CN106371175A - 一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，由6个高效紧凑的2×2马赫‑曾德尔光开关构成，6个2×2光开关由两个十字形和四个弧形波导连接，由于单个开关结构和连接方式都是对称的，所以可以实现双向传输。每个2×2光开关都是由微纳沟槽、全反射镜、一个相移臂和一个参考臂构成的马赫‑曾德尔干涉仪结构，通过调节相移臂的施加电压值来改变每个开关的开关状态；所述的4×4光开关矩阵的单输入单输出路由控制方法，由通过穷举后的表格确定每个开关的开关状态，根据已经设计好的传输矩阵M44，可以方便地计算出每种传输方式的损耗情况。本发明的光开关矩阵具有无阻塞性能，双向传输以及片占面积小等特点。

Description

一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵

技术领域

本发明属于光子学器件技术领域，尤其涉及一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵。

背景技术

随着光通信系统的快速发展和密集波分复用技术的应用，光开关矩阵成为光通信领域一个重要的器件之一，其作用是在光域上对光信号进行交叉连接，或者上下路操作，可以按照要求将一个通道上的光路信号转换到另一个通道。主要用来实现光信号层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。目前光开关的种类很多，例如微机电光开关、热光开关、液晶光开关、全息光开关等。由于光子集成是未来降低功耗和损耗、提高集成度以及响应速度的理想技术，基于光波导的器件具有上述特性而备受青睐。因此构建基于光波导的开关矩阵一直以来受到广泛的重视和研究。

光开关矩阵有完全无阻塞型、重排无阻塞型和阻塞型三种拓扑结构。目前4×4无阻塞型光开关矩阵存在片占尺寸较大，级联使用单个1×2或者2×2光开关数目过多的缺点，因此不利于高度集成。

发明内容

本发明提供一种高效紧凑4×4无阻塞光开关矩阵，其优点是极大减小片占面积，且能在二维方向上拓展集成，避免了器件在一维方向上的级联堆积导致一个维度过长的缺陷。

为达到上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，由6个2×2马赫-曾德尔光开关构成矩阵形式，水平方向设有2组马赫-曾德尔光开关，马赫-曾德尔光开关M₁、M₂、M₃为一组，马赫-曾德尔光开关M₄、M₅、M₆为另一组。垂直方向光开关M₁与光开关M₄组成第一子矩阵Mst1，垂直方向光开关M₂与光开关M₅组成第二子矩阵Mst2,垂直方向光开关M₃与光开关M₆组成第三子矩阵Mst3，其中，

每个所述光开关包含第一L型波导和第二L型波导，第一L型波导的一端与第二L型波导的一端连接以形成第一连接端，在第一连接端刻蚀分光微纳沟槽，所述第一L型波导的另一端与第二L型波导的另一端连接以形成第二连接端，在第二连接端刻蚀合光微纳沟槽，所述第一L型波导为参考臂，第二L型波导为相移臂；光开关M₁、M₂、M₃中，所述第一L型波导顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第一切面，以构成第一全反射镜，所述第二L型波导顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第二切面，以构成第二全反射镜；光开关M₄、M₅、M₆中，所述第一L型波导顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第二切面，以构成第二全反射镜，所述第二L型波导顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第一切面，以构成第一全反射镜；

第一、第二、45°弧形输入波导的一端连接所述光开关M₁第一连接端，第三、第四45°弧形输入波导的一端连接所述光开关M₄的第一连接端；第一、第二、45°弧形输出波导的一端连接所述光开关M₃的第二连接端，第三、第四45°弧形输出波导的一端连接所述光开关M₆的第二连接端；

第一90°弧形波导的两端分别连接光开关M₁的第二连接端和光开关M₂的第一连接端，第二90°弧形波导的两端分别连接光开关M4的第二连接端和光开关M₅的第一连接端，第一90°十字交叉光波导的四个端分别连接第一90°弧形波导的两端和第二90°弧形波导的两端；第三90°弧形波导的两端分别连接光开关M₂的第二连接端和光开关M₃的第一连接端，第四90°弧形波导的两端分别连接光开关M₅的第二连接端和光开关M6的第一连接端，第二90°十字交叉光波导的四个端分别连接第三90°弧形波导的两端和第四90°弧形波导的两端。

