專利名稱：一種基于全內(nèi)反射的1×n型波導(dǎo)光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電信號(hào)處理技術(shù)，具體涉及基于全內(nèi)反射的Y 分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的IXN光開關(guān)。
背景技術(shù)：
光開關(guān)是一種重要的光子器件，可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通、斷、系統(tǒng)保護(hù)倒換、系統(tǒng)檢 測(cè)、信號(hào)路由、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接、光分插復(fù)用和自愈等基本功能，在光信息處理、光計(jì) 算以及儀器儀表與傳感等方面具有非常廣闊的應(yīng)用。目前，光開關(guān)的研究受到了國內(nèi)外的 廣泛關(guān)注和重視，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)速度快、消光比大、損耗低、偏振和波長(zhǎng)依賴性小、易制作的 高性能光開關(guān)，以滿足高速、大容量光網(wǎng)絡(luò)的迫切需求。近年來，人們采用不同的材料、利用不同的物理效應(yīng)和各種工作原理，提出了多種 光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案。若按其結(jié)構(gòu)形式，主要分為傳統(tǒng)機(jī)械型光開關(guān)、微機(jī)械型光開關(guān)和波導(dǎo) 型光開關(guān)。傳統(tǒng)機(jī)械型光開關(guān)和微機(jī)械型光開關(guān)主要用于自由空間中光束傳播方向的切 換，難以用于集成光路光子系統(tǒng)中，且存在開關(guān)速度慢和可靠性差等缺點(diǎn)。波導(dǎo)型光開關(guān)是 指在集成光子系統(tǒng)中，采用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式，通過外加控制信號(hào)來改變局部區(qū)域的折射率， 從而實(shí)現(xiàn)光在不同波導(dǎo)之間的切換。其局部折射率變化主要是基于熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)、載 流子注入效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。波導(dǎo)型光開關(guān)由于無活動(dòng)部件，不僅具有可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，還具有尺 寸小、速度快、易于集成和封裝等優(yōu)點(diǎn)。波導(dǎo)型光開關(guān)的主要結(jié)構(gòu)類型有定向耦合型光開 關(guān)、多模干涉型光開關(guān)、光子晶體型光開關(guān)、Y分支DOS型光開關(guān)、全內(nèi)反射型光開關(guān)。定向 耦合型光開關(guān)是通過調(diào)控波導(dǎo)耦合區(qū)的折射率來改變其耦合效率，以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能；多 模干涉型光開關(guān)是基于自成像原理，通過對(duì)多模干涉區(qū)進(jìn)行折射率調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān) 功能；光子晶體型光開關(guān)是通過調(diào)控光子晶體的折射率，調(diào)諧其禁帶和通帶光譜，從而實(shí)現(xiàn) 光開關(guān)功能。這些光開關(guān)的工藝容差通常很小，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)精度要求較高，其制作工藝難度 較大，而且光開關(guān)性能通常對(duì)光波長(zhǎng)和偏振態(tài)十分敏感，難以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)和偏振依賴性低的 光開關(guān)。Y分支DOS型光開關(guān)是通過對(duì)Y分支左右臂上的折射率進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)左右分支 波導(dǎo)中光信號(hào)的開、光功能，但是其尺寸較大，不利于實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)式矩陣開關(guān)，而且通常需要 較大的驅(qū)動(dòng)功率。全內(nèi)反射型光開關(guān)因具有波長(zhǎng)不敏感、工藝容差大、尺寸小等突出特點(diǎn)，開始受到 大家的重視與關(guān)注。這種光開關(guān)主要基于聚合物的熱光效應(yīng)、半導(dǎo)體材料的載流子注入效 應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。