CN101620298A - 一种光开关 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光开关，涉及光通信领域，解决了现有光开关消光比低以及对光信号波长较敏感的问题。本实施例通过在两个波导臂上都设置一组微环谐振腔，进而控制波导臂中输出光信号的相为，这样就可以调整该光开关中输出分束器最后输出光信号的状态，实现光开关的功能。本实施例主要用在光通信中直接进行光交换和光路由的设备中，省去了光通信在进行交换路由时的光电转换和电光转换。

Description

一种光开关

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及光通信中实现光交换的一种光开关。

背景技术

目前已经商业应用的光开关有机械式光开关、MEMS(微机械式，Micro-Electro-Mechanical Systems)光开关和波导型热光光开关等，这些光开关的响应速度一般为毫秒量级，但对光分组交换OBS/OPS技术所需要的光交换光开关，需要有纳秒量级的开关响应速度。

目前响应速度在纳秒两级的光开关一般利用硅材料载流子的等离子色散效应实现。原理如下：在传输光信号的波导周围注入硅材料，在硅材料上施加一定的电压会导致硅材料载流子浓度发生变化，从而产生硅材料载流子的等离子色散效应，这种等离子色散效应将引起硅材料折射率发生变化，进而改变光信号在波导中传输的等效光程，以达到改变最后从波导中的光信号的相位。上述硅材料载流子的等离子色散效应具有纳秒以上的响应速度，非常适合用于高速光开关。

按照波导结构和工作原理来划分，现有技术中利用上述硅材料载流子的等离子色散效应的光开关主要包括：Y分叉型和全内反射型的数字型光开关(DOS，Digital Optical Switch)结构，基于MZI(Much-Zahnder，马赫-曾德)干涉型光开关结构、以及利用微环谐振腔的光开关结构等。

其中，Y分叉或全内反射型的数字型光开关需要较大的控制功耗，一般不适合大规模光开关阵列的制作。

如图1所示，图示出了常规MZI干涉型光开关结构，在1X2分束器输出的两个波导臂中的其中一个波导臂上设置了相位调制器，相位调制器由硅材料制成，利用硅材料载流子的等离子色散效应控制输出波导的光信号的相位。当相位调制器使得光信号产生的相位变化为π时，两个波导臂输出的光信号将会在2X2分束器的其中一个输出端A产生干涉输出，而另一个输出端B将不会有光信号输出；当相位调制器使得光信号产生的相位变化不是π时，两个波导臂输出的光信号将会在2X2分束器的其中一个输出端B产生干涉输出，而另一个输出端A将不会有光信号输出，即可实现光开关的功能。

上述MZI干涉型光开关需要两个波导臂中光强分束的具有对称性，但由于硅材料的载流子色散效应引起硅材料的折射率变化的同时，伴随的吸收光信号的能量也非常大，造成最后输出的光信号产生较大附加损耗，严重改变MZI干涉型光开关中两个波导臂中光强的对称性，并且不能使得光开关消光比控制在较小范围内(目前光信号的损耗只能控制在10dB左右)。并且上述MZI干涉型光开关需要严格的π相位控制。

如图2所示，图示出了常规的利用微环谐振腔的光开关结构示意图，从波导1的入射端输入的光信号，如果该光信号的波长符合谐振条件，在波导1与微环谐振腔的耦合处耦合到微环谐振腔中传输，并从波导2与微环谐振腔的耦合处耦合到波导2传输，最后该光信号从波导2的反射端输出；如果该光信号的波长不符合谐振条件，将直接从波导1的直通端输出，这种控制光信号从不同端输出的功能就是光开关需要的功能。

由于从反射端输出光信号的情况要求光信号的波长符合谐振条件，上述利用微环谐振腔的光开关结构，对光信号的波长非常敏感，要获得高消光比时，微环谐振腔的损耗对该光开关中传输的光信号的附加损耗影响较大。

发明内容

本发明的实施例提供一种光开关，该光开关具有较高的消光比，并且对于光波波长并不会特别敏感。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种光开关，包括：

