專利名稱：基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列的制作方法
專利說明基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列 發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明主要涉及1×N熱光型以及電光型波導(dǎo)光開關(guān)陣列，涉及聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列制造的技術(shù)領(lǐng)域，
背景技術(shù)：
集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光開關(guān)被廣泛應(yīng)用于光通信的光交換系統(tǒng)、光路監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感器系統(tǒng)以及光纖測量系統(tǒng)等。集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光開關(guān)的工作機(jī)理一般是利用熱光效應(yīng)或者電光效應(yīng)來改變光波導(dǎo)介質(zhì)的折射率，實(shí)現(xiàn)控制光路通斷或者改變光傳播方向的功能。根據(jù)不同的調(diào)制機(jī)理，采用電流驅(qū)動(dòng)或者電壓驅(qū)動(dòng)方式。有機(jī)聚合物集成光開關(guān)是一類新型的集成波導(dǎo)光開關(guān)。由于運(yùn)用了有機(jī)聚合物材料，而使得器件設(shè)計(jì)和制作有了較大的靈活性。同時(shí)由于有機(jī)聚合物材料價(jià)格低而有利于降低器件成本。加之有機(jī)聚合物材料的熱光效應(yīng)比較顯著，非常適合于制備聚合物熱光型光開關(guān)。特別的如果能夠應(yīng)用聚合物材料的大電光效應(yīng)作為開關(guān)機(jī)理，還可以大大提高開關(guān)響應(yīng)速度。
近年來，隨著DWDM和全光通信網(wǎng)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)大端口數(shù)的光開關(guān)陣列或大規(guī)模光開關(guān)陣列，用以構(gòu)成光纖交換器和波長交換器。人們對集成光開關(guān)陣列進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。常見的光開關(guān)陣列中所包含的光開關(guān)單元類型包括全反射型(TIR)、X結(jié)與Y結(jié)數(shù)字型(DOS)、定向耦合器型(DC)以及馬赫-曾德爾干涉型(MZI)等。目前常見的1×N規(guī)模光波導(dǎo)開關(guān)陣列就是由1×2熱光型或電光型單元結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)發(fā)展而成的。采用這種傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)開關(guān)陣列，由于必須進(jìn)行逐級(jí)的電壓或電流驅(qū)動(dòng)控制，存在器件控制裝置復(fù)雜，體積龐大等問題。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種利用聚合物熱光效應(yīng)或電光效應(yīng)材料研制電流驅(qū)動(dòng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列。
技術(shù)方案本發(fā)明的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列包含1個(gè)輸入波導(dǎo)、一個(gè)輸入平板波導(dǎo)、由M個(gè)彎曲波導(dǎo)組成的陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)、一個(gè)輸出平板波導(dǎo)、N個(gè)輸出波導(dǎo)，以及一組電極構(gòu)成的電極組。其中輸入平板波導(dǎo)的輸入端與輸入波導(dǎo)的輸出端連接，輸入平板波導(dǎo)的輸出端連接由彎曲波導(dǎo)組成的陣列波導(dǎo)光柵的輸入端；在陣列波導(dǎo)光柵的頂部設(shè)有電流控制的電極組，在電極組的兩端連接有電流輸入引線和電流輸出引線共同構(gòu)成溫度控制裝置，輸出平板波導(dǎo)的輸入端與陣列波導(dǎo)光柵的輸出端連接，輸出平板波導(dǎo)的輸出端接輸出波導(dǎo)的輸入端，該器件在同一個(gè)波長的信號(hào)輸入下，通過不同電流的控制，實(shí)現(xiàn)光開光陣列的功能。
所述的電極組為電壓控制時(shí)，由電壓控制電極組及其正電極引線和下電極共同構(gòu)成的電壓控制裝置，該器件在同一個(gè)波長的信號(hào)輸入下，通過不同電壓的控制，實(shí)現(xiàn)光開光陣列的功能。陣列波導(dǎo)光柵中的相鄰波導(dǎo)之間長度差為一個(gè)恒定的常數(shù)。電流控制電極組或電壓控制電極組中的相鄰電極的長度差等于陣列波導(dǎo)光柵中的相鄰波導(dǎo)之間的長度差。
