CN101855595B - 低开关电压、快速响应数字光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字电光开关(1)，包括：电光基质(3)；Y形光波导(2)，形成于电光基质(3)中并且包括构造用以连接至输入光波导的输入分支(4)、以及构造用以连接至相应的输出光波导的两个输出分支(5)；以及导电电极(6、7)，形成于电光基质(3)上并且包括内电极(7)和两个外电极(6)，所述内电极(7)被设于输出分支(5)之间的大致在光波导(2)的分支区域，所述两个外电极(6)设于输出分支(5)外侧、内电极(7)的相对两侧，外电极(6)是电力可操作的使得电光开关(1)在第一开关状态与第二开关状态之间工作，在第一开关状态，光能的传输在输入分支(4)和输出分支(5)中第一分支之间是增强的，并且在输出分支(5)的第二分支中是大致抑制的，在第二开关状态，光能的传输在输入分支(4)和第二输出分支(5)之间是增强的，并且在第一输出分支(5)中是大致抑制的；以及透光导电薄膜(9)，其被设于每个电极(6、7)与基质(3)之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字光开关(DOS)，尤其是低开关电压、快速响应数字电力驱动光(电光)开关。
背景技术
众所周知，自电话和电报的发展初期以来，通讯信号通常是通过铜线和电缆传输的。但是近年来，越来越多的通讯信号以光束的形式通过光波导与光纤传输。多种外围设备已经开发出来，例如基于光波导的连接器和转换器。尤其是被称为集成光路的技术已广泛用于处理光通讯信号。采用这种技术，通讯信号以光束形式通过光波导传输，光波导形成于由电光材料(例如铌酸锂(LiNbO3))制成的基质中。
尽管集成光路如今已广泛用于传输信号，但是这种技术对于转换与路线选择功能的使用仍然受到制造具有充足特性与性能的光开关装置的困难程度的限制。在数字光开关中，在输入端接收光信号，并且将其选择地供应至一个或多个输出端。直至现在，已经发展了基于不同技术的数字光开关，尤其是微型机电系统(MEMS)、磁光及电光开关，后者的响应速度要比前者的快。
图1示出1×2数字电光开关的标准示例，示出光输入，输入光信号被提供至光输入；电输入，电力驱动信号以开关电压形式被提供至电输入以电力地驱动数字电光开关；以及两个光输出，输入光信号作为电力驱动信号的结果被选择地供应。图1还示出电光开关的阶跃响应功能，示出在光输出端光能与电力驱动信号相反。
EP0898197公开了已知的数字电光开关的一个例子并且在图2示出。数字电光开关1大致包括Y形光波导2，其形成于电光材料(例如铌酸 锂)的0.2-1mm厚的基质3(所示构造中沿X切定向)。
Y形光波导2包括在使用中构造为连接至输入光波导(未示出)的输入分支4、以及两个输出分支5，所述输出分支5在使用中构造为连接至相应的输出光波导(未示出)。输入光波导、输出波导、及Y形光波导2优选地为以常规方式(例如对于铌酸锂基质，选择性地扩散钛至基质本身)形成的单峰(monomodal)光波导。
数字电光开关1还包括电极结构，所述电极结构包括多个1-30μm厚的由金或类似金属以常规方式形成于基质3的表面上的导电电极，并且由此设置为可操作地结合至Y形光波导2以促使在输入分支4接收的光信号被选择地供应至两个输出分支5中的仅一个。特别地，电极结构被电力地驱动以使得数字电光开关1工作在两种开关状态之间：在第一开关状态，光能的传输在输入波导和第一输出波导之间是增强的，并且在第二输出波导中是大致抑制的，在第二开关状态，光能的传输在输入波导和第二输出波导之间是增强的，并且在第一输出波导中是大致抑制的。
更具体地说，所述电极结构被设置于光波导2的分支区域，并且包括设置于输出分支5之间的内电极7，以及两个外电极6，所述外电极6被设置于输出分支5外侧、对称于内电极7的相对两侧。
