm的位置。

作为优选，所述铁氧磁体缺陷介质柱的半径范围为0.09a-0.12a nm，其中a 为光子晶体晶格常数的值。

作为优选，所述a为500，所述b为100。

作为优选，设所述二维光子晶体单元的主波导对应的线缺陷的轴向为首尾方向，所述基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM包括多个相互首尾连接的所述二维光子晶体单元。

本发明的有益效果在于：

本发明利用人工微结构材料——光子晶体，具有极强的光控能力，而且体积小、易于集成，其波导尺寸可以做到波长数量级，这为可重构光分插复用器的集成化、微型化提供了可能；在二维光子晶体中引入线缺陷即波导与点缺陷即磁控谐振腔开关区域和反射微腔，线缺陷可引导光沿线缺陷的传导实现类似波导的功能，点缺陷将光束缚在一点，实现类似谐振腔的功能，由此实现在大弯角处的低损耗传输和90％以上的透射率，并将点缺陷与线缺陷分离，中间添加磁控谐振腔开关区域，构成间接耦合结构，进行上载与下载；通过在点缺陷中引入铁氧磁体缺陷介质柱，利用磁场强度改变铁氧磁体缺陷介质柱磁导率的作用机制，设计磁控谐振腔型开关，实现DWDM系统C波段和L波段动态重配置，灵活性高，利于远程动态重构。

通过将两个磁控谐振腔开关区域内位于四角的无源硅介质柱的半径设计其它位置无源硅介质柱半径的2倍即200nm，有助于减小无源硅介质柱与光的相互作用，提升透过率，并减少谐振波长出现多模的情况。

通过将两个磁控谐振腔开关区域内的铁氧磁体缺陷介质柱设于中心位置向入光方向偏移2b nm即200nm的位置，有助于保持磁控谐振腔开关区域的高局域特性，并具备较高的光波透射效率。

通过将反射微腔内的铁氧磁体缺陷介质柱设于中心位置向主波导偏移2b nm即200nm的位置，且其四角的无源硅介质柱的半径没有增大，可反射上路波导和下路波导中的光信号，提高上下路效率。

通过将铁氧磁体缺陷介质柱的半径设计为0.09a-0.12a nm，使ROADM在S 波段(1460nm～1530nm)，C波段(1530nm～1565nm)和L波段(1565nm～1625nm) 投射效率可达90％以上，使ROADM在DWDM系统中具有良好的应用基础。

基于改变铁氧磁体缺陷介质柱的半径具有选频的特点，通过将多个二维光子晶体单元首尾串联起来，使其更具微型化与集成化的特点，这样更符合 ROADM在DWDM系统中实际的使用情况；改变每个二维光子晶体单元的铁氧磁体缺陷介质柱的半径就可实现单个器件(即二维光子晶体单元及其上设置的所有结构)特定波长的上载与下载；串联之后，每个器件的选频波段互不干扰，可同时完成多波段的上载与下载，实现DWDM系统C波段和L波段的自由路由功能。

附图说明

图1是本发明所述基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM的二维光子晶体单元的俯视结构示意图；

图2是本发明所述基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM 包括光子晶体晶格常数为500nm、无源硅介质柱2的半径为100nm的二维光子晶体单元1，在二维光子晶体单元1上设有一条较长的线缺陷形成的主波导3、一条较短的线缺陷形成的下路波导4、一条较短的线缺陷形成的上路波导5、一个中心位置去除对应的无源硅介质柱2形成的第一磁控谐振腔开关区域6、一个中心位置去除对应的无源硅介质柱2形成的第二磁控谐振腔开关区域7、一个中心位置去除对应的无源硅介质柱2形成的反射微腔8，下路波导4与上路波导5 相互平行且同时与主波导3相互垂直，第一磁控谐振腔开关区域6设于主波导3 与下路波导4之间，第二磁控谐振腔开关区域7设于主波导3与上路波导5之间，反射微腔8设于第一磁控谐振腔开关区域6与第二磁控谐振腔开关区域7 之间的中心位置且位于主波导3的另一侧，第一磁控谐振腔开关区域6内、第二磁控谐振腔开关区域7内和反射微腔8内分别设有一个铁氧磁体缺陷介质柱 9；第一磁控谐振腔开关区域6内位于四角的四个无源硅介质柱2与第二磁控谐振腔开关区域7内位于四角的四个无源硅介质柱2的半径均为200nm，反射微腔8内所有无源硅介质柱2的半径依然为100nm，第一磁控谐振腔开关区域6 内的铁氧磁体缺陷介质柱9位于中心位置向主波导3偏移200nm的位置，第二磁控谐振腔开关区域7内的铁氧磁体缺陷介质柱9位于中心位置向上路波导5 偏移200nm的位置，反射微腔8内的铁氧磁体缺陷介质柱9位于中心位置向主波导3偏移200nm的位置，铁氧磁体缺陷介质柱9的半径为0.09a-0.12a nm，其中a为光子晶体晶格常数的值，这里a取值为500。说明：上述第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7和反射微腔8对应的区域均为无源硅介质柱2构成的3×3矩阵形成的区域；上述主波导3、下路波导4、上路波导5 均为去除一行或一列无源硅介质柱2形成的线缺陷，主波导3为两端贯通的线缺陷，下路波导4和上路波导5均为一端贯通、另一端仍然有无源硅介质柱2 的线缺陷；下路波导4和上路波导5与主波导3之间分别有5行(或5列)无源硅介质柱2，反射微腔8的中心位置与主波导3之间有2行(或2列)无源硅介质柱2。上述光子晶体晶格常数500nm、无源硅介质柱2的半径100nm也可以为其它值，根据需要而定。