輸入波導(dǎo)、輸入平板波導(dǎo)、陣列波導(dǎo)光柵、輸出平板波導(dǎo)以及輸出波導(dǎo)陣列所選擇的材料為具有較大熱光系數(shù)的聚合物材料，對應(yīng)的電極組選擇電流控制的加熱電極組時(shí)，電極組中的各電極的兩端分別與電流輸入引線及電流輸出引線相連接，電流從電流輸入引線注入電極組，并從電流輸出引線流出，共同構(gòu)成一個(gè)溫度控制裝置。對應(yīng)的電極組選擇電壓控制的電極組時(shí)，電極組中的各電極的正電極與正電極引線相連接，下電極接地，共同構(gòu)成一個(gè)電壓控制裝置。
普通的陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)是利用不同入射波長在陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引起色散，導(dǎo)致輸出光產(chǎn)生相位差，具有相位差的光波會(huì)在不同的位置成像從而使得不同波長的光聚焦在不同的輸出位置上。在本發(fā)明中采用唯一的入射波長，也就是在不改變溫度或者電壓的前提下，光信號(hào)的輸出位置是恒定不變的。
如果通過注入電流精確的調(diào)整熱光型陣列波導(dǎo)的溫度變化，會(huì)造成陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)折射率發(fā)生改變。雖然電極組上溫度改變大小一致，但由于電極長度差會(huì)使光在陣列波導(dǎo)的相位差發(fā)生改變，從而也將導(dǎo)致輸出光束成像的位置改變。即可以實(shí)現(xiàn)在同一入射波長下，隨著溫度的變化，輸出光信號(hào)將從N個(gè)不同的輸出波導(dǎo)中輸出，實(shí)現(xiàn)1×N光開關(guān)陣列的功能。
如果通過改變電壓精確的調(diào)整電光型陣列波導(dǎo)的相位變化，也將導(dǎo)致輸出光束成像的位置改變。即可以實(shí)現(xiàn)在同一入射波長下，隨著電壓的變化，輸出光信號(hào)將從N個(gè)不同的輸出波導(dǎo)中輸出，實(shí)現(xiàn)1×N光開關(guān)陣列的功能。
有益效果采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一進(jìn)行電流或電壓的控制。有效的避免了傳統(tǒng)逐級(jí)的電壓或電流驅(qū)動(dòng)控制所造成的裝置復(fù)雜問題。加之電極組不再以傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)串行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而是類似于并聯(lián)結(jié)構(gòu)。因此可以大大減小器件的整體長度，縮小器件的整體尺寸，電流驅(qū)動(dòng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小。



圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的熱光效應(yīng)光波導(dǎo)開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中電極組16的局部放大頂視圖。
圖3為圖2中縱向剖面示意圖。
圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光波導(dǎo)開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖4中電壓控制的電極組17的局部放大俯視圖。
圖6為圖5中縱向剖面示意圖。
圖7為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的熱光效應(yīng)1×N型光波導(dǎo)開關(guān)陣列輸出插損特性示意圖。
以上的圖中有輸入波導(dǎo)11，輸入平板波導(dǎo)12，陣列波導(dǎo)光柵13，輸出平板波導(dǎo)14，輸出波導(dǎo)陣列15，電極組16，電流輸入引線18，電流輸出引線19，電壓控制的電極組17，正電極引線20，下電極21。

具體實(shí)施例方式 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種光開關(guān)陣列具體實(shí)施例的示意圖。該裝置包括輸入波導(dǎo)11，一組輸出波導(dǎo)15，以及一個(gè)輸入平板波導(dǎo)12、一個(gè)輸出平板波導(dǎo)14、由一組長度差恒定的彎曲波導(dǎo)組成的陣列波導(dǎo)光柵13、以及一組長度差恒定的電極組16組成。其中輸入平板波導(dǎo)12的輸入端與輸入波導(dǎo)11的輸出端連接，輸入平板波導(dǎo)12的輸出端連接由彎曲波導(dǎo)組成的陣列波導(dǎo)光柵13的輸入端；在陣列波導(dǎo)光柵13的頂部設(shè)有電流控制的電極組16，在電極組16的兩端連接有電流輸入引線18和電流輸出引線19共同構(gòu)成溫度控制裝置，輸出平板波導(dǎo)14的輸入端與陣列波導(dǎo)光柵13的輸出端連接，輸出平板波導(dǎo)14的輸出端接輸出波導(dǎo)15的輸入端，該器件在同一個(gè)波長的信號(hào)輸入下，通過不同電流的控制，實(shí)現(xiàn)光開光陣列的功能。
