CN107329209B - M×n多播传送光开关 - Google Patents

M×n多播传送光开关 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种M×N多播传送光开关，包括：光分路器阵列，用于将输入的光信号均匀分光；光开关阵列，用于控制光信号的输出；以及衬底；其中，光分路器阵列和光开关阵列集成在衬底上，二者采用不同的波导材料制作而成，且光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于光开关阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差；M、N均为正整数。本公开通过低折射率差的光分路器阵列与高折射率差的光开关阵列的集成，降低了器件损耗，得到功耗低、响应速度快，尺寸紧凑的M×N多播传送光开关。

Description

M×N多播传送光开关
技术领域
本公开属于全光网光交换技术领域，具体涉及一种M×N多播传送光开关。
背景技术
随着科学技术的迅速发展，万物互联已经成为新时代发展的必然趋势。由于传统宽带网络面临高带宽时高成本、缺乏灵活性等较多新挑战，为适应未来爆炸式增长、动态变化的的光通信业务需求，全光网络成为大连接时代的大势所趋。全光网的关键就是实现全光节点，而全光节点特征包括三个：全光，消除了电节点带来的容量限制和光电转换成本；三无，即无色、无方向、无冲突，具备三无的波长交换和汇聚节点，具有很高的灵活性；灵活格栅，根据实际业务带宽灵活分配信号谱宽，最终形成一个灵活适应不同传输距离和容量的可编程光网。而如何实现未来快速、动态变化的全光交换和大量数据传输业务，关键技术是如何实现波长无关、方向无关，无冲突，并且支持灵活频谱宽度的ROADM(ReconfigurableOptical Add-Drop Multiplexer，可重构光分插复用器)系统。
随着平面光波导技术的发展，基于硅工艺的平面光波导(Planar LightwaveCircuit，PLC)技术开始被广泛应用于ROADM系统，基于PLC技术的阵列波导光栅(ArrayWaveguide Grate，AWG)、分光器、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)以及光开关等多种器件已经实现。为了实现波长无关、方向无关、无冲突、灵活频谱宽度的ROADM系统，目前多采用将分路器、光开关等器件通过光纤阵列耦合在一起，实现混合集成。但是，基于此种方法，光分路器的低损耗与光开关的高响应速度不能同时实现，降低了器件的光学性能，不能充分发挥各自的优势，并且混合集成时需要大量的光纤接头，尺寸较大，无法实现和其它器件的集成。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种M×N多播传送光开关，通过低折射率差的光分路器阵列与高折射率差的光开关阵列的集成，降低了器件损耗，得到功耗低、响应速度快，尺寸紧凑的多播传送光开关。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种M×N多播传送光开关，包括：光分路器阵列，用于将输入的光信号均匀分光；光开关阵列，用于控制光信号的输出；以及衬底；其中，所述光分路器阵列和光开关阵列集成在所述衬底上，二者采用不同的波导材料制作而成，且所述光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于所述光开关阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差；M、N均为正整数。
在本公开的一些实施例中，还包括：光互连结构，与所述光分路器阵列相连，用于传输光分路器阵列输出的光信号；以及模斑转换结构，与所述光互连结构相连，用于将光互连结构输出的光场转换为与所述光开关阵列相匹配的光场。
在本公开的一些实施例中，所述光互连结构的波导材料与光分路器阵列的波导材料相同，且所述光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于10％；所述模斑转换结构的波导材料与所述光开关阵列的波导材料相同，所述光开关阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差大于10％。
在本公开的一些实施例中，所述光分路器阵列的波导材料为二氧化硅或磷化铟；所述光开关阵列的波导材料为硅或氮化硅。
在本公开的一些实施例中，所述光分路器阵列包括M个1×N光分路器，所述1×N光分路器包括N-1个级联的Y分支波导。
在本公开的一些实施例中，所述Y分支波导包括：输入直波导，锥型波导，窄波导，展宽波导，过渡波导，以及两个弧形波导；其中，所述输入直波导，锥型波导，窄波导，展宽波导，过渡波导依次连接，所述两个弧形波导分别与所述过渡波导相连。
在本公开的一些实施例中，所述光互连结构，包括：2个直波导，分别位于光互连结构的两侧；M×N-2个交叉波导；以及补偿结构，用于填充所述交叉波导相交的锐角部分的缝隙。
