CN115061236A - 一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器 - Google Patents

一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，包括左右依次设置的Sagnac环和微环谐振腔阵列；所述微环谐振腔阵列为1×n个串联的微环；所述与Sagnac环耦合的微环Rn的非耦合区集成有相变材料；所述相变材料通过对其施加光脉冲或电脉冲的方式调控相变材料的晶态，决定Rn与Rn‑1间是否耦合，决定进入所述微环谐振腔阵列耦合Sagnac环的可调光学缓存器信号光能否耦合输出，实现对光缓存器读/写的控制。本发明的读写可控的硅基集成光缓存器能够高精度延时、突破时延带宽积，并实现方便可调、低损耗的信号光写入与读出光缓存器操作的效果。

Description

一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓 存器
技术领域
本发明涉及光电子集成技术领域，尤其涉及一种Sagnac环耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器。
背景技术
在大数据的时代背景下，以数据为中心的应用程序，如网络电视、视频点播等的流行使得网络对传输带宽的要求不断提高。以光纤为核心的光通信系统可以有效解决数据网络负载率过高的问题。光分组交换技术不仅可以满足网络传输中日益增长的带宽需求，还具有低延迟、高带宽和高吞吐量等优点，使数据的存储完全在光域中进行，不需要进行光-电-光转换，避免产生“电子瓶颈”，这无论从提高速率、改善信号质量以及降低能耗等各个角度看都是有利的。光缓存技术作为光分组交换技术中的关键技术，既可以提供可调的缓存时间以便节点进行帧头处理，同时还可以解决光路由器同一端口的竞争问题。因此光缓存技术是全光路由控制和解决通道竞争的一个关键技术，该技术技术直接决定了信息处理的性能，光缓存器的研究对未来光通信网络的发展具有重要的意义。
目前在所有研究中，各种结构的光缓存器具有其各自的优势与挑战：基于电诱导透明(EIT)效应的慢光缓存器成本高、系统结构及制造工艺复杂，因此难以实现。基于光纤延迟线(FDL)的光缓存器虽可以提供较大的延迟，但其分辨率受到调谐步骤的限制，并且尺寸大，不易集成到微系统中。基于光子晶体(PC)慢光效应的光缓存器，存在与受激布里渊散射(SBS)慢光效应的相同难题，其总延迟时间不足纳秒量级，并且延迟时间动态范围小。而采用光开关和波导延迟线多级级联的结构虽然能够实现光延迟量的大范围调节，但是从真正意义上来讲它只是暂存器，并不能被称为缓存器。此外，这些类型的缓存器都受制于带宽与延迟时间的限制，即存储能量时间与系统带宽的乘积固定，有Δt·Δω～2π的极限。在光缓存器内无法长时间存储大数据。
国际上对于非互易波导的研究虽然有一些，但大都集中在利用非互易波导实现光隔离器、光环形器等非互易器件，目前还没有将其应用于光缓存器的相关研究报道。此外，该项研究大都集中在太赫兹波段，并没有找到在光通信波段的相关研究报道，但基于太赫兹波段的光器件无法与已有光通信系统节点设备兼容，若要更换已架设的架构及硬件成本太大、实现难度大，并且太赫兹器件的尺寸大都在毫米量级，系统尺寸难以实现微型化。
光缓存器中信号光的“写入”与“读取”操作的难易程度是评价其性能的一个重要的方面。传统基于半导体SOA放大器的全光缓存器中，由于光信号需要反复通过光放大器，容易引起噪声的积累，而且控制技术相对复杂。
发明内容
本发明之目的在于提供一种读写可控的硅基集成光缓存器，便捷可控，还可以实现在光通信C波段信号光的缓存与读写控制。
为实现上述目的，本发明提供一种读写可控的硅基集成光缓存器，包括左右依次设置的Sagnac环和微环谐振腔阵列，所述微环谐振腔阵列为1×n个串联的微环；所述与Sagnac环耦合的微环Rn的非耦合区上方集成相变材料；
所述1×n个串联的微环，n为2以上的任意实数；
所述相变材料通过对其施加光脉冲或电脉冲的方式调控相变材料的晶态，决定Rn与Rn-1间是否耦合，决定进入所述微环谐振腔阵列耦合Sagnac环的可调光学缓存器信号光能否耦合输出，实现对光缓存器读/写的控制。
优选地，对所述相变材料施加单一脉冲，相变材料相变为晶态，所述微环Rn与Rn-1断开耦合，光信号被缓存在所述1×n-1微环阵列Rn-1至R1中，实现对缓存器写的控制；
