CN105182568A - 一种低损耗超宽带的热光开关 - Google Patents
一种低损耗超宽带的热光开关 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105182568A CN105182568A CN201510655177.XA CN201510655177A CN105182568A CN 105182568 A CN105182568 A CN 105182568A CN 201510655177 A CN201510655177 A CN 201510655177A CN 105182568 A CN105182568 A CN 105182568A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- power
- coupling mechanism
- input
- output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0147—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on thermo-optic effects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种低损耗超宽带的热光开关。第一输入波导、第二输入波导经第一功率均分耦合器后分别与第一连接波导、第二连接波导连接,第一连接波导、第二连接波导经第二功率均分耦合器后分别第一输出波导和第二输出波导连接,第一连接波导、第二连接波导的上方设有用于加热波导的第一加热电极和第二加热电极,第二功率均分耦合器相对于第一功率均分耦合器呈旋转对称,第一功率均分耦合器旋转后与第二功率均分耦合器排布结构相同,本发明具有小尺寸、低损耗、高带宽的优点。
Description
技术领域
本发明涉及了一种平面光波导集成器件,尤其是涉及了一种低损耗超宽带的热光开关。
背景技术
光通信在长距离通信领域取得了巨大成功。随着光通信技术的日益发展,人们对通信容量的需求也日益增长。这对光网络结构也提出了更高的要求。能够根据当前网络中具体情况灵活智能地进行光信号切换甚至路由就显得尤为重要。具体地,在各个光网络节点上,光交叉连接器、光上下路器等光控制模块就成为一切的基础。光开关作为控制光信号的最基本器件单元,更是重中之重。往往在一个光控制模块中,会包含几十、甚至上百个光开关。因此单个光开关的性能将直接影响整个模块的工作性能。
对于单个光开关,其插入损耗特性往往容易被忽视。但是作为基础器件单元,大量光开关的级联使用实际上对光开关的插入损耗提出了非常高的要求。另一方面,波分复用(WDM)技术作为通信系统中的核心技术,对光开关的带宽也提出了很高的要求。具有超高带宽的光开关,仅采用同一个设计,就能够同时实现各个WDM波长的切换和路由。这将大大简化器件的设计过程,同时也能够减少器件制作中可能带来的误差变量,提高制作成品率。因此,研制低损耗大带宽的光开关具有至关重要的意义。
硅基光开关器件由于其具有超紧凑结构以及兼容CMOS工艺等优点,在光互联系统备受关注。目前硅基光开关主要有基于热光效应和基于载流子吸收效应两种开关调谐手段。基于载流子吸收效应的光开关具有速度快,驱动电压小等特点,但其开关作用距离较长,这进一步增大了由于载流子吸收引起的额外损耗。相比之下,热光调谐开关具有设计简单、制作方便、功耗低、损耗小等等突出优点。从结构上来说,基于马赫曾德干涉仪(MZI)结构的2×2光开关是最常用的光开关基本单元。为获得大带宽光开关,最为关键的部分是实现具有超大带宽的功率均分耦合器。人们往往采用基于多模干涉(MMI)结构的功率均分耦合器,该类型器件尽管具有较大的工艺容差,但存在较大的固有损耗,且带宽有限,特别是难以用于实现大端口光开关阵列。方向耦合器(DC)结构是另一种功率均分耦合器,其固有损耗几乎为零,具有极低的附加损耗,但是其性能对波长较为敏感。
为克服这些问题,一种方案是采用级联MZI结构并通过对其耦合系数和相位进行精确控制从而获得较大工作带宽。其缺点则是器件尺寸较长,且需要控制变量较多,制作难度较大。另一种方案是采用非对称方向耦合器(ADC)结构,通过非对称波导宽度的设计、并引入位相控制区域实现较大工作带宽,其缺点是其性能对耦合区的波导宽度非常敏感,且设计不够灵活。总而言之,亟需发展一种结构简单、低损大、大带宽的新型光开关。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题,本发明目的在于提供一种低损耗超宽带的热光开关,具有重要应用价值。
本发明采用的技术方案是:
本发明包括第一输入波导、第二输入波导、第一功率均分耦合器、第一连接波导、第二连接波导、第一加热电极、第二加热电极、第二功率均分耦合器、第一输出波导和第二输出波导;第一输入波导、第二输入波导经第一功率均分耦合器后分别与第一连接波导、第二连接波导连接,第一连接波导、第二连接波导经第二功率均分耦合器后分别与第一输出波导和第二输出波导连接,第一连接波导、第二连接波导的上方设有用于加热波导的第一加热电极和第二加热电极;第二功率均分耦合器相对于第一功率均分耦合器呈旋转对称,第一功率均分耦合器旋转180°后与第二功率均分耦合器排布结构相同,使得第一输入波导的入射光被第一功率均分耦合器分成两束光并分别经由第一连接波导、第二连接波导后最终到达第二输出波导处。