在本公开的一些实施例中，所述模斑转换结构包括M×N个模斑转换器，所述模斑转换器，包括：过渡结构，用于与光互连结构波导的尺寸相匹配；窄波导，用于与光开关波导的尺寸相匹配；以及锥型结构，用于连接所述过渡结构和窄波导。
在本公开的一些实施例中，所述光开关阵列包括N个M×1光开关，所述M×1光开关包括级联的定向耦合器、Y分支波导和调制组件；所述调制组件为电光调制组件或热光调制组件。
在本公开的一些实施例中，所述光分路器阵列和光开关阵列的输入端口之间的间距和输出端口之间的间距均为127μm或250μm的整数倍。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种M×N多播传送光开关至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过采用低折射率差的光分路器阵列和高折射率差的光开关阵列的集成结构，保证较低器件损耗的同时又得到功耗低、响应速度快、尺寸紧凑的M×N多播传送光开关；
(2)通过在交叉波导中引入了补偿结构，用于填充两个交叉波导相交的锐角部分的缝隙，提高了工艺可行性和重复性；
(3)通过采用模斑转换结构将光互连结构输出的弱限制光场转换为与光开关阵列相匹配的强限制光场，从而减小了模式失配损耗，降低了耦合损耗。
附图说明
图1为本实施例中一种4×4多播传送光开关的示意图。
图2为本实施例中1×4光分路器的结构示意图。
图3为本实施例中1×4光分路器输出端口的插入损耗与光波长的变化曲线。
图4a为本实施例中交叉结构的结构示意图。
图4b为本实施例中交叉结构的交叉损耗随着不同交叉角度的变化曲线。
图5为本实施例中模斑转换器的结构示意图。
图6a为本实施例中电光效应4×1光开关的结构示意图。
图6b为本实施例中热光效应4×1光开关的结构示意图。
【符号说明】
1-光分路器阵列；
101-低折射率差波导材料；
2-光互连结构；
3-模斑转换结构；
4-光开关阵列；
401-高折射率差波导材料；
5-1×4光分路器；
500，507，508-输入直波导；
501，509，510-锥型波导；
502，511，512-窄波导；
503，513，514-展宽波导；
504，515，516-过渡波导；
505，506，517，518，519，520，521，522-弧形波导；
523，524，525，526-输出直波导；
6-交叉结构；
601，602-交叉波导；
603-补偿结构；
7-模斑转换器；
701-过渡结构；
702-锥型结构；
703-窄波导；
8-4×1光开关；
801，802，809-定向耦合器；
807，808，812-Y分支波导；
803，804，805，806，810，811-电调制组件；
813，814，815，816，817，818-热调制组件；
9-衬底。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提供一种M×N多播传送光开关，其中M和N的取值均为正整数，包括：
光分路器阵列，用于将输入的光信号均匀分光；
光互连结构，与所述光分路器阵列相连，形成交叉互连，用于传输光分路器阵列输出的光信号；
模斑转换结构，与所述光互连结构相连；
光开关阵列，与所述模斑转换结构相连，用于控制模斑转换结构输出的光信号；以及
衬底；其中，
所述模斑转换结构用于将光互连结构输出的光场转换为与所述光开关阵列相匹配的光场；
所述光分路器阵列和光开关阵列集成在所述衬底上，二者采用不同的波导材料制作而成，且所述光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于所述光开关阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差；
其中，相对折射率差Δn可表示如下：
其中，n1为波导芯层的折射率，n2为波导上下包层的折射率。
所述光互连结构的波导材料与光分路器阵列的波导材料相同，且所述光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于10％，称为低折射率差的波导材料，例如二氧化硅或磷化铟；通过采用相同的低折射率差的波导材料制备光分路器阵列和光互连结构，降低了器件损耗。
所述模斑转换结构的波导材料与所述光开关阵列的波导材料相同，所述光开关阵列的波导芯层与波导包层的相对折射率差大于10％，称为高折射率差的波导材料，例如硅或氮化硅；通过采用高折射率差的波导材料制备光开关阵列，提高了光开关的响应速度、降低了功耗。
通过将低折射率差波导材料制备的光分路器阵列、光互连结构和高折射率差波导材料制备的模斑转换结构、光开关阵列在同一衬底上集成，保证较低的器件损耗的同时又得到功耗低、响应速度快的M×N多播传送光开关，且尺寸紧凑，便于集成。
所述光分路器阵列包括M个1×N光分路器，所述1×N光分路器包括N-1个级联的Y分支波导；所述光互连结构包括M×N-2个交叉波导、2个直波导和补偿结构，所述模斑转换结构包括M×N个模斑转换器，光开关阵列包括N个M×1光开关，以构成M×N多播传送光开关。
