用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)型分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，它包括波導(dǎo)、M個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明擴(kuò)展了環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的延遲優(yōu)勢，使諧振效應(yīng)于整體和局部同時得到增強(qiáng)，延遲效果得到改變。光信號首先從直波導(dǎo)輸入端輸入，通過波導(dǎo)耦合至第1個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，再通過微環(huán)和微環(huán)之間的耦合區(qū)輸入下一個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，直至通過最后一個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列與第1個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的耦合區(qū)，再次進(jìn)入第1個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的耦合區(qū)，再耦合回波導(dǎo)，最后通過波導(dǎo)的輸出端輸出。光波在環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中將經(jīng)歷更多、更復(fù)雜的諧振回路，使諧振效應(yīng)于整體和局部同時得到增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上，可使延遲效果得到可控的改變。
【專利說明】用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，屬于光波導(dǎo)器件領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]微環(huán)諧振器是一種光器件，其結(jié)構(gòu)和概念最早于1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，在此基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出了常見的串聯(lián)型微環(huán)(也稱coupled-resonator opticalwaveguide, CROW)和級聯(lián)型微環(huán)(也稱 side-coupled integreted spaced sequence ofresonators, SCISSOR),以及微環(huán)陣列(Microring Resonator Array, MRA)。與單微環(huán)相t匕，串聯(lián)型微環(huán)CROW能夠產(chǎn)生平坦的通帶和陡峭的邊沿，適合濾波。近年來涌現(xiàn)的一些關(guān)于級聯(lián)型微環(huán)SCISSOR結(jié)果表明，級聯(lián)型微環(huán)通帶平坦，帶邊沿陡峭，具有集成度高、穩(wěn)定性好以及發(fā)射效率高等特點(diǎn)。而微環(huán)陣列MRA可以看作串聯(lián)型微環(huán)和級聯(lián)型微環(huán)的任意組合，能夠?qū)崿F(xiàn)陡峭邊帶的濾波特性，實(shí)現(xiàn)快光效應(yīng)和慢光效應(yīng)。在實(shí)際的各個領(lǐng)域應(yīng)用中，微環(huán)諧振器作為高密度、大規(guī)模的基本光器件被廣泛使用，常被用作濾波器、延遲線、調(diào)制器、緩存器等等。與此同時，隨著全光網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和全光信號處理研究的熱潮，全光緩存技術(shù)的研究也在如火如荼地進(jìn)行中。全光緩存器是全光數(shù)字分組交換網(wǎng)的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)全光緩存的關(guān)鍵機(jī)理便是慢光效應(yīng)，指光波在介質(zhì)中傳播的速度遠(yuǎn)小于其在真空中的傳播速度。通常實(shí)現(xiàn)慢光效應(yīng)的方法有兩種，一是通過介質(zhì)的各種物理效應(yīng)控制光的吸收、增益，從而改變光學(xué)介質(zhì)色散，如相干布居振蕩等；另一種方法是通過人工結(jié)構(gòu)中光學(xué)諧振效應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)色散改變光速，實(shí)現(xiàn)延遲線型的光緩存效果，如光纖布拉格光柵、微環(huán)等。前者存在寬帶窄、工作條件高以及系統(tǒng)龐大等缺點(diǎn)，較難在全光緩存中得以使用，也不便與其他全光信號處理單元集成。而硅基微環(huán)諧振器尺寸僅微納米量級，制造工藝與成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容，適合大規(guī)模的單片集成，用來實(shí)現(xiàn)光緩存也十分便于與其它微環(huán)諧振器的光信號處理單元集成，因而有很好的發(fā)展前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的微環(huán)陣列模型存在的缺陷，提供一種用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，在諧振效應(yīng)于整體和局部同時得到增強(qiáng)的基礎(chǔ)上，光波將經(jīng)歷更多的諧振回路來改變延遲效果。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
本發(fā)明提出的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列是#個#的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列環(huán)聯(lián)而成，叫做環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列?！胺中巍笔侵妇哂信贾凶韵嗨菩越Y(jié)構(gòu)的集合，即部分與整體有相似的體系。理論研究表明，光波在環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中會經(jīng)歷多個回路振蕩，使其諧振效應(yīng)得到加強(qiáng)，從而可以改變延遲效果。而將環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列再環(huán)聯(lián)，形成的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，光波在其中將經(jīng)歷更多、更復(fù)雜的諧振回路，使諧振效應(yīng)于整體和局部同時得到增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上，可使延遲效果得到改變，因而我們提出了一種基于環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的新型結(jié)構(gòu)一環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，可使光學(xué)延遲線得到更好的效果。
[0005]本發(fā)明所涉及的結(jié)構(gòu)采用全通型微環(huán)，單個全通型微環(huán)模型為一個微環(huán)與波導(dǎo)進(jìn)行直接I禹合，綜合考慮I禹合損耗以及光場在微環(huán)中的傳輸損耗，輸出端光場強(qiáng)度與輸入光場強(qiáng)度的比值為歸一化響應(yīng)函數(shù)，對其相角求導(dǎo)則得到歸一化延遲，用來作為衡量模型延遲線效果的基本參量。
