硅基多波長光源及其實現(xiàn)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅基多波長光源及其實現(xiàn)的方法，該硅基多波長光源包括一個由n(n≥1)個濾波長度不同的硅基微環(huán)組件Ri(i≤n)并聯(lián)組成的硅基微環(huán)組以及多路復(fù)用器、光放大器、光耦合器和偏振控制器；硅基微環(huán)組將接收的雜散光過濾為n個不同波長的光傳輸給多路復(fù)用器；多路復(fù)用器對所述n個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合，并輸入至光放大器；光放大器放大復(fù)合后的光信號，并發(fā)送給光耦合器；光耦合器的tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光，剩余光信號傳輸給偏振控制器；偏振控制器控制剩余光信號輸入硅基微環(huán)組的偏振狀態(tài)。本發(fā)明利用硅基微環(huán)集成硅基多波長光源，解決了傳統(tǒng)多波長光源系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、成本較高以及波長間隔難以調(diào)控的問題。
【專利說明】硅基多波長光源及其實現(xiàn)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，具體涉及硅基多波長光源及其實現(xiàn)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)和密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，需要多波長光源，目前的多波長光源主要是分布反饋激光器，半導(dǎo)體激光器等，這些傳統(tǒng)多波長光源系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、成本較高，波長間隔難以調(diào)控。
[0003]集成光學(xué)器件由于具有緊湊的結(jié)構(gòu)，近年得到高速的發(fā)展，尤其是硅基集成光器件，目前已有多種硅基集成光器件達(dá)到應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低等諸多優(yōu)點，如果能夠利用硅基集成光器件制作硅基多波長光源，將可以有效解決傳統(tǒng)多波長光源系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、成本較高以及波長間隔難以調(diào)控的問題，而利用這種硅基多波長光源的集成光學(xué)通信系統(tǒng)必然是未來的發(fā)展趨勢，但目前無商用的硅基集成多波長光源。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何利用硅基集成光器件制作硅基多波長光源，以解決傳統(tǒng)多波長光源系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、成本較高以及波長間隔難以調(diào)控的問題。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種硅基多波長光源，包括由η個濾波長度不同的硅基微環(huán)組件Ri并聯(lián)組成的硅基微環(huán)組以及多路復(fù)用器、光放大器、光耦合器和偏振控制器；
[0006]所述光放大器將輸入光放大復(fù)合后的光信號發(fā)送給所述光稱合器；所述光稱合器的tap端輸出一部分所述光信號，剩余光信號傳輸給所述偏振控制器；所述偏振控制器控制所述剩余光信號輸入娃基微環(huán)組的偏振狀態(tài)；所述娃基微環(huán)組將從偏振控制器105方向接收的雜散光過濾形成η個不同波長的光傳輸給所述多路復(fù)用器；所述多路復(fù)用器對所述η個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合，并輸入所述光放大器；所述光放大器放大復(fù)合后的光信號，并發(fā)送給所述光稱合器；所述光稱合器的tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光,剩余光信號經(jīng)所述偏振控制器輸入硅基微環(huán)組，如此循環(huán)往復(fù)；
[0007]其中，η為大于等于I的正整數(shù)；i為小于等于η的正整數(shù)。
[0008]在上述娃基多波長光源中，所述娃基微環(huán)組件Ri包括一個娃基微環(huán)和包裹在娃基微環(huán)上形成的熱電阻；
