CN105589222A - 一种具有调制功能的双芯光纤光开关 - Google Patents

一种具有调制功能的双芯光纤光开关 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤通信与光纤传感领域，特别涉及一种具有调制功能的双芯光纤光开关。一种具有调制功能的双芯光纤光开关，包括输入部分、V型槽、电光调制部分和输出部分；输入部分是单模单芯入射光纤；电光调制部分包括铌酸锂衬底、刻在铌酸锂衬底上的光波导、V型槽、金属电极、直流电源、在铌酸锂上刻有1×2耦合器和2×2耦合器；输出是双芯光纤；电极熔嵌在铌酸锂晶体中，条形电极分布在条形光波导两侧，偏置电极位于2×2耦合器一个臂的两侧。本发明采用电光调制方法进行光纤开关光路切换，具有无运动件、开关速度快、消光比高等优点。

Description

一种具有调制功能的双芯光纤光开关
技术领域
本发明属于光纤通信与光纤传感领域，特别涉及一种具有调制功能的双芯光纤光开关。
背景技术
伴随着光纤通信事业的不断发展，光纤通讯理论也在不断深化。光纤通讯技术快速发展到来了通信事业的革命性变革，它把人类带入一个全新的信息化时代。作为光纤通信核心器件的光开关的应用市场是十分巨大的。光开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。
人们对光开关的研究具有很长的历史，目前，在光传送网络中，各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛的提出，具有不同的特性，适合不同的场合。专利CN101174004A和专利CN103487893A公开发明了一种机械式开关，靠光纤或光学元件移动，使光路发生变化，以达到切换光路的目的，机械式开关具有插损低、隔离度高、不受偏振和波长影响等优点，但是它响应速度慢、体积大、受机械结构限制严重。专利CN104459895A公开发明了一种MEM光开关，在一定程度上解决了机械光开关的缺陷，利用微镜的机械转动实现开关功能，开关速度加快，但是任何的机械摩擦、磨损及外部振动都使其可靠性降低，而且驱动非常的复杂，成本较高。专利CN104678594A公开发明了一种微光纤开关，基于热对流效应制作的，吸收膜对控制光进行吸收后产生了一个热源，使得热体内部有了明显的温度梯度，从而形成的热对流场实现微光纤的耦合，进而达到光开关的作用，这种光纤开关，虽然实现了体积小，重复性高等优点，但是在耦合区镀吸收膜技术难以实现，精确度低，可靠性较差。专利CN101859034公开发明了一种全光纤开关，但是由于光子不带电，无法像电子学那样直接实现以光控光，只能采用非线性光学间接方法。对于实用的光开关，要求控制光的功率小于或接近信号光功率。一般光通信的信号光功率在毫瓦以下，因此要求光开关的阈值开关功率至少在毫瓦级水平。而且要求开关的时间达到皮秒以下，但是目前研究的全光纤开关还不能同时达到这个两个指标。
随着科学技术的发展，铌酸锂晶体由于具有大的电光、声光及非线性光学系数，材料的化学性能稳定，被广泛用于制备各种光波导器件，成为集成光学系统中最常用的无机介电晶体材料。近年来，在单一铌酸锂集成光学芯片上制作含有光源、调制器、光开关的集成光学器件使人们研究探索的重要方向。光调制器、光开关等器件成为研究的热点，本发明提出的具有调制功能的双芯光纤光开关，为以单根光纤作为集成系统的光通信和光纤传感技术提供了重要的关键器件。
本发明专利提出的具有调制功能的双芯光纤光开关，是一种典型的马赫-曾德尔干涉仪型光开关，注入电流改变波导臂的折射率，从而使光程相应变化以达到相干增强或抵消，实现开关的目的。目前尚未有利用这种方式构建的光纤光开关。
发明内容