输入分束器，用于输入光信号；

输出分束器，用于输出光信号；

两个波导臂，连接在所述输入分束器和输出分束器之间，用于从输入分束器向输出分束器传输光信号；

两组微环谐振腔，分别与所述两个波导臂耦合，用于分别调整对应波导臂输出的光信号的相位。

本发明实施例提供的光开关由于在每个波导臂上都耦合设置了一组微环谐振腔，能够调整在波导臂中传输的光信号的相位，使得两个波导臂输出的光信号具有相位差，实现光开关功能。本实施例中输入分束器输入的光信号在两个波导臂中传输，所述两个波导臂中的光信号分别耦合到对应的微环谐振腔中，通过改变，微环谐振腔的折射率，这样就可以改变光信号在微环谐振腔中传输的等效光程，并最终改变输出光信号的相位。如果上述两组微环谐振腔对其对应的波导臂中光信号产生的相位改变刚好为π的偶数倍和奇数倍的两状态时，对应波导臂输出的光信号的强度相等或分别相等。这样就可以控制从输出分束器输出的光信号，实现高消光比光开关的功能。

由于本实施例采用对两个波导臂同时进行控制，只需要两个波导臂中光信号的相位相差π的偶数倍或者π的奇数倍，并不要求微环谐振腔完全处于谐振状态，对于不同波长的光信号，可以让微环谐振腔不处于谐振状态，采用不同的调制点，使得波导臂中光信号的相位相差π的偶数倍或者π的奇数倍，故而本实施例光开关对于光波波长并不会特别敏感。

附图说明

图1为现有技术中常规MZI干涉型光开关结构图；

图2为现有技术中利用微环谐振腔的光开关结构图；

图3为本发明实施例1中光开关结构图；

图4为本发明实施例2中光开关结构图；

图5为本发明实施例2中波导臂输出光信号的响应图；

图6为本发明实施例2中p-i-n结注入的波导结构示意图；

图7为本发明实施例3中光开关结构图；

图8为本发明实施例3中跑道形微环谐振腔示意图；

图9为本发明实施例3中椭圆形微环谐振腔示意图；

图10为本发明实施例3中微碟形微环谐振腔示意图；

图11为本发明实施例3中铜钱形微环谐振腔示意图；

图12为本发明实施例3中按照并联连接的微环谐振腔的示意图；

图13为本发明实施例3中按照串联连接的微环谐振腔的示意图；

图14为本发明实施例3中按照网状连接的微环谐振腔的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例光开关进行详细描述。

实施例1：

如图3所示，本实施例提供一种光开关，包括：输入分束器31、输出分束器32、两个波导臂33以及两组微环谐振腔34。

该输入分束器31上设有一个输入端和两个输出端，输出分束器32上设有两个输入端和至少一个输出端，在输入分束器31的两个输出端和输出分束器32的两个输入端之间通过两个波导臂33连接。这样由输入分束器31输入的光信号通过两个波导臂33传输到输出分束器32，并最终从输出分束器32的输出端输出。

本实施例中的光开关关键在于：在上述两个波导臂33上分别耦合了两组微环谐振腔34，对在波导臂33中传输的光信号进行相位调整。上述光信号在波导臂33的传输过程中，会耦合到微环谐振腔34中，调整施加在微环谐振腔34上的电压可以该微环谐振腔34的折射率，这样就能够改变光信号在微环谐振腔34中传输的等效光程，当光信号重新由微环谐振腔耦合回对应波导臂33时，其相位发生了改变，故而本实施例中的微环谐振腔34实现了对波导臂33中光信号的相位进行调整。

如果两组微环谐振腔34对其对应的波导臂33中光信号都进行相位调整，并使得两个波导臂33输出的光信号的相位相差为π的偶数倍或者π的奇数倍，这样就可以使得在输出分束器32将两个具有相位差的光信号耦合起来。当相位差为π的偶数倍时，耦合后的光信号从输出分束器32的一个输出端输出；当相位差为π的奇数倍时，耦合后的光信号从输出分束器32的另一个输出端输出，或者不输出。