对所述相变材料施加单一脉冲，相变材料相变为非晶态，所述微环Rn与Rn-1重新耦合，光信号由所述1×n-1微环阵列Rn-1至R1耦合进入所述微环Rn，并从Sagnac环输出，实现对缓存器读的控制。
优选地，所述非互易硅基磁光波导包括按自下而上顺序依次叠接的硅半导体层和磁光材料层。
优选地，所述由非互易硅基波导集成的光缓存器尺寸为微米量级。
优选地，所述相变材料为GST或GSST。
优选地，所述磁光材料层为Ce:YIG与SGGG层。
优选地，所述磁光材料层在外磁场作用下，打破介电张量对称性，并且在光通信C波段波长条件下产生旋电各向异性，使结构产生非互易相移。
优选地，所述光通信C波段波长范围为1530～1565nm。
优选地，通过调控相变材料晶态，以调整晶态与非晶态两种状态下存储光信号的差异，实现光开关的功能。
本发明提供的一种Sagnac环耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器相比现有技术具有以下有益效果：
1、本发明采用的非互易磁光波导在外加磁场作用下可以打破“时延带宽”极限2π的限制，可以工作在光通信C波段。
2、本发明采用切换相变材料的状态(晶态或非晶态)来实现光缓存器读写控制的方案，可以实现方便可调、低损耗的信号光写入与读出光缓存器的操作。
附图说明
下面将简要说明本申请所使用的附图，显而易见地，这些附图仅用于解释本发明的构思。
图1为本发明的一种Sagnac环耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器结构的俯视图；
图2为本发明的组成硅基集成光缓存器的非互易硅基磁光波导结构的截面图；
图3为基于非晶态GST的磁光1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的透射与反射光谱图；
图4为基于非晶态GSST的磁光1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的透射与反射光谱图；
图5为基于晶态GST的磁光1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的透射与反射光谱图；
图6为基于晶态GSST的磁光1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的透射与反射光谱图；
图7为基于GST的1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器中输出端口的透射率和反射端口的反射率之和曲线图；
图8为基于GSST的1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器中输出端口的透射率和反射端口的反射率之和曲线图；
图9为非晶态GST和晶态GST的1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的开光比曲线图；
图10为非晶态GSST和晶态GST的1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的开光比曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的一种Sagnac环耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器的实施方式。
在此记载的实施方式为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施方式外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施方式的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施方式的各部件的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同或相似的部分。
以下参照图1至图10对本发明的具体实施例进行解释说明。