作为优选，所述第一、第二、第三、第四45°弧形输入波导的耦合端面为波导输入端；所述第一、第二、第三、第四45°弧形输出波导的耦合端面为输出端口，所述输入端与输出端口互易，能交换输入输出端口方向，实现双向传输。

作为优选，合光微纳沟槽和分光微纳沟槽内填充有介质材料，所述介质材料为空气或聚甲基丙烯酸甲酯或SU-8聚合物或三氧化二铝或二氧化锆其中的一种。

作为优选，所述光开关矩阵制作在硅、绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的其中一种基底材料上。

本发明的有益效果在于：

一、本发明采用基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳分光和合光结构替代马赫-曾德尔干涉结构中的分光器/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等。由于沟槽型微纳分光和合光结构的平面尺寸和T型交叉波导的面积相当，极大地减小了马赫-曾德尔型光开关在一维方向上的尺寸，使器件结构更加高效紧凑。

二、本发明的开关矩阵所使用的单一2×2马赫-曾德尔光开关的参考臂和相移臂是采用了嵌入全反射镜的L型结构。在拐角位置利用刻蚀波导层形成的反射镜面，借助全内反射现象可以在小区域范围内低损耗地实现光场传输方向的90°改变。跟传统参考臂或者相移臂长度只能在一维方向级联比较，L型结构便于器件布局配置易于向二维方向扩展集成。

三、本发明的光开关矩阵中的6个2×2马赫-曾德尔光开关之间的连接是采用90°弧形波导和十字交叉波导构成，不仅缩小了器件的尺寸规模而且减少光信号在波导上的传输损耗，提高矩阵的开关效率。

附图说明

图1是本发明无阻塞型4×4波导光开关矩阵的结构示意图；

图2是本发明无阻塞型4×4光开关矩阵电极配置示意图；

图3是单一2×2马赫-曾德尔光开关的信号流向示意图；

图4是无阻塞型4×4光开关矩阵的16个输入输出开关状态的传输谱的仿真结果数据图；

图4a～d是光信号从1a端口输入，分别从11a～14a端口输出的仿真结果数据图；

图4e～h是光信号从2a端口输入，分别从11a～14a端口输出的仿真结果数据图；

图4i～l是光信号从3a端口输入，分别从11a～14a端口输出的仿真结果数据图；

图4m～p是光信号从4a端口输入，分别从11a～14a端口输出的仿真结果数据图；

图5是光开关矩阵结构中所用波导的横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种4×4无阻塞型波导光开关矩阵，其中包括1、一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，由6个2×2马赫-曾德尔光开关构成矩阵形式，水平方向设有2组马赫-曾德尔光开关，马赫-曾德尔光开关M₁、M₂、M₃为一组，马赫-曾德尔光开关M₄、M₅、M₆为另一组，垂直方向光开关M₁与光开关M₄组成第一子矩阵Mst1，垂直方向光开关M₂与光开关M₅组成第二子矩阵Mst2,垂直方向光开关M₃与光开关M₆组成第三子矩阵Mst3，其中，

每个所述光开关包含第一L型波导6和第二L型波导7，第一L型波导6的一端与第二L型波导7的一端连接以形成第一连接端，在第一连接端刻蚀分光微纳沟槽5，所述第一L型波导6的另一端与第二L型波导7的另一端连接以形成第二连接端，在第二连接端刻蚀合光微纳沟槽15，所述第一L型波导6为参考臂，第二L型波导7为相移臂；光开关M₁、M₂、M₃中，所述第一L型波导6顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第一切面8，以构成第一全反射镜，所述第二L型波导7顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第二切面8，以构成第二全反射镜；光开关M₄、M₅、M₆中，所述第一L型波导6顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第二切面8，以构成第二全反射镜，所述第二L型波导7顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第一切面8，以构成第一全反射镜；

第一、第二、45°弧形输入波导1、2的一端连接所述光开关M₁第一连接端，第三、第四45°弧形输入波导3、4的一端连接所述光开关M₄的第一连接端；第一、第二、45°弧形输出波导11、12的一端连接所述光开关M₃的第二连接端，第三、第四45°弧形输出波导13、14的一端连接所述光开关M₆的第二连接端；