如图2所示，设二维光子晶体单元1的主波导3对应的线缺陷的轴向为首尾方向，将多个设有上述结构的二维光子晶体单元1相互首尾连接形成一个整体的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，使整个ROADM更具微型化与集成化，改变每个二维光子晶体单元1的铁氧磁体缺陷介质柱9的半径就可实现单个器件(即二维光子晶体单元及其上设置的所有结构)特定波长的上载与下载；串联之后，每个器件的选频波段互不干扰，可同时完成多波段的上载与下载，实现DWDM系统C波段和L波段的自由路由功能。

为了证明本发明所述基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM的创造性，下面结合设计思路、实际应用和部分性能指标进行具体说明：

1、二维光子晶体基本结构设计及特性分析：

1.1确定介质柱半径：

根据平面波展开法计算归一化频率随介质柱半径的变化关系，可以发现，随无源硅介质柱2半径的增大，光子晶体第一带隙先增大后减小，取无源硅介质柱2的半径为100nm，有助于扩大二维光子晶体带隙，其对应的TE模式第一光子禁带的归一化频率为[0.267，0.392]^a/λ(晶格常数a的值取500)，包含国际主流的长距光通信波长1550nm，同时覆盖O带[1260，1360]nm，E带[1360，1460]nm， S带[1460，1530]nm和C带[1530，1565]nm。

1.2第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7周边的无源硅介质柱2的影响机制：

分三种方式，方式一，在3×3的第一磁控谐振腔开关区域6和第二磁控谐振腔开关区域7内选择相对中心位置上下左右的四个周围的无源硅介质柱2；方式二，在3×3的第一磁控谐振腔开关区域6和第二磁控谐振腔开关区域7内选择相对中心位置的四角四个周围的无源硅介质柱2；方式三，在3×3的第一磁控谐振腔开关区域6和第二磁控谐振腔开关区域7外选择相对中心位置偏向于上下路波导和偏向于主波导的两个周围的无源硅介质柱2。改变第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7周围的无源硅介质柱2的半径[100， 250]nm，利用平面波展开法求出对应半径的透射谱，比较得出第一种方式和第三种方式，随着无源硅介质柱2的半径增大，透射效率均出现下降且谐振波长容易出现多模现象，这是由于此两种方式的无源硅介质柱2会与光波发生强烈的相互作用。第二种方式，无源硅介质柱2与光相互作用相对较弱，在适当调整无源硅介质柱2的半径时，可提高投射效率，保持良好的单模特性。研究表明，采用第二种方式，周边无源硅介质柱2的半径为200nm时，透射率可达90.44％。

1.3铁氧磁体缺陷介质柱9的偏移方向及偏移量：

在对比铁氧磁体缺陷介质柱9平移特性时，发现向下偏移(靠近主波导3) 方式整体要优于向上偏移方式，偏移量增大，透射峰值呈上下震荡分布，在偏移量为200nm时，可得到最大透射峰值。继续探究作用机制，做磁场和电场的能量分析，在此偏移量下，电场能量主要分布在微腔中，与主波导3之间的耦合作用明显，微腔局域能量也得到有效增强。研究表明，偏移量为200nm时，投射峰值为89.11％。第一磁控谐振腔开关区域6中的铁氧磁体缺陷介质柱9向主波导3的方向偏移200nm、第二磁控谐振腔开关区域7中的铁氧磁体缺陷介质柱9向上路波导5的方向偏移200nm、反射微腔8中的铁氧磁体缺陷介质柱9 向主波导3的方向偏移200nm时，既能保证各微腔高局域特性的同时，也可具备较高的光波投射效率。

1.4铁氧磁体缺陷介质柱9的半径：

基于以上条件，研究铁氧磁体缺陷介质柱9的半径与投射效率的关系。缺陷以铁氧磁体作为介质柱，铁氧磁体缺陷介质柱9的半径为[0.08，0.13a]nm，在此间区域，半径增大时，微腔内谐振波长发生红移现象，即向长波长移动，且半高全宽值逐渐变大，在S波段(1460nm～1530nm)，C波段(1530nm～1565nm) 和L波段(1565nm～1625nm)投射效率均在90％以上。确定磁性缺陷介质柱半径为0.09a-0.12a nm。