我們所設(shè)計(jì)的熱光型光開關(guān)陣列采用了普通陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)，光信號(hào)從輸入波導(dǎo)11中輸入，經(jīng)由輸入平板波導(dǎo)12，后進(jìn)入陣列波導(dǎo)13中，由于陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)的長度不相等，因此當(dāng)光從陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中輸出時(shí)，彼此之間會(huì)產(chǎn)生不同的相位差。假設(shè)相鄰陣列波導(dǎo)長度差為ΔL，波長為λ的光信號(hào)入射時(shí)可以得到光柵方程 其中ns，nc分別為平板波導(dǎo)與陣列波導(dǎo)的有效折射率，m為衍射級(jí)數(shù)，j為輸出波導(dǎo)的序號(hào)，R為聚焦半徑。式(1)表明，進(jìn)入輸出平板波導(dǎo)14的光信號(hào)由于不同波長的光所產(chǎn)生的相位差不等，導(dǎo)致最終匯聚的位置不同，從而對于不同輸入波長的光信號(hào)會(huì)從不同的輸出波導(dǎo)陣列中輸出。但是對于同一個(gè)波長而言輸出位置是恒定的。
參照圖1，以設(shè)計(jì)1×N聚合物熱光型光開關(guān)陣列為例。從圖2看出電極組16彼此不獨(dú)立，當(dāng)有電流從電流輸入引線18注入，從電流輸出引線19流出時(shí)，電極組的溫度將同時(shí)發(fā)生改變。通過(1)式看出，室溫下有m＝nc·ΔL/λ.，光信號(hào)會(huì)從j＝0的中心輸出波導(dǎo)中輸出；而在加熱電極作用下，如果溫度改變了ΔT，陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生折射率的改變?chǔ)c.此時(shí)公式(1)可以改寫為 從公式(2)可以看出，當(dāng)折射率的改變?yōu)棣c的j倍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出波導(dǎo)成像位置也會(huì)從相應(yīng)的第j個(gè)輸出波導(dǎo)中輸出。假如使用Optical Waveguide Resins-LFR series系列材料，芯層折射率為1.39，包層折射率為1.378，材料的熱光(TO)特性為dn/dT＝-2.5×10-4(/K)。選擇1550nm波長的光作為入射光信號(hào)，根據(jù)公式(2)所確定1×9光開關(guān)陣列系列設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示 圖7是根據(jù)上述參數(shù)，并采用有限差分光束傳輸算法(FD-BPM)1×9光開關(guān)陣列在不同溫度下進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果。從結(jié)果可以看出在不同的溫度下，光信號(hào)的確可以分別從9個(gè)不同的輸出波導(dǎo)中的輸出。在不考慮材料的傳輸損耗以及與光纖的耦合損耗下，光開關(guān)陣列的插入損耗小于1.49dB(平均插損小于0.8dB)，消光比小于30dB(平均消光比小于49dB)。當(dāng)輸入波長不變時(shí)，該結(jié)構(gòu)避免了級(jí)聯(lián)型光開關(guān)中復(fù)雜電極驅(qū)動(dòng)，并且很好的實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)陣列的功能。
圖4是一個(gè)1×N聚合物電光效應(yīng)光開關(guān)陣列的示意圖。圖6顯示下電極21始終接地。從圖5可以看出，電極組17彼此也不獨(dú)立，電壓的改變會(huì)是整個(gè)電極組17的電壓同時(shí)發(fā)生變化。當(dāng)正電壓引線20的電壓改變時(shí)，會(huì)在陣列波導(dǎo)光柵13中引入相位差Δ，此時(shí)的光柵方程可以寫為
其中相位差ΔΦ由兩部分組成。其中第一項(xiàng)2πncΔL/λ是由于陣列波導(dǎo)本身的長度差所引起的，在入射波長不變的前提下為一個(gè)常數(shù)；第二項(xiàng)

相位的改變與材料的電光系數(shù)r33、電壓每次的改變量ΔV成正比，與上下電極間距g成反比。整理可以得到一個(gè)新的光柵方程 從公式(4)可以看出，在電極作用下，電壓每次改變了ΔV，陣列波導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生相位的變化Δ，最終也將引起輸出光信號(hào)的位置發(fā)生變化。當(dāng)輸入波長不變時(shí)，該結(jié)構(gòu)在避免了級(jí)聯(lián)型光開關(guān)中復(fù)雜電極驅(qū)動(dòng)的前提下，很好的實(shí)現(xiàn)光開關(guān)陣列的功能。通常的電光效應(yīng)器件往往由于電極尺寸較長而導(dǎo)致器件整體尺寸過大，對于級(jí)聯(lián)的光開關(guān)陣列這個(gè)缺點(diǎn)尤為突出。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，由于電極不是級(jí)聯(lián)的串行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而是類似于并聯(lián)結(jié)構(gòu)。因此可以大大減小器件的整體尺寸。