[0006]本發(fā)明提出的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)型分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列具體結(jié)構(gòu)如下所述:
1)將一環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中的一個微環(huán)與一波導(dǎo)直接稱合；
2)將另一個結(jié)構(gòu)完全相同的環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列與該環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列直接耦合，依次重復(fù)，即第2個至第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列均與前一個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列相耦合；
3)第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列除與第#_1個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列相耦合之外，還要將其與第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列相耦合。
[0007]根據(jù)模型中各微環(huán)的耦合方式，從模型中提取四個基本微環(huán)單元，分別為耦合點(diǎn)分別在左、右的兩種光場按逆時針傳播的環(huán)諧振器；耦合點(diǎn)分別在左、右的兩種光場按順時針傳播的環(huán)諧振器；光場從左向右傳播的耦合器；光場從右向左傳播的耦合器。當(dāng)光信號從模型的波導(dǎo)一端輸入，通過波導(dǎo)與微環(huán)的稱合區(qū)，一部分光信號進(jìn)入第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的第I個微環(huán)，逆時針在第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中傳播，當(dāng)光信號經(jīng)過第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列與第2個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列的耦合區(qū)時，光信號有一部分分配給第二個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列，在其中順時針傳播；另一部分繼續(xù)在第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列中逆時針傳播，當(dāng)經(jīng)過該微環(huán)與第#個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列的耦合區(qū)時，又有一部分光信號分配給這第#個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列，在其中順時針傳播。而進(jìn)入第2個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列以及第#個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列的光信號也以同樣的方式繼續(xù)向后續(xù)環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列傳播光信號。最終所有的光信號匯聚，一同通過第I個環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微陣列與波導(dǎo)的耦合區(qū)，傳播至波導(dǎo)的另一端輸出，達(dá)到慢光緩存的光學(xué)延遲線效果。
[0008]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，包括波導(dǎo)、#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于:將#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列環(huán)聯(lián)，并耦合于波導(dǎo)。
[0009]所述環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由I個微環(huán)依次串聯(lián)耦合組成，并將依次串聯(lián)的頭尾兩個微環(huán)最終稱合在一起。
[0010]所述環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，M個微環(huán)的中心軌跡為一個圓,令該圓圓心為中心O,形成的環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，以ο為頂點(diǎn)，環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中相鄰微環(huán)之間的耦合切線為邊，中心角度數(shù)為(360/ MT ;每一個微環(huán)都被相鄰的兩個微環(huán)截成兩個部分，靠近中心ο點(diǎn)的微環(huán)長度e為/ M,遠(yuǎn)離中心ο點(diǎn)的微環(huán)長度f為說+2) /M0
[0011]所述#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列環(huán)聯(lián),#個中心O的軌跡為一個圓,令該圓圓心為
O ^ O
[0012]所述#為奇數(shù)時，光信號在微環(huán)中存在順時針模式和逆時針模式，使得輸入端產(chǎn)生反射信號。因此，為保證信號光的方向，#必須是偶數(shù)。[0013]所采用的微環(huán)是完全相同的，它們不僅大小完全相等，并且有相同的損耗系數(shù)，微環(huán)-微環(huán)耦合系數(shù)、微環(huán)-波導(dǎo)耦合系數(shù)均可在設(shè)定范圍動態(tài)調(diào)整。
[0014]本發(fā)明與已有的微環(huán)結(jié)構(gòu)的光學(xué)延遲器相比，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步:本發(fā)明提出的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列是在串聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，有一定的器件加工基礎(chǔ)，并且結(jié)構(gòu)中存在多個可控因素，在具體應(yīng)用實(shí)施光學(xué)延遲線時，可以通過實(shí)際情況的需求選擇一個或者若干個可控因素，從而進(jìn)一步進(jìn)行延遲線效果的控制和調(diào)整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是用于光學(xué)延遲線的#X#環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列的一般模型。
[0016]圖2是用于光學(xué)延遲線的#X#環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。
[0017]圖3是用于光學(xué)延遲線的4X4環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是用于光學(xué)延遲線的6X6環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5是用于 光學(xué)延遲線的8X8環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6是圖3示例的延遲線的延遲效果示意圖。
[0021]圖7是圖4示例的延遲線的延遲效果示意圖。
[0022]圖8是圖5示例的延遲線的延遲效果示意圖。
[0023]具體實(shí)施方法
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例并結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下:
實(shí)施例一:
參見圖1，本用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)型分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，包括波導(dǎo)、#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0024]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，特別之處是:環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由#個微環(huán)依次串聯(lián)耦合組成，并將依次串聯(lián)的頭尾兩個微環(huán)最終耦合在一起#個微環(huán)的中心軌跡為一個圓，令該圓圓心為中心O，形成的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以ο為頂點(diǎn)，環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中相鄰微環(huán)之間的耦合切線為邊，中心角度數(shù)為(360/ MT ;每一個微環(huán)都被相鄰的兩個微環(huán)截成兩個部分，靠近中心ο點(diǎn)的微環(huán)長度e為》-2)/私遠(yuǎn)離中心ο點(diǎn)的微環(huán)長度/為⑷+2)/ #；將#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列環(huán)聯(lián)，#個中心ο的軌跡為一個圓，令該圓圓心為o’； #為偶數(shù)時，光信號在微環(huán)中存在順時針模式和逆時針模式，使得輸入端產(chǎn)生反射信號，因此，為保證信號光的方向，#必須是偶數(shù)；所采用的微環(huán)是完全相同的，它們不僅大小完全相等，并且有相同的損耗系數(shù)，微環(huán)-微環(huán)耦合系數(shù)、微環(huán)-波導(dǎo)耦合系數(shù)均可在設(shè)定范圍動態(tài)調(diào)難
iF.0
[0025]實(shí)施例三:
圖2為用于光學(xué)延遲線的MXM環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列模型，假設(shè)輸入/輸出波導(dǎo)與微環(huán)之間的環(huán)-波導(dǎo)耦合系數(shù)為
1?，相對應(yīng)的傳輸系數(shù)為％ =，其中的兩個微環(huán)環(huán)-環(huán)稱合系數(shù)為Jfcl,相對應(yīng)的傳輸
系數(shù)為~=?Ι?^，微環(huán)環(huán)程傳輸系數(shù)相等，均為為r Cr越大，損耗越小)，@為歸一化頻率。
[0026]圖3為用于光學(xué)延遲線的4X4環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中心角為90°，e=l/2，/=3/2。
[0027]圖4為用于光學(xué)延遲線的6X6環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中心角為60°，e=2/3，/=4/3。
[0028]圖5為用于光學(xué)延遲線的8X8環(huán)聯(lián)分形微環(huán)陣列的環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列中心角為45°，e=3/4，/=5/4。
[0029]圖6為4X4環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列延遲線的延遲效果示意圖(其中A=0.9，^1=0.5, r =0.99)。圖中3個延遲峰，中間的延遲峰位于中心頻率上，另兩個延遲峰關(guān)于中心頻率對稱，且峰值遠(yuǎn)大于位于中心頻率上的諧振峰。
[0030]圖7為6X6環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列延遲線的延遲效果示意圖(其中h=0.9，^1=0.5, r =0.99)。圖中4個延遲峰，分別兩兩關(guān)于中心頻率對稱，且遠(yuǎn)離中心頻率對稱的延遲峰峰值要遠(yuǎn)大于靠近中心頻率對稱的延遲峰的峰值。
[0031]圖8為8X8環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列延遲線的延遲效果示意圖(其中h=0.9， ^1=0.5, r =0.99)。圖中5個延遲峰，中間的延遲峰位于中心頻率上，其余4個延遲峰分別
兩兩關(guān)于中心頻率對稱，且遠(yuǎn)離中心頻率對稱的延遲峰峰值要遠(yuǎn)大于靠近中心頻率對稱的延遲峰的峰值。
【權(quán)利要求】
1.一種用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，包括波導(dǎo)(a)、#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于:將#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列環(huán)聯(lián)，并耦合于波導(dǎo)(a)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，其特征在于:所述環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由#個微環(huán)(b)依次串聯(lián)耦合組成，并將依次串聯(lián)的頭尾兩個微環(huán)最終稱合在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，其特征在于:所述環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，#個微環(huán)(b)的中心軌跡為一個圓,令該圓圓心為中心O,形成的環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以ο為頂點(diǎn)，環(huán)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中相鄰微環(huán)(b)之間的耦合切線為邊，中心角度數(shù)為(360/ MT ;每一個微環(huán)(b)都被相鄰的兩個微環(huán)截成兩個部分，靠近中心ο點(diǎn)的微環(huán)長度e為(M-2V私遠(yuǎn)離中心ο點(diǎn)的微環(huán)長度/為說+2)/ K
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，其特征在于:所述將#個環(huán)聯(lián)微環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)陣列環(huán)聯(lián):#個中心ο的軌跡為一個圓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3所述的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，其特征在于:為保證信號光的方向，所述#必須是偶數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3、或4、或5所述的用于光學(xué)延遲線的環(huán)聯(lián)分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)微環(huán)陣列，其特征在于:所采用的微環(huán)(b)是完全相同的，它們不僅大小完全相等，并且有相同的損耗系數(shù)，微環(huán)-微環(huán)耦合系數(shù)、微環(huán)(b)_波導(dǎo)(a)耦合系數(shù)均可在設(shè)定范圍動態(tài)調(diào)MiF.0
【文檔編號】G02B6/26GK103955025SQ201410162184
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】張小貝, 顧凡, 李迎春 申請人:上海大學(xué)