CN116449499A - 一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件。本发明包括上包层、下包层、总线输入输出波导和多个波长选择器，总线输入输出波导和多个波长选择器均设置在上包层、下包层之间，多个波长选择器沿总线输入输出波导的传输方向依次间隔布置。多路波长信号从总线波导输入，通过对多个微环谐振器单元进行同时调控后从总线波导或者上传下载波导输出，实现多路光信号在不同端口方向的选择性传输的功能。本发明结构简洁紧凑、设计方便、稳定性高，利用微环谐振器固有的谐振特性实现了多路波长信号的同时、不同方向选择性传输，具有较低的能量消耗和额外损耗，适用于多通道的波分复用系统、光计算与神经网络领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面光波导集成器件，尤其是涉及一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件。
背景技术
如今，日益增长的数据传输容量需求对光通信系统，尤其是光通信网络节点中的光互联的发展提出了更高的要求。在光网络节点中，可重构光分插复用器(ROADM)是实现波分复用(WDM)网络中波长信道的灵活分配的关键部分。而作为ROADM系统中的一个重要组件，具有一个输入端口和M个输出端口的1×M波长选择开关(WSS)已被广泛用于选择特定波长信道到WDM系统中具有不同方向的任何端口；具有M个输入端口和M个输出端口M×M波长选择开关则是降低下一代高性能多通道数ROADM的系统复杂度的关键技术。此外，随着互联网时代对数据中心的计算性能的需求提升，数据中心互连(DCI)的规模呈指数级增长，这对进一步提高光互连网络的可扩展性和能效提出了挑战。这同样也需要应用高性能的1×M或者M×M的波长选择开关。
当前的波长选择开关已经有几种类型的技术来实现。例如，基于微机电系统(MEMS)或硅上液晶(LCOS)的自由空间光学波长选择开关已经开发成熟并应用于实际应用。然而，这种方案中的光学微透镜和开关需要精确组装，在这种情况下，系统变得非常昂贵并且器件尺寸非常大。相比之下，由于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的占地面积紧凑和巨大生产力，利用硅基光子学技术开发波长选择开关具有潜在的前景。由于硅基光子学可提供高集成度、低能量消耗、高带宽密度、半导体工艺技术兼容优势，基于此技术的波长选择开关器件可以具有小尺寸、低成本、高响应时间，适合与其他光学器件集成并作为未来大规模全光信号处理的潜在解决方案。
在过去几年中，通过利用集成MEMS结构、阵列波导光栅(AWG)、马赫-曾德尔干涉仪(MZIs)、波导光栅和微环谐振器(MRR)，已经实现了各种片上波长选择开关。使用MEMS结构可以有效地减少沟道串扰并实现高开关消光比(ER)，而大规模制造的制造复杂性仍然具有挑战性。考虑到在具有多个信道的WDM系统中的应用，传统波导类型1×M WSS采用AWG作为解复用器，M个AWG作为复用器，1×M MZI开关用于每个信道的波长路由。除了由AWG引起的过度损耗之外，这种配置不可避免地在路由路径中引入具有过度损耗和额外串扰的波导交叉。此外，对于MZI开关，每个波长信道的功耗通常在几十毫瓦左右，而1×M波长选择开关长达几毫米。
与AWG和MZI类型相比，基于微环谐振器的波长选择开关具有占地面积小、可扩展性灵活和功耗低的优点。特别是，由于共振产生的波长选择性使得它们更适合用于WDM系统中的波长选择开关。此外，可以在微环谐振器中增加一些特定的设计，用来改善ER和串扰的性能，比如椭圆微环谐振器的设计和高阶级联微环。另一方面，多信道1×M和M×M的波长选择开关在网状光网络中构建波长不敏感、方向不敏感和无阻塞(CDC)的ROADM节点方面发挥着重要作用。因此，仍然非常有必要通过简单的组件设计实现改进的总体性能，并扩展1×M和M×M的波长选择开关的波长信道数量和通信端口，以便在大规模光通信网络中灵活地路由/切换波长信道。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，采用微环谐振器对每路波长通道的光信号幅度进行独立调控，调谐控制每个微环谐振器的谐振峰位置，从而精确调控特定波长处的信号在光链路中的传输方向。该器件具备优异的可扩展性和可调谐性，适用于可重构的多通道波分复用系统，且满足低功耗需求。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括上包层、下包层、总线输入输出波导和多个波长选择器，总线输入输出波导和多个波长选择器均设置在上包层、下包层之间，多个波长选择器均设置在总线输入输出波导的侧方，多个波长选择器沿总线输入输出波导的传输方向依次间隔布置。
