專利名稱：低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元器件，特別是涉及一種低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)。
背景技術(shù)：
隨著光纖通信技術(shù)和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，數(shù)字光開關(guān)(DOS)作為重要的光波導(dǎo)器件，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。常見的光開關(guān)有馬赫-增德爾(Mach-Zehnder)干涉儀型、方向耦合器型、X結(jié)型、Y分叉型等，其中Y分叉型數(shù)字光開關(guān)更為人們關(guān)注，然而通常Y分叉角度設(shè)計的非常小，一般控制在在0.05° 0.15°開關(guān)的結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計出具有某些優(yōu)良性能參數(shù)的開關(guān)器件，如采用與可變光衰減器(VOA)集成為一種有效的方法，可大大提高開關(guān)的消光比。
普通Y分叉型1×2DOS的輸出波導(dǎo)末端一般有一段S型彎曲的過渡波導(dǎo)，將輸出光引出并便于同標(biāo)準(zhǔn)光纖陣列耦合。根據(jù)彎曲波導(dǎo)理論，波導(dǎo)彎曲區(qū)域的切面上折射率不是成階躍型，而可以等效為向外傾斜的分布，當(dāng)距離向外側(cè)增大時，包層的折射率不斷增加，甚至比核芯區(qū)的更大，電磁場分布也會向折射率增大的方向平移，所以產(chǎn)生輻射損耗。另外，常規(guī)的Y分叉數(shù)字型光開關(guān)，由于是利用模式耦合分離的原理來實現(xiàn)開關(guān)功能，從而分叉角α需要非常小，一般在0.05°0.15°發(fā)明內(nèi)容根據(jù)彎曲波導(dǎo)易產(chǎn)生輻射損耗，并利用材料的負(fù)折射率效應(yīng)可制作成彎曲型光可變衰減器的特點，本發(fā)明的目的是提供一種低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)。直接利用Y分叉DOS型開關(guān)輸出波導(dǎo)的S形彎曲過渡波導(dǎo)，并將其彎曲波導(dǎo)設(shè)計成S形彎曲波導(dǎo)可變光衰減器(VOA)，形成與該Y分叉1×2DOS的集成。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是由一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)和分別與一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)兩端相連的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器集成構(gòu)成。
S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器依次由連接波導(dǎo)經(jīng)錐形過渡波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、另一錐形過渡波導(dǎo)與另一連接波導(dǎo)連接，S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極分別位于S形彎曲的曲率半徑小的一側(cè)；在波導(dǎo)邊緣一側(cè)的電極邊緣距S形彎曲波導(dǎo)邊緣距離為±1微米，兩側(cè)的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極分別同Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)部分電極相串聯(lián)。
Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)的分叉角α在0.3-1.0°，并在分叉處填去分叉角填充部分，其頂部寬度d為1.5-2μm。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益的效果是本發(fā)明在不增加器件長度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的前提下，大大提高開關(guān)光的串?dāng)_特性。并可擴(kuò)大Y分叉的角度，同時采用過對分叉區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正，降低了工藝難度。根據(jù)BPM法(光束傳輸法)模擬分析，這種新型的數(shù)字光開關(guān)具有低串?dāng)_、插入損耗小，偏振相關(guān)性小，波譜平坦性好，易于集成等優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是該開關(guān)光用BPM法模擬的效果圖；圖2是本發(fā)明的數(shù)字光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的數(shù)字開關(guān)光Y分叉部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的數(shù)字開關(guān)光中S彎曲波導(dǎo)可變光衰減器部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖2的C-C剖面示意圖；圖6是圖2的D-D剖面示意圖。
圖中1、Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)，2、S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器，3、輸入波導(dǎo)，4、分叉角填充部分，5、Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)部分電極，6、Y分叉部分波導(dǎo)，7、連接波導(dǎo)，8、錐形過渡波導(dǎo)，9、S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極，10、S彎曲波導(dǎo)，11、硅或玻璃襯底，12、波導(dǎo)包層(即包括上下限制層)。
具體實施例方式
如圖2所示，由一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)1和分別與一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)1兩端相連的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器2集成構(gòu)成。
如圖4所示，S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器2依次由連接波導(dǎo)7經(jīng)錐形過渡波導(dǎo)8、S彎曲波導(dǎo)10、另一錐形過渡波導(dǎo)8與另一連接波導(dǎo)7連接，S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極9分別位于S形彎曲的曲率半徑小的一側(cè)；在波導(dǎo)邊緣一側(cè)的電極邊緣距S形彎曲波導(dǎo)邊緣距離為±1微米，兩側(cè)的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極9分別同Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)部分電極5相串聯(lián)。