进一步地，本实施例中的微环谐振腔34采用载流子的等离子色散效应制作，所以，调整施加在微环谐振腔34上的电压可以调整p-i-n注入区的载流子浓度，进而改变该微环谐振腔34的折射率，这样就能够改变光信号在微环谐振腔34中传输的等效光程。

由以上描述可知，本实施例中的光开关通过微环谐振腔控制光信号的相位，从而实现光开关的功能，具有较低的控制功耗。由于微环谐振腔采用了载流子的等离子色散效应制作，载流子的等离子色散效应响应速度能够达到纳秒级。并且利用谐振腔的谐振特性，使得在谐振点附近时，不会因为载流子的等离子色散效应吸收改变干涉两臂的相对光信号强度，即在相位相差为π的偶数倍或为π的奇数倍的两状态时，保证两输出光信号的在这两个状态时光强分别相等，所以，本实施例提供的光开关具有较高的消光比。

并且由于本实施例采用对两个波导臂同时进行控制，只需要两个波导臂中光信号的相位相差π的偶数倍或者π的奇数倍，并不要求微环谐振腔完全处于谐振状态，对于不同波长的光信号，可以让微环谐振腔不处于谐振状态，采用不同的调制点，使得波导臂中光信号的相位相差π的偶数倍或者π的奇数倍，故而本实施例光开关对于光波波长并不会特别敏感。

实施例2：

本实施例还提供一种光开关，如图4所示，本实施例中光开关采用1X2型分束器作为输入分束器，用来输入光信号；同时，该光开关采用2X2型分束器作为输出分束器，在1X2型分束器和2X2型分束器之间通过两个波导臂相连，并在两个波导臂分别设置了两组相应的微环谐振腔，并且这两组微环谐振腔的参数相同，即：都是参数相同的单微环谐振腔。

本实施例中的1X2型分束器可以采用Y分叉波导制成，所述2X2型分束器可以采用X结波导制成。上述两种分束器均可以采用定向耦合器制成，或者由多模干涉器制成。

当光信号从1X2型分束器的两个输出端分别输出到两个波导臂之后，经由单微环谐振腔的作用，波导臂中输出光信号的频率响应可表示如下：

在上面公式中，ρ为波导臂与单微环谐振腔的耦合区为直通时的场强比例，并且功率耦合比例满足： $\mathrm{\κ}=\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}^2};$ γ为光绕单微环谐振腔一周的场强剩余比例，光绕单微环谐振腔一周的功率损耗为：Loss＝201gγ，φ为调节时归一化的相位的偏移。ω为光信号中光子的角频率，因此ω＝2πf，f为光信号中光子的频率。T为光绕单微环谐振腔一周所需的时间，T＝L*n_g/c，L为单微环谐振腔的周长，n_g为群折射率，c为真空中的光速。

由上面频率响应可以得知输出光信号的功率为：

输出光信号的相位为：

有上述公式(2)和公式(3)可以得出由波导臂输出的光信号的功率响应图，以及频谱图，具体见图5，图5中上半部分为输出光信号的功率随ωT的变化图，图5中下半部分为输出光信号的相位随ωT的变化图。

通过分析图5得出：如果让两个波导臂输出的光信号分别对应于图5中的A点和A’点，则两个波导臂输出光信号之间的相位差为π的偶数倍，并且两个波导臂输出的光信号的功率相等，当这两个光信号在图4中的2X2型分束器中耦合后，从2X2型分束器的其中一个输出端输出，相当于本实施例中的光开关处于“ON”状态，由于上述“ON”状态时，两个波导臂输出光信号的功率最高，保证了“ON”状态的附加损耗较低。一般情况下，要使得所述两个波导臂输出的光信号相位差为π的偶数倍，需要光信号在所述微环谐振腔中发生谐振，并谐振后耦合到对应的波导臂中传输。