每个所述波长选择器由设置在上包层、下包层之间的m个微环谐振器单元和一根上传下载波导组成，上传下载波导与总线输入输出波导之间间隔布置，上传下载波导与总线输入输出波导之间沿总线输入输出波导的传输方向依次间隔设置有m个微环谐振器单元，m个微环谐振器单元均与总线输入输出波导、上传下载波导之间发生侧向倏逝波耦合，上传下载波导的一端作为当前波长选择器的端口。
每个所述微环谐振器单元包括至少一个微环谐振器，当前微环谐振器单元中，所有微环谐振器均设置在上包层和下包层之间，如果存在多个微环谐振器，则当前微环谐振器单元中，所有微环谐振器均设置在上传下载波导与总线输入输出波导之间，所有微环谐振器依次间隔布置，靠近总线输入输出波导的微环谐振器与总线输入输出波导之间间隔布置并且与总线输入输出波导之间发生侧向倏逝波耦合，靠近上传下载波导的微环谐振器与上传下载波导之间间隔布置并且与上传下载波导之间发生侧向倏逝波耦合，相邻微环谐振器之间也间隔布置并且发生侧向倏逝波耦合。
所述微环谐振器外的上包层或者下包层中嵌装有调谐电极，调谐电极功率的调节，改变微环谐振器的温度的热光效应，改变微环谐振器的模式有效折射率，进而调控微环谐振器的谐振峰位置；
或者在微环谐振器中注入掺杂型离子后形成调谐电极，调谐电极电压的调节，改变微环谐振器中载流子数量的电光效应，改变微环谐振器的模式有效折射率，调控微环谐振器的谐振峰位置。
所述总线输入输出波导、微环谐振器和上传下载波导的材料相同。
所述微环谐振器为正圆形且波导宽度相同的环形波导，正圆形且波导宽度渐变的环形波导，椭圆形且波导宽度相同的环形波导，或者椭圆形且波导宽度渐变的环形波导。
所述总线输入输出波导与对应微环谐振器耦合处的波导为直线波导，与对应耦合微环谐振器的圆心在同侧的弯曲波导，或者对应耦合微环谐振器的圆心在不同侧的弯曲波导。
所述上传下载波导与对应微环谐振器耦合处的波导为直线波导，与对应耦合微环谐振器的圆心在同侧的弯曲波导，或者对应耦合微环谐振器的圆心在不同侧的弯曲波导。
所述总线输入输出波导、微环谐振器和上传下载波导的波导宽度根据需求设置；总线输入输出波导、上传下载波导与微环谐振器之间的间距根据需求设置。
每个所述微环谐振器的波导形状、弯曲半径根据需求设置，相邻微环谐振器之间的间距根据需求设置。
本发明的有益效果为：
本发明结构简洁紧凑、设计方便、稳定性高，利用微环谐振器固有的谐振特性实现了多路波长信号的同时、不同方向选择性传输，具有较低的能量消耗和额外损耗，适用于多通道的波分复用系统、光计算与神经网络领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是微环谐振器位置处的截面示意图。
图3是微环谐振器为多种具体形式的示意图。
图4是总线输入输出波导、上传下载波导与微环谐振器为直线波导耦合时的结构示意图。
图5是总线输入输出波导、上传下载波导与微环谐振器为圆心在同侧的弯曲波导耦合时的结构示意图。
图6是总线输入输出波导、上传下载波导与微环谐振器为圆心在不同侧的弯曲波导耦合时的结构示意图。
图7是微环谐振器单元为包含多个微环谐振器纵向级联且包含一根上传下载波导的上传下载型微环谐振器的结构示意图。
图8是本发明实施例中波长选择开关器件的某一工作波长处的输出光信号幅度随调谐电极功率的变化示意图。
图9是本发明实施例中波长选择开关器件在1×4的端口下直通端和下载端的不同工作状态下总线输入输出波导的输出端传输强度随波长的变化示意图。
图10是是本发明实施例中波长选择开关器件在4×4的端口下直通端和下载端的不同工作状态下总线输入输出波导的输出端传输强度随波长的变化示意图。