其共同特點(diǎn)都是通過饋送控制信號(hào)使其控制區(qū)域的芯層折射率降低，從而使其 輸入波導(dǎo)中的光在其分界面處產(chǎn)生全反射，以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。但是其折射率在分界面處 是漸變分布，這是由于其控制電極所激勵(lì)的溫度或載流子分布也是漸變分布的。因而，其 信道間串?dāng)_相對(duì)較高，其消光比相對(duì)較小，較嚴(yán)重地影響了光開關(guān)的性能，限制了其應(yīng)用范 圍。江嘵清等人提出了在分支處采用間隙結(jié)構(gòu)，以有效提高光開關(guān)在串?dāng)_和消光比方面的 性能指標(biāo)，但是間隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其消光比影響較為敏感，且還導(dǎo)致其光損耗有一定上 升，同時(shí)還增加了工藝制作難度。目前，高速、大容量光網(wǎng)絡(luò)急需端口數(shù)多、性能好、易于制作、結(jié)構(gòu)緊湊的光開關(guān)，這種高性能光開關(guān)還未見報(bào)道。因而，設(shè)計(jì)和制作高性能IXN光開 關(guān)對(duì)于集成光子系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型IXN光開關(guān)，即利用電光或熱光效應(yīng)，對(duì)控制電極 區(qū)域的芯層折射率進(jìn)行調(diào)控，使光信號(hào)在調(diào)制區(qū)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。該器件具有波長(zhǎng)依賴性 低、消光比高、串?dāng)_小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于工藝制作等諸多潛在優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種基于全內(nèi)反射的1 X N光開關(guān)，如圖1 (a)所示，包括1個(gè)波導(dǎo)輸入端口 1，N個(gè) 波導(dǎo)輸出端口 2，N-1個(gè)Y分支波導(dǎo)3，N-1個(gè)控制電極4。芯層的折射率為112和11' 2，表示 芯層是由兩種具有不同折射率的材料構(gòu)成，如圖中的灰色和黑色區(qū)域所示，分別位于控制 電極之外和之內(nèi)；其中折射率112略大于折射率η' 2。當(dāng)控制電極4上施加電壓為零時(shí)，其 對(duì)應(yīng)Y分支滿足全內(nèi)反射條件；反之，當(dāng)控制電極4上施加電壓不為零時(shí)，其對(duì)應(yīng)Y分支不 滿足全內(nèi)反射條件。光波導(dǎo)橫截面如圖1(b)所示，圖中脊的寬度為W，上、下包層的折射率 分別為H1和n3，芯層的厚度為d，脊高厚度為h，其芯層的折射率為n2和η' 2 (分別表示灰 色和黑色區(qū)域的芯層折射率)。光信號(hào)通過光纖耦合到波導(dǎo)端口 1后，光信號(hào)在光波導(dǎo)中傳 播，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個(gè)Y分支處，若滿足全內(nèi)反射條件時(shí)，光信號(hào)將沿左分支輸出到波導(dǎo)端口 2 ； 反之，若不滿足全內(nèi)反射條件時(shí)，光信號(hào)沿右分支傳播。若光信號(hào)沿右分支傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)下 一個(gè)Y分支，類似前述過程。這里，由Y分支處控制電極來決定光信號(hào)選擇特定的波導(dǎo)端口 輸出，從而實(shí)現(xiàn)IXN光開關(guān)功能。上述方案中，所述的IXN光開關(guān)由三種有機(jī)光子材料構(gòu)成，屬于集成光子器件， 采用光學(xué)光刻方法可容易制作。本發(fā)明的工作原理是首先，IXN光開關(guān)的N-I個(gè)控制電極4上饋送控制電壓，在其電極下方的芯層波導(dǎo) 中產(chǎn)生電場(chǎng)，由于該區(qū)域芯層波導(dǎo)材料具有電光效應(yīng)。該電場(chǎng)將使其芯層波導(dǎo)的折射率增 加，這樣所對(duì)應(yīng)的Y分支將不滿足全內(nèi)反射條件，其光信號(hào)將沿其右分支波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸， 即對(duì)應(yīng)的每一個(gè)Y分支處于斷開狀態(tài)。接著，當(dāng)光信號(hào)從波導(dǎo)端口 1輸入后，若每一個(gè)Y分 支處于斷開狀態(tài)，光信號(hào)傳輸?shù)矫恳粋€(gè)Y分支處時(shí)將選擇右分支波導(dǎo)進(jìn)行傳播，最后，光信 號(hào)將從輸出波導(dǎo)端口 2中的第N個(gè)輸出(注意這里輸出端口的順序號(hào)記為從左到右，Y分 支的順序號(hào)記為從上到下)。