第一90°弧形波导9-1的两端分别连接光开关M₁的第二连接端和光开关M₂的第一连接端，第二90°弧形波导9-2的两端分别连接光开关M₄的第二连接端和光开关M₅的第一连接端，第一90°十字交叉光波导10-1的四个端分别连接第一90°弧形波导9-1的两端和第二90°弧形波导9-2的两端；第三90°弧形波导9-3的两端分别连接光开关M₂的第二连接端和光开关M₃的第一连接端，第四90°弧形波导9-4的两端分别连接光开关M₅的第二连接端和光开关M₆的第一连接端，第二90°十字交叉光波导10-2的四个端分别连接第三90°弧形波导9-3的两端和第四90°弧形波导9-4的两端。

采用本发明的技术方案，在输入光信号后，可以通过调节6个2×2光开关的开关状态，来控制光信号从哪个输出端口输出，其中利用了最少的2×2光开关器件的数量，即减小了4×4光开关矩阵的片占尺寸，同时也实现了无阻塞特性。

作为优选，所述第一、第二、第三、第四45°弧形输入波导1、2、3、4的耦合端面1a、2a、3a、4a为波导输入端；所述第一、第二、第三、第四45°弧形输出波导11、12、13、14的耦合端面11a、12a、13a、14a为输出端口，所述输入端与输出端口互易，能交换输入输出端口方向，实现双向传输。

作为优选，合光微纳沟槽15和分光微纳沟槽5内填充有介质材料，所述介质材料为空气或聚甲基丙烯酸甲酯或SU-8聚合物或三氧化二铝或二氧化锆其中的一种。

作为优选，所述光开关矩阵制作在硅、绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的其中一种基底材料上。

本发明利用传输矩阵法计算了4×4开关矩阵的单输入输出开关状态的传输情况，如表1所示。

表1无阻塞型4×4光开关矩阵的输入输出路由状态表

具体内容如下，每种传输状态均有两种相应2×2马赫-曾德尔光开关组合的开关状态，本发明使用单一光开关开启较少的条件作为使用状态。作为例子本文只列出单输入输出的开关路由表格。例如表1内的二行五列的M₄，根据图2的电极配置，仅在M₄的正电极(3)和接地电极(9)之间施加电压，使得单个马赫-曾德尔光开关M₄从关闭状态转换成开启状态，即光信号从交叉波导10-1切换到弧形波导9-2输出，最终使得从4a输入的光信号从11a端口输出。

2×2马赫-曾德尔(MZI)光开关的传递函数可以由图3光开关信号流向示意图推导得出，

$\left[\begin{array}{c}{E}_2\\ E_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}t& ir\\ ir& t\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{E}_0\\ E_1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{E}_4\\ E_5\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{i\mathrm{\θ}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{E}_2\\ E_3\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\left[\begin{array}{c}{E}_7\\ E_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}t& ir\\ ir& t\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{E}_4\\ E_5\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中，θ是相移改变量，t代表沟槽型耦合器的光场传输系数，r代表沟槽型耦合器的光场反射系数，i是复数变量的虚部表示,E₀～E₇为光波电场强度分量。利用上述公式(1)，(2)，和(3)进一步推导得出，

$\left[\begin{array}{c}{E}_7\\ E_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}t& ir\\ ir& t\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{i\mathrm{\θ}}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}t& ir\\ ir& t\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{E}_0\\ E_1\end{array}\right]={\mathrm{MZI}}_{2\×2}\×\left[\begin{array}{c}{E}_0\\ E_1\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中MZI_2×2是单个2×2MZI光开关的光学传递矩阵，用θ_M1替换θ得到，

${\mathrm{MZI}}_{2\×2}=\left[\begin{array}{cc}{t}^2-e^{{\mathrm{\θ}}_{M1}i}{r}^2& rti+{\mathrm{rtie}}^{{\mathrm{\θ}}_{M1}}i\\ rti+{\mathrm{rtie}}^{{\mathrm{\θ}}_{M1}}i& e^{{\mathrm{\θ}}_{M1}i}{t}^2-r^2\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中θ_M1是2×2光开关(M₁)相移臂的相移改变量。三维时域有限差分仿真结果表明沟槽型耦合器的效率约为90％，即有10％的功率损耗，

r²+t²＝0.9 (6)

