一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片的製作方法

2023-06-15 19:00:46

專利名稱：一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術領域中的全光信號處理技術，具體涉及一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片。
背景技術：
在波分復用的光通信網絡中，波長轉換是解決波長競爭，實現波長重新利用和無阻塞波長路由的關鍵技術。它將需要進行波長轉換的泵浦光信號載有的數位訊號調製到另一路與泵浦光信號波長不同的探測光信號上，如圖I所示，在波長轉換裝置的第一光輸入端輸入波長為λ_ρ的載有數位訊號的脈衝光作為泵浦光，同時在第二光輸入端輸入波長為Aprobe的連續光作為探測光，在輸出端可獲得波長為λ 的載有數位訊號的探測光，該 數位訊號與泵浦光所載有的數位訊號一致，從而實現波長轉換。傳統的波長轉換裝置結構為光-電-光型的結構，它將需要進行波長轉換的光信號先轉換成電信號，再用電信號調製所需波長的雷射器從而實現波長轉換。光-電-光型的波長轉換裝置採用的原理比較簡單，但主要缺點是功率消耗大，電路結構複雜，而且經過光-電-光轉換後，原先光信號的相位，幅度等信息會丟失，不能實現對光信號的完全透明傳輸，且最高速率受限於電子瓶頸。全光結構的波長轉換裝置因能夠成功克服速率瓶頸，提高網絡的透明性，並具有功耗低、體積小的特點，是波長轉換技術的必然發展趨勢。R. J. Manning等人在文獻「Manning R J, et al. Cancellation of Non-Linear Patterning in SemiconductorAmplifier Based Switches[C]. // Optical Society of America. Whistler, Canada,2006: paper OTuCl. 」中提出了一種採用兩個級聯的半導體光放大器和一個可調諧濾波器組成的波長轉換裝置，如圖2所示，包括一個光功率耦合器、第一半導體光放大器、可調諧濾波器和第二半導體光放大器。該裝置利用第二個半導體光放大器的自身增益效應來消除第一半導體光放大器所產生的碼型效應，從而實現高速全光波長轉換，並利用可調諧濾波器將泵浦光濾除。該方案由於需要可調諧濾波器將泵浦光濾除，但是現在所用的濾波器都屬於無源器件，而半導體光放大器屬於有源器件，二者很難集成在一起，這就導致波長轉換裝置體積較大，無法實現集成化，小型化，產品化。

發明內容
針對上述現有技術，本發明的目的在於提供一種波長轉換速度快、體積小、易於集成的基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片，其旨在解決的技術問題是現有的波長轉換裝置需要可調諧濾波器將泵浦光濾除，而現有的濾波器都屬於無源器件、半導體光放大器卻是有源器件，二者很難集成在一起，這就導致波長轉換裝置體積較大，無法實現集成化、小型化和產品化。為了解決上述技術問題，達到上述目的，本發明採用如下技術方案
一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片，其特徵在於，包括半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀，所述半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀依次連接併集成在同一半導體基片上，構成一個晶片；所述半導體光放大器的輸入端經光纖連接有一光功率耦合器，所述延遲幹涉儀連接有光纖，該光纖為集成晶片的輸出端。作為本發明更進一步地改進，所述光功率耦合器有兩個輸入端，波長為λρ_的載有數位訊號的脈衝光作為泵浦光從光功率稱合器的第一輸入端輸入，波長為λΡΜ)Μ的連續光作為探測光從光功率耦合器的第二輸入端輸入，泵浦光和探測光經光功率耦合器耦合後輸入半導體光放大器，半導體光放大器將波長為λρ_的泵浦光上載有的數位訊號調製到波長為的探測光上，實現波長轉換；轉換後信號經過陣列波導光柵，濾除多餘的泵浦光，再經過延遲幹涉儀，使信號變為與原始信號同相位，從集成晶片的輸出端輸出。本發明的工作原理為
本發明為一種基於半導體光放大器交叉增益調製效應的波長轉換晶片，與傳統的波長轉換晶片相比，它增加了一個陣列波導光柵，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製效應實現波長轉換時，輸出的探 測光信號會與泵浦光信號反相，例如，如果泵浦光信號是一系列的正脈衝數位訊號，則輸出的探測光信號就是一系列的負脈衝數位訊號，所以利用延遲幹涉儀實現反相功能。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果
一、實現了高速的波長轉換裝置的晶片集成，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，大大提高了半導體光放大器的增益有效恢復時間。二、本發明為一種全光波長轉換晶片，克服了電子速率瓶頸，大大提高了網絡的吞吐量和透明性，減少了裝置能耗；本發明也可以說是一種已經製成集成晶片的全光波長轉換裝置，其半導體光放大器、陣列波導光柵和延遲幹涉儀可集成於同一半導體基片上，克服了以往全光波長轉換裝置體積較大，難以集成的困難，從而具有體積小、易於集成的特點。整個全光波長轉換集成晶片的尺寸可小至4. 5_X2mm，可應用於下一代光網絡的路由系統中。