图中：1、总线输入输出波导，2、微环谐振器单元，3、微环谐振器，4、上传下载波导，5、调谐电极，6、上包层，7、下包层，8、直波导耦合结构，9、同向的弯曲波导耦合结构，10、反向的弯曲波导耦合结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括上包层6、下包层7、总线输入输出波导1和多个波长选择器，总线输入输出波导1和多个波长选择器均设置在上包层6、下包层7之间，即总线输入输出波导1和多个波长选择器被上包层6、下包层7包覆；总线输入输出波导1用于传输多路光波长信号。多个波长选择器均设置在总线输入输出波导1的侧方，多个波长选择器沿总线输入输出波导1的传输方向依次间隔布置，所有波长选择器均与总线输入输出波导1之间发生侧向倏逝波耦合，总线输入输出波导1的传输方向由其两端的轴线确定，不同波长选择器位于总线输入输出波导1的同侧或者不同侧，相邻两个波长选择器之间均不发生侧向倏逝波耦合。多路波长信号从总线输入输出波导1输入，通过对多个微环谐振器单元进行同时调控后从总线输入输出波导1或者上传下载波导4输出，实现多路光信号在不同端口方向的选择性传输的功能。
本实施例中，使用m×n个微环谐振器单元2，依次记为port 1-λ1，…，port 1-λm，…，port n-λ1，…，port n-λm。每个微环谐振器单元2调控对应通道的光功率幅度，m×n个微环谐振器单元2可实现n端口m路通道光功率幅度的同时独立调控。
每个所述波长选择器由设置在上包层6、下包层7之间的m个微环谐振器单元2和一根上传下载波导4组成，上传下载波导4与总线输入输出波导1之间间隔布置，上传下载波导4与总线输入输出波导1之间沿总线输入输出波导1的传输方向依次间隔设置有m个微环谐振器单元2，m个微环谐振器单元2之间均不发生侧向倏逝波耦合，m个微环谐振器单元2均与总线输入输出波导1、上传下载波导4之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器3内产生光场谐振，在特定位置处出现谐振峰；通过调控微环谐振器3所产生的谐振峰的位置，使相应波长信号处于特定的谐振峰位置处，从而调控该波长信号传输通过总线输入输出波导1或者某端口处的上传/下载波导4；多路波长信号从同一根总线输入输出波导1输入，通过对多个微环谐振器单元2进行同时调控，决定每个波长信号的输出方向是同一根总线输入输出波导1还是某个上传下载波导4，同时实现多路光信号的波长选择功能。上传下载波导4的一端作为当前波长选择器的端口，波长选择器的端口作为信号上传端口或信号下载端口。
多路光波长信号的输入与输出经过同一根总线输入输出波导1；多路光波长信号从总线输入输出波导1的一侧输入，另一侧输出；通过对应特定波长通道的微环谐振器3的调谐作用，总线输入输出波导1中一侧输入的对应特定波长通道的某路光信号经过微环谐振器3的倏逝波耦合，该波长处光信号幅度受到微环谐振器3的谐振峰位于特定位置处的功率调谐，使得谐振峰对准或者错开对应的波长通道的位置，进而决定每个波长信号的输出方向是同一根总线输入输出波导1还是某个上传下载波导4，同时实现多路光信号的波长选择功能。
通过对调谐电极5施加功率或电压而引发的热光效应或电光效应，改变微环谐振器3的模式有效折射率，调控微环谐振器3的谐振峰位置，从而决定每个波长信号的输出方向是同一根总线输入输出波导1还是某个上传下载波导4。
这样，从总线输入输出波导1的一侧输入的多路光波长信号的某一路光信号受到对应的微环谐振器3的谐振峰处于特定位置时的功率调谐作用，经过该微环谐振器3后，由于特定位置处的谐振峰对准或错开相应的光信号波长的位置，从而决定该波长信号的输出方向是同一根总线输入输出波导1还是某个上传下载波导4；多路光波长信号的每一路光信号均受到对应的一个微环谐振器3的功率调谐作用，从而分别决定每路波长信号的输出方向是同一根总线输入输出波导1还是某个上传下载波导4。
如图7所示，每个所述微环谐振器单元2包括至少一个微环谐振器3，每个波长选择器中的m个微环谐振器单元2中的微环谐振器3数量相同或各不相同。当前微环谐振器单元2中，所有微环谐振器3均设置在上包层6和下包层7之间，如果存在多个微环谐振器3，则当前微环谐振器单元2中，所有微环谐振器3均设置在上传下载波导4与总线输入输出波导1之间，所有微环谐振器3依次间隔布置，靠近总线输入输出波导1的微环谐振器3与总线输入输出波导1之间间隔布置并且与总线输入输出波导1之间发生侧向倏逝波耦合，靠近上传下载波导4的微环谐振器3与上传下载波导4之间间隔布置并且与上传下载波导4之间发生侧向倏逝波耦合，相邻微环谐振器3之间也间隔布置并且发生侧向倏逝波耦合。
