專利名稱：一種全光波長路由集成芯片的制作方法
技術領域：
本發明屬于光通信領域，特別涉及適用于波分復用(WDM)光通信的一種全光波長路由集成芯片。
背景技術：
信息網絡的高速發展對光纖通信網絡提出了更高的要求，預計未來5年內，光網絡的容量將達到100 Tbit/s，在10年內達到I Pbit/s。對于如此大的通信容量，光波分復用已經逐漸成為高速、大容量光纖通信系統的標準骨干網絡。在WDM中，多個波長復用在一根光纖里傳輸，達到一根光纖物理信道中傳輸超大容量的目標，從而解決了光纖通信對容量的要求。但是，在光網絡節點處進行交換時，仍然采用電子信號處理和電子交換方式，存在著“光一電一光”轉換瓶頸以及能耗高、體積龐大等難題，難以滿足光網絡的發展需求，正成為下一代信息網絡發展的制約因素。以著名路由器生產商Cisco采用最新電子技術設計的電子路由器CRS-1為例，要完成92 Tbit/s的交換能力，系統由80個標準機柜(213 cmX60 cmX91 cm)組成，共有2500個輸入和輸出信道。整個系統占地面積超過100平方米,重達60噸,而且耗電驚人(約為I麗)。而當容量達到I Pbit/s時，耗電量達到驚人的17.4麗，相當于一個中型發電站的發電量。日本的調查報告表明，如果繼續利用現有技術，2015年電子路由器的耗電量將占到日本全國總耗電的9%。 此外，這樣的龐然大物存在很大的安全隱患，在遭遇地震、區域性斷電、恐怖襲擊等突發事件時，容易造成災難性后果。此外，電子路由器采用基于多機柜互連的堆疊形式來實現容量的擴展，這種擴容方式導致路由器在尺寸、重量、能耗等方面都是非線性增長的，不能從根本上解決路由器的可擴展性問題，也就不能從根本上滿足互聯網容量持續增長的需求，因此研究新型路由器成為必然趨勢。基于波長路由的光子路由器為解決目前網絡節點所面臨的難題提供了一種新的途徑。它采用光信號處理，秉承了“光”高速、寬帶、透明、低功耗以及潛在的低成本等諸多優點，直接在光域中對光網絡信號進行處理，實現路由功能。美國加州大學圣芭芭拉分校(UCSB)J.Bowers教授針對電(0-E-0)和光兩種不同交換方式下節點容量與能耗之間的關系進行了對比分析，研究結果表明，采用光子路由器，可以使能耗節約1000 - 10000倍。美國加州大學戴維斯分校Ben Yoo教授根據他們初步開展的集成光信號處理工作所獲得的數據測算，如果使用光子集成芯片來代替現有的CRS-1路由器的話，光網絡節點處路由器的功耗、體積和重量均可降低3個數量級。2009年3月，美國加州大學圣芭芭拉分校發布了全球首款基于單片光子集成芯片的可調諧光波長路由器(Monolithic Tunable Optical Router,簡稱MOTOR),芯片尺寸只有4.25 mmX14.5 _，具備8端口、40 Gbit/s線速率、640 Gbit/s交換容量的處理能力，接近于單機柜電路由器的水平，而尺寸縮小了大約6個數量級，同時，重量、能耗也隨之顯著減小。其主要研究人員Nicholes.S.C等人在文獻“Steven C.Nicholes, et al.An8X8 InP Monolithic Tunable Optical Router (MOTOR) Packet Forwarding Chip.//Journal of Lightwave Technology, vol.28, n0.4, pp.641-650，Feb.2010”中具體說明了這種采用一個8X8的可調諧全光波長轉換陣列及一個8X8的陣列波導光柵組成的全光波長路由集成芯片，如圖1所示。該芯片利用取樣光柵分布式布拉格反射激光器的波長可調諧以及半導體光放大器的交叉相位調制和交叉增益調制實現可調諧的全光波長轉換，并利用陣列波導光柵的波長選擇特性實現全光波長路由。該方案是世界上第一個單片集成的可調諧波長路由器，其波長轉換采用基于半導體光放大器的馬赫曾德干涉儀結構，來實現交叉相位調制的波長轉換。這種結構受到半導體光放大器載流子恢復較慢的限制，使其單通道的速率只能達到40 Gbit/s。