若第i個(gè)Y分支處的控制電極的控制電壓為零時(shí)，則其對(duì)應(yīng)芯 層波導(dǎo)中無外加電場(chǎng)，該Y分支滿足全內(nèi)反射條件。當(dāng)光信號(hào)傳播到該Y分支時(shí)，將選擇左 分支波導(dǎo)傳輸，最后將從第i個(gè)輸出波導(dǎo)端口輸出，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)選擇特定的波導(dǎo)端口輸出。本發(fā)明提出了一種新型的基于全內(nèi)反射的IXN光開關(guān)，其光信號(hào)的輸出通道的 選擇由其Y分支處的電極控制，從而快速地實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的基于全內(nèi)反射的IXN光開關(guān)具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)依賴性 低、損耗低、串?dāng)_小、消光比大、開關(guān)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，將在集成光子系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用 前景。


圖1(a)是本發(fā)明提供的基于全內(nèi)反射的IXN型波導(dǎo)光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 是本發(fā)明提供的光波導(dǎo)橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是1X4光開關(guān)在不同開關(guān)狀態(tài)下光場(chǎng)在波導(dǎo)中傳播的模擬結(jié)果，其中(a)、 (b)、(c)、(d)分別表示第1、2、3、4的Y分支處的開關(guān)處于開狀態(tài)時(shí)，其光信號(hào)分別沿第1、 2、3、4波導(dǎo)輸出端口的光場(chǎng)分布。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，以1X4光開關(guān)為例進(jìn)一步說明本發(fā)明。通常，光通信系統(tǒng)中通信 窗口為近紅外，這里，假定光信號(hào)的工作波長(zhǎng)為1.55微米，其偏振態(tài)為TM波。如圖1(a)和 (b)所示，芯層脊的寬度為5 μ m,芯層的厚度為1 μ m,脊高厚度為0. 8 μ m，上、下包層材料 為UV15，其折射率為1.50。其灰色區(qū)域的芯層材料為SU8，其折射率為1.57。其黑色區(qū)域 的芯層材料為E7，是一種液晶材料，使其光軸方向與其波導(dǎo)方向平行Olian Wang et. al., J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 24，No. 10，3303 [2007])。當(dāng)控制電極施加電壓為零時(shí)，黑色區(qū)域的芯 層的折射率為η' 2 = η。= 1.50，而當(dāng)控制電極施加電壓時(shí)，其光軸轉(zhuǎn)向電場(chǎng)方向。當(dāng)光軸 轉(zhuǎn)動(dòng)到與電場(chǎng)方向一致時(shí)，所對(duì)應(yīng)折射率為n' 2 = ne=1.70。光開關(guān)的每一個(gè)Y分支的 分支角為1°。通過計(jì)算，當(dāng)控制電極上施加電壓為零時(shí)，該Y分支的結(jié)構(gòu)滿足全內(nèi)反射條 件；但當(dāng)控制電極上施加電壓不為零時(shí)，由于電極下黑色區(qū)域芯層的折射率增加，折射率變 為1.70，這時(shí)該Y分支的結(jié)構(gòu)不滿足全內(nèi)反射條件。這里，我們采用BPM方法，模擬了光信號(hào)在1X4光開關(guān)中沿不同輸出波導(dǎo)輸出時(shí) 光場(chǎng)傳輸過程，其中圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別表示第1、2、3、4的Y分支處的開關(guān)處于開 狀態(tài)時(shí)，其光信號(hào)分別沿第1、2、3、4波導(dǎo)輸出端口的光場(chǎng)分布。從圖中可以看出，1X4光開 關(guān)的消光比很高、而串?dāng)_卻很小，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能光開關(guān)有重要實(shí)際意義。在光通信系統(tǒng)中，光信號(hào)通常有一定的譜寬，從幾納米到幾十納米。我們模擬了 1 X 4光開關(guān)的性能受波長(zhǎng)的影響。這里以1 X 4光開關(guān)中第1個(gè)Y分支處的控制開關(guān)處于開 狀態(tài)、光信號(hào)波長(zhǎng)變化范圍為1500nm 1600nm時(shí)為例，對(duì)其進(jìn)行了模擬。1X4光開關(guān)中第 1輸出端口的歸一化光功率輸出為0. 999，而其它輸出端口歸一化光功率輸出小于0. 0001， 它們?cè)诓煌ぷ鞑ㄩL(zhǎng)條件下的歸一化光功率輸出基本保持不變。