如果让两个波导臂输出光信号分别对应于图5中的B点和B’点，则两个波导臂输出光信号之间的相位差为π的奇数倍，并且两个波导臂输出的光信号的功率相等，当这两个光信号在图4中的2X2型分束器中耦合后，从2X2型分束器的另一个输出端输出，相当于本实施例中的光开关处于“OFF”状态，由于上述“OFF”状态时，两个波导臂输出光信号的功率相等，于是避免了由于两个波导臂输出光信号的功率不平衡而导致的消光比不高的缺点。并且，由于“OFF”状态只需要保证B点和B’点的相位相差π的奇数倍，由两个波导臂输出光信号同时调制产生π的奇数倍的相位差，相对于现有技术中只调制一个波导臂的光信号而言，本实施例中的调制π的奇数倍的相位差更为容易。

上述的“ON”状态和“OFF”状态共同实现了光开关的功能。

在微环谐振腔中通过施加电压改变载流子浓度，从而使得微环谐振腔中出现等离子色散效应，进而该变该微环谐振腔的折射率，这样就可以改变光信号在微环谐振腔中传输的等效光程，并最终改变输出光信号的相位。

本实施例中由于微环谐振腔采用了载流子的等离子色散效应制作，载流子的等离子色散效应响应速度能够达到纳秒级，且具有较低的控制功耗。并且利用谐振腔的谐振特性，使得在谐振点附近时，不会因为载流子的等离子色散效应吸收改变干涉两臂的相对光信号强度，即在改变相位为π偶数和奇数倍的两状态时，保证两输出光信号的在两个状态时分别相等，所以，本实施例提供的光开关具有较高的消光比。

本实施例中光开关中可以采用不同的调制过程，实现光信号从2X2型分束器不同的输出端输出，例如：

第一种调制方式，当光开关处于“ON”状态，可以让两个波导臂输出的光信号同时对应于图5中的A点，当需要控制光开关转向“OFF”状态时，可以通过调制上述的单微环谐振腔，将其中一个波导臂输出的光信号调制到B点(称浅调制)，而将另一个波导臂输出的光信号调制到B’点(称深调制)，即可将光开关调成“OFF”状态。

图5是较理想条件下得到的响应曲线，虽然在实际的浅调制和深调制时响应曲线略有不同，可以通过将单微环谐振腔与波导臂之间设计成过耦合状态，使得深调制附加的损耗不会破坏过耦合条件，这样就可以使浅调制和深调制的响应曲线不会有太大差别。为了使的光开光的“OFF”状态更加精确，可以通过实际测量浅调制和深调制的响应曲线，并在浅调制和深调制的响应曲线与B点及B’点对应的状态点。正是因为本实施例可以通过实际测量响应曲线得到上述的状态点，针对不同波长的光信号可以采用分别得到不同的响应曲线，故而本实施例中的光开关对波长不敏感，并且本实施例只利用了波导臂和微环谐振腔耦合后其输出光信号的相位变化特性，并没有要求微环谐振腔需要工作在谐振点上，比图2中直接利用微环谐振腔的现有技术光开关所能应用的波长范围更大。

第二种调制方式，当光开关处于“ON”状态，可以让两个波导臂输出的光信号分别对应于图5中的A点和A’点。当需要控制光开关转向“OFF”状态时，可以通过调制上述的单微环谐振腔，即：其中一个微环谐振腔利用pn结注入或MOS结构的电荷积累(对应等效折射率下降)，使得对应波导臂输出的光信号调制到B点；而另一臂利用pn结反偏耗尽或MOS结构的耗尽(对应等效折射率上升)方式，使得对应波导臂输出的光信号调制到B’点。这种调制方式近似完全对称的双臂推挽工作方式，都处于浅调制，调制带来的附加损耗较小，控制方便。本实施例不能采用本征硅(i-Si)作波导材料，如采用1×1017的p型或n型硅材料，这样会增加波导的传输损耗。

采用上述的两种调制方式，所需要的调制功耗都可以控制在uW(微瓦)量级，特别是采用MOS结构的话。因为硅的载流子色散效应响应速度在纳秒量级以上，器件速度一般能方便达到纳秒量级，如通过结构的改进调制速度甚至可以达到ps(皮秒)量级。

