CN101726801B - 一种光开关装置的控制方法和光开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供了一种光开关装置的控制方法和光开关装置，该方法及装置属于网络通信领域，该装置包括：输入波导、1*2分束器和两个输出波导；所述1*2分束器的输入端与所述输入波导相连，所述1*2分束器的两个输出端分别与所述两个输出波导相连；所述装置还包括：至少一个微环谐振器和设置至少两个耦合区；所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接。该装置及方法具有损耗小、消光比高的优点。

Description

一种光开关装置的控制方法和光开关装置

技术领域

本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种光开关装置的控制方法和光开关装置。

背景技术

随着通信的信息量的增加，由于“电子瓶颈”效应，采用传统的光电交换(OCS)技术已经表现出带宽利用率不高，速度受限等缺点，未来光通信网采用基于密集波分复用的网间协议(IP over DWDM)技术的趋势越来越明显，因此相应的高速交换技术需求也越来越迫切，采用全光的分组交换(Optical PacketSwitching，OPS)是发展方向。光开关是全光通信网络的关键器件，一直为人们关注。

现有技术提供了一种光开关装置，该装置如图1所示，包括：输入波导9、1*2分束器10、两个传输臂(为了叙述的方便，这里将两个传输臂分别定义为传输臂3、传输臂4)、两个相位调节器8、2*2分束器4和两个输出波导(为了叙述的方便，这里将两个输出波导分别定义为输出波导6、输出波导7)，输入波导9与1*2分束器10的输入端连接，1*2分束器10的两个输出端分别与传输臂3和传输臂4连接，传输臂3和传输臂4的另一端与2*2分束器4的两个输入端连接，2*2分束器4的两个输出端分别与输出波导6和输出波导7连接；两个相位调节器8分别设置在传输臂3和传输臂4上，并调节传输臂3和传输臂4的光信号的相位。

上述装置的工作原理为，该装置通过相位调节器8来控制传输臂3和传输臂4的光信号的相位，从而来控制输出波导6和输出波导7所输出光信号的强度。输出波导6和输出波导7输出光信号的强度的公式如下所示，这里定义输出波导6输出的光信号强度为I_A，输出波导7输出的光信号强度为I_B则：

$I_A=I_1\left({\mathrm{\φ}}_1\right)+I_2\left({\mathrm{\φ}}_2\right)+2\sqrt{I_1\left({\mathrm{\φ}}_1\right)I_2\left({\mathrm{\φ}}_2\right)}\cos [\mathrm{\Δ\φ}=({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)]$

$I_B=I_1\left({\mathrm{\φ}}_1\right)+I_2\left({\mathrm{\φ}}_2\right)-2\sqrt{I_1\left({\mathrm{\φ}}_1\right)I_2\left({\mathrm{\φ}}_2\right)}\cos [\mathrm{\Δ\φ}=({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)]$

其中φ₁为传输臂3光信号移相后的角度；φ₂传输臂4光信号移相后的角度；I₁为传输臂3光信号的强度，I₂为传输臂4光信号的强度。

下面以输出波导6为例来说明输出波导6为“开”态和“关”态时传输臂3和传输臂4光信号的角度和强度，从上述I_A的表达式可以看出，当φ₁和φ₂相等时，I_A输出为最大(这里假设I₁和I₂也相等)，即为输出波导6的“开”态；当φ₁和φ₂相差180度时，I_A输出为最小(这里假设I₁和I₂相等)，即为输出波导6的“关”态。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术存在如下问题：

由于现有技术是利用硅材料的载流子色散效应来实现光开关快速开关的，但载流子的等离子色散效应引起硅材料的折射率变化(对于波导传输就可转化的相位变化)的同时，伴随的吸收损耗也非常大；又由于调制引入的损耗变化严重传输臂3和传输臂4的光强的对称性，从而光开关的消光比很难提高。