所述微环谐振器3外的上包层6或者下包层7中嵌装有调谐电极5，调谐电极5功率的调节，改变微环谐振器3的温度的热光效应，改变微环谐振器3的模式有效折射率，进而调控微环谐振器3的谐振峰位置；进而调控微环谐振器3的谐振峰位置，从而调控对应特定波长处光信号从总线输入输出波导1输出后的光功率幅度；
或者在微环谐振器3中注入掺杂型离子后形成调谐电极5，调谐电极5电压的调节，改变微环谐振器3中载流子数量的电光效应，改变微环谐振器3的模式有效折射率，调控微环谐振器3的谐振峰位置，从而调控对应特定波长处光信号从总线输入输出波导1输出后的光功率幅度。
所述总线输入输出波导1、微环谐振器3和上传下载波导4的材料相同，具体可为硅、掺杂的二氧化硅、氮化硅、铌酸锂等材料组成的单模或多模波导。上包层6和下包层7均为周围包层介质，具体为二氧化硅。
微环谐振器3为正圆形且波导宽度相同的环形波导，正圆形且波导宽度渐变的环形波导，椭圆形且波导宽度相同的环形波导，或者椭圆形且波导宽度渐变的环形波导，分别如图3的(a)-(d)所示。每个微环谐振器3的波导形状、弯曲半径根据需求设置，相邻微环谐振器3之间的间距根据需求设置。
总线输入输出波导1与对应微环谐振器3耦合处的波导为直线波导8，如图4所示，与对应耦合微环谐振器3的圆心在同侧的弯曲波导9，如图5所示，或者对应耦合微环谐振器3的圆心在不同侧的弯曲波导10，如图6所示。
上传下载波导4与对应微环谐振器3耦合处的波导为直线波导8，如图4所示，与对应耦合微环谐振器3的圆心在同侧的弯曲波导9，如图5所示，或者对应耦合微环谐振器3的圆心在不同侧的弯曲波导10，如图6所示。同向的弯曲波导耦合结构9中弯曲波导与微环谐振器3构成同心圆结构或非同心圆结构，耦合区域的耦合长度可变，即围绕角度可变。
总线输入输出波导1、微环谐振器3和上传下载波导4的波导宽度根据需求设置；总线输入输出波导1、上传下载波导4与微环谐振器3之间的间距根据需求设置。
本发明的工作过程和原理如下：
波长选择开关器件中，多路光信号中的每一路光信号的幅度均由一个对应的微环谐振器单元2调控。多路光信号由总线输入输出波导1的输入端输入，经过每个对应微环谐振器单元2的功率调谐，再从总线输入输出波导1的输出端输出，完成对多路光信号的同时幅度均衡。通过对调谐电极5施加功率改变微环谐振器3的温度的热光效应，或是对调谐电极5施加电压改变微环谐振器3中波导的载流子数量的电光效应，改变微环谐振器3的模式有效折射率，调控微环谐振器3的谐振峰位置，从而调控特定波长处光信号从总线输入输出波导1输出后的光功率幅度。
波长选择开关器件的初始状态为对所有应用热光效应的微环谐振器单元2的调谐电极5施加功率为0，对所有应用电光效应的微环谐振器单元2的调谐电极5施加电压为0时的状态。当对所有应用热光效应的微环谐振器单元2的调谐电极5施加功率，对所有应用电光效应的微环谐振器单元2的调谐电极5施加电压为适当值时，此时各通道光波长信号与对应的微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰均处于完全失谐的状态，即谐振峰位置与波长通道互相错位，错位距离为半个信道间隔。由于完全失谐状态时，各波长通道处的光信号不满足微环谐振器3与总线输入输出波导1、上传下载波导4之间的侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，光信号可无损通过该微环谐振器单元2，并从总线输入输出波导1的输出端输出，光信号的幅度不发生衰减，即为该波长通道的关闭状态。
当通过热光效应或电光效应改变调谐电极5的状态，使每个微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰向对应的波长通道处移动时，该波长通道处的光信号逐渐满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，该波长处逐渐处于微环谐振器3的谐振峰位置并逐渐向更大的衰减量位置移动，对应于光信号通过该微环谐振器单元2后，从总线输入输出波导1的输出端输出时的衰减量逐渐增大；当微环谐振器3的谐振峰的平移量达到半个信道间隔时，微环谐振器3的谐振峰与对应的波长通道位置重合，波长通道处的光信号完全满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，被选择从上传下载波导4的下载端输出，从而使得从总线输入输出波导1的输出端输出时的衰减量达到最大，在上传下载波导4输出端4的幅度达到最大，即为该波长通道的开启状态。当多路光信号同时输入该波长选择开关器件时，通过控制每个微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰位置，使其与对应波长通道的位置重合或者错开半个信道间隔，即可实现对多路光信号在不同方向的端口的同时选择性传输功能。
