技术领域

本发明涉及通信技术领域， 尤其涉及一种用于光交换系统的谐振腔器件。 背景技术

电信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断 提高，使得光纤通信成为现 代信息网络的主要传输手段， 在现在的光通信网络中， 如广域网、 城域网、 局 域网所需要的作为核心光电子器件之一的光交 换模块的种类越来越多 ,要求也 越来越高， 复杂程度也以惊人的速度发展。 光交换模块的急剧增加导致了多样 性， 需要不断发展相关技术满足这样应用需求。 随着半导体加工工艺的提高， 光交换模块向着小型化、 高密度和低功耗的方向发展， 其中基于硅光子学的

PIC( Photonic Integrated Circuit,光子集成回路 )芯片成为下一代全光交换 OXC ( Optical Cross-Connect, 光交叉连接）模块中最有希望商用的产品之一 。 硅基 OXC芯片包含各种波导元器件， 例如光开关、 延迟器、 能量分束器和偏 振相关等器件。 这些元器件用于光信号的交叉、 路由、 波分复用 /解复用和緩 存等功能。其中有一类基于闭合的环形波导的 器件，通常称之为微盘或者微环 谐振腔。微盘或者微环谐振腔具有一系列特定 的谐振模式，对应的波长满足方 程式 n^ _res =27mR, 其中 R是微盘或者微环谐振腔的有效半径， n是模式有效 折射率， _es 是第 m阶纵模对应的谐振波长。 当一列波长为 λ1、 λ2、 λ3,...λη 的信号光由直波导耦合进入谐振腔， 只有和谐振波长 _es 相同的信道光能发生 共振。 尽管和传统的 Fabry-Perot谐振腔类似， 微盘或者微环谐振腔也具有波 长谐振特性， 但是光子寿命更长， 损耗更低， 具有更高的品质因子， 适合作为 OXC 芯片中各种光通信与信息处理器件， 如光学滤波器、 光波分复用器、 光 开关、 非线性频率转换器和緩存器等。 从器件物理原理的角度而言， 多个微盘 或者微环谐振腔做成的耦合腔器件比单个微盘 微盘或者微环谐振腔器件具有 更好更丰富的功能特性。例如高阶滤波器的矩 形带通光谱具有陡峭的滚降、平 坦的带通和卓越的带外旁瓣抑制效果；级联多 环谐振腔可以增大光信号的群延 时。这些或者微环谐振腔通常制作在同一层 PIC光子回路中，相互靠近并通过 倏逝波耦合， 利用半导体工艺 （例如光刻）加工而成， 参考文献 Higher Order Filer Response in Coupled Microring Resonators , IEEE, Photonics Technology Letters, Vol 12,No. 3, 320 (2000)。 然而， 上述平面耦合的级联微环谐振腔， 所 有的微环谐振腔位于同一平面内，其制造时由 于受到光刻工艺受到设备的分辨 率限制，加工生产中 ί艮难同时严格控制多个谐振腔的间隔， 即使耦合区域纳米 量级的容差也会造成耦合效率的巨大变化， 因此随着级数的增加， 4艮难实现精 准的带通函数，微盘或者微环谐振腔在平面内 侧耦合效率低，不易产生强耦合， 很难实现光谱上的模式劈裂，限制了级联耦合 腔的窄带宽滤波应用和进一步提 高开关速度。 发明内容

本发明提供一种可提高耦合效率的用于光交换 系统的谐振腔器件。

第一方面， 提供一种用于光交换系统的谐振腔器件， 包括： 谐振腔组， 所述谐振腔组包含至少两个垂直方向存在位移 的谐振腔，相邻的谐振腔通过倏 逝波耦合交换光能量； 限制层， 所述限制层是位于谐振腔周围以及相邻的谐振 腔之间的较低折射率层； 以及至少一条光波导， 靠近所述谐振腔组中最底层的 谐振腔并发生光能量耦合， 用于输入或输出光信号。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述 谐振腔组中的各谐振腔在水 平方向存在位移。