如图1所示，本发明提供了一种Sagnac环耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，包括左右依次设置的Sagnac环n+2，1×n微环谐振腔阵列中第n个微环谐振腔n及集成在第n个微环谐振腔上非耦合区的相变材料n+1、第n-1个微环谐振腔n-1、……以及第1个微环谐振腔。该相变材料通过对其施加光脉冲或电脉冲的方式调控相变材料的晶态，决定n与n-1间是否耦合，决定进入所述微环谐振腔阵列耦合Sagnac环的可调光学缓存器信号光能否耦合输出，实现对光缓存器读/写的控制。
在本发明的进一步实施例中，组成Sagnac环耦合微环阵列结构的非互易硅基磁光波导包括按自下而上顺序依次叠接的硅半导体层、磁光材料Ce:YIG层和磁光材料SGGG层。优选地，非互易硅基磁光波厚度为纳米量级，尺寸为微米量级。
本发明的磁光材料层为Ce:YIG与SGGG层。在外加磁场的作用下，磁光材料层(Ce:YIG与SGGG层)可以在光通信C波段波长条件下打破介电常数对称性，产生旋电各向异性，即其打破洛伦兹互异性，实现“时延-带宽极限”的超越，并使结构产生非互易相移。其中，光通信C波段波长范围为1530～1565nm。磁光材料的向前传播场与向后传播场的各项异性介电张量可表示为：
Figure BDA0003563022150000061
本发明通过利用集成在第n个微环谐振腔上非耦合区的相变材料n+1实现Sagnac环耦合1×n微环阵列结构的读/写控制，为了得到以Sagnac环耦合1×n微环谐振腔结构的光缓存器的反射光场和透射光场，我们计算了光缓存器传输方程。
上述反射光场和透射光场的传输方程分别为：
T＝|ρTn(βf)-(1-ρ)Tn(βb)|2
Figure BDA0003563022150000062
其中，Tn为第n个微环谐振腔耦合直波导的传递函数：
Figure BDA0003563022150000071
其中，
Figure BDA0003563022150000072
是第n个串联微环的光场传递系数，微环Rn的周长是Ln，kn-1为第n-1个微环谐振腔Rn-1与第n个微环谐振腔Rn之间的耦合系数，kn为第三个微环谐振腔Rn与直波导的振幅耦合系数，tn-1与tn为其相应的透过系数。
我们以Sagnac环耦合1×3微环谐振腔结构的光缓存器为例计算传输方程。其中，为了计算光缓存器在相变材料GST与GSST两种晶态下输出端口的透射率与反射端口的反射率，通过传输方程进行计算可以得到如图3与图4所示的基于非晶态GST(aGST)与非晶态GSST(aGSST)的磁光1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的透射与反射光谱图，以及如图5与图6所示的基于晶态GST(cGST)与晶态GSST(cGSST)的1×3微环阵列耦合Sagnac环结构光缓存器的透射与反射光谱图。
在第3个微环非耦合区集成相变材料的1×3微环谐振腔耦合直波导的传递函数为：
Figure BDA0003563022150000073
其中，
Figure BDA0003563022150000074
为串联1×3微环的光场传输系数，βPCM＝2π·neff-PCM/λ，L3是微环R3的周长，k2为第二个微环谐振腔R2与第三个微环谐振腔R3之间的耦合系数，k3为第三个微环谐振腔R3与直波导的振幅耦合系数，t2与t3为其相应的透过系数。
为了计算光缓存器的缓存性能，利用其透射反射与反射光谱曲线，可以得到图7与图8所示基于GST与GSST的1×3微环耦合Sagnac结构的光缓存器中输出端口透射率和反射端口反射率之和的曲线，图中曲线分别为图3/图4中的非晶态GST/GSST和图5/图6中晶态GST/GSST这两种状态下透过率曲线与反射率曲线的和。在波长1.55μm附近，晶态GST及GSST的透射率与反射率之和有一峰值为-27.39dB与-29.8147dB，表明此时光信号存储在双微环R2和R1中，实现了缓存器的写入操作。而在此位置的非晶态GST及GSST的透射率与反射率之和为-0.428dB与-0.033dB，此时光信号从Sagnac的反射端口输出，实现了缓存器的读出控制。
本发明的缓存器的的读/写控制是通过调控集成在环R3上的相变材料的晶态，决定Rn与Rn-1间是否耦合，决定进入所述微环谐振腔阵列耦合Sagnac环的可调光学缓存器信号光能否耦合输出，实现对光缓存器读/写的控制。通过对相变材料GST/GSST施加单一脉冲(光脉冲或电脉冲)，GST/GSST材料可以在几十纳秒内改变为非晶化或晶化，完全不考虑器件先前的状态(晶态或非晶态)。图9与图10为缓存器中集成GST与GSST的非晶态和结晶态的光缓存信号的差。图中实线为图8/图9中GST/GSST非晶态和晶态两种状态下输出端口的透过率与反射端口的反射率之和的差值，代表了缓存器开关比，差值越大表明相变材料两种状态下存储光信号的差异越大。
