CN106908904A - 一种光开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光开关及其控制方法。光开关包括微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；调节结构与微腔结构、微光纤结构和吸光性薄膜连接，调节吸光性薄膜与微腔结构、微光纤结构与微腔结构之间的距离；微腔结构呈环形设置，吸光性薄膜沿垂直于环形的微腔结构所在平面的方向与微腔结构相对设置，与微腔结构耦合，根据与微腔结构之间的距离，控制微光纤结构与微腔结构之间的耦合状态；微光纤结构位于环形的微腔结构所在平面内与微腔结构相对设置，与微腔结构耦合，根据与微腔结构之间的耦合状态，控制光开关的开关状态。通过本发明的技术方案，实现了光开关的开关功能，且形成的光开关易于集成，消光比大且灵敏度高。

Description

一种光开关及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种光开关及其控制方法。

背景技术

光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学元器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。光开关在光信息处理系统、光纤通信及传感以及精密光学测量系统中具有广泛的应用。随着集成光子学的快速发展，对能够实现片上光存储、光通信、光调制等功能的光子芯片的需求越来越紧迫，光开关就是其中关键的元件。

目前应用较广泛的是传统的机械式光开关，通过移动光纤将光直接耦合到输出端，采用发射镜或棱镜切换光路，将光反射或直接送到输出端。但机械式光开关的体积偏大，不易做成大型的光开关矩阵，且还存在重复性差和回跳抖动的问题，导致机械式光开关难以适应未来高速、大容量光传输的发展需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光开关及其控制方法，解决了传统机械式光开关存在的难集成和灵敏度低的问题，利用微腔结构、微光纤结构和吸光性薄膜构成的耦合系统，实现了光开关，且所述光开关易于集成，消光比大且灵敏度高。

第一方面，本发明实施例提供了一种光开关，包括：

微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；

所述调节结构分别与所述微腔结构、所述微光纤结构和所述吸光性薄膜连接，用于调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，以及所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离；

所述微腔结构呈环形设置，所述吸光性薄膜沿垂直于环形的所述微腔结构所在平面的方向，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，用于根据与所述微腔结构之间的距离，控制所述微光纤结构与所述微腔结构之间的耦合状态；

所述微光纤结构位于环形的所述微腔结构所在平面内，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，用于根据与所述微腔结构之间的耦合状态，控制所述光开关的开关状态。

进一步地，所述吸光性薄膜包括石墨烯薄膜。

进一步地，所述微光纤结构的直径的范围为[0.5μm-2μm]。

进一步地，所述吸光性薄膜的直径大于所述微腔结构的主直径。

进一步地，所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离范围是[0μm-3μm]。

进一步地，所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离范围是[0μm-2μm]。

进一步地，所述光开关工作的波长范围[0.5μm-2μm]。

第二方面，本发明实施例提供了一种第一方面所述光开关的控制方法，包括：

调节微光纤结构与微腔结构之间的距离，使所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合；

调节吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，控制所述光开关的开关状态。

进一步地，所述使所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合包括：

使所述微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值。

进一步地，所述调节吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，控制光开关的开关状态包括：

调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，以调节所述微腔结构的品质因子和谐振波长，控制所述微光纤结构和所述微腔结构之间的耦合状态；

根据所述微光纤结构和所述微腔结构之间的耦合状态，控制所述光开关的开关状态。

本发明实施例提供了一种光开关及其控制方法，通过设置光开关包括微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构，设置调节结构分别与微腔结构、微光纤结构和吸光性薄膜连接，调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，以及微光纤结构与微腔结构之间的距离；使微腔结构呈环形设置，吸光性薄膜沿垂直于环形的微腔结构所在平面的方向，与微腔结构相对设置，与微腔结构耦合，并根据与微腔结构之间的距离，控制微光纤结构与微腔结构之间的耦合状态；使微光纤结构位于环形的微腔结构所在平面内，与微腔结构相对设置，与微腔结构耦合，并根据与微腔结构之间的耦合状态，控制光开关的开关状态。即通过调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，调节微光纤与微腔结构之间的耦合状态，进而实现光开关的开关功能，形成的光开关易于集成，消光比大且灵敏度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种光开关的结构示意图；