[0009]所述硅基微環(huán)具有上下話路型微環(huán)諧振腔，并與兩個直波導(dǎo)耦合形成輸入Add端和輸出Drop端,其中Add端通過輸入I禹合單元連接上話路,Drop端通過輸出I禹合單元連接下話路。
[0010]在上述硅基多波長光源中，每個所述硅基微環(huán)的諧振波長λ為:
「 ^.2πR-HrirU)
[0011]λ =----
m ，
[0012]其中R為硅基微環(huán)半徑，neff(A )為微環(huán)的有效折射率，m為硅基微環(huán)中諧振模式的級數(shù)。
[0013]在上述娃基多波長光源中，在所述光放大器和所述光稱合器之間設(shè)置一個起偏器，使光I禹合器輸出線偏振光。
[0014]本發(fā)明還提供了一種硅基多波長光源實現(xiàn)的方法，步驟如下:
[0015]硅基微環(huán)組接收雜散光，并過濾形成η個不同波長的光傳輸給多路復(fù)用器；多路復(fù)用器對所述η個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合后輸入光放大器；光放大器放大復(fù)合后的光信號并發(fā)送給光耦合器；光耦合器的tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光，剩余光信號傳輸給偏振控制器；偏振控制器控制所述剩余光信號再次輸入娃基微環(huán)組的偏振狀態(tài)。
[0016]本發(fā)明利用硅基微環(huán)集成硅基多波長光源，使該硅基多波長光源具有集成光學(xué)器件結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低等諸多優(yōu)點，簡化了多波長光源的復(fù)雜系統(tǒng)，減小了多波長光源體積，降低了其制作成本，同時由于光源的波長數(shù)量由微環(huán)數(shù)量決定，硅基多波長光源的波段范圍由光放大器的增益范圍決定，這樣就可以根據(jù)需求靈活運用，除此之外本發(fā)明還做到了利用熱光效應(yīng)控制中心波長及波長間隔。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明提供的硅基多波長光源的結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖2為本發(fā)明中硅基微環(huán)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為利用本發(fā)明輸出激光為線偏振光實施例的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作出詳細(xì)的說明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明提供的硅基多波長光源包括一個由n(n彡I)個濾波長度不同的硅基微環(huán)組件Ri (i ( η)并聯(lián)組成的硅基微環(huán)組101以及多路復(fù)用器102 (MUX)、光放大器103 (OA)、光耦合器104 (OC)和偏振控制器105 (PC)；
[0022]光放大器103將輸入光放大復(fù)合后的光信號發(fā)送給光稱合器104 ;光稱合器104tap端將放大復(fù)合后的光信號一部分輸出，剩余所述光信號傳輸給偏振控制器105 ;偏振控制器105控制所述剩余光信號輸入硅基微環(huán)組的偏振狀態(tài)，使得光耦合器104工作效率最高；娃基微環(huán)組101將從偏振控制器105方向接收的雜散光過濾為η個不同波長的光傳輸給多路復(fù)用器102 ;多路復(fù)用器102對所述η個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合，再次輸入光放大器103 ;光放大器103放大復(fù)合后的光信號,發(fā)送給光稱合器104 ;光稱合器104 tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光，剩余光信號再經(jīng)過偏振控制器105輸入娃基微環(huán)組，如此循環(huán)往復(fù)。
