CN100390590C

CN100390590C - 一种多模干涉热光开关

Info

Publication number: CN100390590C
Application number: CNB2004100673440A
Authority: CN
Inventors: 吴翔; 徐雷; 刘丽英; 王文澄
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: CN1601312A

Abstract

本发明属光学通信技术领域，具体为一种多模干涉热光开关。该开关由一个单模输入波导、一个多模干涉耦合波导、一个关状态单模输出波导、一个开状态单模输出波导、顶层热电极和电源依次组合构成。本发明中，当热电极不加电压时，光通过输入波导，在关状态的输出波导处形成输入场映象，并由该输出波导输出。当施加电压并逐渐增大时，热电极产生的热量使电极覆盖区域的波导升温，导致折射率下降，从而减少多模干涉区的有效宽度，改变出射面映象的位置；当施加电压达到某值时，输入场的映象位于开状态的输出波导处并输出，从而实现关、开转换。本发明结构紧凑、制作容差大、消光比高、偏振无敏感性好、功耗低、串扰低。本发明器件还可作光衰减器使用。

Description

一种多模干涉热光开关

技术领域

本发明属光子通信技术领域，具体涉及一种多模干涉热光开关。

背景技术

光纤通信技术的下一步发展方向是自由波长的全光网(AON)，其特征是光分插复用(OADM)和光交换互联(OXC)的广泛应用，而作为OADM和OXC中核心器件的光开关作用日益突出。目前，光开关种类繁多，主要以微机械(MEMS)开关和波导开关为主，技术较为成熟。MEMS开关在损耗、串扰等性能上优势明显，但是开关速度较慢，而且MEMS的机械磨损较大，而波导开关可以弥补这些不足。波导开关从调制机理上说，可以分为热光开关、电光开关以及声光开关，其中热光开关是目前唯一的已经商品化的开关，工艺相对成熟，其结构主要有以Mach-Zender干涉(MZI)结构、多模干涉(MMI)结构以及Y型或X型分支结构等。MZI结构的开关最大的缺点是对偏振敏感而且要求有较高的尺寸精度；MMI结构目前主要和MZI结构结合在一起使用，也存在上述的问题；而Y型或X型分支结构的开关则有串扰较大等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型结构的多模干涉热光开关，弥补以往多模干涉热光开关中存在的不足，具有结构紧凑、制作容差大、高消光比、偏振无敏感性好、低功耗、低串扰以及便于集成等优点。

本发明提出的多模干涉热光开关，由如下部分依次组合构成：一个单模输入波导1，一个多模干涉耦合波导2，一个“关”状态单模输出波导3，一个“开”状态单模输出波导4，顶层热电极5和电源6，如图1所示。热开关横截面的结构从上到下依次为：顶层热电极5，上包层7，波导层8，下包层9以及硅片衬底10，如图2所示。

本发明中，上、下包层7和9的厚度为6-10微米，波导层8的厚度为5-7微米。

本发明中，制作波导器件(包括上、下包层和波导层等)的材料的热光系数为-0.8×10^-4到-2×10^-4。具体可采用聚合物PPMA或PUQ等材料。

本发明中，输入波导1到多模干涉耦合波导2中线的距离为多模干涉耦合波导宽度的1/4-1/8。

本发明中，顶层热电极5可为倒梯形结构，其上底宽度为12-16微米，下底宽度为3-5微米。该电极材料电阻率为1.5-2欧姆微米，例如可用铝或镍铬合金等。

本发明中，热光开关的波长调制范围为1.3-1.6微米。

本发明原理如下：首先，多模干涉耦合是利用光的自映象原理，即在多模波导中，沿着光波的传播方向，在周期性的间隔处出现输入场的一个或多个复制的映象。在热电极不加电压的状态，当光通过输入波导1中入射多模耦合波导区2中，在出射端面关于波导中心线对称处形成一个输入场的映象，并通过该位置的输出波导3输出，此状态即为“关”状态，如图3所示。当施加电压并逐渐增大时，热电极产生的热量使电极覆盖区域的波导升温，使得折射率下降，从而减小多模干涉区的有效宽度，改变出射面处映象的位置。当电压取某值时，输入场的映象位于输出波导4处并输出，从而实现“开”功能，如图4所示。