通常，电极间间距G0(相邻电极6、7之间的距离)的范围在4至20μm之间，每个电极6、7与光波导2的相邻的输出分支5之间的间距D0的范围在3至10μm之间，并且互作用长度L0(内电极7在外电极6之间的部分的长度)的范围在1至30mm之间。
内电极7通常接地，而在外电极6上交叉地加载开关电压以形成外电极6与内电极7之间的电场，所述电场穿过设置于所述电极之间的输出分支5，并且其方向横切于光信号在输出分支5中传播的方向，在参考的实施例(X切LiNbO3基质)中以平行于Z晶轴线的方向。
基质3的电光特性允许开关电压以相反方式改变输出分支5的折射率，即增加一个输出分支5中的折射率并且减小另一个输出分支5中的折射率。当达到阈值电场时，输入光信号仅供应至具有较高折射率的输 出分支5。
当流经数字电光开关1的光能并非完全地限制在光波导2中时，为了防止或最小化由于电极6、7对流出光波导2的剩余光能的吸收所造成的光损失，电极6、7是与光波导2相隔离的。通常，如图3所示，所述隔离通过0.1至1.0μm厚的连续电介质(SiO2)过渡层8得到保证，所述过渡层8形成于光波导2的分支区域、基质3的表面与电极6、7之间，并且延伸至电极6与7的整个长度。另外，在那些电介质过渡层8不会贡献于数字电光开关1的射频(RF)性能的应用中，没有电介质过渡层8形成于基质3的表面与电极6、7之间，并且确保隔离如图4所示，即将电极6、7比图3所示实施例更进一步远离光波导2设置，以减小光发散吸收。在该实施例中，电极间间距G0通常范围在4至20μm，并且每个电极6、7与光波导2的相邻的输出分支5之间的间距D0范围在3至10μm。
已知的数字电光开关的另一个例子由JP61198133公开。具体地，其公开了一种波导型光开关，包括形成于LiNbO3电光基质中的X形钛光波导；形成于邻近波导的基质上的两个L形电极；以及两层过渡层，分别通过复合在对光的吸收不会增加的范围内的导电材料(SnO2)和绝缘材料(SiO2)形成，并且所述两层过渡层分别地插入所述基质与一个电极之间、以及基质与另一个电极之间，因此抑制DC飘移的产生而不会增加光的损耗。
发明内容
申请人注意到，尽管上述类型的数字电光开关表现出比基于不同技术的数字光开关更快速的响应，但是它们需要更高的开关电压。实际上，光波导与电极的隔离限制了加载于光波导的有效电场、以及由此限制了所谓的数字电光开关的电光效应，并且所述限制通常通过适当地增加开关电压来抵消(compensated)。
而且，在具有电介质过渡层的数字电光开关中，电光效应被屏蔽效应进一步限制，所述屏蔽效应是由于电极与光波导之间存在电容耦合所产生的。实际上，光波导的形成(包括Ti沉积与扩散)通常会对基质晶体产生损害，并且生成自由电荷。当所述电极之间加载DC电压时，自由电荷运动到光波导的相邻的输出分支的表面，在输出分支与电介质过渡层接触的接触面，从而起电容作用，所述电容标记为图3中CB。该电容阻断自由电荷，因此导致对加载的开关电压的屏蔽效应。为了维持电光耦合(开关处于转换状态)的稳定，因此需要不断调整(DC飘移效应) 加载于电极之间的开关电压，因此补偿屏蔽效应。
由于电极与光波导的相邻的输出分支之间基质的原始晶体表面的存在，在电极与基质之间没有电介质过渡层的数字电光开关中也会发生较弱的DC飘移效应。由于并非完全绝缘(dielectricity)，该原始表面作为电容与电阻的并联起作用，在图4中标记为CS与RS，因此导致对加载的开关电压的较弱的屏蔽效应。
本发明的目的是提供一种改进的数字电光开关，其允许加载于电极的开关电压的显著降低并且完全抵消DC飘移效应。
该目标由本发明实现，其中本发明涉及所附权利要求所限定的数字电光开关。
本发明通过以下方式实现上述目标，通过去除图3所示的基质中的过渡层，并且在每个电极与电极之下的基质的表面之间形成透光材料与弱导电材料制成的薄膜，例如氧化铟锡(ITO)，每层薄膜都比其上的电极要宽一些，因此也部分地在光波导的相邻的输出分支之上延伸。如果数字电光开关的工作频率范围需要，过渡层也可以再次被引入电极与透光导电薄膜之间以减小电信号的传播速度，并且使其等于光信号的传播速度。在这种情况下，通过过渡层中形成的孔，电极被连接至透光导电薄膜。