[0023]在本發(fā)明中，每個硅基微環(huán)組件Ri的工作波長可利用硅材料的熱光效應(yīng)或電光效應(yīng)調(diào)諧，波長數(shù)量由微環(huán)個數(shù)決定；多路復(fù)用器102是波分復(fù)用器，可以是陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、介質(zhì)濾波片波分復(fù)用器，也可以是級聯(lián)MZI型波分復(fù)用器或微環(huán)型波分復(fù)用器；光放大器103可以是所有商用光放大器，例如摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、拉曼光放大器以及布里淵光放大器和光參量放大器；光耦合器104可根據(jù)放大器的增益特性選擇tap輸出端功率比例，包括但不僅限于市面上能買到的輸出比例為95/5比例、90/10比例以及99/1比例和50/50比例的光放大器，放大器增益越大，選擇tap輸出端功率比例越高。
[0024]在本發(fā)明提供的回路中，損耗主要是硅基微環(huán)組件Ri的耦合損耗和MUX102的耦合損耗，只要光放大器103的增益大于回路中的損耗，就能夠形成激光振蕩，光耦合器104tap端輸出即為多波長激光；由于硅基微環(huán)組件Ri腔長較長，所以本發(fā)明產(chǎn)生的激光線寬較窄，達(dá)KHz量級。
[0025]圖2為本發(fā)明中硅基微環(huán)組件的結(jié)構(gòu)示意圖，該所述硅基微環(huán)組件Ri包括一個硅基微環(huán)202和包裹在硅基微環(huán)上形成的熱電阻203 ；
[0026]硅基微環(huán)202具有上下話路型微環(huán)(也稱Add-Drop型)諧振腔，并與兩個直波導(dǎo)率禹合形成輸入Add端和輸出Drop端,其中Add端通過輸入稱合單元201連接上話路，Drop端通過輸出耦合單元204連接下話路；
[0027]其中，輸入耦合單元201和輸出耦合單元204可以是耦合光柵、錐型耦合結(jié)構(gòu)或倒錐耦合結(jié)構(gòu)。
[0028]每個硅基微環(huán)組件實現(xiàn)對光波長的選擇，可以從多個波長中過濾出所需諧振波長，而其他波長則被阻擋。所需的諧振波長由下式?jīng)Q定:
[0029]2 Ji R.neff ( λ ) = m λ，

2πΜ.-- ?r(A)
[0030]即諧振波長Λ =----
m (I)；
[0031]其中R為微環(huán)半徑，neff(A )為微環(huán)的有效折射率，m為硅基微環(huán)中諧振模式的級數(shù)，由此可見每個硅基微環(huán)的諧振波長由其半徑以及有效折射率和硅基微環(huán)諧振模式的級數(shù)m決定。對于寬度為500nm的單模波導(dǎo)，可用Rsoft軟件仿真得到群折射率ng為3.6。若m 取 74，R 為 5 μ m，那么 λ = 1.55 μ m。
[0032]硅基微環(huán)的Q值衡量的是諧振腔對諧振光場的限制能力，是存儲能量與耗散能量的比值，Q值可通過硅基微環(huán)傳輸譜線得到，其大小等于峰值波長(Aci)與峰值半寬(FWHM)的比值:
[0033]Q= ~^~ 二 πιπ.~抑'卜、(2)
v FWIIM(I —啟?2)
[0034]其中m為娃基微環(huán)諧振模式的級數(shù),ti和t2分別為娃基微環(huán)的through端和drop端的功率透過系數(shù)，可以看出，Q值越大，諧振模式的級數(shù)越高；硅基微環(huán)中的光場的損耗越大，Q值越小。
[0035]硅基微環(huán)傳輸譜中的諧振峰是周期性出現(xiàn)的，F(xiàn)SR即定義為相鄰諧振峰之間的波長差，可表示成:
_6] FSR=A/'=7i^ (3)
[0037]或者表示成:
[0038]FSR-ΔΑ = ^— (4)

η 2πΚ
[0039]其中R為硅基微環(huán)半徑，ng為群折射率，λ為波長。
[0040]為使單個硅基微環(huán)濾出單個波長，可設(shè)計小的微環(huán)半徑，使FSR增大，超出光放大器(例如EDFA, Erbium-doped Optical Fiber Amplifer,摻鉺光纖放大器)的增益范圍，從而達(dá)到單個微環(huán)濾出單波長的效果。
[0041]也可以利用硅基熱光效應(yīng)，對集成的熱電阻加電使硅基微環(huán)的諧振波長改變，將波長移動到需要的波長處，由于硅材料具有良好的熱光系數(shù)，在溫度為300K?600K時，在1550nm波長附近，硅的折射率η隨溫度T變化的經(jīng)驗公式為:
[0042]— = 9.45x10 5 +3.47χ K) 7 χ Γ-1.49χ 10 '"χΓ2+..(K ) (5、
dT
[0043]由于硅的熱光系數(shù)隨溫度增加而增大，所以隨著溫度升高，硅的折射率變化會更快，由此可見熱調(diào)諧效率會隨溫度升高而提高，有利于降低器件功耗。對于絕緣體硅(SiIicon-On-1nsulator,簡稱SOI),包層二氧化娃的熱導(dǎo)率很小，可以有效起到絕熱作用，減少熱量散失，降低調(diào)諧功耗，因此在本發(fā)明中在硅基微環(huán)上制作熱電阻，是利用熱光效應(yīng)控制硅基微環(huán)組件濾過的波長。