發明內容
針對上述現有技術，本發明的目的在于提供一種速度快、體積小且結構簡單的全光波長路由集成芯片，其旨 在解決現有的波長路由集成芯片，其波長轉換速度低因而通道速率過低的技術問題。—種全光波長路由集成芯片,其特征在于,包括第一可調諧分布式布拉格反射激光器3、第一多模干涉儀5、第一半導體光放大器7、第二可調諧分布式布拉格反射激光器4、第二多模干涉儀6、第二半導體光放大器8、4X4陣列波導光柵13、第三多模干涉儀18、第四多模干涉儀19、第五多模干涉儀22、第一延遲干涉儀20、第二延遲干涉儀21和第六多模干涉儀23 ;上述所有器件通過波導連接并集成在同一半導體基片上，構成一個具有第一、第二兩個輸入端及第一、第二、第三、第四、第五、第六共六個輸出端的集成芯片。作為對本發明更進一步地描述，所述第一輸入端I與第一可調諧分布式布拉格反射激光器3通過第一多模干涉儀5稱合與第一半導體光放大器7的輸入端相連；所述第二輸入端2與第二可調諧分布式布拉格反射激光器4通過第二多模干涉儀6耦合與第二半導體光放大器8的輸入端相連；所述4X4陣列波導光柵13有八個端口即第一端口 9、第二端口 10、第三端口 11、第四端口 12、第五端口 14、第六端口 15、第七端口 16和第八端口 17，第二端口 10和第四端口 12空置,第一端口 9與第一半導體光放大器7的輸出端相連,第三端口 11與第二半導體光放大器8的輸出端相連,第五端口 14通過第三多模干涉儀18與第一延遲干涉儀20的輸入端相連，第六端口 15與集成芯片的第三輸出端26相連，第七端口 16通過第四多模干涉儀19與第二延遲干涉儀21的輸入端相連，第八端口 17與集成芯片的第六輸出端29相連；第一延遲干涉儀20的輸出端經第五多模干涉儀22與集成芯片的第一輸出端24、第二輸出端25相連，第二延遲干涉儀21的輸出端經第六多模干涉儀23與集成芯片的第四輸出端27、第五輸出端28相連；
作為對本發明更進一步地描述，波長為I1和I2的載有調制信號的光脈沖作為泵浦光分別從集成芯片的第一輸入端1、第二輸入端2輸入,第一可調諧分布式布拉格反射激光器3以及第二可調諧分布式布拉格反射激光器4分別輸出波長為λ 3、λ 4的連續光作為探測光，波長為λ I的泵浦光和波長為λ 3的探測光經第一多模干涉儀5稱合后輸入第一半導體光放大器7，波長為λ 2的泵浦光和波長為λ 4的探測光經第二多模干涉儀6耦合后輸入第二半導體光放大器8，半導體光放大器將泵浦光上載有的信號調制到探測光上，從而實現波長轉換；轉換后信號經過4X4陣列波導光柵，多余的泵浦光則被陣列波導光柵濾除，通過調節激光器的輸出波長入3和λ 4，使波長為λ 3的轉換信號光從第五端口 14輸出經第三多模干涉儀18進入延遲干涉儀20，波長為λ4的轉換信號光從第七端口 16輸出經第四多模干涉儀19進入延遲干涉儀21，在集成芯片的第一輸出端24和第二輸出端25分別輸出與原始信號同相和反相的波長為λ 3的高速轉換信號，在集成芯片的第四輸出端27和第五輸出端28分別輸出與原始信號同相和反相的波長為λ 4的高速轉換信號。作為對本發明更進一步地描述，所述第三輸出端26和第六輸出端29能觀察到高速的反相波長轉換信號。本發明的工作原理為:
本發明為一種基于分布式布拉格反射激光器的波長調諧、半導體光放大器交叉增益調制效應、陣列波導光柵的波長路由功能以及延遲干涉儀周期性濾波性能的全光波長路由集成芯片。分布式布拉格反射激光器作為芯片上的探測光源，可調諧覆蓋整個C波帶的輸出波長；陣列波導光柵不僅對信號具有透明性，而且相同的波長也可以載波不同的信號從不同的輸入端口輸入，且不會在輸出端口發生碰撞；其次，利用陣列波導光柵的藍移濾波作用，提取超快的瞬態啁啾躍變動 態過程，大幅度加快了半導體光放大器的增益有效恢復，提升了波長轉換的速度。本發明利用半導體光放大器中的交叉增益調制效應實現波長轉換時，轉換后的信號會與原始信號反相，延遲干涉儀的反相功能使得輸出的轉換信號與原始信號同相，例如，通過調節延遲干涉儀使探測光波長位于延遲干涉儀透過率最小值附近，這使得當泵浦光為“I”碼時探測光由于具有較大頻率啁啾而有較大透過率，當泵浦光為“O”碼時探測光頻率啁啾較小而透過率很低，其能量被極大地抑制，這樣經延遲干涉儀輸出得到的是具有高消光比、與原始信號同相的波長轉換信號，改善了單個半導體光放大器實現波長轉換的性能，從而提高系統的工作速率。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
一、實現了高速的波長路由結構的芯片集成，利用陣列波導光柵的波長路由功能使得信號具有透明性，同時利用陣列波導光柵作為濾波器，利用瞬態啁啾躍變效應，大幅度提高了半導體光放大器的增益有效恢復時間，從而提升了波長轉換的速度；利用延遲干涉儀使波長轉換信號與原始信號同相，同時改善了波長轉換的性能，實現單通道速率為160 Gbit/s，交換容量為640 Gbit/s的全光波長路由。二、本發明不需要進行光-電-光的轉換，其波分交換矩陣完全是光的，而且可以無阻塞的透明交換波長，實現全光網絡端到端的波長分配。三、本發明的分布式布拉格反射激光器、多模干涉儀、半導體光放大器、陣列波導光柵和延遲干涉儀可集成于同一半導體基片上，克服了以往波長路由裝置結構復雜、體積較大，難以集成的困難，從而具有結構簡單、體積小、易于集成的特點，整個全光波長路由集成芯片的尺寸小至9.6 mmX 3.7 mm。
圖1是現有的一種8x8的波長可調諧全光波長路由集成芯片的示意 圖2是本發明提供的一種2x2全光波長路由集成芯片的掩膜 圖3是輸入的160 Gbit/s原始泵浦光信號的眼 圖4是160 Gbit/s的波長轉換下，經本發明中陣列波導光柵輸出的反相波長轉換信號的眼 圖5是160 Gbit/s的波長轉換下，本發明輸出端的仿真信號眼 附圖標記:a為8 X 8可調諧全光波長轉換陣列、b為8 X 8波導陣列光柵、c為取樣光柵分布式布拉格反射激光器。
具體實施例方式下面將結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的描述。—種全光波長路由集成芯片,包括分布式布拉格反射激光器、多模干涉儀、半導體光放大器、陣列波導光柵和延遲干涉儀，所述分布式布拉格反射激光器、多模干涉儀、半導體光放大器、陣列波導光柵和延遲干涉儀通過波導連接并集成在同一半導體基片上，構成一個芯片；所述第一輸入端I與第一可調諧分布式布拉格反射激光器3通過第一多模干涉儀5稱合與第一半導體光放大器7的輸入端相連；所述第二輸入端2與第二可調諧分布式布拉格反射激光器4通過第二多模干涉儀6稱合與第二半導體光放大器8的輸入端相連；所述4X4陣列波導光柵13有八個端口即第一端口 9、第二端口 10、第三端口 11、第四端口12、第五端口 14、第六端口 15、第七端口 16和第八端口 17，第二端口 10和第四端口 12空置，第一端口 9與第一半導體光放大器7的輸出端相連，第三端口 11與第二半導體光放大器8的輸出端相連，第五端口 14通過第三多模干涉儀18與第一延遲干涉儀20的輸入端相連，第六端口 15與集成芯片的第三輸出端26相連，第七端口 16通過第四多模干涉儀19與第二延遲干涉儀21的輸入端相連，第八端口 17與集成芯片的第六輸出端29相連；第一延遲干涉儀20的輸出端經第五多模干涉儀22與集成芯片的第一輸出端24、第二輸出端25相連，第二延遲干涉儀21的輸出端經第六多模干涉儀23與集成芯片的第四輸出端27、第五輸出端28相連。