CN106896534B - 一种电控磁光开关芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电控磁光开关芯片，由2×2的3dB光耦合器、磁光微环谐振器组及其上面覆盖的金属微带环线组成。2×2的3dB光耦合器一端的两个接口分别作为磁光开关芯片装置的外部输入和输出接口，另一端的两个接口串联有磁光微环谐振器组，磁光微环谐振器组上面覆盖有“S”形金属微带环线，通过改变施加到金属微带环线中的电流大小实现光开关功能；同时，本发明可以通过改变磁光微环谐振器的级联个数和微环半径大小，优化各波导之间的耦合系数，设计出不同带宽需求的电控磁光开关芯片，具有结构简单、消光比高、3dB带宽可灵活设计的优点。

Description

一种电控磁光开关芯片
技术领域
本发明属于光信息处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种电控磁光开关芯片。
背景技术
光开关是光通信中不可或缺的器件，它在光信息交换和信号处理中有着广泛的应用。光开关是光分插复用设备、光交叉连接和光路由器等设备的核心器件之一，其对整个光网络的性能有着至关重要的影响。新一代的器件逐步向小型化、集成化的方向发展，因此硅基波导被广泛应用到各种光器件中。随着磁光材料的研究以及生长水平的提高，利用硅基波导磁光效应制作磁光开关逐渐受到人们的关注。
现有的磁光开关大都依赖于体状磁光材料和分立的偏振合/分束器加以实现，体积较大，而且磁场的加载方式也受到一定限制，不利于磁光开关的小型化和集成化。利用磁光光纤制作的光纤开关虽然具有插入损耗低、结构和制作工艺简单等特点，但在稳定可靠性、磁光开关速度、多端口构建等方面还需要进一步发展。总体而言，实用化的波导型磁光开关并不常见，人们更为关注的是，如何发挥波导型磁光开关的小型化、易集成、稳定可靠等优势，又要达到现有磁光开关的开关消光比性能，且满足现在光通信信号传输带宽要求？
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电控磁光开关芯片，通过对金属微带环线所加电流，实现芯片的开关，具有结构简单、开关消光比高、易于光电耦合封装、能够灵活设计3dB带宽等优点。
为实现上述发明目的，本发明一种电控磁光开关芯片，其特征在于，包括：
一2×2的3dB光耦合器，包括两个端口，每个端口均包含两个接口；其中第一个端口的两个接口分别串联一个耦合光栅，第二个端口的两个接口串联磁光微环谐振器组的直波导；
两耦合光栅，分别位于2×2的3dB光耦合器的第一个端口的两个接口处，通过与两接口串联作为电控磁光开关芯片的外部输入、输出接口；
一磁光微环谐振器组，采用串联方式将多个磁光微环谐振器级联，并与一直波导进行耦合，直波导的两端分别与2×2的3dB光耦合器的第二端口的两个接口串联，在磁光微环谐振器的上表面覆盖有金属微带环线，其下表面覆盖有连接金属微带环线两端的金属焊盘；
一外部驱动电路，分别与磁光微环谐振器的金属焊盘连接，用于给金属微带环线施加电流；
外部光信号通过耦合光栅输入至输入接口，再经过2×2的3dB光耦合器后，分成顺时针和逆时针传播的两束光信号，通过第二个端口串联的直波导耦合进入磁光微环谐振器组，并在磁光微环谐振器中相向传播，同时外部驱动电路通过金属焊盘给金属微带环线施加电流，通过改变施加电流的大小，使磁光微环谐振器组横向磁化以产生实现开关功能所需的非互易相移，从而实现电控磁光开关芯片的开、关，最后，通过磁光微环谐振器组传输后的两束光信号再次返回至2×2的3dB光耦合器，经过2×2的3dB光耦合器的干涉作用后，从输出端口输出。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种电控磁光开关芯片，由2×2的3dB光耦合器、磁光微环谐振器组及其上面覆盖的金属微带环线组成。2×2的3dB光耦合器一端的两个接口分别作为磁光开关芯片装置的外部输入和输出接口，另一端的两个接口串联有磁光微环谐振器组，磁光微环谐振器组上面覆盖有“S”形金属微带环线，通过改变施加到金属微带环线中的电流大小实现光开关功能；同时，本发明可以通过改变磁光微环谐振器的级联个数和微环半径大小，优化各波导之间的耦合系数，设计出不同带宽需求的电控磁光开关芯片，具有结构简单、消光比高、3dB带宽可灵活设计的优点。
附图说明
图1是磁光微环谐振器的波导横截面图；
图2是本发明一种电控磁光开关芯片装置图；
图3是“S”形金属微带环线示意图；
图4是一种电控磁光开关芯片的透射开关性能。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
Ce：YIG(cerium：yttrium iron garnet)：掺铈钇铁石榴石；
SGGG(substituted gadolinium gallium garnet)：取代钆镓石榴石；
SOI(Silicon-On-Insulator)：绝缘衬底上的硅。
图1是磁光微环谐振器的波导横截面图。
如图1所示，针对准TM模式的导波光，磁光微环谐振器采用SiO2/Si/Ce:YIG/SGGG结构，具体讲，磁光微环谐振器的结构采用生长在SGGG上的磁光材料，Ce:YIG层作为芯片波导结构的覆层，采用硅隔离体SOI结构制作硅波导芯层，用金属微带环线覆盖在磁光微环波导的正上方，并通过两端焊盘连接外部电路。
图2是本发明一种电控磁光开关芯片装置图。
在本实施例中，假设电控磁光开关芯片工作在中心波长1550nm附近，3dB带宽大于0.8nm，消光比大于40dB的光开关。
下面结合图2对本发明一种电控磁光开关芯片进行详细说明，包括：2×2的3dB光耦合器、耦合光栅、磁光微环谐振器组和外部驱动电路。
2×2的3dB光耦合器，包括两个端口，每个端口均包含两个接口；其中第一个端口的两个接口分别串联一个耦合光栅，第二个端口的两个接口串联磁光微环谐振器组的直波导；为了使电控磁光开关芯片能够工作在中心波长1550nm附近，并保证工作波长附近透射谱的平坦度和3dB带宽需求，两微环的半径均取为R＝15.62μm，微环间的耦合系数以及微环与直波导的耦合系数分别为0.056和0.37。
两耦合光栅，分别位于2×2的3dB光耦合器的第一个端口的两个接口处，通过与两接口串联作为电控磁光开关芯片的外部输入、输出接口；
磁光微环谐振器组，采用串联方式将多个磁光微环谐振器级联，并与一直波导进行耦合，直波导的两端分别与2×2的3dB光耦合器的第二端口的两个接口串联，在磁光微环谐振器的上表面覆盖有金属微带环线，其下表面覆盖有连接金属微带环线两端的金属焊盘；
在本实施例中，直波导采用磁光材料覆层和硅基材料芯层构成；磁光微环谐振器组串联两个磁光微环谐振器，金属微带环线以“S”形环绕方式制作在磁光微环谐振器波导的上面，金属微带环线的两端焊盘用于连接外部驱动电路。
外部驱动电路，分别与磁光微环谐振器的金属焊盘连接，用于给金属微带环线施加电流；
外部驱动电路通过下表面连接金属微带环线两端的金属焊盘给金属微带环线施加电流，电流方向如图3所示，通电后的金属微带环线会使磁光微环波导垂直于光传播方向(横向)磁化，如图1所示；沿正向和反向传播的光的磁化方向相反，会使这两束光产生非互易相移。当施加电流能够产生63.4kA/m的磁化强度时可引起π/2的非互易相移，从而实现开关功能。
在本实施例中，当外部驱动电路不加电流时，输出端的光强为最小，对应开关的“关”状态；当选取合适的电流时，可以使输出端的光强度为最大，对应开关的“开”状态。开关前后的透射谱如图4所示，实线为不加电流时的透射谱线，虚线为加合适电流后的透射谱线。由图4可知，开关的中心波长在1550nm附近，3dB带宽约为2nm，满足其带宽需求，其消光比也满足大于40dB的需求。
下面对电控磁光开关芯片的整体工作流程进行详细描述：外部光信号通过耦合光栅输入至输入接口，再经过2×2的3dB光耦合器后，分成顺时针和逆时针传播的两束光信号，通过第二个端口串联的直波导耦合进入串联双环的磁光微环谐振器，并在磁光微环谐振器中相向传播，同时外部驱动电路通过金属焊盘给金属微带环线施加电流，通过改变施加电流的大小，使磁光微环谐振器组横向磁化以产生实现开关功能所需的非互易相移，从而实现电控磁光开关芯片的开、关，最后，通过磁光微环谐振器组传输后的两束光信号再次返回至2×2的3dB光耦合器，经过2×2的3dB光耦合器的干涉作用后，从输出端口输出。
另外，本发明还可以通过改变磁光微环谐振器的级联个数和微环半径大小，以及直波导与微环的耦合系数及和微环间的耦合系数，可以设计出满足不同带宽需求的电控磁光开关芯片。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种电控磁光开关芯片，其特征在于，包括：
一2×2的3dB光耦合器，包括两个端口，每个端口均包含两个接口；其中第一个端口的两个接口分别串联一个耦合光栅，第二个端口的两个接口串联磁光微环谐振器组的直波导；
两耦合光栅，分别位于2×2的3dB光耦合器的第一个端口的两个接口处，通过与两接口串联作为电控磁光开关芯片的外部输入、输出接口；
一磁光微环谐振器组，采用串联方式将多个磁光微环谐振器级联，并与一直波导进行耦合，直波导的两端分别与2×2的3dB光耦合器的第二端口的两个接口串联，在磁光微环谐振器的上表面覆盖有金属微带环线，其下表面覆盖有连接金属微带环线两端的金属焊盘；
一外部驱动电路，与磁光微环谐振器的金属焊盘连接，用于给金属微带环线施加电流；
外部光信号通过耦合光栅输入至输入接口，再经过2×2的3dB光耦合器后，分成顺时针和逆时针传播的两束光信号，通过第二个端口串联的直波导耦合进入磁光微环谐振器组，并在磁光微环谐振器中相向传播，同时外部驱动电路通过金属焊盘给金属微带环线施加电流，通过改变施加电流的大小，使磁光微环谐振器组横向磁化以产生实现开关功能所需的非互易相移，从而实现电控磁光开关芯片的开、关，最后，通过磁光微环谐振器组传输后的两束光信号再次返回至2×2的3dB光耦合器，经过2×2的3dB光耦合器的干涉作用后，从输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的一种电控磁光开关芯片，其特征在于，所述的直波导采用磁光材料覆层和硅基材料芯层构成。
3.根据权利要求1所述的一种电控磁光开关芯片，其特征在于，所述的金属微带环线以“S”形环绕方式制作。
4.根据权利要求1所述的一种电控磁光开关芯片，其特征在于，所述的电控磁光开关芯片中，通过改变磁光微环谐振器的级联个数和微环半径大小，以及直波导与微环的耦合系数及和微环间的耦合系数，来改变电控磁光开关芯片的带宽。
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