本发明的具体实施例如下：
本实例选用基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导，其芯层材料为硅，厚度为220nm，折射率为3.4744，周围包层材料为二氧化硅，折射率为1.444，考虑波段范围为1530nm至1565nm范围内的通信C波段。通过对调谐电极5施加功率改变微环谐振器3的温度的热光效应改变微环谐振器3的模式有效折射率，调控微环谐振器3的谐振峰位置，从而调控特定波长处光信号从总线输入输出波导1输出后的光功率幅度。
图2给出了微环谐振器3位置处的截面示意图。所述的调谐电极5为钛/铬金属，置于微环谐振器3上方的上包层6中，仅覆盖微环谐振器3的部分区域，以提升对微环谐振器3的谐振峰的平移的调控精度。通过施加电功率使调谐电极5产生焦耳热并通过上包层传导至微环谐振器3，改变微环谐振器3的温度，利用热光效应改变微环谐振器3的模式有效折射率。
所述的微环谐振器3的具体形式为椭圆形且波导宽度渐变的环形波导。微环谐振器3的两个椭圆短轴处为其与总线输入输出波导1、上传下载波导4的耦合区，此处曲率半径最大，且波导宽度最窄，用于实现高效率、低损耗的耦合；微环谐振器3的两个椭圆长轴处为非耦合区，此处曲率半径最小，且此处波导宽度最宽，用于减小微环长度以增大微环谐振器3的自由光谱范围，同时减小微环谐振器3内的传输损耗。
所述的微环谐振器3与总线输入输出波导1、上传下载波导4的耦合结构可以采用直波导耦合结构8、相互同向的弯曲波导耦合结构9或相互反向的弯曲波导耦合结构10，本实例中，均采用直波导耦合结构8。
实施例器件结构中，总线输入输出波导1、上传下载波导4的波导宽度为Wbus＝400nm。微环谐振器3为椭圆形且波导宽度渐变的环形波导，其长轴为La＝4μm，此处波导宽度最宽，为Wa＝650nm；其短轴为Lb＝3.5μm，此处波导宽度最窄，为Wb＝450nm，波导宽度均满足单模传输条件。总线输入输出波导1、上传下载波导4与微环谐振器3的耦合结构中，耦合区域的波导间距为Wgap＝220nm。该波长选择开关共包含4个波长通道，各波长通道之间的信道间隔为400GHz，为了使每个微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰之间的间距与这一信道间隔保持一致，相邻波长通道之间的微环谐振器3的长轴和短轴均设置12.8nm的差距，用于提供相邻的微环谐振器3的谐振峰之间的间距。
图8给出了实施例中波长选择开关的某一工作波长处的输出光信号幅度随调谐电极5功率的变化示意图。该工作波长处的光信号由总线输入输出波导1的输入端输入，经过对应微环谐振器单元2的功率调谐后光信号的幅度发生变化，根据调谐功率的不同，工作波长处的光信号功率从总线输入输出波导1的输出端，或者上传下载波导的输出端输出。曲线的最左端对应波长选择开关处于关闭状态，此时该通道光波长信号与对应的微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰处于完全失谐的状态，即谐振峰位置与波长通道互相错位，错位距离为半个信道间隔。此状态下光信号基本可无损通过该微环谐振器单元2，额外损耗小于0.5dB，串扰小于20dB，如图中星形标注所示。当调谐电极5的功率逐渐增加时，微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰逐渐靠近该波长通道，对应于该波长信号在总线输入输出波导1的输出端的衰减量逐渐增大，光信号的幅度降低；当调谐电极5的功率增加至约4mW时，微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰平移距离为半个信道间隔，且与该波长通道重合，对应于该波长通道处光信号在总线输入输出波导1的输出端的衰减量达到最大，约为16dB，光信号的幅度下降至最低，相应地在下载端的光信号幅度最大，损耗小于1dB；当调谐电极5的功率继续增加时，微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰逐渐远离该波长通道，对应于该波长信号在总线输入输出波导1的输出端的衰减量逐渐减小，光信号的幅度升高。由图8可看出，对调谐电极5施加的功率变化可使对应波长通道的光信号幅度产生变化。