權(quán)利要求
1.一種基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列，其特征在于該波導(dǎo)光開關(guān)陣列包括輸入波導(dǎo)(11)、輸入平板波導(dǎo)(12)、陣列波導(dǎo)光柵(13)、輸出平板波導(dǎo)(14)、輸出波導(dǎo)(15)、電極組(16)，其中輸入平板波導(dǎo)(12)的輸入端與輸入波導(dǎo)(11)的輸出端連接，輸入平板波導(dǎo)(12)的輸出端連接由彎曲波導(dǎo)組成的陣列波導(dǎo)光柵(13)的輸入端；在陣列波導(dǎo)光柵(13)的頂部設(shè)有電流控制的電極組(16)，在電極組(16)的兩端連接有電流輸入引線(18)和電流輸出引線(19)共同構(gòu)成溫度控制裝置，輸出平板波導(dǎo)(14)的輸入端與陣列波導(dǎo)光柵(13)的輸出端連接，輸出平板波導(dǎo)(14)的輸出端接輸出波導(dǎo)(15)的輸入端，該器件在同一個(gè)波長的信號(hào)輸入下，通過不同電流的控制，實(shí)現(xiàn)光開光陣列的功能。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列，其特征在于所述的電極組(16)為電壓控制時(shí)，由電壓控制電極組(17)及其正電極引線(20)和下電極(21)共同構(gòu)成的電壓控制裝置，該器件在同一個(gè)波長的信號(hào)輸入下，通過不同電壓的控制，實(shí)現(xiàn)光開光陣列的功能。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列，其特征在于陣列波導(dǎo)光柵(13)中的相鄰波導(dǎo)之間長度差為一個(gè)恒定的常數(shù)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列，其特征在于電極組(16)或電壓控制電極組(17)中的相鄰電極的長度差等于陣列波導(dǎo)光柵(13)中的相鄰波導(dǎo)之間的長度差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列，其特征在于輸入波導(dǎo)(11)、輸入平板波導(dǎo)(12)、陣列波導(dǎo)光柵(13)、輸出平板波導(dǎo)(14)以及輸出波導(dǎo)陣列(15)所選擇的材料為具有較大熱光系數(shù)的聚合物材料，對應(yīng)的電極組選擇電流控制的加熱電極組(16)時(shí)，電極組(16)中的各電極的兩端分別與電流輸入引線(18)及電流輸出引線(19)相連接，電流從電流輸入引線(18)注入電極組，并從電流輸出引線(19)流出，共同構(gòu)成一個(gè)溫度控制裝置。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列，其特征在于對應(yīng)的電極組選擇電壓控制的電極組(17)時(shí)，電極組(17)中的各電極的正電極與正電極引線(20)相連接，下電極(21)接地，共同構(gòu)成一個(gè)電壓控制裝置。
全文摘要
基于陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)光開關(guān)陣列涉及一種單波長的聚合物材料波導(dǎo)光開關(guān)陣列器件，該波導(dǎo)光開關(guān)陣列中輸入平板波導(dǎo)(12)的輸入端與輸入波導(dǎo)(11)的輸出端連接，輸入平板波導(dǎo)(12)的輸出端連接由彎曲波導(dǎo)組成的陣列波導(dǎo)光柵(13)的輸入端；在陣列波導(dǎo)光柵(13)的頂部設(shè)有電流控制的電極組(16)，在電極組的兩端連接有電流輸入引線(18)和電流輸出引線(19)共同構(gòu)成溫度控制裝置，輸出平板波導(dǎo)(14)的輸入端與陣列波導(dǎo)光柵(13)的輸出端連接，輸出平板波導(dǎo)的輸出端接輸出波導(dǎo)(15)的輸入端，該器件在同一個(gè)波長的信號(hào)輸入下，通過不同電流的控制，實(shí)現(xiàn)光開光陣列的功能。此器件將減小常規(guī)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)光開關(guān)陣列的尺度，簡化器件的驅(qū)動(dòng)裝置。
文檔編號(hào)G02B6/10GK101021601SQ20061009825
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月5日
發(fā)明者胡國華, 崔一平, 惲斌峰, 鐘嫄 申請人:東南大學(xué)