垂直方向相连的两个光开关(例如M₁与M₄)的组合矩阵可以表示为：

$Mst1=\left[\begin{array}{cccc}{t}^2-e^{{\mathrm{\θ}}_{M1}i}{r}^2& rti+{\mathrm{rtie}}^{{\mathrm{\θ}}_{M1}}i& 0& 0\\ rti+{\mathrm{rtie}}^{{\mathrm{\θ}}_{M1}}i& e^{{\mathrm{\θ}}_{M1}i}{t}^2-r^2& 0& 0\\ 0& 0& t^2-e^{{\mathrm{\θ}}_{M4}i}{r}^2& rti+{\mathrm{rtie}}^{{\mathrm{\θ}}_{M4}}i\\ 0& 0& rti+{\mathrm{rtie}}^{{\mathrm{\θ}}_{M4}}i& e^{{\mathrm{\θ}}_{M4}i}{t}^2-r^2\end{array}\right]---\left(7\right)$

式中θ_M4是光开关(M₄)相移臂的相移改变量，同理矩阵Mst2和矩阵Mst3都可以采用类似表示，即

Mst1＝Mst2＝Mst3 (8)

光开关之间的十字交叉波导(10)和两个90°弧形波导(9)构成的矩阵为，

$MC=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-2L_1\mathrm{\α}}& 0& 0& 0\\ 0& 0& e^{-0.5{\mathrm{\πL}}_2\mathrm{\α}}& 0\\ 0& e^{-0.5{\mathrm{\πL}}_2\mathrm{\α}}& 0& 0\\ 0& 0& 0& e^{-2L_1\mathrm{\α}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中L₁为90°弧形波导的长度，即L₀为单一2×2马赫-曾德尔光开关L型相移臂的长度，L₂为十字交叉波导的长度，即L₂＝L₀,α为单位长度波导损耗系数，4×4光开关矩阵可以表示为，

M44＝Mst3×Mc×Mst2×Mc×Mst1 (10)

从端口1a～4a输入信号功率P₀传输到11a～14a输出端口P₁可以表示为，

P₁＝M44×P₀ (11)

本发明利用上述公式并采用MATALB软件编程，在忽略开关矩阵输入端口的耦合损耗、波导之间的串扰以及十字交叉波导的传输损耗的条件下，对本无阻塞型4×4光开关矩阵的输入输出开关状态的传输谱进行了模拟计算。

举例说明：本发明无阻塞型4×4开关矩阵中,通过给不同的2×2马赫-曾德尔开关单元的配置电极施加偏置电压,即通过载流子注入效应改变相应波导相移臂的折射率，从而实现输出光在不同端口的切换。例如当输入光场表示为E_o＝[1,0,0,0]^T时，表明光信号只从输入端口1a输入。根据说明书表1的单输入输出的开关状态，开启电压驱动M₅光开关，其他开关不开启的条件下，通过MATALB软件计算得到传输谱图4(a)的传输谱图。在波长为1.55μm时输入端口1a到输出端口11a的传输功率率最大而其他端口的传输功率达到最小，即表明此时光信号从输出端口11a输出。通过这种方式获得了单输入输出的传输谱图4，按照表1的单输入输出开关状态表，可以依次计算出每个单输入输出的传输图谱(图4)。

本发明的无阻塞型4×4光开关矩阵具备高效紧凑的特点。利用单一2×2马赫-曾德尔光开关的相移公式，即

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{L}_O\mathrm{\Δ}n---\left(12\right)$

式中Δφ为单一2×2马赫-曾德尔光开关相移臂的相位改变量，Δn为单一2×2马赫-曾德尔光开关波导相移臂的折射率改变量，λ为工作波长1.55μm。计算开关矩阵片占面积步骤如下，当单一2×2马赫-曾德尔光开关的两臂的相位差为π时，即ΔΦ＝π，此光开关产生通道切换的功能。本发明的开关矩阵使用的波导为图5展示的脊波导结构，从上至下是P-I-N电学结构。在施加电压或者电流的条件下，有源区的量子阱层InGaAsP的载流子注入效应提供了脊波导芯层的折射率变化。通过Silvaco软件对该波导结构进行模拟仿真，在施加1.75V电压后，Δn约为0.01,计算得到单一2×2马赫-曾德尔光开关的相移臂长度为L_o＝77.5μm。则根据图1的4×4光开关矩阵可计算得到,