以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本实施例中选取M＝N＝4，图1为本实施例中一种4×4多播传送光开关的示意图。光分路器阵列1由4个1×4光分路器5合理布局组成，其中衬底9为SOI(Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅)。低折射率差波导材料101为二氧化硅，其中，掺Ge的二氧化硅材料作为芯层，折射率为n1＝1.4515，掺B、P的二氧化硅材料作为上下包层材料，折射率n2＝1.445，由公式(1)可得出光分路器的折射率差Δn＝0.45％。
进一步的，所述1×4光分路器5主要由3个Y分支波导树形级联而成，图2为本实施例中1×4光分路器的结构示意图。请参照图2，1×4光分路器5由三个Y分支波导两级级联而成，第一级Y分支波导由一输入直波导500，一锥型波导501，一窄波导502，一展宽波导503，一过渡波导504和二个弧形波导505、506连接而成。通过锥型波导501和窄波导502的引入，可有效改善输出光场的均匀性。展宽波导503和过渡波导504的引入可将输入光场逐渐展宽，以减少光场分束时引起的模场失配损耗，且降低了缝隙泄露损耗。第二级Y分支波导包括二输入直波导507、508，二锥型波导509、510，二窄波导511、512，二展宽波导513、514，二过渡波导515、516，六段弧形波导517、518、519、520、521、522和四条输出直波导523、524、525、526。直波导525、523、524、526分别为1×4光分路器5的第一个、第二个、第三个和第四个输出端口。由于第二级Y分支波导具有一定的倾斜，导致光场畸变，本公开通过引入锥型波导509、510和窄波导511、512，对前级输出光场进行整形，降低模场失配损耗，从而改善器件输出光场的均匀性。通过三维束传输法对1×4光分路器5进行模拟仿真和优化，得到1×4光分路器在不同光波长下的损耗。图3为本实施例中1×4光分路器输出端口的插入损耗与光波长的变化曲线，其中1×4光分路器中第一个输出端口和第四个输出端口的插入损耗相同，如图3中曲线P1所示，1×4光分路器中第二个输出端口和第三个输出端口的插入损耗相同，如图3中曲线P2所示。1×4光分路器的插入损耗IL与均匀性UNIF的计算公式如下：
其中，Pin为1×4光分路器的输入端口的光功率，这里选取Pin为归一化光光功率1，表示1×4光分路器第i(i＝1，2，3，4)个输出端口的光功率，ILi表示第i个输出端口的插入损耗，(Pout)max为四个输出端口中取值最大的光功率，(Pout)min为取值最小的光功率，UNIF为1×4光分路器的均匀性。通过读取图3中的相关数值，代入公式计算得出，1×4光分路器的插入损耗ILi＜6.15dB，均匀性UNIF＜0.12dB。由此可见，通过采用低折射率差的光分路器可以降低器件的插入损耗，且该插入损耗对光波长不敏感。为了实现封装时与光纤的匹配，光分路器阵列的输入端口和输出端口之间的间距均为127μm或250μm整数倍。
光信号经过1×4光分路器分光后，进入光互连结构2。所述光互连结构2由低折射率差波导材料二氧化硅制备，其包括14个交叉波导、2个直波导和补偿结构603，其中最外侧两个波导为直波导，不与其它波导交叉。其中，所述交叉波导601、602和补偿结构603构成交叉结构6，如图4a所示。图4a为本实施例中交叉结构6的结构示意图，两个交叉波导之间具有一定的交叉角度。因交叉结构6锐角部分缝隙从0逐渐增大，由于光刻工艺的限制，最小缝隙一般1～2μm，为提高工艺重复性，本公开引入了补偿结构603，可有效提高器件工艺可行性及重复性。补偿结构603也为光波导，其作用是为了填补所述锐角部分的缝隙，形状不限制为图4a中的三角形。交叉角度的不同会对交叉损耗和器件尺寸产生影响，交叉角度越大，交叉结构的交叉损耗越小，但尺寸会相应增大。因此本公开对交叉角度进行了优化，图4b为本实施例中交叉结构的交叉损耗随着不同交叉角度的变化曲线。如图4b所示，交叉角度为30°时，交叉损耗＜0.05dB，且随着交叉角度的继续增大，交叉损耗变化基本趋于平坦，基于尺寸和损耗均衡考虑，本实施例中采用最小交叉角度30°。
由光互连结构2输出的光信号进入所述模斑转换结构3，该模斑转换结构包括4×4＝16个模斑转换器7。图5为本实施例中模斑转换器的结构示意图，模斑转换器包括一过渡结构701、一锥型结构702和一窄波导703，所述过渡结构701用于与光互连结构波导的尺寸相匹配；所述窄波导703用于与光开关波导的尺寸相匹配；所述锥型结构用于连接所述过渡结构和窄波导。请参照图1，高折射率差波导材料402为硅，则模板斑转换结构3的两侧分别为低折射率二氧化硅光波导和高折射率硅光波导。因二氧化硅波导尺寸在μm量级，而硅光波导尺寸在nm级，两种波导之间因光场严重失配，耦合损耗较大。为降低二者的耦合损耗，通过模斑转换结构7的引入，可将光互连结构输出的弱限制光场转换为与光开关阵列相匹配的强限制光场，从而减小了模式失配损耗，降低了耦合损耗。