发明内容

本发明实施方式提供一种光开关装置的控制方法和光开关装置，所述方法和装置具有损耗低、消光比高的优点。

本发明的具体实施方式提供一种光开关装置，所述装置包括：输入波导、1*2分束器和两个输出波导；所述1*2分束器的输入端与所述输入波导相连，所述1*2分束器的两个输出端分别与所述两个输出波导相连；所述装置还包括：

至少一个微环谐振器和设置至少两个耦合区；

所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接。

本发明具体实施方式还提供一种光开关装置的控制方法，包括：输入波导、1*2分束器和两个输出波导；所述1*2分束器的输入端与所述输入波导相连，所述1*2分束器的两个输出端分别与所述两个输出波导相连，还包括至少一个微环谐振器和设置的至少两个耦合区；所述方法包括：

所述输入波导将光信号输出给所述1*2分束器，所述1*2分束器将所述光信号分成两路光信号并在所述两个输出波导传输，所述两个输出波导传输的两路光信号分别在设置的两个耦合区输入所述微环谐振器，所述微环谐振用于调整两路光信号的相位和分束比，并将调整后的两路光信号通过所述两个输出波导的输出端输出。

由上述所提供的技术方案可以看出，本发明实施例的技术方案是通过采用了微环谐振器对光信号的相位进行调制，所以其具有损耗低、消光比高的优点。

附图说明

图1为现有技术提供的一种光开关装置的结构图。

图2为本发明具体实施方式提供的一种光开关装置的结构图。

图3为本发明具体实施方式提供的一种光开关装置方式B的结构图。

图4为本发明具体实施方式提供的一种光开关装置方式C的结构图。

图5为本发明具体实施方式提供的一种光开关装置方式D的结构图。

图6(a)为本发明具体实施方式提供的引入双光束干涉的微环谐振器的工作原理图。

图6(b)为本发明具体实施方式提供的耦合区241的示意图。

图7(a)为本发明具体实施方式提供的两个耦合区的强度直通比例的关系以及耦合区242的强度直通比例与所需的调制相位及两臂的偏置相位的关系。

图7(b)为本发明具体实施方式提供的耦合区242的强度直通比例与两个开关态的输出的关系。

图8(a)为本发明具体实施方式提供的不同波长下的光开关状态1-“开”(静态)的幅度响应。

图8(b)为本发明具体实施方式提供的不同波长下的光开关状态2-“关”的幅度响应。

具体实施方式

本发明实施方式提供了一种光开关装置，该装置如图2所示包括：输入波导21、1*2分束器22、两个输出波导23(为了叙述的方法，这里将两个输出波导定义为输出波导231和输出波导232)，该1*2分束器22的输入端与输入波导21相连，该1*2分束器22的两个输出端分别与两个输出波导23相连；该装置还包括：至少一个微环谐振器25和设置至少两个耦合区24(为了叙述的方法，这里将设置在输出波导231上的耦合区定义为耦合区241，将设置在输出波导232上的耦合区定义为耦合区242)，该两个输出波导分别在设置的至少两个耦合区24与微环谐振器25连接。其中，该装置中的微环谐振器调整光信号的相位，又调整光信号的分束比。该设置耦合区的实现方式可以为，在输出波导和微环谐振器上设置耦合区域，并通过设置在该耦合区域内输出波导和微环谐振器的间隔距离以及该间隔距离在输出波导上的长度即可实现光信号的耦合。该间隔距离以及该间隔距离在输出波导上的长度可以根据耦合区需要的实际耦合系数进行调整，其具体的调整方式可以参见《导波光学》中的相关描述。

可选的，该装置还可以包括相位补偿器26，该相位补偿器26设置在耦合区24与1*2分束器22之间的输出波导上；具体的设置可以为如图2所示的耦合区242与1*2分束器22之间；当然在实际情况中，也可以在耦合区241与1*2分束器22之间。该相位补偿器的实现方法可以为加热电极，其实现的原理为通过调整加热电极的温度来改变光信号在输出波导上的折射率，从而达到调整光信号相位的目的。