由于本实施例需要对两个波导臂进行调制，而两个波导臂的参数可能会存在微小的差异，即使在微环谐振腔调制精确的前提下，两个波导臂输出的光信号可能还是会存在差异。为了弥补上述差异，需要考虑到制作的容差，具体的容差可以采用如下方式实现：在其中的一个波导臂上和分束器上设置一个利用热光效应的相位补偿器件，进行有效的弥补，最简单的方法就在直波导臂附近设计加热电极，利用硅材料的热光效应进行初始相位调制，由于热光效应几乎不会增加波导的传输损耗，可较方便调整该光开关初始的最佳状态。

如果光开关的制作精度可以保证，可以通过固定的相位补充器代替上述热光效应的相位补偿器件，例如：两个波导臂中的一个波导臂为弯曲波导或锥形波导；或者将所述两个波导臂制成长度不同的波导臂。

如图6所示，本实施例中光开关可以在顶层硅的厚度为几百纳米的SOI材料上制作，亚微米尺寸的硅基单模波导利用等离子干法刻蚀工艺来制作，并采用在氢气保护下进行高温退火，进而减小波导侧壁粗糙引起的损耗；在利用载流子浓度的色散效应的微环谐振腔上，可以通过pn结、p-i-n结或者MOS结构实现，pn结、p-i-n结引起的色散效应较强，而MOS结构制成的微环谐振腔需要的控制功耗最小。

实施例3：

本实施例采用了一些器件的替换，主要是将2X2型分束器替换成了2X1型分束器，即可实现门开关的功能，也属于光开关的一种，有时本实施例中的门开关也可以称为光调制器。

如图7所示，该光调制器的结构和图4中光开关的结构基本相同，唯一区别就是本实施例中的输出分束器为一个2X1型分束器，而不是一个2X2型分束器。由于只是输出分束器上发生了改变，所以，两个波导臂输出光信号的响应图还和图5一样，这样，在本实施例中的光开关的具体工作状态描述如下：

如果让两个波导臂输出的光信号分别对应于图5中的A点和A’点，则两个波导臂输出光信号之间的相位差为π的偶数倍，并且两个波导臂输出的光信号的功率相等，当这两个光信号在图7中的2X1型分束器中耦合后，从2X1型分束器的输出端输出，相当于本实施例中的光调制器处于“ON”状态，由于上述“ON”状态时，两个波导臂输出光信号的功率最高，保证了“ON”状态的附加损耗较低。一般情况下，要使得所述两个波导臂输出的光信号相位差为π的偶数倍，需要光信号在所述微环谐振腔中发生谐振，并谐振后耦合到对应的波导臂中传输。

如果让两个波导臂输出光信号分别对应于图5中的B点和B’点，则两个波导臂输出光信号之间的相位差为π的奇数倍，并且两个波导臂输出的光信号的功率相等，当这两个光信号在图7中的2X1型分束器中耦合后，将不会输出光信号，相当于本实施例中的光调制器处于“OFF”状态。由于“OFF”状态只需要保证B点和B’点的相位相差π的奇数倍，由两个波导臂输出光信号同时调制产生π的奇数倍的相位差，相对于现有技术中只调制一个波导臂的光信号而言，本实施例中的调制π的奇数倍的相位差更为容易。

上述的“ON”状态和“OFF”状态共同实现了门开关的功能，即实现了光调制器的功能。

为了能够让本实施例中的光开关能够有多种变化，在实际制作时，由于所选2X1型分束器的不同，可以改变“ON”状态和“OFF”状态的条件，例如：如果两个波导臂输出光信号分别对应于图5中的B点和B’点，则两个波导臂输出光信号之间的相位差为π的奇数倍，2X1型分束器的输出端则会输出光信号；如果波导臂输出的光信号分别对应于图5中的A点和A’点，则两个波导臂输出光信号之间的相位差为π的偶数倍，则2X1型分束器的输出端不会输出光信号。

