[发明专利]波分复用光交叉连接系统

说明书

一种基于双微环耦合马赫‑曾德尔结构的波分复用光交叉连接系统，包括光交叉连接芯片与自动控制装置。光交叉连接芯片包括光输入耦合器、N波长波分复用器、M×M光开关阵列以及光输出耦合器；自动控制装置包括宽谱激光器模块、可调滤波模块、多通道电信号输出模块、多通道光功率采集模块、光开关模块以及上位机模块。光交叉连接芯片利用串联双微环耦合马赫‑曾德尔结构同时实现波分复用和解复用功能，具有结构紧凑、控制复杂度减半的优点。自动控制装置采用宽谱光功率监测和反馈，并搭载波长自动对准算法和光开关阵列路由路径选择算法，实现快速波长路由与路径路由，具有控制装置简单、调节效率高等优点。

技术领域

本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种波分复用光交叉连接系统。

背景技术

近年来，不断升级的通信技术将大数据、云计算服务深入融合到人们的日常生活中，这造成了光纤通信系统的容量指数式增长。为了适应上述情景的迫切需求，光波分复用系统应运而生。在波分复用系统中，可重构光分插复用器是一种高效、可靠的光交换通道分配和管理工具，而高性能波分复用光交叉连接芯片则是可重构光分插复用器的核心元件。对于波分复用光交叉连接系统而言，已有的实现方式主要包括自由空间和片上集成，而片上集成方式因其尺寸紧凑、规模化潜力大和功耗较低等优势成为人们在该领域的研究热点。

绝缘体上硅(SOI)波导因其折射率差大，波导弯曲半径可以小到微米量级，因此可以实现紧凑的光器件，并且硅波导的损耗相对较低。因此，相比于传统的微机电(MEMS)、液晶(LCoS)、二氧化硅平面波导链路(SiO₂-PLC)等平台，SOI平台在无源集成光器件材料选择方面更受欢迎。

波分复用光交叉连接系统的关键单元是具有波长选择特性的光器件。基于SOI平台，研究人员已经设计了由波导阵列光栅(AWG)(Journal of Lightwave Technology,Vol.30,No.4,2012)、集成纳米孔波导(Nanobeam)(Journal of Lightwave Technology,Vol.38,No.2,2020)、级联微环谐振器(MRR)(OECC,2019)、对向耦合器辅助的微环谐振器(contra-directional coupler assisted MRR)(Journal of Lightwave Technology,Vol.38,No.12,2020)等结构构成的波分复用光交叉连接芯片。虽然它们都实现了波分复用和路径路由的功能，但是不可否认的是，它们都具备一些缺陷，譬如基于AWG的芯片波导链路复杂，面积大，插入损耗大；基于MRR和Nanobeam的芯片消光比低，不足以支持使用单个单元同时实现波分和复用的功能；特别是Nanobeam结构的工艺容差较小，难以利用180nm标准硅光工艺制备。

双微环耦合马赫-曾德尔干涉结构可以有效克服上述一系列问题，其结构比AWG简单，已经具有在标准硅光工艺平台进行大规模集成制备的案例(Journal of LightwaveTechnology,Vol.36,No.2,2018)；单元器件尺寸比级联MRR略大但和Nanobeam相接近；可通过调谐集成在两臂上的微环谐振器来实现对目标波长的选择性滤波，从而实现波分复用/解复用的功能；最重要的是波分复用单元具有较高的消光比，可以使用一个波分复用单元同时实现波分和复用功能，从而使得片上系统更紧凑。基于此，我们提出了基于双微环辅助马赫-曾德尔干涉结构的波分复用光交叉连接芯片，通过上位机-外部设备联合控制装置共同构成具有波长、光交换路径自动重构的光交叉连接系统。

发明内容

针对上述波分复用光交叉连接芯片及系统迫切的应用需求以及现有的几种方案各自的缺陷，本发明提出一种波分复用光交叉连接系统。该系统不仅结构简单，易于规模化，而且可重构性高，能连续自动设定工作波长且路径选择自由。最重要的是，该芯片的波分复用器件消光比很高，单个单元兼具波分和复用功能，使得校准单元数减半，有利于降低校准系统的复杂度，具有很明显的应用价值。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：