可选的，该装置还可以包括光相位调制器27，该光相位调制器27设置在微环谐振器25上，并调节通过该微环谐振器25的光信号的相位；其具体位置可以为微环谐振器25的任意位置，本发明具体实施方式并不局限其具体的位置。该光相位调制器的实现方法可以为，在光相位调制器的位置增加CMOS或PN结来实现。

上述两个输出波导分别通过设置的至少两个耦合区24与微环谐振器25连接的具体结果可以为下述方式中的任意一种：

方式A、如图2所示，输出波导231和输出波导232为交叉结构(其交叉处不影响两路光信号交叉通过)，该输出波导231在耦合区241与微环谐振器25连接，该输出波导232在耦合区242与微环谐振器25连接。

方式B、如图3所示，该方式在方式A的基础上增加相位补偿器32和设置一耦合区31，该输出波导232在耦合区242和耦合区31与微环谐振器25连接，该相位补偿器32设置在耦合区242和耦合区31之间的输出波导232上；输出波导231的连接方式不变。

方式C、如图4所示，该方式输出波导231和输出波导232为平行结构，该方式在方法A的基础上增加一微环谐振器25(为了叙述的方便，将微环谐振器25命名为微环谐振器251和微环谐振器252)；该输出波导231在耦合区241与微环谐振器251连接；该输出波导232在耦合区242与微环谐振器252连接，微环谐振器251与微环谐振器252在耦合区41连接，可选的，该微环谐振器25上还可以设置一个相位补偿器42，该相位补偿器42可以设置在微环谐振器251或微环谐振器252的任何位置。

方式D、如图5所示，该方式输出波导231和输出波导232为平行结构，该方式中的微环谐振器25为“8”型结构，该输出波导231在耦合区241与微环谐振器25连接，该输出波导232在耦合区242与微环谐振器25连接，可选的，该微环谐振器25上还可以设置一个相位补偿器51，该相位补偿器51可以设置在微环谐振器25的任何位置。

为了更好的说明本发明具体实施方式的技术效果，现结合本发明的工作原理和附图来说明本发明所达到的技术效果。

下面以图2的结构为例来说明本发明的工作原理，1X2功率分束器22将输入波导的输入信号光分成两束，并传递给两个输出波导231、232，两个输出波导分别在两个耦合区241、242将两束光信号耦合进微环谐振器25，两束光信号在微环谐振器25内产生干涉从而在两个输出波导的输出端实现光路的切换。为了更好的说明本发明的工作原理，下面通过计算来对本发明的工作原理进行详细的说明。

将图2去除分光束和输入波导部分，并做些变形即可以得到图6结构图，端口E2，E4分别对应与图2中的两个输出波导的输出端，为了叙述的方便，这里定义输出波导231的输出端为Output1；输出波导232的输出端为Output2。

如图6所示，如果不考虑两个耦合区的损耗则微环谐振器的两个耦合区可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_2\\ E_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{c}_1& -j{s}_1\\ -j{s}_1& c_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_5\end{array}\right];$ $\left[\begin{array}{c}{E}_4\\ E_8\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{c}_2& -j{s}_2\\ -j{s}_2& c_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_3\\ E_7\end{array}\right]$

这里，C_i为耦合区强度直通比例，S_i为耦合区强度耦合比例(无损耦合时，有C_i ²+S_i ²＝1)，由于图2中只有两个耦合区，所以这里的i＝1或2，并且可以得到

E₇＝AE₆，E₅＝BE₈，

这里传播常数β＝2πn_effλ，λ为工作波长，γ为光在微环谐振腔里绕行一周的场强剩余比例(γ＝1表示无损耗)，Lu为整个环的周长，m、n为两耦合区将微环谐振器分成的两部分的长度比例(因此有m+n＝1)，调制其中的一段波导，即可实现光路的“开”“关”状态的切换，为了叙述的方便，将“开”状态设定为状态1，“关”状态设定为状态2，当开关为状态1时，光信号由Output1输出，当开关为状态2时，光信号由Output2输出；