如圖3所示，Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)1的分叉角α在0.3-1.0°，并在分叉處填去分叉角填充部分4，其頂部寬度d為1.5-2μm。
圖5是圖2中C-C’處波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的剖示圖，在硅或玻璃基底11上，分別制作波導(dǎo)包層12(含上下限制層)，S彎曲波導(dǎo)10的芯層和S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極9。
圖6是圖2中D-D’處波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的剖示圖，在硅或玻璃基底11上，分別制作波導(dǎo)包層12(含上下限制層)，Y分叉部分波導(dǎo)6的芯層和Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)部分的電極5。
以采用有機(jī)聚合物材料，利用其熱光效應(yīng)來開關(guān)光功能實現(xiàn)為例。
按照圖2、5、6的器件和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在硅或玻璃基底上，利用常規(guī)的有機(jī)聚合物波導(dǎo)旋涂成膜的制作工藝完成該器件制作。對于波長為1.55μm的光波，波導(dǎo)的折射率為n＝1.529/1.521(TE/TM模)，芯層、覆蓋層折射率差為Δn＝0.005，熱光系數(shù)為-2.5×10-4/K-1，下限制層厚10μm，芯層厚度為7μm，芯層與覆蓋層總厚19μm。在Y分叉后緊接一個S彎曲波導(dǎo)，Y分叉區(qū)波導(dǎo)和輸入、連接波導(dǎo)寬度選取7μm，S形彎曲部分的波導(dǎo)寬度選取5μm，Y分叉區(qū)波導(dǎo)與S形彎曲部分的波導(dǎo)通過1000μm的錐形波導(dǎo)過渡，S形彎曲部分的曲率半徑大于6000μm。Y分叉角為α＝0.4°Y分叉尖角部分填補(bǔ)修正d＝1.5μm，Y分叉的末端間隔L＝20μm；電極可采用鉻-金雙層金屬電極，厚度約200-300nm，Y分叉部分的電極分為兩部分，寬度與波導(dǎo)相同，A區(qū)的電極與波導(dǎo)的夾角為α，B區(qū)的電極與波導(dǎo)平行，其中各電極的長度和具體位置與器件所用材料性質(zhì)和α角度有關(guān)。S彎曲波導(dǎo)的彎曲的內(nèi)側(cè)各設(shè)計串聯(lián)電極，電極外側(cè)邊緣同波導(dǎo)的內(nèi)側(cè)基本重合，并同Y分叉部分電極串聯(lián)一起。
S彎曲波導(dǎo)部分有二個作用，一是將輸出端分開到能與光纖陣列耦合的距離，另一作用就是起到可變光衰減器的功能。當(dāng)右側(cè)電極作用時，首先利用Y分叉的模式分離原理，將絕大部分光能量耦合到左側(cè)的波導(dǎo)，剩余的極少部分光能量進(jìn)入S形彎曲波導(dǎo)，此時再利用S彎曲波導(dǎo)的電極作用，在波導(dǎo)的垂直方向產(chǎn)生溫度梯度，由于聚合物材料的負(fù)熱光系數(shù)，形成相應(yīng)的垂直方向的折射率梯度，使得折射率分布向外傾斜更厲害，水平方向上的光能量發(fā)生嚴(yán)重的泄漏，剩余的這極少部分光能量通過S彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可變光衰減器衰減掉，這樣便可以大大提高光開關(guān)的消光比性能。圖1為采用BPM法模擬的光開關(guān)效果圖。
Y分叉的作用主要完成能量的分配，高消光比的性能主要通過可變光衰減器來實現(xiàn)，故它Y分叉角度可以放大一些，同時考慮到工藝制作的問題，在分叉處填去尖角部分，使其頂部寬度在一般波導(dǎo)制作光刻工藝易實現(xiàn)的寬度，如1.5μm，利用BPM(光束傳輸法)模擬分析表明，這一修正引起的插入損耗的增加僅僅0.15dB左右。Y分叉的末端間隔(L)設(shè)計在20μm，此時分叉兩端產(chǎn)生相互耦合很小，這樣可縮短Y分叉波導(dǎo)長度。
權(quán)利要求
1.一種低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)，其特征在于由一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)(1)和分別與一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)(1)兩端相連的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器(2)集成構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)，其特征在于S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器(2)依次由連接波導(dǎo)(7)經(jīng)錐形過渡波導(dǎo)(8)、S彎曲波導(dǎo)(10)、另一錐形過渡波導(dǎo)(8)與另一連接波導(dǎo)(7)連接，S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極(9)分別位于S形彎曲的曲率半徑小的一側(cè)；在波導(dǎo)邊緣一側(cè)的電極邊緣距S形彎曲波導(dǎo)邊緣距離為±1微米，兩側(cè)的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器部分的電極(9)分別同Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)部分電極(5)相串聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)，其特征在于Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)(1)的分叉角α在0.3-1.0°，并在分叉處填去分叉角填充部分(4)，其頂部寬度d為1.5-2μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低串?dāng)_數(shù)字光開關(guān)。由一個Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)和分別與Y分叉波導(dǎo)數(shù)字光開關(guān)兩端相連的S彎曲波導(dǎo)型可變光衰減器集成構(gòu)成。利用材料的負(fù)折射率效應(yīng)，在不增加器件長度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的前提下，大大提高開關(guān)光的開關(guān)特性。并可擴(kuò)大Y分叉的角度，同時對Y分叉區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正，降低了工藝難度。根據(jù)BPM法(光束傳輸法)模擬分析，本發(fā)明的數(shù)字光開關(guān)具有低串?dāng)_、插入損耗小，偏振相關(guān)性小，波譜平坦性好，易于集成等優(yōu)點。
文檔編號G02F1/01GK1540427SQ200310108408
公開日2004年10月27日 申請日期2003年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月1日
發(fā)明者江曉清, 楊建義, 王明華, 來光明, 吳玉英 申請人:浙江大學(xué), 杭州精工光電技術(shù)有限公司