图2为沿图1中AA’方向的剖面结构示意图；

图3为微腔结构的品质因子随吸光性薄膜与微腔结构之间的距离变化图；

图4为微腔结构的谐振波长的漂移值随吸光性薄膜与微腔结构之间的距离变化图；

图5为微光纤结构的归一化光输出功率随时间的变化图；

图6为本发明实施例二提供的一种光开关的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种光开关的结构示意图，图2为沿图1中AA’方向的剖面结构示意图。结合图1和图2，光开关包括微腔结构10、微光纤结构11、至少一层吸光性薄膜12以及调节结构(未示出)。

其中，调节结构(未示出)分别与微腔结构10、微光纤结构11和吸光性薄膜12连接，可以调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，以及微光纤结构11与微腔结构10之间的距离。示例性的，调节结构可以是精密移动控制台，可以分别将微腔结构10、微光纤结构11以及微腔结构10固定于不同的精密移动控制台上，通过移动各精密移动控制台，实现对微光纤结构11与微腔结构10，以及吸光性薄膜12与微腔结构10之间距离的精确调节。

微腔结构10呈环形设置，吸光性薄膜12沿垂直于环形的微腔结构10所在平面的方向，与微腔结构10相对设置，并与微腔结构10耦合，用于根据与微腔结构10之间的距离，控制微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态。微光纤结构11位于环形的微腔结构10所在平面内，与微腔结构10相对设置，并与微腔结构10耦合，用于根据与微腔结构10之间的耦合状态，控制光开关的开关状态。示例性的，微腔结构10可以是回音壁式的微环芯腔，也可以是回音壁式的微盘腔。

示例性的，微光纤结构11与微腔结构10之间耦合，即二者之间可以进行能量的传递，通过调节微光纤结构11与微腔结构10之间的距离可以调节微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态。微光纤结构11的光输入端输入能量，当微光纤结构11中的能量能够全部耦合进微腔结构10时，微光纤结构11的光输出端的功率达到最小功率值，此时微光纤结构11与微腔结构10之间处于恰耦合状态，对应光开关的关的状态。

当微光纤结构11与微腔结构10处于恰耦合状态时，微光纤结构11中的能量全部耦合进微腔结构10中。但是，环形的微腔结构10能够限制微腔结构10内部的部分能量处于微腔结构10内部，另外部分能量则可以进入到微腔结构10的外部，由于吸光性薄膜12具有一定的吸光特性，通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，可以调节微腔结构10的参数。

图3为微腔结构的品质因子随吸光性薄膜与微腔结构之间的距离变化图，图4为微腔结构的谐振波长的漂移值随吸光性薄膜与微腔结构之间的距离变化图。具体的，结合图3和图4，当吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离较远时，吸光性薄膜12对微腔结构10的参数几乎不会产生影响。随着吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离越来越近，吸光性薄膜12能够对微腔结构10的品质因子与谐振波长产生影响。由于吸光性薄膜12具有一定的吸光特性，当吸光性薄膜12靠近微腔结构10时，导致微腔结构10的品质因子下降，谐振波长发生漂移，原本处于恰耦合状态的微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态发生变化，微光纤结构11与微腔结构10之间不再处于恰耦合状态，微光纤结构11光输入端输入的部分能量可以通过微光纤结构11的输出端输出，对应光开关的开的状态。以此，可以通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，实现对微光纤结构11与微腔结构10之间耦合状态的调节，进而实现对光开关的开关功能的控制。

图5为微光纤结构的归一化光输出功率随时间的变化图，如图5所示，纵坐标归一化光输出功率表示微光纤结构11的光输出端的功率归一化后的值。例如，微光纤结构11的光输入端的功率为2W，微光纤结构11的光输出端的功率为0.1W，则纵坐标归一化后光输出功率的值为0.1/2。通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的间距，从图5中可以看出，微光纤结构11的归一化光输出功率在0与1之间变化。当图5中纵坐标达到最小值时，此时吸光性薄膜12距离微腔结构10的距离较远，对应光开关关的状态；当纵坐标达到最大值时，此时吸光性薄膜12距离微腔结构10的距离较近，对应光开关的开的状态，即实现了光开关的开关功能，对吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离的调节，与光开关的开状态与关状态的转换同步。

可选的，吸光性薄膜12可以是石墨烯薄膜。石墨烯薄膜具有一定的吸光特性，当石墨烯薄膜与微腔结构10之间的距离较近时，具有吸光特性的石墨烯薄膜对微腔结构10的品质因子和谐振波长产生影响，进而影响微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态。