基质与电极之间的此类薄膜的插入允许加载于外电极之间的开关电压的显著减小，为了加载于光波导的同样效力的电场，因此增强了数字电光开关的电光效应。此外，基质与电极之间的此类薄膜的插入允许屏蔽效应以及由此的DC飘移效应被完全抵消。
附图说明
为了更好的理解本发明，下面将仅以示例的方式而非限定地参照附图(全部未按比例)描述本发明，其中：
图1示出1×2数字电光开关的标准示意图及其响应函数；
图2示出现有的数字电光开关的示意图；
图3示出图1中数字电光开关部分的截面图及其电学动态模型；
图4示出现有的数字电光开关(电极下面没有过渡层)的截面图及其电学动态模型；
图5示出根据本发明的优选实施例的数字电光开关部分的截面图；
图6与图7示出根据本发明的不同实施例的数字电光开关部分的截面图；以及
图8示出本发明的数字电光开关的工作参数的列表。
具体实施方式
以下论述是确保本领域技术人员能够制造与使用本发明。并不背离本发明所要求保护的范围的对实施例所做的多种调整对本领域技术人员来说是明显的。因此，本发明并不限定为所示的实施例，而是对应所附权利要求所公开与限定的原理与特征相一致的最广泛的范围。
图5示出根据本发明的优选实施例的数字电光开关部分的截面图，其中与图3及图4中相同的附图标记及符号指定相同的元件，将不再描述。
如图5所示，并不形成电介质过渡层8，并且在每个电极(6、7)与下面的基质3的表面之间形成一薄层或薄膜9，所述薄层或薄膜9是由透光及弱导电性材料制成，例如氧化铟锡(ITO)。每层薄膜9的厚度为0.05至0.3μm并且其尺寸设置为使得薄膜间间距G1(相邻薄膜9之间的距离)小于电极间间距G0，并且具体地，基于工作波长，其范围在4至8μm之间。更具体地，每层薄膜9侧向延伸超过其上相应的电极6、7并且部分地覆盖光波导2的相邻的输出分支5。
图6示出本发明中数字电光开关1的不同实施例，其中每层薄膜9的宽度小于图5所示的宽度，因此薄膜9并不部分地覆盖光波导2的相邻的输出分支5延伸，而是在每层薄膜9与光波导2的相邻的输出分支5之间形成间距D1，范围在0至10μm。在本实施例中，基于工作波长，薄膜间间距G1的范围在8至20μm之间。
图7示出本发明的数字电光开关1的另一个实施例，其中，如果数字电光开关1的工作频率范围需要，则在每个电极(6、7)与其下透光导电薄膜9之间提供电介质(SiO2)过渡层8，以减小电信号的传播速度并使其等于光信号的传播速度。在本实施例中，通过形成于过渡层8中的过孔，电极6、7都连接至在它们下面的透光导电薄膜9。不同于图2和图3所示实施例中的过渡层8，其中连续的电介质过渡层8设置为在基质表面3上延伸，延伸超过光波导2，在这个不同的实施例中，电介质过渡层8仅设置于每个电极6、7与它们下面的薄膜9之间，并且因此并不延伸超过光波导2。如图7所示，每层过渡层8朝向光波导2的相邻的输出分支5侧向延伸超过相应的电极6、7，因此形成每层过渡层8与光波导2的相邻的输出分支5之间的间距D2，其范围是0至10μm。
图8示出本发明中数字电光开关1的多个工作参数的列表。
通过以上内容，可以立即理解，处在电极6、7下面的薄膜9的电光特性允许加载于外电极6之间的开关电压显著降低，为了加载于光波导2的输出分支5的相同效力的电场，因此增强数字电光开关1的电光效应。实际上，薄膜9的导电性、以及在图2、3与图4中的数字电光开关1中薄膜间间距G1小于电极间间距G0的实际情况，促使电场线在相邻的薄膜9之间延伸，而不是在相邻的电极6、7之间延伸，并且关于图2至图4所示的现有技术的数字电光开关1其中之一，使光波导2中的光场与加载的电场之间部分重叠情况的加剧。此外，由于薄膜9的透光性(允许光透过的特性)，它们不会吸收流经光波导2的输出分支5的剩余光能，因此不会逆作用于光波导2与电极6、7之间的隔离。