波長為I1和I2的載有調制信號的光脈沖作為泵浦光分別從集成芯片的第一輸入端1、第二輸入端2輸入,第一可調諧分布式布拉格反射激光器3以及第二可調諧分布式布拉格反射激光器4分別輸出波長為λ 3、λ 4的連續光作為探測光，波長為λ i的泵浦光和波長為λ 3的探測光經第一多模干涉儀5稱合后輸入第一半導體光放大器7,波長為λ 2的泵浦光和波長為λ 4的探測光經第二多模干涉儀6耦合后輸入第二半導體光放大器8，半導體光放大器將泵浦光上載有的信號調制到探測光上，從而實現波長轉換；轉換后信號經過4X4陣列波導光柵，多余的泵浦光則被陣列波導光柵濾除，通過調節激光器的輸出波長λ3和λ 4，使波長為λ 3的轉換信號光從第五端口 14輸出經第三多模干涉儀18進入延遲干涉儀20，波長為λ 4的轉換信號光從第七端口 16輸出經第四多模干涉儀19進入延遲干涉儀21,在集成芯片的第一輸出端24和第二輸出端25分別輸出與原始信號同相和反相的波長為λ 3的高速轉換信號，在集成芯片的第四輸出端27和第五輸出端28分別輸出與原始信號同相和反相的波長為λ4的高速轉換信號。集成芯片的輸出端26和29可觀察到高速的反相波長轉換信號，此信號可用于監測波長路由的信號質量。實施例
本發明在下述具體參數下，對本發明提供的全光波長路由集成芯片進行了單通道的模擬仿真。半導體光放大器的有源區長度為1000 um，載流子壽命為100 PS，工作電流為300 mA,模式損耗為1.7 X 10_3 um—1，TE模限制因子為0.28 ;泵浦光為波長λ pump為1559.6nm、工作速率為160 Gbit/s、脈沖寬度為I ps、脈沖峰值功率為7.52 mff的高斯脈沖光；探測光為波長ApMbeSl550 nm，平均功率為3.16 mW的直流光。陣列波導光柵的工作波段為1550 nm，通帶間距是200 GHz，邊帶抑制比20 dB。延遲干涉儀的延時時間為2 ps。圖3是輸入的160 Gbit/s原始泵浦光信號的眼圖，圖4是從陣列波導光柵輸出的、反相的波長轉換后信號眼圖，圖5是從延時干涉儀輸出的、正相波長轉換后信號眼圖。從仿真結果可以看出，無論是反相波長轉換輸出，還是正相波長轉換輸出，輸出信號的眼圖都張得很開，完全滿足數字通信無誤碼判決的要求，能夠實現160 Gbit/s的工作速率。實現了數字信號從波長1559.6 nm到1550 nm的轉移，完成了 160 Gbit/s的全光波長轉換。從本發明的具體實施方式
可知，本發明提出的基于分布式布拉格反射激光器、半導體光放大器、陣列波導光柵和延遲干涉儀的全光波長路由集成芯片速度快、體積小、結構簡單且易于集成，能夠滿足高速、大容量的光纖通信系統的需求，實現高效的組網能力，具有廣泛的應用前景 。
權利要求
1.一種全光波長路由集成芯片，其特征在于，包括第一可調諧分布式布拉格反射激光器(3)、第一多模干涉儀(5)、第一半導體光放大器(7)、第二可調諧分布式布拉格反射激光器(4)、第二多模干涉儀(6)、第二半導體光放大器(8)、4X4陣列波導光柵(13)、第三多模干涉儀(18)、第四多模干涉儀(19)、第五多模干涉儀(22)、第一延遲干涉儀(20)、第二延遲干涉儀(21)和第六多模干涉儀(23);上述所有器件通過波導連接并集成在同一半導體基片上，構成一個具有第一、第二兩個輸入端及第一、第二、第三、第四、第五、第六共六個輸出端的集成芯片。