所述的第一输入波导与第二输入波导分别与第一功率均分耦合器的第一输入端口和第二输入端口相连,第一功率均分耦合器的第一输出端口和第二输出端口分别经第一连接波导、第二连接波导与第二功率均分耦合器的第二输出端口和第一输出端口相连接,第二功率均分耦合器的第二输入端口和第一输入端口分别与第一输出波导和第二输出波导相连接,第一加热电极和第二加热电极分别位于第一连接波导和第二连接波导正上方。
所述的第一加热电极或第二加热电极与外部电源相连,将外部注入的电能转化为热能,并向下传递至第一连接波导或第二连接波导的芯区,通过其温度的调控,实现其位相的调控。
所述的第一功率均分耦合器、第二功率均分耦合器均采用弯曲定向耦合器。
所述第一输入波导、第二输入波导、第一功率均分耦合器、第一连接波导、第二连接波导、第二功率均分耦合器、第一输出波导、第二输出波导均采用硅基条形光波导或硅基脊形光波导的波导结构。
所述的第一加热电极和第二加热电极相对称,以实现第一连接波导和第二连接波导的光强平衡。
所述的各个输入波导、输出波导和连接波导均是可逆的。
本发明具有的有益效果是:
本发明实现了一种新型光开关,具有结构简单、设计灵活等优点,具备低损耗、超带宽、高消光比等优异性能,可实现大端口光开关阵列,在未来可重构智能光网络中得以应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明功率均分耦合器采用弯曲方向耦合器的实施例图。
图3是本发明的实施例制成器件的示意图。
图4是实施例经测试的频谱响应图。
图中:1a、第一输入波导,1b、第二输入波导,2、第一功率均分耦合器,3a、第一连接波导,3b、第二连接波导,4a、第一加热电极,4b、第二加热电极,5、第二功率均分耦合器,6a、第一输出波导,6b、第二输出波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明的光开关包括第一输入波导1a、第二输入波导1b、第一功率均分耦合器2、第一连接波导3a、第二连接波导3b、第一加热电极4a、第二加热电极4b、第二功率均分耦合器5、第一输出波导6a和第二输出波导6b;第一输入波导1a、第二输入波导1b经第一功率均分耦合器2后分别与第一连接波导3a、第二连接波导3b连接,第一连接波导3a、第二连接波导3b经第二功率均分耦合器5后分别第一输出波导6a和第二输出波导6b连接,第一连接波导3a、第二连接波导3b的上方设有用于加热波导的第一加热电极4a和第二加热电极4b。
第二功率均分耦合器5相对于第一功率均分耦合器2呈旋转对称,第一功率均分耦合器2旋转180°后与第二功率均分耦合器5排布结构相同,使得第一输入波导1a的入射光被第一功率均分耦合器2分成两束光并分别经由第一连接波导3a、第二连接波导3b后最终到达第二输出波导6b处,具有零光程差,即第二输出波导6b处接收到的两束光的干涉级次为0,以降低波长相关性从而获得大带宽。
如图2所示,第一功率均分耦合器2和第二功率均分耦合器5均有位置相同的第一输入端口、第二输入端口、第二输出端口和第一输出端口。第一输入波导1a与第二输入波导1b分别与第一功率均分耦合器2的第一输入端口和第二输入端口相连,第一功率均分耦合器2的第一输出端口和第二输出端口分别经第一连接波导3a、第二连接波导3b与第二功率均分耦合器5的第二输出端口和第一输出端口相连接,第二功率均分耦合器5的第二输入端口和第一输入端口分别与第一输出波导6a和第二输出波导6b相连接,第一加热电极4a和第二加热电极4b分别位于第一连接波导3a和第二连接波导3b上方的硅片。
第一加热电极4a和第二加热电极4b与外部电源相连,将外部注入的电能转化为热能,并向下传递至第一连接波导3a、第二连接波导3b的芯区的硅纳米线波导处,实现对硅波导加热的温度调控,实现其位相的调控。
如图2所示,第一功率均分耦合器2、第二功率均分耦合器5均采用大带宽的弯曲定向耦合器。
第一输入波导1a、第二输入波导1b、第一功率均分耦合器2、第一连接波导3a、第二连接波导3b、第二功率均分耦合器5、第一输出波导6a、第二输出波导6b均采用硅基条形光波导或硅基脊形光波导结构等其它光波导结构。
第一加热电极4a和第二加热电极4b相对称,以实现第一连接波导3a和第二连接波导3b的光强平衡。
各个输入波导、输出波导和连接波导均是可逆的。
第一功率均分耦合器2将从入射到第一输入波导1a或者第二输入波导1b的光分别从其第一输入端口或者第二输入端口输入,然后以~50%:50%的功率比分配给连接到其第一输出端口和第二输出端口的第一连接波导3a和第二连接波导3b;第二功率均分耦合器5将从第一连接波导3a和第二连接波导3b输出的光分别从其第二输出端口和第一输出端口输入,然后各自按~50%:50%的功率比分配给连接到其第二输入端口和第一输入端口的第一输出波导6a或第二输出波导6b,并发生干涉。
考虑第一加热电极4a、第二加热电极4b均未施加电压或注入电流的情形:当入射光从第一输入波导1a输入时,第一输出波导6b处接收的两束光相干加强,而第二输出波导6a处接收的两束光相干相消,所有光将从第一输出波导6b输出;当入射光从第二输入波导1b输入时,第一输出波导6b处接收的两束光相干相消,而第二输出波导6a处接收的两束光相干加强,所有光将从第二输出波导6a输出。