在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述 谐振腔组中的谐振腔是比限 制层材料的折射率高的封闭谐振腔。

在第一方面的第三种可能的实现方式中， 所述封闭谐振腔包括： 微环谐振 腔、 敖盘谐振腔、 跑道型谐振腔， 或者多边形谐振腔。

在第一方面的第四种可能的实现方式中， 所述谐振腔组是通过 CMOS工 艺制备形成。

在第一方面的第五种可能的实现方式中， 所述的每一限制层厚度小于 1 微米。

在第一方面的第六种可能的实现方式中， 所述至少一光波导包括： 输入波 导和输出波导， 所述输入波导和所述输出波导与最底层的同一 谐振腔靠近耦 合， 间距小于 1微米。

在第一方面的第七种可能的实现方式中， 所述至少一光波导包括： 输入波 导和输出波导， 所述输入波导和所述输出波导与最底层的不同 谐振腔耦合， 间 距小于 1微米。

在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述 输入波导和所述输出波导交 叉放置或者平行放置。

在第一方面的第九种可能的实现方式中， 所述至少一光波导为直波导、 弯 曲波导， 条形波导， 脊型波导， 锥形波导和狭缝波导中任意一种。

在第一方面的第十种可能的实现方式中，还包 括控制器，用于提供控制所 述谐振腔组的折射率分布的控制信号， 所述控制信号包括电信号、光信号或者 磁信号。

在第一方面的第十一种可能的实现方式中，还 包括位于所述谐振腔组周围 的电极结构， 所述电极结构接收所述控制器的控制信号， 并根据所述控制信号 调节所述谐振腔组的温度分布或载流子浓度分 布，或者调节施加于所述谐振腔 组的电场分布。

在第一方面的第十二种可能的实现方式中，所 述电极结构位于所述至少一 光波导与所述最底层谐振腔、 或者谐振腔之间的耦合区附近。

在第一方面的第十三种可能的实现方式中，还 包括位于所述谐振腔组周围 的压电陶瓷结构，所述压电陶瓷结构接收所述 控制信号， 并根据所述控制信号 调节所述谐振腔组中谐振腔之间的间距。

在第一方面的第十四种可能的实现方式中，还 包括位于所述谐振腔组周围 的磁极结构， 所述磁极结构接收所述控制信号， 并根据所述控制信号调节施加 于所述谐振腔组的磁场分布。

在第一方面的第十五种可能的实现方式中，所 述谐振腔组包括采用不同材 料制成的谐振腔。 本发明实施方式中，多个谐振腔在垂直方向存 在位移，位于不同的平面内， 可以采用 CMOS工艺， 例如薄膜沉积的方法进行制备， 垂直方向的间距可以 控制到几个纳米量级， 和平面耦合相比， 本发明实施方式的谐振腔器件， 可以 实现更高的耦合效率，更易产生游标效应和模 式劈裂等物理效应，可提高滤波、 延时和开关等功能。 附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作筒单地介绍，显而易 见地， 下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是本发明实施方式一的用于光交换系统的谐� �腔器件的示意图； 图 3是本发明实施方式二的用于光交换系统的谐� �腔器件的示意图； 图 3是本发明实施方式三的用于光交换系统的谐� �腔器件的示意图； 图 4是本发明实施方式四的用于光交换系统的谐� �腔器件的示意图； 图 5是图 4所示谐振腔器件的透射谱图；

图 6是本发明实施方式五的用于光交换系统的谐� �腔器件的示意图。 具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明 实施例中的技术方案进行清 楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 请参见图 1 , 本发明实施方式一的用于光交换系统的谐振腔 器件， 包括： 谐振腔组 11 , 限制层 12, 以及至少一光波导 13。 在图 3中， 仅示意性地示出 由 3个谐振腔 11a组成的谐振腔组 11 , 相邻谐振腔之间的限制层 12, 及一个 光波导 13。