实现“关”、“开”状态转换的电压值，由波导、电极的形状、尺寸、材料有关，实践中可具体测定计算获得。

本发明中，多模波导区的有效宽度对成像的特征长度成平方关系，输入波导1的位置距离多模干涉波导2的中线为多模干涉波导2的宽度的1/4-1/8，最好为1/6，以减小多模干涉波导区的尺寸，使结构更加紧凑。

本发明中，电极形状为倒梯形，可以有效降低功耗，并可以根据不同材料和尺寸进行优化设计。

由于上述器件在施加的电压逐渐增大时，出射面处的映象位置会连续不断变化，因此，该器件还可作为光衰减器使用。

附图说明

图1是单个多模干涉热光开关结构示意图。

图2是热光开关横截面结构示意图。

图3是计算所得的功率消耗和输出光强的关系(1)。

图4是计算所得的功率消耗和输出光强的关系(2)。

图5是处于“关”状态的时候，波长和输出光强的关系。

图6是处于“开”状态的时候，波长和输出光强的关系。

图中标号：1.单模输入波导，2.多模干涉耦合波导，3.“关”状态单模输出波导，4.“开”状态单模输出波导，5.顶层热电极，6.电源，7.上包层，8.波导层，9.下包层，10.硅片衬底。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明：

实施例：利用波束传输法(BPM)数值模拟多模干涉热光开关。(采用美国Rsoft公司的Beampro专业导波光学设计软件)

1.参数设定：如图1，2所示，波导的材料选择为聚合物PPMA，下包层9的厚度为10μm，波导层8厚度为5μm，上包层7厚度为6μm；包层折射率为1.5，波导层折射率为1.51；上、下包层的热光系数为-1.47×10^-4，波导层的热光系数为-1.22×10^-4；热电极采用镍铬合金，厚度为0.01μm，电阻率为1.5Ω/μm；波导材料的导热系数为0.01W/(cm.K)，硅片的导热系数为1.3W/(cm.K).

2.设多模干涉波导区的宽度为36μm，长度为2050μm，电极上底宽度为15μm，下底宽度为4μm，长度为2150μm，距离多模干涉耦合波导中线为5μm。功耗为0时，为“关”状态的光场分布图；功耗为40毫瓦时，为“开”状态光场分布图；图3所示的是计算所得的电源的功率损耗和输出光强的关系。计算得到当电源的功率消耗为40毫瓦的时候，实现开关转换。

3.设多模干涉波导区的宽度为36μm，长度为2050μm，电极上底宽度为16μm，下底宽度为3μm，长度为2150μm，距离多模干涉耦合波导中线为6μm。图4所示的是计算所得的电源的功率消耗和输出光强的关系。计算得到当电源的功率消耗为60毫瓦的时候，实现开关转换。

4.图5、6分别表示尺寸同1、2所述的热光开关处于“开”和“关”两个状态的时候，调制波长从1.3μm变化到1.6μm时候，和输出波导中的输出光强变化，说明这种热光开关的波长调制范围为1.3μm-1.6μm，适用于光通信领域。

本发明中，当光的偏振态发生变化时，对热光开关的功能没有影响。

Claims

1.一种多模干涉热光开关，其特征在于由如下部分依次组合构成：一个单模输入波导(1)，一个多模干涉耦合波导(2)，一个“关”状态单模输出波导(3)，一个“开”状态单模输出波导(4)，顶层热电极(5)和电源(6)；其横截面从上到下依次为顶层热电极(5)、上包层(7)、波导层(8)、下包层(9)和硅片衬底(10)。

2.根据权利要求1所述的多模干涉热光开关，其特征在于上、下包层的厚度为6到10微米，波导层厚度为5到7微米。

3.根据权利要求1所述的多模干涉热光开关，其特征在于作波导器件材料的热光系数为-0.8×10^-4到-2×10^-4。

4.根据权利要求1所述的多模干涉热光开关，其特征在于顶层热电极(5)为倒梯形结构，其上底宽度为12到16微米，下底宽度为3到5微米；电阻率为1.5到2欧姆每微米。

5.根据权利要求1所述的多模干涉热光开关，其特征在于热光开关的波长调制范围在1.3微米到1.6微米。