由此可以看出，其光功率 輸出受波長(zhǎng)的依賴性很小，這是由于光開光是基于全內(nèi)反射原理來實(shí)現(xiàn)的。同樣，對(duì)于1X4 光開關(guān)中其它Y分支處的控制開關(guān)來說，其光功率輸出對(duì)波長(zhǎng)的依賴性也很小。本發(fā)明所提出的方案是一種新型的基于全內(nèi)反射的IXN型波導(dǎo)光開關(guān)，它具有 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于制作、波長(zhǎng)依賴性低、消光比高、串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提出的IXN型波導(dǎo) 光開關(guān)不僅可利用電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，還可利用熱光或光非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明提供了 一種新型的光開關(guān)方案，具有重要的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種基于全內(nèi)反射的IXN型波導(dǎo)光開光，N為正整數(shù)；包括波導(dǎo)輸入端口(1)、波導(dǎo) 輸出端口 0)、N-1個(gè)Y分支波導(dǎo)(3)、N-1個(gè)控制電極；其特征在于，光信號(hào)通過光纖耦 合到波導(dǎo)端口(1)后，光信號(hào)在光波導(dǎo)中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個(gè)Y分支處時(shí)，若滿足全內(nèi)反射 條件，光信號(hào)將沿左分支輸出到波導(dǎo)端口( ；反之，光信號(hào)沿右分支傳播。若光信號(hào)沿右 分支傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)下一個(gè)Y分支，類似前述過程，由Y分支處控制電極來決定光信號(hào)選擇特 定的波導(dǎo)端口輸出，從而實(shí)現(xiàn)IXN光開關(guān)功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全內(nèi)反射的IXN型波導(dǎo)光開光，其特征在于，所述IXN 型波導(dǎo)光開關(guān)屬于集成光子器件，由集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全內(nèi)反射的IXN型波導(dǎo)光開光，其特征在于，所述IXN 型波導(dǎo)光開光采用電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，也可采用熱光效應(yīng)、光非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全內(nèi)反射的IXN型波導(dǎo)光開光，其特征在于，所述IXN 型波導(dǎo)光開光可與其它功能光子器件進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)多功能集成光子系統(tǒng)。
全文摘要
一種新型的基于全內(nèi)反射的Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的1×N型波導(dǎo)光開關(guān)，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電信號(hào)處理技術(shù)。本發(fā)明提出的光開關(guān)由1個(gè)波導(dǎo)輸入端口、N個(gè)波導(dǎo)輸出端口、N-1個(gè)Y分支波導(dǎo)、N-1個(gè)控制電極構(gòu)成。光信號(hào)通過光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)輸入端口，光信號(hào)在光波導(dǎo)中傳播，由Y分支處控制電極來決定光信號(hào)選擇特定的波導(dǎo)輸出端口。當(dāng)光信號(hào)到達(dá)Y分支處，若滿足全內(nèi)反射條件時(shí)，光信號(hào)將沿左分支輸出到波導(dǎo)輸出端口；反之，光信號(hào)沿右分支傳播。最后，光信號(hào)選擇特定波導(dǎo)端口輸出，從而實(shí)現(xiàn)1×N光開關(guān)功能。本發(fā)明提供的基于全內(nèi)反射的1×N光開關(guān)具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)依賴性低、損耗低、串?dāng)_小、消光比大、開關(guān)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK102096207SQ201010601899
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者劉永, 劉永智, 唐雄貴, 廖進(jìn)昆, 李和平, 童偉, 陸榮國 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)