谐振腔组 11中的每个谐振腔 11a可以相同也可以不同， 它们在垂直方向 存在位移， 其中相邻的谐振腔 11a被限制层 12隔开， 并通过倏逝波的耦合交 换光能量。 谐振腔组 11中的单个谐振腔 11a在垂直方向存在位移， 系指谐振 腔 11a在垂直方向上位于不同的平面内， 形成层级结构， 同一平面内， 可以包 括一个或者多个谐振腔 lla。 相邻的谐振腔 11a在垂直方向具有一定的间隔， 被厚度小于 1微米且折射率较低的限制层 12隔开。 这样， 谐振腔组 11在垂直 方向上进行耦合。 谐振腔组 11和光波导 13均形成于一作为基底的衬底之上， 所述垂直方向系以该^ "底平面作为基准面。 所述谐振腔组 11包括至少一最底层谐振腔 lib, 最底层谐振腔 lib和 11a 可以相同也可以不相同。 最底层谐振腔 lib在谐振腔组 11中， 位于最下层， 与光波导 13基本位于同一平面内。 最底层谐振腔 lib可以为一个， 也可以为 多个。

光波导 13靠近最底层谐振腔 lib并与底层谐振腔 lib耦合， 用于输入或 输出光信号。

在一实施方式中， 谐振腔组 11中的谐振腔 11a为封闭谐振腔。 在具体形 态上，可以包括微环谐振腔、 敖盘谐振腔、跑道型谐振腔，或者多边形谐振 腔。

在一实施方式中， 所述谐振腔组 11通过 CMOS工艺制备形成。 例如， 在 一实施方式中， 采用薄膜沉积和套刻工艺制备。 即， 在垂直方向上谐振腔组 11 内位于同一平面内的谐振腔 11a形成于一薄膜上， 位于不同平面的谐振腔 通过叠加沉积形成层级结构。

使用时， 当光信号从光波导 13耦合到最底层谐振腔 lib中， 与最底层谐 振腔 lib 的谐振波长相同的信号光发生共振， 并通过腔外倏逝波和谐振腔组 11中的其他谐振腔 11a发生相互作用， 对系统的特征光谱进行调制。

本发明实施方式中， 谐振腔组 11可以采用 CMOS工艺， 例如薄膜沉积的 方法进行制备， 其中谐振腔 11a的垂直方向间距可以控制到几个纳米量级。 和 平面耦合相比， 本发明实施方式的谐振腔器件， 可以实现更高的耦合效率， 更 易产生游标效应和模式劈裂等物理效应， 可提高滤波、 延时和开关等功能。 请参见图 2, 本发明实施方式二的用于光交换系统的谐振腔 器件， 包括： 谐振腔组 21 , 限制层 22, —输入波导 23a, 以及一输出波导 23b。 在图 4中， 仅示意性地示出 3个谐振腔 21a组成的谐振腔组 21 , 其中包括位于一个最底 层谐振腔 21b。 输入波导 23a、 输出波导 23b, 及所述最底层谐振腔 21b位于 同一平面内。

谐振腔组 21中的每个谐振腔 21a可以相同也可以不同， 它们在垂直方向 和水平方向均存在位移， 其中相邻的谐振腔 21a被限制层 22隔开， 并通过倏 逝波的耦合交换光能量。 谐振腔组 21中的单个谐振腔 21a在垂直方向和水平 方向均存在位移， 系指谐振腔 21a在垂直方向上位于不同的平面内， 形成层级 结构，相邻的谐振腔 21a在垂直方向之具有一定间隔， 被厚度小于 1微米且折 射率较低的限制层 22隔开， 并且谐振腔 21a在水平方向上位置相互错开， 即 各谐振腔 21a的中心轴线不重合， 存在水平方向的间距。 多个谐振腔 21a和输 入波导 23a, 以及输出波导 23b均形成于一作为基底的衬底之上， 所述垂直方 向、 水平方向系以该衬底平面作为基准面。