图9给出了实施例中波长选择开关对单个上传下载端口不同工作状态下总线输入输出波导1的输出端传输强度随波长的变化示意图。图9的(a)为4个通道的调谐电极5均不施加功率时的传输谱，由于工艺制备误差，各微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰之间的间距存在不均匀，即为初始状态；图9的(b)为调节4个通道的调谐电极5使波长选择开关处于全部关闭状态，此时各通道光波长信号与对应的微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰均处于完全失谐的状态，即谐振峰位置与波长通道互相错位，错位距离为半个信道间隔，各路光信号基本可无损通过各自对应的微环谐振器单元2；图9的(c)为在全部关闭状态的基础上，仅调节第1个通道的调谐电极5使相应通道的光信号红移200G，在总线波导输出端中的幅度的衰减量达到最大，在上传下载波导4输出端的幅度达到最大，实现λ1通道的开启状态；图9的(d)为在全部关闭状态的基础上，仅调节第1、3个通道的调谐电极5使相应通道的光信号在总线波导输出端中的幅度的衰减量达到最大，在上传下载波导4输出端的幅度达到最大，实现λ1、λ3通道的开启状态；图9的(e)为在全部关闭状态的基础上，仅调节第2、4个通道的调谐电极5使相应通道的光信号在总线波导输出端中的幅度的衰减量达到最大，在上传下载波导4输出端的幅度达到最大，实现λ2、λ4通道的开启状态；图9的(f)为在全部关闭状态的基础上，仅调节第1、2、3个通道的调谐电极5使相应通道的光信号在总线波导输出端中的幅度的衰减量达到最大，在上传下载波导4输出端的幅度达到最大，实现λ1、λ2、λ3通道的开启状态。由图9可看出，实施例中波长选择开关器件可对多路光信号实施同时的幅度调控与方向调控。
图10给出了实施例中波长选择开关对多个上传下载端口4，不同通道的光信号分别选择性地传输到不同方向的上传下载波导4中的工作情况，即波长选择功能的演示过程。图10的(a)为在初始的全部关闭状态的基础上，将端口1中第1通道、端口2中第2通道、端口3中第3通道、端口4中第4通道的微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰调谐至重合，使第1个波长通道的光信号在端口1的上传下载波导4输出端的幅度达到最大，第2个波长通道的光信号在端口2的上传下载波导4输出端的幅度达到最大，第3个波长通道的光信号在端口3的上传下载波导4输出端的幅度达到最大，第4个波长通道的光信号在端口4的上传下载波导4输出端的幅度达到最大；图10的(b)为将端口1中第4通道、端口2中第3通道、端口3中第2通道、端口4中第1通道的微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰调谐至重合，使第1个波长通道的光信号在端口4的上传下载波导4输出端的幅度达到最大，第2个波长通道的光信号在端口3的上传下载波导4输出端的幅度达到最大，第3个波长通道的光信号在端口2的上传下载波导4输出端的幅度达到最大，第4个波长通道的光信号在端口1的上传下载波导4输出端的幅度达到最大。由图10可看出，实施例中波长选择开关的多个相邻微环谐振器单元2中微环谐振器3的谐振峰可以调节至与某一波长通道的位置重合，用于对该波长通道实现选择性传输的开关功能，下载端信号损耗小于1dB。
由此可见，本发明采用微环谐振器作为波长选择开关器件的基本结构单元，结构简洁紧凑、设计方便、稳定性高。通过调控微环谐振器的谐振峰位置实现特定波长处光信号的传输方向，仅需单根总线波导即可实现多端口、多路波长信号的同时发送，具有更小的器件尺寸、更低的额外损耗以及能量消耗，取得了突出显著的技术效果。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，包括上包层(6)、下包层(7)、总线输入输出波导(1)和多个波长选择器，总线输入输出波导(1)和多个波长选择器均设置在上包层(6)、下包层(7)之间，多个波长选择器均设置在总线输入输出波导(1)的侧方，多个波长选择器沿总线输入输出波导(1)的传输方向依次间隔布置。