模斑转换结构7将光场转换为和高折射率硅波导相匹配的光场后进入光开关阵列4，所述光开关阵列4包括4个4×1光开关8，模斑转换结构和光开关阵列均采用硅作为芯层材料，折射率n1为3.14，二氧化硅为上下包层材料，折射率n1为1.445，由公式(1)可以得出光开关阵列的折射率差Δn＝39.4％。图6a为本实施例中电光效应4×1光开关的结构示意图，电光效应4×1光开关包括三个定向耦合器801、802、809，三个Y分支波导807、808、812和六个电调制组件803、804、805、806、810、811，基于马赫增德干涉原理，通过设计不同电压组合方案，实现4×1光开关的功能。图6b为本实施例中热光效应4×1光开关的结构示意图，热光效应4×1光开关包括三个定向耦合器801、802、809，三个Y分支波导807、808、812和六个热调制组件813、814、815、816、817、818，基于马赫增德干涉原理，通过设计不同加热电极的组合方案，实现4×1光开关的功能。光开关阵列4主要利用电光效应或热光效应实现对光波导折射率的调制，使光路发生改变，从而实现光开关的目的。本公开中的光开关不限于本实施例中的电光效应光开关和热光效应光开关。
光开关阵列的输入端口和输出端口之间的间距均为127μm或250μm整数倍，以实现封装时与光纤阵列的匹配。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种M×N多播传送光开关有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
综上所述，本公开一种M×N多播传送光开关，通过低损耗低折射率光分路器阵列和高折射率高速光开关阵列的集成结构，既保证较低的器件损耗，又得到功耗低、响应速度快、尺寸紧凑的M×N多播传送光开关，从而可以广泛应用于全光网光交换、通信等诸多领域。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种M×N多播传送光开关，包括：
光分路器阵列，用于将输入的光信号均匀分光；
光开关阵列，用于控制光信号的输出；以及
衬底；其中，
所述光分路器阵列和光开关阵列集成在所述衬底上，二者采用不同的波导材料制作而成，且所述光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于所述光开关阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差；M、N均为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种M×N多播传送光开关，还包括：
光互连结构，与所述光分路器阵列相连，用于传输光分路器阵列输出的光信号；以及
模斑转换结构，与所述光互连结构相连，用于将光互连结构输出的光场转换为与所述光开关阵列的波导相匹配的光场。
3.根据权利要求2所述的一种M×N多播传送光开关，其中，
所述光互连结构的波导材料与光分路器阵列的波导材料相同，且所述光分路器阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差小于10％；
所述模斑转换结构的波导材料与所述光开关阵列的波导材料相同，所述光开关阵列的波导芯层与波导包层之间的相对折射率差大于10％。
4.根据权利要求3所述的一种M×N多播传送光开关，其中，
所述光分路器阵列的波导材料为二氧化硅或磷化铟；
所述光开关阵列的波导材料为硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的一种M×N多播传送光开关，其中，所述光分路器阵列包括M个1×N光分路器，所述1×N光分路器包括N-1个级联的Y分支波导。
6.根据权利要求5所述的一种M×N多播传送光开关，其中，所述Y分支波导包括：
输入直波导，锥型波导，窄波导，展宽波导，过渡波导，以及两个弧形波导；其中，所述输入直波导，锥型波导，窄波导，展宽波导，过渡波导依次连接，所述两个弧形波导分别与所述过渡波导相连。
7.根据权利要求2所述的一种M×N多播传送光开关，其中，所述光互连结构，包括：
2个直波导，分别位于光互连结构的两侧；
M×N-2个交叉波导；以及
补偿结构，用于填充所述交叉波导相交的锐角部分的缝隙。
8.根据权利要求2所述的一种M×N多播传送光开关，其中，所述模斑转换结构包括M×N个模斑转换器，所述模斑转换器，包括：
过渡结构，用于与光互连结构波导的尺寸相匹配；
窄波导，用于与光开关阵列的波导的尺寸相匹配；以及
锥型结构，用于连接所述过渡结构和窄波导。
9.根据权利要求1所述的一种M×N多播传送光开关，其中，所述光开关阵列包括N个M×1光开关，所述M×1光开关包括级联的定向耦合器、Y分支波导和调制组件；所述调制组件为电调制组件或热调制组件。
10.根据权利要求1所述的一种M×N多播传送光开关，其中，所述光分路器阵列和光开关阵列的输入端口之间的间距和输出端口之间的间距均为127μm或250μm的整数倍。
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