若在第一加热电极4a或第二加热电极4b上施加电压或注入电流,使得第一连接波导3a上产生π相移,则:当入射光从第一输入波导1a输入时,第一输出波导6a处接收的两束光相干加强,而第二输出波导6b处接收的两束光相干相消,所有光将从第一输出波导6a输出;当入射光从第二输入波导1b输入时,第一输出波导6a处接收的两束光相干相消,而第二输出波导6b处接收的两束光相干加强,所有光将从第二输出波导6b输出。
本发明的具体实施工作过程为:
以器件中心波长为中心,超宽带波长范围内的光从第一输入波导1a输入,经过第一功率均分耦合器2后按~50%:50%的功率比分配到第一功率均分耦合器2的第一输出端口和第二输出端口,然后分别经由第一连接波导3a和第二连接波导3b入射到第二功率均分耦合器5的第二输出端口和第一输出端口。从这两个端口输入的光各自被第二功率均分耦合器5再次按~50%:50%的功率比分配到其第二输入端口和第一输入端口,最后分别经由第一输出波导6a或第二输出波导6b输出。
考虑到第一加热电极4a、第二加热电极4b均未施加电压或注入电流的情形:当入射光从第一输入波导1a输入时,第一输出波导6b处接收的两束光相干加强,而第二输出波导6a处接收的两束光相干相消,所有光将从第一输出波导6b输出;当入射光从第二输入波导1b输入时,第一输出波导6b处接收的两束光相干相消,而第二输出波导6a处接收的两束光相干加强,所有光将从第二输出波导6a输出。
若在第一加热电极4a或第二加热电极4b上施加电压或注入电流,使得第一连接波导3a上产生π相移,则:当入射光从第一输入波导1a输入时,第一输出波导6a处接收的两束光相干加强,而第二输出波导6b处接收的两束光相干相消,所有光将从第一输出波导6a输出;当入射光从第二输入波导1b输入时,第一输出波导6a处接收的两束光相干相消,而第二输出波导6b处接收的两束光相干加强,所有光将从第二输出波导6b输出。
下面给出一种低损耗超宽带的热光开关的具体实施例。
实施例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导:其芯层是硅材料,厚度为220nm、折射率为3.4744;其下包层材料是SiO2,厚度为2μm、折射率为1.4404;其上包层材料是SiO2,厚度为1μm、折射率为1.4404。
对于如图1所示的基于MZI结构的光开关,其相关参数为:输入光波导、连接光波导以及输出光波导宽度均为500nm。第一连接波导3a和第二连接波导3b的长度为100μm。两者正上方的细长加热电极宽度为2μm、长度为100μm。
对于如图2所示的弯曲定向耦合器,其相关参数为:内测、外侧的两条弯曲波导中心间距D=620nm,宽度均为W1=W2=500nm,弯曲半径各自为R1=35μm、R2=35.62μm,弯曲耦合区的角度为22度。
本实施例基于弯曲定向耦合器的2×2MZI光开关的结构如图3所示,实施例最后的测试频谱响应如图4所示。从图中可以看出,所研制的光开关在“开”和“关”两个状态下,在1520nm~1660nm范围内,其插入损耗约1dB,消光比20dB,实现了约140nm超高带宽的低损耗、高消光比的光开关,可见具有有益效果中所提到的突出技术效果。
上述实施例用如图4所示,来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:包括第一输入波导(1a)、第二输入波导(1b)、第一功率均分耦合器(2)、第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)、第一加热电极(4a)、第二加热电极(4b)、第二功率均分耦合器(5)、第一输出波导(6a)和第二输出波导(6b);第一输入波导(1a)、第二输入波导(1b)经第一功率均分耦合器(2)后分别与第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)连接,第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)经第二功率均分耦合器(5)后分别与第一输出波导(6a)和第二输出波导(6b)连接,第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)的上方设有用于加热波导的第一加热电极(4a)和第二加热电极(4b);
第二功率均分耦合器(5)相对于第一功率均分耦合器(2)呈旋转对称,第一功率均分耦合器(2)旋转180°后与第二功率均分耦合器(5)排布结构相同,使得第一输入波导(1a)的入射光被第一功率均分耦合器(2)分成两束光并分别经由第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)后最终到达第二输出波导(6b)处。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:所述的第一输入波导(1a)与第二输入波导(1b)分别与第一功率均分耦合器(2)的第一输入端口和第二输入端口相连,第一功率均分耦合器(2)的第一输出端口和第二输出端口分别经第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)与第二功率均分耦合器(5)的第二输出端口和第一输出端口相连接,第二功率均分耦合器(5)的第二输入端口和第一输入端口分别与第一输出波导(6a)和第二输出波导(6b)相连接,第一加热电极(4a)和第二加热电极(4b)分别位于第一连接波导(3a)和第二连接波导(3b)正上方。