本实施例中对与波导臂输出光信号的调制过程，也可以和实施例2中的情况一样分为两种不同的调制过程。

上述实施例中所用的微环谐振腔一般为圆环形谐振腔，在实际运用时，微环谐振腔有很多种变型，例如：跑道形、椭圆形、蝶形或者铜钱形，具体见图8至图11。

在上述实施例2和实施例3中均采用了单微环谐振腔，但由于单个微环谐振腔的谐振特性，导致波导臂输出光信号在相位变化快的地方，同时光信号的功率变化也非常显著，这将直接导致该波导臂和单微环谐振腔通过光信号的带宽较小。

为了提高带宽，本实施例还可以采用如下几种方式提高带宽：

(1)如图12所示，本实施例中的每组微环谐振腔包括在垂直于波导臂的方向通过耦合的方式级联有至少一个微环谐振腔，这种级联称为并联，通过微环谐振腔的并联可以提高波导臂通过光信号的带宽。

(2)如图13所示，所述每组微环谐振腔包括在波导臂平行的方向与波导臂耦合的至少一个微环谐振腔，并且微环谐振腔之间不耦合，这种多个微环谐振腔和波导臂耦合的情况称为串联，同样能够提高波导臂通过光信号的带宽。

(3)如图14所示，在所述每组微环谐振腔包括至少三个按照网状结构耦合的微环谐振腔，这种网状耦合的微环谐振腔，需要考虑最后光信号输出的方向是否能够输出到输出分束器中。

本实施例主要用在光通信中直接进行光交换和光路由的设备中，省去了光通信在进行交换路由时的光电转换和电光转换。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1、一种光开关，其特征在于，包括：

输入分束器，用于输入光信号；

输出分束器，用于输出光信号；

两个波导臂，连接在所述输入分束器和输出分束器之间，用于从输入分束器向输出分束器传输光信号；

两组微环谐振腔，分别与所述两个波导臂耦合，用于分别调整对应波导臂输出的光信号的相位。

2、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述微环谐振腔为采用载流子的等离子色散效应制作的光电调制微环谐振腔。

3、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述微环谐振腔通过调整光信号在微环谐振腔中传输的等效光程，进而调整对应波导臂输出的光信号的相位。

4、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述两个波导臂中的光信号通过微环谐振腔调整相位后，两个波导臂中的光信号的相位相差为π的偶数倍时，所述两个波导臂输出光信号的强度相等；或者两个波导臂中的光信号的相位相差为π的奇数倍时，所述两个波导臂输出光信号的强度相等。

5、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述输入分束器为Y分叉波导、或者由定向耦合器或多模干涉器制成的1X2型分束器。

6、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于：

在所述两个波导臂输出的光信号相位差为π的偶数倍时；或者在所述两个波导臂输出的光信号相位差为π的奇数倍时，所述输出分束器的输出端输出光信号。

7、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于：

在所述两个波导臂输出的光信号相位差为π的偶数倍时，所述输出分束器的第一输出端输出光信号；

在所述两个波导臂输出的光信号相位差为π的奇数倍时，所述输出分束器的第二输出端输出光信号。

8、根据权利要求6或7所述的光开关，其特征在于，所述两个波导臂输出的光信号强度相等。

9、根据权利要求6或7所述的光开关，其特征在于，所述输出分束器为X结波导，或者由定向耦合器或多模干涉器制成的2X2型分束器。

10、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述每组微环谐振腔包括在垂直于波导臂的方向通过耦合的方式级联有至少一个微环谐振腔；或者

所述每组微环谐振腔包括在波导臂平行的方向与波导臂耦合的至少一个微环谐振腔，并且微环谐振腔之间不耦合；或者

所述每组微环谐振腔包括至少三个按照网状结构耦合的微环谐振腔。

11、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述两个波导臂中的一个波导臂上设置有相位补偿器。

12、根据权利要求11所述的光开关，其特征在于，所述相位补偿器为热光效应相位补偿器；或者

通过两个波导臂中的一个波导臂为弯曲波导或锥形波导实现所述相位补偿器；或者

通过两个波导臂长度不同实现所述相位补偿器。

13、根据权利要求1至7中任意一项或者10至12中任意一项所述的光开关，其特征在于，所述微环谐振腔为圆形或跑道形或椭圆形或蝶形或铜钱形。

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