为两部分的相位。于是利用转移矩阵可以得到

$\frac{E_2}{E_1}=\frac{c_1-c_2\mathrm{AB}}{1-c_1{c}_2\mathrm{AB}},\frac{E_2}{E_3}=\frac{-s_1{s}_{2}A}{1-c_1{c}_2\mathrm{AB}}$

$\frac{E_4}{E_1}=\frac{-s_1{s}_{2}B}{1-c_1{c}_2\mathrm{AB}},\frac{E_4}{E_3}=\frac{c_2-c_1\mathrm{AB}}{1-c_1{c}_2\mathrm{AB}}$ 　　　　(1)

其中，因此两个输出端的电场强度E2和E4可以表示为由两束输入光E1和E3相干的结果

$E_2=\frac{(c_1-c_2\mathrm{AB})E_1-s_1{s}_{2}A{E}_3}{1-c_1{c}_2\mathrm{AB}},$ 　 $E_4=\frac{-s_1{s}_2{\mathrm{BE}}_1+(c_2-c_1\mathrm{AB})E_3}{1-c_1{c}_2\mathrm{AB}}---\left(2\right)$

如果在切换光路的时候，控制不输出光信号的那个输出端，使其输出达到最小，那么可以实现很高的消光比。当式2满足一定条件的时候(E₄＝0或E₂＝0时)，其中的一个输出端总可以实现最小输出，即输出值为零，得到很高的消光比。在合适的偏置下，使两输出波导的光信号的相位差满足一定的初始相位差Δ

时，即使针对调制时会产生大的损耗时，控制两个耦合区的耦合比例，两个输出端口中的一个总会有最小的输出，都可以实现高消光比。

下面以一个实例来说明如何获取高消光比，假设调制时引入的损耗与相位的关系为线性关系，假设调节

相位会引入4dB的损耗，取Y＝0.995(即微环谐振器的一圈损耗为0.044dB)，1X2分束器均匀功分输入信号，取耦合区分割微环谐振器的比例为m＝0.23，n＝1-m＝0.77，调制相位

使其成为

选择微环谐振器的周长为1000um，假设在工作频率上，微环谐振器有效折射率为3，

利用式1可以得到Output2输出为零的条件：

于是，通过设定合适的耦合区功率耦合比例，即如图7所示的耦合区242的c2与耦合区241的c1，可以使得式3成立，那么就意味着可以在确定的工作频率上实现状态1。因此由式1同理可以得到状态2，即Output2输出为零的条件：

于是结合式3与式4得到：

如果此时耦合区功率耦合比例又可以使得式5存在调制相位

，那么光开关可以实现至状态2的切换。

如图7(a)所示，c2在很大范围里都可以找到获得高消光比的条件，c1随着c2的增大而增大，这是因为要使耦合进微环谐振器的两个光信号相干；而要使其中一个输出端口的输出为零值，需要满足一定的功率比例，这个功率比例可以补偿微环谐振器本身的损耗，以及调制损耗和前端的分束器的不均匀功分；而所需的调制相位

d随着c2的增大而减小，这是因为随着耦合比例的减小，微环谐振器的Q_load值上升，在谐振点附近的相位变化增快，因此需要的调节量也就相应的减小；但是Output1随着c2的增加而减小，不过由于Output1的输出只受到处于初始状态的微环谐振器的损耗的影响，输出可以保持较大值，直到c2和c1趋近于“1”的时候，即输出波导与微环谐振器耦合很小时，才开始迅速减小，这也是因为Q_load值上升后，能量在微环谐振器的行进的时间增加，从而损耗掉，较少的耦合到输出波导；而Output2的输出存在着最大值(在c2＝0.9附近)，说明针对处于此条件的微环谐振器，要减小插入损耗，有最佳的设计位置；整个范围内，需要偏置的两臂的相位差Δ

