高性能平面光集成可重构光插分复用(ROADM)技术研究

The optical network is developing towards all-optical network which is high-speed, large capacity, and intelligentized. Therefore, it requires much higher integration level of photonic devices, such as reconfigurable optical add/drop multiplexer (ROADM). One effective way of realizing compact devices is to adopt strongly-confined photonic waveguide, of which silicon-on-insulator (SOI) nano-wire waveguide is a good choice. The single-mode condition of SOI nano-wire waveguide is calculated with 3-dimension BPM algorithm, and kinds of loss of SOI nano-wire waveguide is analyzed as well. Besides, the mode-mismatch problem of reverse tapered coupling structure will be simulated and calculated with 3-dimension FDTD algorithm.The filtering performance of the filters with different loss, coupling coefficient and coupling structure will be analyzed.Optical add-drop multiplexer will be fabricated using Electron-Beam photolithography (EBL) technology and Inductive-Coupled-Plasma (ICP) etching technology.Farthermore, by thermal-optic or electro-optic tuning, four channel ROADM chip with 100-GHz channel interval and micro-second response speed will be fabricated.

可重构光插分复用器（ROADM）是光传送网(OTN)的重要光节点，是光网络走向智能化的重要基石。基于强限制光波导的微环谐振器是集成光电子回路的重要组成单元，利用它可以实现小型化和高性能的可重构光插分复器。本课题采用高折射率差SOI波导材料，通过建立纳米线波导FDTD数值分析模型，研究纳米线波导单模传输条件、传输损耗及偏振相关性等基础问题；研究微环谐振器的耦合结构、谐振波长及偏振态等关键特性；研究单环和多环谐振结构，改善滤波特性；通过创新性的结构优化设计，采用电子束光刻和ICP刻蚀工艺制作出OADM，进一步对微环进行热光或电光调控，预期实现信道间隔为100GHz、上下4路波长、可重构、响应时间为微秒量级的集成化ROADM器件芯片。

可重构光插分复用器（ROADM）是光传送网（OTN）的重要光节点，是光网络走向智能化的重要基石。本项目采用强限制绝缘体上硅（SOI）波导材料，系统地开展了基于纳米线微环谐振腔的集成ROADM关键技术研究。对SOI基微纳脊形光波导的单模传输条件、模场分布、偏振相关特性、弯曲损耗及交叉损耗等进行了仿真分析，优化设计出单模、单偏振的脊形波导结构及低传输损耗、低串扰的椭圆形渐变波导型交叉结构。在纳米线波导的输入/输出端口设计并制作了倒锥形模斑转换器（SSC）以减少光纤与波导的耦合损耗，倒锥形SSC耦合效率高达81％（耦合损耗为0.91dB/facet）。系统研究了单微环及双微环谐振腔自由波谱范围（FSR）、3dB带宽及消光比等性能及相关影响因素，优化设计出基于微环谐振腔的OADM及热调制/电调制ROADM器件结构。对SOI基微环谐振腔器件制备工艺进行了整合和优化，研制出基于单微环谐振腔的4通道OADM：尺寸仅为3000×500μm2，在各种配置下的单通道均具有很好的洛伦兹形谱线，FSR约为19.6nm，最小插入损耗3.13dB，最大消光比19.76dB；研制出基于单微环谐振腔的8通道热调制ROADM：尺寸仅为3000×700μm2，FSR约为18nm，最小插入损耗5.93dB，最大消光比21.03dB，通过多线型加热器调制实现了100GHz的相邻信道间隔，各通道的谐振波长在一个FSR内连续可调，最大波长调制带宽18nm，各通道热功耗2.723 mW/nm~2.887 mW/nm，响应时间16.22μs~28.17μs，实现了大调谐范围、低功耗、信道间隔100GHz的8路光信号自由、高效的上、下载；研制出基于双跑道型微环谐振腔的4通道电调制ROADM：响应谱线具有平坦的带通顶端，FSR约18.6nm，最小插入损耗7.35dB，最大消光比28.72dB，上载信道间串扰小于-17.56dB，调制电压1.5V时，谐振峰衰减1.925dB，蓝移0.88nm，功耗为2.919mW，实现了4路光信号自由上、下载，且增大了通带宽度，有效抑制了波长漂移，并降低了相邻信道间串扰。从提高器件集成度、降低器件成本和适应下一代高速大容量光纤通信、高速光互连技术方面而言，基于Si纳米线波导微环谐振腔结构的单片集成多信道ROADM器件具有良好的学术价值和应用前景。