3.根据权利要求1所述的一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:所述的第一加热电极(4a)或第二加热电极(4b)与外部电源相连,将外部注入的电能转化为热能,并向下传递至第一连接波导(3a)或第二连接波导(3b)的芯区,通过其温度的调控,实现其位相的调控。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:所述的第一功率均分耦合器(2)、第二功率均分耦合器(5)均采用弯曲定向耦合器。
5.根据权利要求1所述的一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:所述第一输入波导(1a)、第二输入波导(1b)、第一功率均分耦合器(2)、第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)、第二功率均分耦合器(5)、第一输出波导(6a)、第二输出波导(6b)均采用硅基条形光波导或硅基脊形光波导的波导结构。
6.根据权利要求1所述的一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:所述的第一加热电极(4a)和第二加热电极(4b)相对称,以实现第一连接波导(3a)和第二连接波导(3b)的光强平衡。
7.根据权利要求1~6任一所述的一种低损耗超宽带的热光开关,其特征在于:所述的各个输入波导、输出波导和连接波导均是可逆的。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510655177.XA CN105182568B (zh) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | 一种低损耗超宽带的热光开关 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510655177.XA CN105182568B (zh) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | 一种低损耗超宽带的热光开关 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105182568A true CN105182568A (zh) | 2015-12-23 |
CN105182568B CN105182568B (zh) | 2018-04-03 |
Family
ID=54904746
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510655177.XA Active CN105182568B (zh) | 2015-10-12 | 2015-10-12 | 一种低损耗超宽带的热光开关 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105182568B (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108627919A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-09 | 浙江大学 | 一种偏振不敏感的硅基光开关 |
CN112216937A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-01-12 | 中国电子科技集团公司第九研究所 | 法拉第旋转开关 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02232631A (ja) * | 1989-03-07 | 1990-09-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 導波路型光スイッチ |
CN1651950A (zh) * | 2004-01-26 | 2005-08-10 | 林克斯光化网络公司 | 平面光波电路中的高容限宽带光开关 |
US20110013195A1 (en) * | 2009-07-15 | 2011-01-20 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Polarization independent optical device |
CN103293714A (zh) * | 2013-05-30 | 2013-09-11 | 吉林大学 | 具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关及其制备方法 |
-
2015
- 2015-10-12 CN CN201510655177.XA patent/CN105182568B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02232631A (ja) * | 1989-03-07 | 1990-09-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 導波路型光スイッチ |