可选的，微腔结构10可以是回音壁式的微腔结构10，回音壁式的微腔结构10具有较高的品质因子，例如回音壁式的微腔结构10的品质因子的范围可以是[10⁴-10⁸]，即回音壁式的微腔结构10的品质因子可以存在四个数量级的变化。由于微腔结构10具有较高的品质因子，调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离时，吸光性薄膜12能够使得微腔结构10的品质因子下降，且品质因子下降幅度较大，有利于光开关的开关功能的实现，同时能够提高光开关的灵敏度。

可选的，微光纤结构11的直径的范围可以是[0.5μm-2μm]。由于微光纤结构11与微腔结构10之间的距离影响微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态，而微光纤结构11的直径会对微光纤结构11与微腔结构10之间的距离产生影响，微光纤结构11的直径过大或过小均会影响调节微光纤结构11与微腔结构10之间的距离，以调节二者之间耦合状态的准确性。可选的，微光纤结构11包括光输入端和光输出端，光输出端和光输入端的功率的比值可以大于95:100。示例性的，如果在微光纤结构11的输入端输入1W的光，则在微光纤结构11的输出端能够接收到大于0.95W的光，即微光纤结构11中光传输的损耗要小于5％。如果微光纤结构11的损耗过大，则微光纤结构11的输入端输入的很大一部分光被微光纤结构11本身损耗，导致微光纤结构11的消光比下降，进而导致利用微光纤结构11形成的光开关的灵敏度降低。

可选的，如图2所示，吸光性薄膜12的直径D2可以大于微腔结构10的主直径D1。由于具有一定吸光特性的吸光性薄膜12对微腔结构10的品质因子和谐振波长均会产生影响，且随着吸光性薄膜12向微腔结构10的靠近，微腔结构10的品质因子下降，谐振波长产生漂移，进而影响使微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态，实现光开关的开关功能。设置吸光性薄膜12的直径D2大于微腔结构10的主直径D1，增强了具有一定吸光特性的吸光性薄膜12对微腔结构10的品质因子与谐振波长的影响，吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离对微光纤结构11与微腔结构10之间耦合状态的影响增强，提高了微腔结构10、微光纤结构11以及吸光性薄膜12形成的光开关的灵敏度。

可选的，如图2所示，微腔结构10的主直径D1的范围可以为[30μm-300μm]，次直径d的范围可以为[1μm-4μm]。由于可以设置吸光性薄膜12的直径大于微腔结构10的主直径D1，微腔结构10的主直径D1越大，吸光性薄膜12对微腔结构10的品质因子与谐振波长的影响越大，光开关的灵敏度越高。此外，微腔结构10可以是回音壁式的微腔结构10，若微腔结构10的次直径d过小，微腔结构10对光的限制作用越小，即存在更多的光进入微腔结构10的外部，同样能够增强吸光性薄膜12与微腔结构10之间的相互作用，以提高光开关的灵敏度。可选的，还可以通过设置吸光性薄膜12的层数，调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的相互作用。吸光性薄膜12的层数越多，其对微腔结构10的作用越强，通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，对微光纤结构11与微腔结构10耦合状态的调节越灵敏，同样增强了光开关的灵敏度。

可选的，吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离范围可以是[0μm-3μm]，微光纤结构11与微腔结构10之间的距离范围可以是[0μm-2μm]。即调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离在[0μm-3μm]的范围内变化，调节微光纤结构11与微腔结构10之间的距离在[0μm-2μm]的范围内变化，即可实现光开关的开关功能，对微光纤结构11或微腔结构10或吸光性薄膜12的移动距离较短，形成的光开关的相响应时间较短。

可选的，光开关工作的波长范围可以是[0.5μm-2μm]，即针对波长范围为[0.5μm-2μm]的光，光开关能实现其开关功能。示例性的，可以设置吸光性薄膜12为石墨烯薄膜，设置微腔结构10为回音壁式微腔结构10，结合石墨烯薄膜能够吸收的光的波长范围，以及回音壁式微腔结构10的谐振波长范围，光开关在[0.5μm-2μm]的波长范围内能实现其开关功能。