2.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，每个所述波长选择器由设置在上包层(6)、下包层(7)之间的m个微环谐振器单元(2)和一根上传下载波导(4)组成，上传下载波导(4)与总线输入输出波导(1)之间间隔布置，上传下载波导(4)与总线输入输出波导(1)之间沿总线输入输出波导(1)的传输方向依次间隔设置有m个微环谐振器单元(2)，m个微环谐振器单元(2)均与总线输入输出波导(1)、上传下载波导(4)之间发生侧向倏逝波耦合，上传下载波导(4)的一端作为当前波长选择器的端口。
3.根据权利要求2所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，每个所述微环谐振器单元(2)包括至少一个微环谐振器(3)，当前微环谐振器单元(2)中，所有微环谐振器(3)均设置在上包层(6)和下包层(7)之间，如果存在多个微环谐振器(3)，则当前微环谐振器单元(2)中，所有微环谐振器(3)均设置在上传下载波导(4)与总线输入输出波导(1)之间，所有微环谐振器(3)依次间隔布置，靠近总线输入输出波导(1)的微环谐振器(3)与总线输入输出波导(1)之间间隔布置并且与总线输入输出波导(1)之间发生侧向倏逝波耦合，靠近上传下载波导(4)的微环谐振器(3)与上传下载波导(4)之间间隔布置并且与上传下载波导(4)之间发生侧向倏逝波耦合，相邻微环谐振器(3)之间也间隔布置并且发生侧向倏逝波耦合。
4.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，所述微环谐振器(3)外的上包层(6)或者下包层(7)中嵌装有调谐电极(5)，调谐电极(5)功率的调节，改变微环谐振器(3)的温度的热光效应，改变微环谐振器(3)的模式有效折射率，进而调控微环谐振器(3)的谐振峰位置；
或者在微环谐振器(3)中注入掺杂型离子后形成调谐电极(5)，调谐电极(5)电压的调节，改变微环谐振器(3)中载流子数量的电光效应，改变微环谐振器(3)的模式有效折射率，调控微环谐振器(3)的谐振峰位置。
5.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，所述总线输入输出波导(1)、微环谐振器(3)和上传下载波导(4)的材料相同。
6.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，所述微环谐振器(3)为正圆形且波导宽度相同的环形波导，正圆形且波导宽度渐变的环形波导，椭圆形且波导宽度相同的环形波导，或者椭圆形且波导宽度渐变的环形波导。
7.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，所述总线输入输出波导(1)与对应微环谐振器(3)耦合处的波导为直线波导(8)，与对应耦合微环谐振器(3)的圆心在同侧的弯曲波导(9)，或者对应耦合微环谐振器(3)的圆心在不同侧的弯曲波导(10)。
8.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，所述上传下载波导(4)与对应微环谐振器(3)耦合处的波导为直线波导(8)，与对应耦合微环谐振器(3)的圆心在同侧的弯曲波导(9)，或者对应耦合微环谐振器(3)的圆心在不同侧的弯曲波导(10)。
9.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，所述总线输入输出波导(1)、微环谐振器(3)和上传下载波导(4)的波导宽度根据需求设置；总线输入输出波导(1)、上传下载波导(4)与微环谐振器(3)之间的间距根据需求设置。
10.根据权利要求3所述的一种基于微环谐振器阵列的波长选择开关器件，其特征在于，每个所述微环谐振器(3)的波导形状、弯曲半径根据需求设置，相邻微环谐振器(3)之间的间距根据需求设置。
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