本发明的目的在于将铌酸锂电光相位调制技术与光纤干涉技术相结合，实现一种具有调制功能的双芯光纤光开关。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有调制功能的双芯光纤光开关，包括输入部分、V型槽、电光调制部分和输出部分；输入部分是单模单芯入射光纤；电光调制部分包括铌酸锂衬底、刻在铌酸锂衬底上的光波导、V型槽、金属电极、直流电源、在铌酸锂上刻有1×2耦合器和2×2耦合器；输出是双芯光纤；电极熔嵌在铌酸锂晶体中，条形电极分布在条形光波导两侧，偏置电极位于2×2耦合器一个臂的两侧。
采用质子交换法制作光波导和1×2耦合器、2×2耦合器，V型槽采用铌酸锂晶体制作。
金属电极分为条形电极和偏置电极；电极分为阳极和阴极。
输出光纤采用对称式双芯光纤。
输出光纤采用七芯结构的光纤。
本发明的有益效果在于：
采用电光调制方法进行光纤开关光路切换，具有无运动件、开关速度快、消光比高等优点。本发明提出的具有调制功能的双芯光纤开关，以铌酸锂晶体为基片，采用技术成熟的质子交换工艺制作条形波导，稳定性好、集成度高，而且对波长无选择性；工艺简单，易于制造。
附图说明
图1是具有调制功能的双芯光纤开关结构图；
图2A是具有调制功能对称双芯1×2双芯光纤开关示意图；
图2B是具有调制功能偏双芯1×2双芯光纤开关示意图；
图3是对称双芯光纤端面图；
图4是七芯光纤端面图；
图5是一种基于该调制功能的1×3光纤开关示意图；
图6是一种基于该调制功能的1×3混合式Mach-Zehnder光纤开关示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述：
本发明提供的是具有调制功能的双芯光纤光开关。其结构包括：输入端、V型槽、电光调制部分、输出端。输入端为入射单模单芯光纤；V型槽采用铌酸锂晶体制作；电光调制部分包括：铌酸锂衬底、光波导、金属电极、直流电压源；输出光纤为双芯对称单模光纤；在铌酸锂衬底上采用质子交换工艺刻有1×2耦合器和2×2耦合器，将输入光纤和输出光纤很好的连接起来。金属电极包括条形电极和偏置电极，金属电极分为阴极和阳极；条形电极分布于铌酸锂晶体光波导两侧，偏置电极分布于2×2耦合器的一个臂的两侧。直流电源连接在金属电极之间；实现对任意一路光路的调制。本发明是一个1×2光纤开关，还可以扩展成1×3光纤开关和1×3混合式Mach-Zehnder光纤开关。本发明具有开关时间短，速度快，无可移动部件，重复率高，寿命长等优点。
本发明是一种1×2的光纤开关，还还可以扩展成1×3光纤开关和1×3混合式Mach-Zehnder光纤开关。
本发明还可以包括：
1.输出光纤可以采用七芯结构的光纤如图4所示。
本发明的目的是这样实现的：
其结构包括：输入端、V型槽、电光调制部分、输出端。输入端为入射单模单芯光纤；V型槽采用铌酸锂晶体制作；电光调制部分包括：铌酸锂衬底、光波导、金属电极、直流电压源；输出光纤为双芯对称单模光纤；在铌酸锂衬底上采用质子交换工艺刻有1×2耦合器和2×2耦合器，将输入光纤和输出光纤很好的连接起来。金属电极包括条形电极和偏置电极，金属电极分为阴极和阳极；条形电极分布于铌酸锂晶体光波导两侧，偏置电极分布于2×2耦合器的一个臂的两侧。直流电源连接在金属电极之间；实现对任意一路光路的调制，实现光路的切换。
如图1所示，具有调制功能的1×2双芯光纤开关。