在本实施方式中， 输入波导 23a和输出波导 23b, 均与最底层谐振腔 21b 耦合， 最底层谐振腔 21b和谐振腔 21a可以相同也可以不相同。 输入波导 23a 和输出波导 23b交叉放置。

使用时，实施方式二的谐振腔器件作为滤波器 使用，当一列波长为 λ1、 λ2、 λ3,...λη的信号光从输入波导 23a的输入端口 2301输入，落入带通窗口的波长 为 λ2的光信号进入谐振腔 21b并从输出波导 23b输出端口 2302下载， 剩下的 λ1、 λ3,...λη的信号光直通从输入波导 23a的输出端口 2303输出。相邻谐振腔 21a在水平方向的位移和垂直方向的间距决定了 耦合强度， 从而影响谐振腔器 件的滤波响应特性， 既可以实现矩形滤波窗口，也可以实现光谱游 标效应用于 扩展自由光谱程。 请参见图 3 , 本发明实施方式三与实施方式二相似， 包括： 谐振腔组 31、 限制层 32、 一输入波导 33a, 以及一输出波导 33b。 在图 3中， 仅示意性地示 出由 5个谐振腔 31a组成的谐振腔组 31 , 其中包括位于最底层的两个最底层 谐振腔 31b、 31c。 谐振腔组 31中的每个谐振腔 31a可以相同也可以不同， 最 底层谐振腔 31b和 31c可以与 31a相同也可以不相同。 限制层 32的厚度小于 1微米且具有和谐振腔组 31相比较低的折射率， 用于隔离谐振腔 31a。 输入波 导 33a、 输出波导 33b, 及最底层谐振腔 31b、 31c位于同一平面内。 其中， 输 入波导 33a与底层谐振腔 31b靠近并耦合，输出波导 33b与底层谐振腔 31c靠 近并耦合。 实施方式二和实施方式三中， 输入波导 23a、 33a与相应的输出波导 23b、 33b交叉放置， 在其他实施方式中， 输入波导与输出波导也可以平行放置。 请参见图 4, 本发明实施方式四的与实施方式一至三相似， 包括谐振腔组 41、 限制层 42、 输入波导 43a、 输出波导 43b, 其中， 谐振腔组 41 由若干个 谐振腔 41a组成， 并包括一个最底层谐振腔 41b。 限制层 42的厚度小于 1微 米且具有和谐振腔组 41相比较低的折射率， 用于隔离谐振腔 41a。 谐振腔组 41 中的每个谐振腔 41a可以相同也可以不同， 最底层谐振腔 41b可以与 41a 相同也可以不相同。 输入波导 43a、 输出波导 43b, 及最底层谐振腔 41b位于 同一平面内。 其中， 输入波导 43a和输出波导 43b均与底层谐振腔 41b靠近并 耦合。 本发明实施方式四的用于光交换系统的谐振腔 器件， 还包括控制器 44, 控制器 44用于提供控制谐振腔组 41的折射率分布的控制信号，所述控制信号 包括电信号、光信号或者磁信号。控制器 44施加控制信号给谐振腔组 41附近 的电极或者加热器或者磁极 45 , 使系统的谐振频率发生移动， 从而对指定信 道的光信号实现开光功能。 谐振腔组 41可采用折射率可改变的材料制成， 其 中至少部分材料具有电光效应、 热光效应、 等离子色散效应、 双折射效应， 或 者磁光效应等。 本发明实施方式四的谐振腔器件，在使用时可 作为开关器件， 因相邻的谐 振腔 41a在垂直方向的间距可以控制到几个纳米，因 此很容易实现强耦合导致 模式分裂， 获得更高的品质因子。