[0044]利用本發(fā)明提供的硅基多波長光源還可以輸出線偏振光，圖3所示的是利用本發(fā)明輸出激光為線偏振光實施例的結(jié)構(gòu)圖，在該實施例中米用的光放大器為摻鉺光纖放大器EDFA、多路復(fù)用器為陣列波導(dǎo)光柵(AWG);并在摻鉺光纖放大器EDFA與光耦合器OC之間接入一個起偏器302，EDFA的作用是產(chǎn)生增益，起偏器加在回路中，使回路產(chǎn)生的激光為線偏振光。
[0045]本發(fā)明還提供了一種硅基多波長光源實現(xiàn)的方法，步驟如下:
[0046]硅基微環(huán)組接收雜散光，并過濾形成η個不同波長的光傳輸給多路復(fù)用器；多路復(fù)用器對所述η個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合后輸入光放大器；光放大器放大復(fù)合后的光信號并發(fā)送給光耦合器；光耦合器的tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光，剩余光信號傳輸給偏振控制器；偏振控制器控制所述剩余光信號再次輸入娃基微環(huán)組的偏振狀態(tài)。
[0047]本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.硅基多波長光源，其特征在于，包括由η個濾波長度不同的硅基微環(huán)組件Ri并聯(lián)組成的硅基微環(huán)組以及多路復(fù)用器、光放大器、光耦合器和偏振控制器； 所述光放大器將輸入光放大復(fù)合后的光信號發(fā)送給所述光耦合器；所述光耦合器的tap端輸出一部分所述光信號,剩余光信號傳輸給所述偏振控制器；所述偏振控制器控制所述剩余光信號輸入硅基微環(huán)組的偏振狀態(tài)；所述硅基微環(huán)組將從偏振控制器方向接收的雜散光過濾形成η個不同波長的光傳輸給所述多路復(fù)用器；所述多路復(fù)用器對所述η個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合，并輸入所述光放大器；所述光放大器放大復(fù)合后的光信號，并發(fā)送給所述光耦合器；所述光耦合器的tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光，剩余光信號經(jīng)所述偏振控制器輸入硅基微環(huán)組，如此循環(huán)往復(fù)； 其中，η為大于等于I的正整數(shù)；i為小于等于η的正整數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的硅基多波長光源，其特征在于，所述硅基微環(huán)組件Ri包括一個硅基微環(huán)和包裹在硅基微環(huán)上形成的熱電阻； 所述硅基微環(huán)具有上下話路型微環(huán)諧振腔，并與兩個直波導(dǎo)耦合形成輸入Add端和輸出Drop端,其中Add端通過輸入I禹合單元連接上話路,Drop端通過輸出I禹合單元連接下話路。
3.如權(quán)利要求2所述的硅基多波長光源，其特征在于，每個所述硅基微環(huán)的諧振波長入為:
^ _2πΚ-Heff(I)
m , 其中R為硅基微環(huán)半徑，neff(A )為微環(huán)的有效折射率，m為硅基微環(huán)中諧振模式的級數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的硅基多波長光源，其特征在于，在所述光放大器和所述光耦合器之間設(shè)置一個起偏器，使光稱合器輸出線偏振光。
5.硅基多波長光源實現(xiàn)的方法，其特征在于，步驟如下: 硅基微環(huán)組接收雜散光，并過濾形成η個不同波長的光傳輸給多路復(fù)用器；多路復(fù)用器對所述η個不同波長的光進(jìn)行復(fù)合后輸入光放大器；光放大器放大復(fù)合后的光信號并發(fā)送給光耦合器；光耦合器的tap端將所述光信號一部分輸出多波長激光，剩余光信號傳輸給偏振控制器；偏振控制器控制所述剩余光信號再次輸入硅基微環(huán)組的偏振狀態(tài)。
【文檔編號】G02B6/293GK104297854SQ201410618176
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】邱英, 肖希, 王磊, 陳代高, 李淼峰 申請人:武漢郵電科學(xué)研究院