圖I是全光波長轉換裝置原理示意圖。圖2是現有的一種基於半導體光放大器的波長轉換裝置示意圖。圖3是本發明提供的一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片的掩膜圖。圖4是160Gb/s的波長轉換下，本發明輸出端的仿真信號結果。附圖標記為I是波長為λ pump的泵浦光、2是波長為λ probe的探測光、3是波長為Aprabe的輸出探測光、4是光功率耦合器，5是半導體光放大器，6是陣列波導光柵，7是延遲幹涉儀。
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。一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片，包括半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀，所述半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀依次連接併集成在同一半導體基片上，構成一個晶片；所述半導體光放大器的輸入端經光纖連接有一光功率耦合器，所述光纖幹涉儀連接有光纖，該光纖為集成晶片的輸出端。波長為λρ_的載有數位訊號的脈衝光作為泵浦光從光功率耦合器的一個輸入端輸入，波長為Xprobe的連續光作為探測光從光功率耦合器的另一個輸入端輸入，泵浦光和探測光經光功率耦合器耦合後輸入半導體光放大器。半導體光放大器將波長為λ p-的泵浦光上載有的數位訊號調製到波長為λ 的探測光上，實現波長轉換。轉換後信號經過陣列波導光柵，濾除多餘的泵浦光，再經過延遲幹涉儀，使信號變為與原始信號同相位，從輸出端輸出。
實施例在下述具體參數下，對本發明提供的基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換晶片進行了模擬仿真。半導體光放大器的有源區長度為1mm，載流子壽命為60ps，工作電流為400mA，模式損耗為17cm ―1，TE模限制因子為0.2，TM模限制因子為0.14;泵浦光為 波長λ_Ρ為1550nm、工作速率為160Gb/s、脈衝寬度為2ps、脈衝峰值功率為20mW的高斯脈衝光；探測光為波長Xprobe為1565nm，平均功率為ImW的直流光。陣列波導光柵的工作波段為1550nm，通帶間距是200GHz，邊帶抑制比20dB。延遲幹涉儀的延時時間為2ps。上述具體實施方式
實現了數位訊號從波長1550nm到1565nm的轉移，完成了全光波長轉換，可達到160Gb/s的波長轉換速率。圖4是從延時幹涉儀輸出的反相波長轉換後信號。從仿真結果可以看出，能夠實現160Gb/s的工作速率。下一代光網絡的路由系統實現需要小型化、集成化、超高速的全光波長轉換器件。從本發明的具體實施例可知，本發明提出的基於半導體光放大器、陣列波導光柵以及延遲幹涉儀的超高速全光波長轉換集成結構能夠滿足未來路由系統對超高速、小型化、集成化器件的要求。因此，本發明提出的基於瞬態啁啾躍變的高速全光波長轉換集成結構能夠為下一代光網絡的路由系統實現提供有力的推動作用，具有廣泛的應用前景。
權利要求
1.一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片，其特徵在於，包括半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀，所述半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀依次連接併集成在同一半導體基片上，構成一個晶片；所述半導體光放大器的輸入端經光纖連接有一光功率耦合器，所述延遲幹涉儀連接有光纖，該光纖為集成晶片的輸出端。
2.根據權利要求I所述的基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片，其特徵在於，所述光功率稱合器有兩個輸入端，波長為λρ_的載有數位訊號的脈衝光作為泵浦光從光功率稱合器的第一輸入端輸入，波長為λ P!·—的連續光作為探測光從光功率稱合器的第二輸入端輸入，泵浦光和探測光經光功率耦合器耦合後輸入半導體光放大器，半導體光放大器將波長為λ ρ_的泵浦光上載有的數位訊號調製到波長為Xprabe的探測光上，實現波長轉換；轉換後信號經過陣列波導光柵，濾除多餘的泵浦光，再經過延遲幹涉儀，使信號變為與原始信號同相位，從集成晶片的輸出端輸出。
全文摘要
本發明公開了一種基於瞬態啁啾躍變的全光波長轉換集成晶片，屬於光電子領域，該集成晶片包括半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀，所述半導體光放大器、陣列波導光柵、延遲幹涉儀依次連接併集成在同一半導體基片上，構成一個晶片；所述半導體光放大器的輸入端經光纖連接有一光功率耦合器，所述延遲幹涉儀連接有光纖，該光纖為集成晶片的輸出端。本發明利用半導體光放大器的交叉增益調製效應，將泵浦光上的信號調製到另一不同波長的探測光上；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，克服較慢的半導體光放大器增益恢復時間對工作速率的限制，提升波長轉換的速度，具有波長轉換速度快、體積小、易於集成等特點。整個全光波長轉換集成晶片的尺寸可小至4.5mm×2mm，可應用於下一代光網絡的路由系統中。
文檔編號G02F1/35GK102841479SQ20121037411
公開日2012年12月26日 申請日期2012年10月7日 優先權日2012年10月7日
發明者劉永, 王蕾, 陳立功, 張雅麗, 張尚劍, 陸榮國 申請人:電子科技大學