需要说明的是，本发明实施例示附图只是示例性的表示各元件的大小，并不代表光开关中各元件的实际尺寸。

本发明实施例通过设置光开关包括微腔结构10、微光纤结构11、至少一层吸光性薄膜12以及调节结构，设置调节结构分别与微腔结构10、微光纤结构11和吸光性薄膜12连接，调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，以及微光纤结构11与微腔结构10之间的距离；使微腔结构10呈环形设置，吸光性薄膜12沿垂直于环形的微腔结构10所在平面的方向，与微腔结构10相对设置，与微腔结构10耦合，并根据与微腔结构10之间的距离，控制微光纤结构11与微腔结构10之间的耦合状态；使微光纤结构11位于环形的微腔结构10所在平面内，与微腔结构10相对设置，与微腔结构10耦合，并根据与微腔结构10之间的耦合状态，控制光开关的开关状态。即通过调节吸光性薄膜12与微腔结构10之间的距离，调节微光纤与微腔结构10之间的耦合状态，进而实现光开关的开关功能。针对现有技术中的机械式光开关，形成的光开关易于集成，消光比大且灵敏度高。

实施例二

在上述实施例的基础上，图6为本发明实施例提供的一种光开关的控制方法的流程示意图，本实施例的技术方案可以应用在需要对光开关进行控制的场景，可以由本发明实施例提供的光开关来执行。该方法包括：

S110、调节微光纤结构与微腔结构之间的距离，使微光纤结构与微腔结构之间恰耦合。

可选的，微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值时，使微光纤结构与微腔结构之间可以达到恰耦合状态。微光纤结构与微腔结构之间耦合，即二者之间可以进行能量的传递，微光纤结构的光输入端输入能量，当微光纤结构中的能量能够全部耦合进微腔结构时，微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值，此时微光纤结构与微腔结构之间处于恰耦合状态，对应光开关的关的状态。

S120、调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，控制光开关的开关状态。

可选的，可以调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，以调节微腔结构的品质因子和谐振波长，控制微光纤结构和微腔结构之间的耦合状态；根据微光纤结构和微腔结构之间的耦合状态，可以控制光开关的开关状态。

具体的，当微光纤结构与微腔结构处于恰耦合状态时，微光纤中的能量全部耦合进微腔结构中。环形的微腔结构能够限制微腔结构内部的部分能量处于微腔结构内部，另外部分能量则可以进入到微腔结构的外部。通过调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，可以调节微腔结构的品质因子和谐振波长，而微光纤结构与微腔结构之间的耦合状态受到微腔结构的品质因子和谐振波长的影响，也就实现了对微光纤结构与微腔结构之间的耦合状态的控制，进而实现对光开关的开关状态的控制。

本发明实施例通过调节微光纤结构与微腔结构之间的距离，使微光纤结构与微腔结构之间恰耦合；通过调节吸光性薄膜与微腔结构之间的距离，控制光开关的开关状态，实现了光开关的开关功能。针对现有技术中的机械式光开关，本发明实施例提供的光开关易于集成，消光比大且灵敏度高。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光开关，其特征在于，包括：

微腔结构、微光纤结构、至少一层吸光性薄膜以及调节结构；

所述调节结构分别与所述微腔结构、所述微光纤结构和所述吸光性薄膜连接，用于调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，以及所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离；

所述微腔结构呈环形设置，所述吸光性薄膜沿垂直于环形的所述微腔结构所在平面的方向，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，用于根据与所述微腔结构之间的距离，控制所述微光纤结构与所述微腔结构之间的耦合状态；

所述微光纤结构位于环形的所述微腔结构所在平面内，与所述微腔结构相对设置，并与所述微腔结构耦合，用于根据与所述微腔结构之间的耦合状态，控制所述光开关的开关状态。

2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述吸光性薄膜包括石墨烯薄膜。

3.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述微光纤结构的直径的范围为[0.5μm-2μm]。

4.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述吸光性薄膜的直径大于所述微腔结构的主直径。

5.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离范围是[0μm-3μm]。

6.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述微光纤结构与所述微腔结构之间的距离范围是[0μm-2μm]。

7.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述光开关工作的波长范围[0.5μm-2μm]。

8.一种权利要求1-7所述光开关的控制方法，其特征在于，包括：

调节微光纤结构与微腔结构之间的距离，使所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合；

调节吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，控制所述光开关的开关状态。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述使所述微光纤结构与所述微腔结构之间恰耦合包括：

使所述微光纤结构的光输出端的功率达到最小功率值。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述调节吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，控制光开关的开关状态包括：

调节所述吸光性薄膜与所述微腔结构之间的距离，以调节所述微腔结构的品质因子和谐振波长，控制所述微光纤结构和所述微腔结构之间的耦合状态；

根据所述微光纤结构和所述微腔结构之间的耦合状态，控制所述光开关的开关状态。