$K=\sqrt{2}{L}_O---\left(13\right)$

$D=\frac{5}{2}\sqrt{2}{L}_O---\left(14\right)$

$S=K\×D=5L_O^2---\left(15\right)$

K为4×4光开关矩阵的宽度，D为4×4光开关矩阵的长度，S为4×4光开关矩阵的面积，即得出本发明的光开关矩阵片占面积约为3.0×10⁴μm²。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，其特征在于，由6个2×2马赫-曾德尔光开关构成矩阵形式，水平方向设有2组马赫-曾德尔光开关，马赫-曾德尔光开关M₁、M₂、M₃为一组，马赫-曾德尔光开关M₄、M₅、M₆为另一组，垂直方向光开关M₁与光开关M₄组成第一子矩阵Mst1，垂直方向光开关M₂与光开关M₅组成第二子矩阵Mst2,垂直方向光开关M₃与光开关M₆组成第三子矩阵Mst3，其中，

每个所述光开关包含第一L型波导(6)和第二L型波导(7)，第一L型波导(6)的一端与第二L型波导(7)的一端连接以形成第一连接端，在第一连接端刻蚀分光微纳沟槽(5)，所述第一L型波导(6)的另一端与第二L型波导(7)的另一端连接以形成第二连接端，在第二连接端刻蚀合光微纳沟槽(15)，所述第一L型波导(6)为参考臂，第二L型波导(7)为相移臂；光开关M₁、M₂、M₃中，所述第一L型波导(6)顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第一切面(8)，以构成第一全反射镜，所述第二L型波导(7)顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第二切面(8)，以构成第二全反射镜；光开关M₄、M₅、M₆中，所述第一L型波导(6)顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第二切面(8)，以构成第二全反射镜，所述第二L型波导(7)顶点处沿波导传播方向成45°角方向刻蚀第一切面(8)，以构成第一全反射镜；

第一、第二、45°弧形输入波导(1、2)的一端连接所述光开关M₁第一连接端，第三、第四45°弧形输入波导(3、4)的一端连接所述光开关M₄的第一连接端；第一、第二、45°弧形输出波导(11、12)的一端连接所述光开关M₃的第二连接端，第三、第四45°弧形输出波导(13、14)的一端连接所述光开关M₆的第二连接端；

第一90°弧形波导(9-1)的两端分别连接光开关M₁的第二连接端和光开关M₂的第一连接端，第二90°弧形波导(9-2)的两端分别连接光开关M₄的第二连接端和光开关M₅的第一连接端，第一90°十字交叉光波导(10-1)的四个端分别连接第一90°弧形波导(9-1)的两端和第二90°弧形波导(10-2)的两端；第三90°弧形波导(9-3)的两端分别连接光开关M₂的第二连接端和光开关M₃的第一连接端，第四90°弧形波导(9-4)的两端分别连接光开关M₅的第二连接端和光开关M₆的第一连接端，第二90°十字交叉光波导(10-2)的四个端分别连接第三90°弧形波导(9-3)的两端和第四90°弧形波导(9-4)的两端。

2.根据权利要求1所述的高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四45°弧形输入波导(1、2、3、4)的耦合端面(1a、2a、3a、4a)为波导输入端；所述第一、第二、第三、第四45°弧形输出波导(11、12、13、14)的耦合端面(11a、12a、13a、14a)为输出端口，所述输入端与输出端口互易，能交换输入输出端口方向，实现双向传输。

3.根据权利要求1所述的高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，其特征在于，合光微纳沟槽(16)和分光微纳沟槽(5)内填充有介质材料，所述介质材料为空气或聚甲基丙烯酸甲酯或SU-8聚合物或三氧化二铝或二氧化锆其中的一种。

4.根据权利要求1所述的高效紧凑无阻塞型4×4波导光开关矩阵，其特征在于，所述光开关矩阵制作在硅、绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的其中一种基底材料上。