基本保持不变。

于是控制耦合区241使得c1＝0.892则可以得到如图8(a)所示的光开关状态1-“开”(静态)特性，此时光由输出端1输出，然后通过在微环上的相位调制器调制φd＝-0.133π，便可以达到如图8(b)所示的光开关的状态2-“关”，此时光切换至Output2输出。由于“开”“关”两个状态的另一路输出都处于最小的零值，因此有很高的消光比。

本发明具体实施方式提供的光开关装置，由于其采用了微环谐振器对光信号的相位进行调制，所以其具有损耗小的优点，且具有消光比高的特点。

本发明具体实施方式还提供一种光开关装置的控制方法，包括输入波导、1*2分束器、两个输出波导、至少一个微环谐振器和设置的至少两个耦合区；该1*2分束器的输入端与该输入波导相连，该1*2分束器的两个输出端分别与该两个输出波导相连；该方法包括：该输入波导将光信号输出给该1*2分束器后，该1*2分束器将该光信号分成两路光信号并分别在两个输出波导上传输，两个输出波导上传输的两路光信号分别在两个耦合区输入该微环谐振器，该微环谐振将两路光信号的相位和分束比调整后，将调整后的两路光信号传输给两个输出波导，该两个输出波导将调整后的两路光信号通过输出端输出。

本发明具体实施方式提供的光开关装置的控制方法，由于其采用了微环谐振器对光信号的相位和分束比进行调制，所以其具有损耗小的优点，且具有消光比高的特点。并且通过对耦合区耦合比例的预先设计或微调，还可以适用于调制损耗大的场合。

综上所述，本发明具体实施方式提供的技术方案，具有损耗小、消光比高的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光开关装置，包括输入波导、1*2分束器和两个输出波导；所述1*2分束器的输入端与所述输入波导相连，所述1*2分束器的两个输出端分别与所述两个输出波导相连；其特征在于，所述装置还包括：

至少一个微环谐振器和设置至少两个耦合区；

所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接；

所述装置还包括：

光相位调制器，所述光相位调制器设置在所述微环谐振器上，并调节所述微环谐振器光信号的相位。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：至少一个相位补偿器，所述相位补偿器设置在所述输出波导上，并调节输出波导的光信号相位。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接具体包括：

一个微环谐振器和设置两个耦合区，所述两个输出波导交叉设置，并分别在所述设置两个耦合区与一个微环谐振器连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接具体包括：

一个微环谐振器、一个相位补偿器和设置的三个耦合区，第一输出波导在第一耦合区与微环谐振器连接，第二输出波导在第二耦合区和第三耦合区与微环谐振器连接，所述相位补偿器设置在所述第二输出波导上的第二耦合区和第三耦合区之间。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接具体包括：

二个微环谐振器和设置的三个耦合区，所述两个输出波导为平行设置，第一输出波导在第一耦合区与第一微环谐振器连接，第二输出波导在第二耦合区与第二微环谐振器连接，所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器在第三耦合区相连。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个输出波导分别在设置的耦合区与微环谐振器连接具体包括：

一个微环谐振器和设置的两个耦合区，所述两个输出波导平行设置，所述微环谐振器为“8”型结构，并分别在两个耦合区与两个输出波导连接。

7.一种光开关装置的控制方法，包括：输入波导、1*2分束器和两个输出波导；所述1*2分束器的输入端与所述输入波导相连，所述1*2分束器的两个输出端分别与所述两个输出波导相连，其特征在于，还包括至少一个微环谐振器和设置的至少两个耦合区，以及设置在所述微环谐振器上的光相位调制器；所述方法包括：

所述输入波导将光信号输出给所述1*2分束器，所述1*2分束器将所述光信号分成两路光信号并在所述两个输出波导传输，所述两个输出波导传输的两路光信号分别在设置的两个耦合区输入所述微环谐振器，所述微环谐振用于调整两路光信号的相位和分束比，并将调整后的两路光信号通过所述两个输出波导的输出端输出，且通过所述光相位调制器来调节所述微环谐振器光信号的相位。

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