因此，本发明可以利用对相变材料n+1晶态的调控，决定Rn与Rn-1间是否耦合，决定进入所述微环谐振腔阵列耦合Sagnac环的可调光学缓存器信号光能否耦合输出，实现对光缓存器读/写的控制。光从缓存器输入端输入Sagnac环，相变材料GST/GSST的初始状态为非晶态，正向传输的光信号可以依次耦合进入微环R3，R2和R1，使得光信号可以输入缓存器。通过对相变材料施加光脉冲或电脉冲可以使得GST/GSST材料相变为晶态，使得R3与R2断开耦合，光被缓存在微环R2和R1中，实现了对缓存器写的控制。当光信号在缓存器中存储一定时间后，再次对GST/GSST施加光脉冲或电脉冲将其转变为非晶态，光信号可由微环R2和R1中再次耦合进入R3并从Sagnac环输出，实现对缓存器读的控制。
上对本发明的一种Sagnac环耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器的实施方式进行了说明，其目的在于解释本发明之精神。请注意，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对上述各实施方式的特征进行修改和组合，因此，本发明并不限于上述各实施方式。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims (8)

1.一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，包括左右依次设置的Sagnac环和微环谐振腔阵列，所述微环谐振腔阵列为1×n个串联的微环；所述与Sagnac环耦合的微环Rn的非耦合区集成有相变材料；
所述1×n个串联的微环，n为2以上的任意实数；
所述相变材料通过对其施加光脉冲或电脉冲的方式调控相变材料的晶态，决定Rn与Rn-1间是否耦合，决定进入所述微环谐振腔阵列耦合Sagnac环的可调光学缓存器信号光能否耦合输出，实现对光缓存器读/写的控制。
2.如权利要求1所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，对所述相变材料施加单一脉冲，相变材料在几十纳秒内改变为非晶态或晶态，不考虑器件先前的晶态或非晶态状态；
光从缓存器器输入端输入Sagnac环，所述相变材料初始状态为非晶态，正向传输的光信号可依次耦合进入所述1×n微环阵列，使光信号输入缓存器；
对所述相变材料施加单一脉冲，相变材料相变为晶态，所述微环Rn与Rn-1断开耦合，光信号被缓存在所述1×n-1微环阵列Rn-1至R1中，实现对缓存器写的控制；
对所述相变材料施加单一脉冲，相变材料相变为非晶态，所述微环Rn与Rn-1重新耦合，光信号由所述1×n-1微环阵列Rn-1至R1耦合进入所述微环Rn，并从Sagnac环输出，实现对缓存器读的控制。
3.如权利要求1所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，所述Sagnac环和微环谐振腔阵列由非互易硅基磁光波导组成，包括按自下而上顺序依次叠接的硅半导体层和磁光材料层。
4.如权利要求1所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，所述非互易硅基矩形波导尺寸为微米量级。
5.如权利要求2所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，所述相变材料为GST或GSST。
6.如权利要求3所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，所述磁光材料层为Ce:YIG与SGGG层。
7.如权利要求6所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，所述磁光材料层在外加磁场的作用下，并且在光通信C波段波长条件下打破介电张量对称性，产生旋电各向异性，使结构产生非互易相移。
8.如权利要求7所述的一种Sagnac耦合微环阵列结构的读写可控的硅基集成光缓存器，其特征在于，所述光通信C波段波长范围为1530～1565nm。
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