具有调制功能的双芯光纤开关由具有光学效应的铌酸锂衬底1，形成在该衬底上的两路光波导2，分布于条形光波导两侧的调制电极3，用于输入的双芯光纤4、V型槽5、陶瓷基板6、对出射光进行引导的对称双芯光纤7如图3所示、2×2光波导耦合器8、分布于2×2光波导耦合器单臂上的偏置电极9和1×2光波导耦合器10构成。金属阴极和阳极对称分布于光波导两侧；在金属阳极和阴极直接接入直流电压源，实现对其中任意一个纤芯的电光相位调制。利用公知的铌酸锂电光效应特性，采用质子交换工艺制作条形波导对光进行传输，在电极施加直流电压源，导致铌酸锂晶体折射率发生改变，进而导致光的相位发生改变，实现了对任意一根光纤的相位调制。整个结构为Mach-Zenhder光纤干涉仪，利用直流电压源调制其中一个干涉臂的光程，可实现光从输出端口7-1或输出端口7-2的完全输出，另一端口完全截止，从而实现光从输入端到输出端的1×2光开关功能。
扩展实施例1
如图5所示，一种基于该调制功能的1×3光纤开关，其结构由由具有光学效应的铌酸锂衬底1，形成在该衬底上的三路光波导2，分布在三条条形光波导两侧的调制电极3，用于输入的单模单芯光纤4、对出射光进行引导的三芯光纤7、3×3光波导耦合器8、分布于3×3光波导耦合器单臂上的偏置电极9和1×3光波导耦合器10构成。金属阴极和阳极对称分布于光波导两侧；在金属阳极和阴极直接接入直流电压源，实现对其中任意一个光路的电光相位调制。利用公知的铌酸锂电光效应特性，采用质子交换工艺制作光波导对光进行传输，在电极施加直流电压源，导致铌酸锂晶体折射率发生改变，进而导致光的相位发生改变，实现了对任意一根光纤的相位调制。通过控制条形电极3和偏置电极9可实现光从输出端口7-1、7-2、7-3的输出，一端口输出或者两端口同时输出，从而实现光从输入端到输出端的1×3光开关功能。调节简单、方便灵活。
扩展实施例2
如图6所示，一种基于该调制功能的1×3混合式Mach-Zehnder光纤开关，其结构由由具有光学效应的铌酸锂衬底1，形成在该衬底上的光波导2，分布在两条条形波导两侧的初级调制电极3，用于输入的单模单芯光纤4、对出射光进行引导的三芯光纤7、3×3光波导耦合器8、分布于3×3光波导耦合器单臂上的偏置电极9、两个1×2光波导耦合器10和次级调制电极11构成。金属阴极和阳极对称分布于光波导两侧；在金属阳极和阴极直接接入直流电压源，实现对其中任意一个纤芯的电光相位调制。利用公知的铌酸锂电光效应特性，采用质子交换工艺制作光波导对光进行传输，在电极施加直流电压源，导致铌酸锂晶体折射率发生改变，进而导致光的相位发生改变，实现了对任意一根光纤的相位调制。通过控制初级电极3、偏置电极9和次级电极11可实现光从输出端口7-1、7-2、7-3的输出，整个结构是一种混合式Mach-Zehnder干涉仪，利用其中的直流电压源调制其中的干涉臂的光程，实现1×3混合式Mach-Zehnder光纤开关功能。操作简单灵活多样，能很好地实现光纤开关的工能。

Claims (5)

1.一种具有调制功能的双芯光纤光开关，包括输入部分、V型槽、电光调制部分和输出部分；其特征在于：输入部分是单模单芯入射光纤；电光调制部分包括铌酸锂衬底、刻在铌酸锂衬底上的光波导、V型槽、金属电极、直流电源、在铌酸锂上刻有1×2耦合器和2×2耦合器；输出是双芯光纤；电极熔嵌在铌酸锂晶体中，条形电极分布在条形光波导两侧，偏置电极位于2×2耦合器一个臂的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种具有调制功能的双芯光纤光开关，其特征在于：采用质子交换法制作光波导和1×2耦合器、2×2耦合器，V型槽采用铌酸锂晶体制作。
3.根据权利要求1所述的一种具有调制功能的双芯光纤光开关，其特征在于：金属电极分为条形电极和偏置电极；电极分为阳极和阴极。
4.根据权利要求1所述的一种具有调制功能的双芯光纤光开关，其特征在于：输出光纤采用对称式双芯光纤。
5.根据权利要求1所述的一种具有调制功能的双芯光纤光开关，其特征在于：输出光纤采用七芯结构的光纤。
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