而且，薄膜9的导电性能够完全地抵消DC飘移效应。实际上，在光波导2形成期间产生的自由电荷由连接至电极6、7的外部电压电源所导出，因此抵消了任何的在光波导2的输出分支5的表面的电荷积聚(CS＝0)，并且因此抵消了任何的引起DC飘移效应的屏蔽效应。
最后，可以理解，在本发明所附权利要求所限定的范围内，可以对本发明做出多种调整和变化。
尤其，可以理解，本发明理论上还可以应用于任意类型的数字电光 开关、特别是应用于具有多于两个输出分支的数字电光开关，并且所述数字电光开关可操作地选择地将输入分支所接收的输入光信号供应至多于一个的输出分支。
而且，基质3能够由其它电光材料制成，例如钽酸锂(LiTaO3)或磷酸钛氧钾(KTP)。
Claims (9)
1.一种电光开关（1），包括：
X切电光基质（3）；
Y形光波导（2），其形成于所述基质（3）中，并且包括用以连接至输入光波导的输入分支（4），以及用以连接至相应的输出光波导的输出分支（5）；以及
导电的电极结构（6、7），形成于所述基质（3）上并且设置为用以可操作地结合至所述光波导（2）以使在所述输入光波导接收的光信号选择地供应至至少一个所述输出光波导；
其中所述电极结构（6、7）包括内电极（7）和外电极（6），所述内电极（7）设置于所述输出分支（5）之间，其大致处于所述光波导（2）的分支区域，所述外电极（6）设置于所述输出分支（5）外侧、内电极（7）的相对两侧；其中所述电极结构（6、7）可操作地使得所述电光开关（1）在第一开关状态与第二开关状态之间转换，在所述第一开关状态，光能的传输在所述输入分支（4）和所述输出分支（5）的第一分支之间是增强的，并且在所述输出分支（5）的第二分支中是大致抑制的，在所述第二开关状态，光能的传输在所述输入分支（4）和所述第二输出分支（5）之间是增强的，并且在所述第一输出分支（5）中是大致抑制的；
其特征在于，透光导电薄膜（9）设置于内电极（7）和外电极（6）中的每一个与所述基质（3）之间，并且尺寸设置为使得每对相邻透光导电薄膜（9）之间的薄膜间间距（G1）小于每对相邻的内电极（7）和外电极（6）之间的电极间间距（G0），
每层透光导电薄膜（9）尺寸设置为以部分地侧向覆盖所述光波导（2）的相邻输出分支（5）。
2.根据权利要求1所述的电光开关，其特征在于，每层透光导电薄膜（9）都被侧向间隔远离所述光波导（2）的相邻的输出分支（5）以形成它们之间的间距。
3.根据权利要求1所述的电光开关，其特征在于，每层透光导电薄膜（9）从其上的内电极（7）和外电极（6）向相邻的所述光波导（2）的输出分支（5）侧向延伸。
4.根据权利要求1所述的电光开关，进一步包括：
电介质过渡层（8），其设置于每层透光导电薄膜（9）与其上的相应的内电极（7）和外电极（6）之间；以及
每层透光导电薄膜（9）与其上的相应的内电极（7）和外电极（6）之间的电力连接。
5.根据权利要求4所述的电光开关，其特征在于，所述透光导电薄膜（9）通过形成于所述电介质过渡层（8）中的过孔，电力连接至相应的内电极（7）和外电极（6）。
6.根据权利要求4或5所述的电光开关，其特征在于，每层过渡层（8）朝向所述光波导（2）的相应相邻的输出分支（5）侧向延伸超过相应的内电极（7）和外电极（6）以形成它们之间的间距。
7.根据权利要求6所述的电光开关，其特征在于，所述电光基质（3）厚度为200至1000μm，内电极（7）和外电极（6）厚度为1至40μm，并且透光导电薄膜（9）厚度为50至300nm。
8.根据权利要求4所述的电光开关，其特征在于，所述电介质过渡层（8）厚度为0.2至2μm。
9.根据权利要求8所述的电光开关，其特征在于，所述薄膜间间距（G1）的范围是4至20μm，并且所述电极间间距（G0）的范围是10至40μm。
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