2、上下路开关特性：

在三个铁氧磁体缺陷介质柱9的轴向上施加外磁场，调制外磁场使得铁氧磁体缺陷介质柱9的磁导率在0.89和2.09之间跳变。

μ1、μ2、μ3分别为第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7、反射微腔8中的铁氧磁体缺陷介质柱9的磁导率，结果如下：

表1下路功能和上路功能对应磁导率

2.1下路功能：

开：第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7、反射微腔8 中的铁氧磁体缺陷介质柱9的磁导率分别为0.89、2.09和0.89，磁控谐振腔开关为“开”状态，主波导3中1550nm的光波被下载到下路波导4的区域，主波导下侧的微腔与1550nm光波发生谐振起到一定的反射反馈作用，提高下路波导 4的投射效率。此时Q值为1033，插入损耗0.0514。

关：第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7、反射微腔8 中的铁氧磁体缺陷介质柱9的磁导率均为2.09时，磁控谐振腔开关为“关”状态，下路波导4取消下载功能，主波导3中1550nm的光波直接沿主波导3几乎无损耗传播。

2.2上路功能：

开：第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7、反射微腔8 中的铁氧磁体缺陷介质柱9的磁导率分别为2.09、0.89和0.89时，磁控谐振腔开关为“开”状态，上路波导5中1550nm的光波被上载到主波导3的区域，主波导3下侧的微腔与1550nm光波发生谐振将往左侧传播的光反射到右侧，使上路光信号聚集到主波导3的右侧传播。

关：第一磁控谐振腔开关区域6、第二磁控谐振腔开关区域7、反射微腔8 中的铁氧磁体缺陷介质柱9的磁导率均为2.09时，磁控谐振腔开关为“关”状态，下路波导4取消下载功能，主波导3中1550nm的光波直接沿主波导3几乎无损耗传播。

3、磁控谐振腔开关型ROADM性能指标：

表2磁控谐振腔开关型ROADM性能指标

由表2可知，本申请所设计的ROADM，在实现上下路功能时，Q值均高达10³，插入损耗分别为0.0514和0.0223，隔离度分别为32.17和38.59，信道之间相互串扰小，透射率均在90％以上。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：包括光子晶体晶格常数为a nm、无源硅介质柱半径为b nm的二维光子晶体单元，在所述二维光子晶体单元上设有一条较长的线缺陷形成的主波导、一条较短的线缺陷形成的下路波导、一条较短的线缺陷形成的上路波导、一个中心位置去除对应的所述无源硅介质柱形成的第一磁控谐振腔开关区域、一个中心位置去除对应的所述无源硅介质柱形成的第二磁控谐振腔开关区域、一个中心位置去除对应的所述无源硅介质柱形成的反射微腔，所述下路波导与所述上路波导相互平行且同时与所述主波导相互垂直，所述第一磁控谐振腔开关区域设于所述主波导与所述下路波导之间，所述第二磁控谐振腔开关区域设于所述主波导与所述上路波导之间，所述反射微腔设于所述第一磁控谐振腔开关区域与所述第二磁控谐振腔开关区域之间的中心位置且位于所述主波导的另一侧，所述第一磁控谐振腔开关区域内、所述第二磁控谐振腔开关区域内和所述反射微腔内分别设有一个铁氧磁体缺陷介质柱。

2.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：所述第一磁控谐振腔开关区域内位于四角的四个所述无源硅介质柱与所述第二磁控谐振腔开关区域内位于四角的四个所述无源硅介质柱的半径均为2b nm。

3.根据权利要求2所述的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：所述第一磁控谐振腔开关区域内的所述铁氧磁体缺陷介质柱位于中心位置向所述主波导偏移2b nm的位置，所述第二磁控谐振腔开关区域内的所述铁氧磁体缺陷介质柱位于中心位置向所述上路波导偏移2b nm的位置。

4.根据权利要求3所述的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：所述反射微腔内的所述铁氧磁体缺陷介质柱位于中心位置向所述主波导偏移2b nm的位置。

5.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：所述铁氧磁体缺陷介质柱的半径范围为0.09a-0.12a nm，其中a为光子晶体晶格常数的值。

6.根据权利要求1-5中任何一项所述的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：所述a为500，所述b为100。

7.根据权利要求1-5中任何一项所述的基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM，其特征在于：设所述二维光子晶体单元的主波导对应的线缺陷的轴向为首尾方向，所述基于二维光子晶体的磁控谐振腔开关型ROADM包括多个相互首尾连接的所述二维光子晶体单元。