2.根據權利要求I所述的全光波長路由集成芯片，其特征在于，所述第一輸入端(I)與第一可調諧分布式布拉格反射激光器(3)通過第一多模干涉儀(5)稱合與第一半導體光放大器(7 )的輸入端相連；所述第二輸入端(2 )與第二可調諧分布式布拉格反射激光器(4 )通過第二多模干涉儀(6)耦合與第二半導體光放大器(8)的輸入端相連；所述4X4陣列波導光柵(13)有八個端口即第一端口(9)、第二端口(10)、第三端口(11)、第四端口(12)、第五端口(14)、第六端口(15)、第七端口(16)和第八端口(17)，第二端口(10)和第四端口(12)空置，第一端口(9)與第一半導體光放大器(7)的輸出端相連,第三端口( 11)與第二半導體光放大器(8)的輸出端相連，第五端口(14)通過第三多模干涉儀(18)與第一延遲干涉儀(20)的輸入端相連，第六端口(15)與集成芯片的第三輸出端(26)相連，第七端口(16)通過第四多模干涉儀(19)與第二延遲干涉儀(21)的輸入端相連，第八端口(17)與集成芯片的第六輸出端(29)相連；第一延遲干涉儀(20)的輸出端經第五多模干涉儀(22)與集成芯片的第一輸出端(24)、第二輸出端(25)相連，第二延遲干涉儀(21)的輸出端經第六多模干涉儀(23)與集成芯片的第四輸出端27)、第五輸出端(28)相連。
3.根據權利要求I或2所述的全光波長路由集成芯片，其特征在于，波長為I1和I2的載有調制信號的光脈沖作為泵浦光分別從集成芯片的第一輸入端(I)、第二輸入端(2)輸入，第一可調諧分布式布拉格反射激光器(3)以及第二可調諧分布式布拉格反射激光器(4)分別輸出波長為λ 3、λ 4的連續光作為探測光，波長為X1的泵浦光和波長為λ 3的探測光經第一多模干涉儀(5)稱合后輸入第一半導體光放大器(7),波長為λ 2的泵浦光和波長為λ4的探測光經第二多模干涉儀(6)耦合后輸入第二半導體光放大器(8)，半導體光放大器將泵浦光上載有的信號調制到探測光上，從而實現波長轉換；轉換后信號經過4X4陣列波導光柵，多余的泵浦光則被陣列波導光柵濾除，通過調節激光器的輸出波長入3和λ4，使波長為λ 3的轉換信號光從第五端口(14)輸出經第三多模干涉儀(18)進入延遲干涉儀(20)，波長為λ4的轉換信號光從第七端口(16)輸出經第四多模干涉儀(19)進入延遲干涉儀(21)，在集成芯片的第一輸出端(24)和第二輸出端(25)分別輸出與原始信號同相和反相的波長為λ 3的高速轉換信號，在集成芯片的第四輸出端(27)和第五輸出端(28)分別輸出與原始信號同相和反相的波長為λ4的高速轉換信號。
4.根據權利要求3所述的全光波長路由集成芯片，其特征在于，所述第三輸出端(26)和第六輸出端(29)能觀察到高速的反相波長轉換信號。
全文摘要
本發明公開了一種全光波長路由集成芯片，屬于光通信領域，其包括分布式布拉格反射激光器、多模干涉儀、半導體光放大器、陣列波導光柵和延遲干涉儀，并通過波導連接并集成在同一半導體基片上。本發明將泵浦光上的信號調制到不同波長的探測光上；加快調制光信號增益的有效恢復，提升了波長轉換速度；并且利用延遲干涉儀的周期濾波特性使波長轉換信號與原始信號同相，并且提高了消光比，改善了系統的性能，使得波長路由的單通道速率達到160Gbit/s，具備640Gbit/s交換容量的處理能力，并使整個全光波長路由集成芯片的尺寸小至9.6mm×3.7mm，且具有波長路由速度快、結構簡單、體積小且易于集成等特點。
文檔編號H04J14/02GK103220063SQ20131013558
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者劉永, 鄭秀, 陳立功, 王蕾, 努爾買買提, 陸榮國, 張尚劍, 張雅麗 申請人:電子科技大學