如图 5所示透射谱中，虚线是单个谐振腔的透射光� �， 实线是谐振腔组的 透射光谱。 由于耦合腔的高品质因子的共振峰线宽更窄， 共振峰中心在外加电 场驱动下从开关闭合状态 offl 移动到开关接通状态 on要比从开关闭合状态 off2移动到开关接通状态 on快， 也就是说所需的折射率变化越小， 开关切换 速度越快。 因此， 在相同的消光比下， 高品质因子的耦合谐振腔器件可以实现 更短的开关时间。 本发明实施方式四的另一种实现方式， 是通过在谐振腔组 41周围设置压 电陶瓷结构。 该压电陶瓷结构接收控制器 44的控制信号， 并根据该控制信号 调节谐振腔组 41的折射率分布或者改变相邻谐振腔 41a之间的间距， 使得耦 合系统的频率发生移动。 请参见图 6, 本发明实施方式五的与实施方式一相似， 包括谐振腔组 51、 限制层 52和光波导 53。其中谐振腔组 51为双层结构，包括若干个谐振腔 51a, 其中若干个最底层谐振腔 51b与波导 53位于同一平面内。谐振腔组 51在水平 方向上依次串接，在垂直方向上一上一下相互 错开，从而构成一个级联緩存器。 限制层 52的厚度小于 1微米且具有和谐振腔组 51相比较低的折射率，用于隔 离谐振腔 51a。 谐振腔组 51 中的每个谐振腔 51a可以相同也可以不同， 图中 仅示例性地示出由 5个谐振腔 51a组成的谐振腔组 51 , 以及一个光波导 53。

本发明实施方式五的谐振腔器件， 由于可通过薄膜沉积工艺制备，从而更 精准的控制相邻谐振腔 51a 的垂直方向的距离和水平方向的位移来实现所 需 要的耦合强度。

在作为级联緩存器使用时，当满足系统谐振频 率的脉沖光信号从输入端口 5301输入， 脉沖信号进入级联的谐振腔组 51中， 并以较慢的群速度通过所有 谐振腔组 51 , 最后从输出端口 5302输出获得信号时延。

在长距离通信中， 不仅要求緩存器具有大延时、 快带宽和低损耗等性能， 而且还要求延时量灵活可调。

在本实施方式中， 可以在谐振腔组 51的周围制作电极， 利用谐振腔材料 的电光效应、 热光效应、 等离子色散效应、 双折射效应或者磁光效应等， 改变 谐振腔组 51的折射率分布从而实现调谐功能。 当输入光脉沖的中心波长处于 谐振波长时，緩存器的群延时最大；当输入光 脉沖的中心波长偏离谐振波长时， 緩存器的群延时减小； 当输入光脉沖的中心波长完全偏离谐振波长时 ，将没有 光耦合进入谐振腔， 緩存器的群延时为零。

在其他实施方式中，还可以把电极制作在光波 导 53与谐振腔组 51之间的 耦合区附近，通过改变耦合区的折射率实现过 耦合、 临界耦合和欠耦合三种耦 合状态间的转化， 从而实现延时量的灵活调控。

当然， 除上述采用电极结构的方式外， 改变谐振腔组 51的折射率分布还 可以采用实施方式四中提供的方式， 包括压电陶瓷结构、 磁极结构等。 在本发明的各实施方式中， 光波导可以为单模波导。 在形态上， 光波导可 以为直波导、 弯曲波导， 条形波导， 脊型波导， 锥形波导和狭缝波导中任意一 种。 光波导采用高折射率的材料制成， 包括但不限于半导体材料。 由于本发明 实施方式， 包括多个在垂直方向上存在位移、 从而位于不同平面内的谐振腔， 这些谐振腔可以采用 CMOS工艺制备形成， 例如通过薄膜沉积工艺制备。 如 此， 各谐振腔可以采用不同的材料， 增加了材料的可选择性。

在本发明的各实施方式中， 谐振腔组包括采用不同材料制成的谐振腔。 在本发明的各实施方式中，输入波导与输出波 导可以交叉设置，也可以平 行设置。 最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限 制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说 明，本领域的普通技术人员 应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案 进行修改， 或者对其 中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范 围。