CN1651950A (zh) * | 2004-01-26 | 2005-08-10 | 林克斯光化网络公司 | 平面光波电路中的高容限宽带光开关 |
US20110013195A1 (en) * | 2009-07-15 | 2011-01-20 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Polarization independent optical device |
CN103293714A (zh) * | 2013-05-30 | 2013-09-11 | 吉林大学 | 具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关及其制备方法 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108627919A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-09 | 浙江大学 | 一种偏振不敏感的硅基光开关 |
CN112216937A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-01-12 | 中国电子科技集团公司第九研究所 | 法拉第旋转开关 |
CN112216937B (zh) * | 2020-12-02 | 2021-02-19 | 中国电子科技集团公司第九研究所 | 法拉第旋转开关 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105182568B (zh) | 2018-04-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103293715B (zh) | 一种基于微环-马赫曾德尔干涉仪结构的电光调制器 | |
CN103487889A (zh) | 基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构 | |
US10197818B2 (en) | Thermo-optic optical switch | |
JP2009258527A5 (zh) | ||
CN102540505A (zh) | 基于对称垂直光栅耦合的soi基电光调制器 | |
Kita et al. | Ultrafast silicon MZI optical switch with periodic electrodes and integrated heat sink | |
CN110286444A (zh) | 一种基于相变材料的可重构微环光开关 | |
CN112180624B (zh) | 基于相变材料的非易失可重构集成光耦合器及其调谐方法 | |
CN111736403B (zh) | 一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪 | |
CN110456528A (zh) | 一种双波导耦合式的等离子电光调制器 | |
CN217181269U (zh) | 一种基于相变材料的2×2光波导开关 | |
Gosciniak | Ultra-compact nonvolatile plasmonic phase change modulators and switches with dual electrical–optical functionality | |
CN105182568A (zh) | 一种低损耗超宽带的热光开关 | |
CN110221385A (zh) | 一种基于石墨烯的波导集成的多模电光调制器及制作方法 | |
CN107346047B (zh) | 一种光开关 | |
CN104393926A (zh) | 一种用于模式复用-波分复用发射模块 | |
CN103439806A (zh) | 一种反射式热光可调光衰减器 | |
CN104865772B (zh) | 一种基于微环谐振器的三值光学可逆逻辑器件 | |
Govdeli et al. | On-chip switch and add/drop multiplexer design with left-handed behavior in photonic crystals | |
Li et al. | Si racetrack modulator with III-V/Si hybrid MOS optical phase shifter | |
Soref | Phase-change materials for Group-IV electro-optical switching and modulation | |
CN112904479B (zh) | 一种基于反向Fano耦合微环的光开关 | |
CN104503185B (zh) | 一种基于微环谐振器的二进制光学减法器 | |
CN110412779A (zh) | 基于石墨烯-硅波导紧凑型y分叉宽带双模光开关 | |
CN112130352A (zh) | 一种光开关 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |