CN111736403B - 一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低随机相位误差的马赫‑泽德干涉仪。包括输入波导区、N×2输入光耦合器、第一滤模区、相移区、第二滤模区、2×M输出光耦合器、输出波导区；输入波导区包括N条输入波导，第一滤模区包括第一、第二滤模器，第二滤模区包括第三、第四滤模器，输出波导区包括M条输出波导；N条输入波导经N×2输入光耦合器后分别与第一、第二滤模器的输入端连接，第一、第二滤模器输出端经相移区分别与第三、第四滤模器的输入端连接，第三、第四滤模器输出端经2×M输出光耦合器后分别和M条输出波导连接。本发明实现了低随机相位误差的马赫‑泽德干涉结构。

Description

一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪
技术领域
本发明涉及了一种平面光波导集成器件，尤其是涉及了一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪。
背景技术
光通信在长距离通信领域取得了巨大成功。随着光通信技术的日益发展，通信容量需求急剧增长，同时下一代光网络对智能化和灵活性也提出了更高的要求，从而能够根据当前网络中具体情况进行灵活智能的光信号切换及路由。具体地，在各个光网络节点上，光交叉连接器、光上下路器等光模块是实现智能化的关键基础。在智能化光模块中，往往会包含几十甚至几百个光开关单元的光开关阵列。因此，作为光信号切换及路由的基本器件单元，光开关扮演着极为重要的角色，一直受到广泛关注。
硅光开关器件由于其具有超紧凑结构以及兼容CMOS工艺等优点，在光互联系统备受关注。目前硅基光开关主要有基于热光效应和电光效应两种开关调谐手段，通常采用马赫-泽德干涉仪结构设计。马赫-泽德干涉仪通常包括N×2 输入光耦合器、两条干涉臂、2×M输出光耦合器，其中N＝1或2、M＝1或2。在传统器件设计框架中，两条干涉臂一般采用普通单模波导。由于硅光波导折射率差很大，其单模波导尺寸往往仅为450nm左右。然而，在实际器件加工过程中，不可避免地会引入纳米级随机尺寸偏差，因而导致两条干涉臂存在随机相位差。由于单模硅光波导尺寸小且干涉臂长度较长，其累积的随机相位往往使硅光开关严重偏离其偏置工作零点。因此，往往需要引入监测器及校准相移器等附加结构，从而使得光开关单元的“开/关”两个状态的最优偏置工作点。一方面，显著增加了光开关功耗；另一方面，其结构庞大、测试复杂、运行功耗高等方面瓶颈严重阻碍了大规模光开关阵列的发展，为进一步实现大规模光开关阵列带来了巨大挑战。因而，亟需发明新技术，以解决传统设计中随机相位误差带来的一系列瓶颈问题。
为克服这些问题，本发明方案是：创新性地采用多模干涉臂波导设计并结合模式调控技术，通过增大波导宽度的设计显著减小随机工艺误差引入的随机相位误差，从而实现具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，进而实现无需校正的光开关及阵列。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，解决传统马赫-泽德干涉仪中存在的严重随机相位误差问题，对实现高性能光开关及大规模阵列等关键部件具有重要价值。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括输入波导区、N×2输入光耦合器、第一滤模区、相移区、第二滤模区、2×M输出光耦合器和输出波导区；输入波导区包括N条输入波导，N×2 输入光耦合器包括N个输入端口和2个输出端口，第一滤模区包括第一滤模器和第二滤模器，相移区包括第一相移波导和第二相移波导，第二滤模区包括第三滤模器和第四滤模器，2×M输出光耦合器包括2个输入端口和M条输出端口，输出波导区包括M条输出波导；输入波导区的N条输入波导与N×2输入光耦合器的N个输入端口一一对应连接，N×2输入光耦合器的2个输出端口分别经第一滤模器、第二滤模器后与第一相移波导、第二相移波导的输入端相连；第一相移波导、第二相移波导的输出端分别经第三滤模器、第四滤模器与2×M输出光耦合器的2个输入端口相连，输出波导区的M条输出波导与2×M输出光耦合器M个输出端口一一对应连接。
所述的N×2输入光耦合器、2×M输出光耦合器采用多模干涉耦合结构、定向耦合结构或Y分支，N×2是1×2或2×2，2×M是2×1或2×2。
所述的第一滤模器、第二滤模器、第三滤模器、第四滤模器结构可以相同也可以不同，每个滤模器有5种结构，共有25种组合方式。
所述的滤模器结构是基于绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构或多模波导渐变到单模波导的单模波导的S弯曲波导滤模结构或者是基于1×1多模干涉耦合器的滤模结构或S弯曲波导。
所述的第一滤模区的第一滤模器和第二滤模器以两侧对称布置，所述的第二滤模区的第三滤模器和第四滤模器以两侧对称布置；
所述的第一滤模区的第一滤模器包括第一欧拉弯曲波导、第一基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第一欧拉弯曲波导呈S形弯曲布置，第一欧拉弯曲波导一端作为输入端，第一欧拉弯曲波导另一端作为输出端，第一基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第一欧拉弯曲波导在靠近输入波导区的一侧旁；所述的第一滤模区的第二滤模器包括第二欧拉弯曲波导、第二基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第二欧拉弯曲波导呈S形弯曲布置，第二欧拉弯曲波导一端作为输入端，第二欧拉弯曲波导另一端作为输出端，第二基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第二欧拉弯曲波导在靠近输入波导区的一侧旁。
所述的第二滤模区的第三滤模器包括第三欧拉弯曲波导、第五基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第三欧拉弯曲波导呈S形弯曲布置，第三欧拉弯曲波导一端作为输入端，第三欧拉弯曲波导另一端作为输出端，第五基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第三欧拉弯曲波导在靠近输入波导区的一侧旁；所述的第一滤模区的第二滤模器包括第四欧拉弯曲波导、第六基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第四欧拉弯曲波导呈S形弯曲布置，第四欧拉弯曲波导一端作为输入端，第四欧拉弯曲波导另一端作为输出端，第六基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第四欧拉弯曲波导在靠近输入波导区的一侧旁。
所述的第一滤模连接波导还包括第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第一欧拉弯曲波导在靠近输出波导区的一侧旁；所述的第二滤模连接波导还包括第四基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第四基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第二欧拉弯曲波导在靠近输出波导区的一侧旁；第三滤模器还包括第七基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第三欧拉弯曲波导在靠近输出波导区的一侧旁；所述的第四滤模器还包括第八基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，第八基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导置于第四欧拉弯曲波导在靠近输出波导区的一侧旁。
所述的相移区包括第一相移波导和第二相移波导，第一相移波导和第二相移波导相同，都是基于多模波导的相移结构；滤模波导输出端到第一、第二相移波导输入端的连接波导为宽度渐变波导、第一、第二相移波导的输出端到滤模波导输入端的连接波导为宽度渐变波导，宽度渐变可以是线性渐变或非线性渐变。
所述的相移区的相移产生是通过基于电光效应、磁光效应或热光效应等。
所述的相移区上或旁边设置电极区，具体是在所述第一相移波导和第二相移波导或者两者之一的芯区、包层上方或旁边设有电极。基于热光效应下，光开关要求第一相移波导和第二相移波导上方均设有加热电极，或者第一相移波导、第二相移波导两者之一上方设有加热电极。基于电光效应和磁光效应下光开关的加热电极也是如此。
所述的输入波导区、N×2输入光耦合器、第一滤模区、相移区、第二滤模区、2×M输出光耦合器、输出波导区的波导为硅光波导、铌酸锂波导或聚合物波导。
所述的输入波导区、N×2输入光耦合器、第一滤模区、相移区、第二滤模区、2×M输出光耦合器、输出波导区的波导均采用条形光波导或脊形波导。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明实现了一种新型马赫-泽德干涉仪的光开关，具备大的工艺制作容差，大大的降低了随机相位误差。
(2)本发明实现了一种新型马赫-泽德干涉仪的光开关，具备结构简单、设计灵活等优点，降低了制作复杂度，同时也使得器件更紧凑。
(3)本发明实现了一种新型马赫-泽德干涉仪的光开关，相比传统的光开关，不需要进行“开”、“关”状态的校准步骤，降低了测试的复杂度，也避免了光开关器件初始状态校准带来的能耗。
(4)本发明实现了一种新型马赫-泽德干涉仪的光开关，结构紧凑，随机相位误差小，可用来实现大端口光开关阵列，在未来可重构智能光网络中得以应用。
附图说明
图1是本发明的无源结构示意图。
图1(a)是本发明的实施例之一结构示意图。
图1(b)是本发明的实施例之二结构示意图。
图1(c)是本发明的实施例之三结构示意图。
图1(d)是本发明的实施例之四结构示意图。
图1(e)是本发明的实施例之五结构示意图。
图1(f)是本发明的实施例之一结构示意图。
图2是本发明滤模器的实施例图。
图2(a)是本发明第一、第二滤模器的实施例之一结构示意图。
图2(b)是本发明第一、第二滤模器的实施例之二结构示意图。
图2(c)是本发明第一、第二滤模器的实施例之三结构示意图。
图2(d)是本发明第一、第二滤模器的实施例之四结构示意图。
图2(e)是本发明第一、第二滤模器的实施例之五结构示意图。图2(f) 是本发明第三、第四滤模器的实施例之一结构示意图。
图2(g)是本发明第三、第四滤模器的实施例之二结构示意图。
图2(h)是本发明第三、第四滤模器的实施例之三结构示意图。
图2(i)是本发明第三、第四滤模器的实施例之四结构示意图。
图2(j)是本发明第三、第四滤模器的实施例之五结构示意图。
图3是本发明的波导宽度渐变结构示意图。
图4是本发明2×2输入光耦合器的实施例图。
图5是本发明热光开关实施例全部结构的示意图。
图6是实施例经测试的频谱响应图。
表1是实施例与常用光开关的对比图。
图中：1、输入波导区，2、N×2输入光耦合器，3、第一滤模区，4、相移区，5、第二滤模区，6、2×M输出光耦合器，7、输出波导区，8、加热电极区， 1a、第一输入波导，1b、第二输入波导，3a、第一滤模器，3b、第二滤模器，4a、第一相移波导，4b、第二相移波导，5a、第三滤模器，5b、第四滤模器，7a、第一输出波导，7b、第二输出波导，8a、第一加热电极，8b、第二加热电极； 3a_1、第一基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，3a_2、第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，3a_3、第一弯曲波导，3b_1、第二基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，3b_2、第四基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，3b_3、第二弯曲波导；5a_1、第五基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，5a_2、第七基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，5a_3、第三弯曲波导，5b_1、第六基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，5b_2、第八基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，5b_3、第四弯曲波导；4a_1、第一宽度渐变波导，4a_2、第二宽度渐变波导，4b_1、第三宽度渐变波导，4b_2、第四宽度渐变波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的光开关包括输入波导区1、N×2输入光耦合器2、第一滤模区3、第一相移区4、第二滤模区5、2×M输出光耦合器6、输出波导区 7；输入波导区1包括N条输入波导，第一滤模区3包括第一滤模器3a和第二滤模器3b，第二滤模区5包括第三滤模器5a和第四滤模器5b，输出波导区7 包括M条输出波导；N条输入波导经N×2输入光耦合器2后分别与第一滤模器 3a、第二滤模器3b的输入端连接，第一滤模器3a、第二滤模器3b输出端经相移区4分别与第三滤模器5a、第四滤模器5b的输入端连接，第三滤模器5a、第四滤模器5b输出端经2×M输出光耦合器6后分别和M条输出波导连接。
N×2输入光耦合器2、2×M输出光耦合器6可以采用多模干涉耦合结构、定向耦合结构或Y分支，N×2可以是1×2耦合器或2×2耦合器，2×M输出光耦合器可以是2×1耦合器或2×2耦合器。
第一滤模区3包括第一滤模器3a和第二滤模器3b，第二滤模区5包括第三滤模器5a和第四滤模器5b；第一滤模器3a或第二滤模器3b的结构如图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，图2(a)、(b)是绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构，图2(c)是基于1×1多模干涉耦合器的滤模波导，图 2(d)是基于单模S弯曲波导的滤模结构，图2(e)为S弯曲波导结构。第三滤模器5a和第四滤模器5b的结构如图2(f)、(g)、(h)、(i)、(j)所示，图2(f)、(g)是绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构，图2(h) 是基于1×1多模干涉耦合器的滤模波导，图2(i)是基于单模S弯曲波导的滤模结构，图2(j)为S弯曲波导结构。因此，光开关器件有25种组合；在图1中列举了几种结构，图1(a)所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器5a、第四滤模器5b结构相同，是基于绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构。图1(b)所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b结构相同，滤模器结构是基于绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构，第三滤模器5a、第四滤模器5b结构相同，为S弯曲波导结构。图1(c)所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器5a、第四滤模器5b结构相同，是基于1×1多模干涉耦合器的滤模波导。图1(d)所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b是基于1 ×1多模干涉耦合器的滤模波导，第三滤模器5a、第四滤模器5b结构相同，为 S弯曲波导结构。图1(e)所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器 5a、第四滤模器5b结构相同，基于单模S弯曲波导的滤模结构。图1(f)所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器5a、第四滤模器5b结构相同，为S 弯曲波导结构。
滤模器结构如图1(a)所示，第一滤模区3的第一滤模器3a和第二滤模器 3b以两侧对称布置，第二滤模区5的第三滤模器和第四滤模器以两侧对称布置，以第一滤模区3为例说明；第一滤模区3的第一滤模器3a包括第一欧拉弯曲波导3a_3、第一绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3a_1、第二绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3a_2，第一欧拉弯曲波导3a_3呈S形弯曲布置，第一欧拉弯曲波导3a_3一端作为输入端，第一欧拉弯曲波导3a_3另一端作为输出端，第一绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3a_1置于第一欧拉弯曲波导3a_3在靠近输入波导区1的一侧旁，第二绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3a_2置于第一欧拉弯曲波导3a_3在靠近输出波导区7 的一侧旁；第一滤模区3的第二滤模器3b包括第二欧拉弯曲波导3b_3、第三绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3b_1、第四绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3b_2，第二欧拉弯曲波导3b_3呈S形弯曲布置，第二欧拉弯曲波导3b_3一端作为输入端，第二欧拉弯曲波导3b_3另一端作为输出端，第三绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3b_1置于第二欧拉弯曲波导3b_3在靠近输入波导区1的一侧旁，第四绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3b_2置于第一欧拉弯曲波导3a_3在靠近输出波导区7的一侧旁。
第二种实施方式如图1(b)所示，第一滤模区3的第一滤模器3a和第二滤模器3b以两侧对称布置，第二滤模区5的第三滤模器5a和第四滤模器5b以两侧对称布置，以第一滤模区3为例说明；第一滤模区3的第一滤模器3a包括第一欧拉弯曲波导3a_3、第一绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3a_1，第一欧拉弯曲波导3a_3呈S形弯曲布置，第一欧拉弯曲波导3a_3一端作为输入端，第一欧拉弯曲波导3a_3另一端作为输出端，第一绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3a_1置于第一欧拉弯曲波导3a_3在靠近输入波导区1的一侧旁；第一滤模区3的第二滤模器3b包括第二欧拉弯曲波导3b_3、第三绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3b_1，第二欧拉弯曲波导3b_3呈S 形弯曲布置，第二欧拉弯曲波导3b_3一端作为输入端，第二欧拉弯曲波导3b_3 另一端作为输出端，第三绝热型渐变双芯波导模式解复用器的滤模结构3b_1置于第二欧拉弯曲波导3b_3在靠近输入波导区1的一侧旁；第三滤模器5a和第四滤模器5b为S弯曲波导连接2×M输出光耦合器。
第三种实施方式如图1(c)所示，第一滤模区3的第一滤模器3a和第二滤模器3b以两侧对称布置，第二滤模区5的第三滤模器5a和第四滤模器5b以两侧对称布置，以第一滤模区3为例说明；第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器5a和第四滤模器5b为1×1多模干涉耦合器的滤模波导，经过滤模器后输出光为基模。
第四种实施方式如图1(d)所示，第一滤模区3的第一滤模器3a和第二滤模器3b以两侧对称布置，第二滤模区5的第三滤模器5a和第四滤模器5b以两侧对称布置，以第一滤模区3为例说明；第一滤模器3a、第二滤模器3b为1× 1多模干涉耦合器的滤模波导，经过滤模器后输出光为基模。第三滤模器5a和第四滤模器5b为S弯曲波导，连接2×M输出光耦合器。
第五种实施方式如图1(e)所示，第一滤模区3的第一滤模器3a和第二滤模器3b以两侧对称布置，第二滤模区5的第三滤模器5a和第四滤模器5b以两侧对称布置，以第一滤模区3为例说明；第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器5a和第四滤模器5b为单模S弯曲滤模波导，第一滤模器3a、第二滤模器3b连接2×2输入光耦合器第三滤模器5a和第四滤模器5b连接2×2输出光耦合器。
第六种实施方式如图1(f)所示，第一滤模区3的第一滤模器3a和第二滤模器3b以两侧对称布置，第二滤模区5的第三滤模器5a和第四滤模器5b以两侧对称布置，以第一滤模区3为例说明；第一滤模器3a、第二滤模器3b为单模 S弯曲滤模波导，第一滤模器3a、第二滤模器3b连接2×2输入光耦合器，第三滤模器5a和第四滤模器5b为S弯曲波导，第三滤模器5a和第四滤模器5b连接2×2输出光耦合器。
相移区4包括第一相移波导4a和第二相移波导4b，第一相移波导4a和第二相移波导4b相同，都是基于多模波导的相移结构；滤模器输出端到第一、第二相移波导输入端的连接波导为宽度渐变波导、第一、第二相移波导的输出端到滤模器输入端的连接波导为宽度渐变波导，宽度渐变可以是线性渐变或非线性渐变。
相移区的相移产生可以是基于电光效应、磁光效应或热光效应等。
热光效应要求第一加热电极8a和第二加热电极8b相对称，以实现第一相移波导4a、第二相移波导4b的光强平衡,第一加热电极8a或第二加热电极8b与外部电源相连，将外部电源注入的电能转化为热能，并向下传递至第一相移波导4a、第二相移波导4b的芯区，通过温度的调控实现芯区位相的调控。
输入波导区1、N×2输入光耦合器2、第一滤模区3、相移区4、第二滤模区 5、2×M输出光耦合器6、输出波导区7的波导为硅光波导、铌酸锂波导或聚合物波导。输入波导区1、N×2输入光耦合器2、第一滤模区3、相移区4、第二滤模区5、2×M输出光耦合器6、输出波导区7的波导均可采用条形光波导或脊形波导。
基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导所述的相移区4上方或旁边设置电极区8，具体是在所述第一相移波导和第二相移波导或者两者之一的芯区、包层上方或旁边设有电极。
通过上述滤模结构的布置能够实现宽波导的低串扰目标。
如图2所示，第一滤模器3a、第二滤模器3b、第三滤模器5a、第四滤模器 5b结构分别有5种，以第一滤模器3a、第二滤模器3b为例说明：第一滤模器3a、第二滤模器3b布置设计了第一欧拉弯曲波导3a_3、第二欧拉弯曲波导3b_3 能够实现宽波导的小尺寸低损耗目标。第一种结构如图2(a)所示，在第一欧拉弯曲波导左侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3a_1、右侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3a_2，滤掉部分模，在第二欧拉弯曲波导左侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3b_1、右侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3b_2，滤掉部分高阶模。
第二种结构如图2(b)所示，在第一欧拉弯曲波导左侧仅放置一个基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3a_1，在第二欧拉弯曲波导左侧仅放置一个基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3b_1，滤掉部分高阶模。
第三种结构如图2(c)所示，是基于1×1多模干涉耦合器的滤模波导，滤掉部分高阶模。
第四种结构如图2(d)所示，是单模S弯曲波导，滤掉部分高阶模。
第五种结构如图2(e)所示，为普通S弯曲波导。
上述所示的滤模结构不限于图2所示。
如图3所示，第一宽度渐变波导4a、第二宽度渐变波导4b、第三宽度渐变波导4e、第四宽度渐变波导结构均采用函数y＝x^2.5优化长度与损耗，x表示平行于相移波导的方向，y表示垂直于相移波导的方向。
以图1(a)为例的热光开光结构如图4所示，N×2输入光耦合器为2×2 光耦合器、2×M输出光耦合器为2×2光耦合器，N×2输入光耦合器与2×M输出光耦合器一致，使得第一输入波导1a的入射光被第一功率均分耦合器2分成两束光并分别经由第一滤模器3a、第二滤模器3b连接，第一滤模器3a、第二滤模器3b经第一相移波导4a、第二相移波导4b分别与第三滤模器5a、第四滤模器 5b连接经过第二功率均分耦合器6后最终到达第二输出波导7b处，具有零光程差，即第二输出波导7b处接收到的两束光的干涉级次为0，以降低波长相关性从而获得大带宽。
第一2×2输入光耦合器2将从入射到第一输入波导1a或者第二输入波导1b 的光分别从其第一输入端口或者第二输入端口输入，然后以～50％：50％的功率比分配给连接到其第一输出端口和第二输出端口的第一滤模器3a、第二滤模器 3b、第一相移波导4a、第二相移波导4b、第三滤模器5a、第四滤模器5b；第二 2×2输出光耦合器6将从第三滤模器5a和第四滤模器5b输出的光分别从其第二输出端口和第一输出端口输入，然后各自按～50％：50％的功率比分配给连接到其第二输入端口和第一输入端口的第一输出波导7a或第二输出波导7b，并发生干涉。
考虑第一加热电极8a、第二加热电极8b均未施加电压或注入电流的情形过程如下：
A)当入射光从第一输入波导1a输入时，第一输出波导7b处接收的两束光相干加强，而第二输出波导7a处接收的两束光相干相消，所有光将从第一输出波导7b输出。
B)当入射光从第二输入波导1b输入时，第一输出波导7b处接收的两束光相干相消，而第二输出波导7a处接收的两束光相干加强，所有光将从第二输出波导7a输出。
若在第一加热电极8a或第二加热电极8b上施加电压或注入电流，使得第一相移波导4a上产生π相移，则：
A)当入射光从第一输入波导1a输入时，第一输出波导7a处接收的两束光相干加强，而第二输出波导7b处接收的两束光相干相消，所有光将从第一输出波导7a输出；
B)当入射光从第二输入波导1b输入时，第一输出波导7a处接收的两束光相干相消，而第二输出波导7b处接收的两束光相干加强，所有光将从第二输出波导7b输出。
本发明的具体实施工作过程为：
以器件中心波长为中心，超宽带波长范围内的光从第一输入波导1a输入，经过第一2×2输入光耦合器2后按～50％：50％的功率比分配到第一功率均分耦合器2的第一输出端口和第二输出端口，然后分别经由第一滤模器3a、第二滤模器3b、第一相移波导4a、第二相移波导4b、第三滤模器5a、第四滤模器5b 入射到第二2×2输出光耦合器6的第一输出端口和第二输出端口。从这两个端口输入的光各自被第二2×2输出光耦合器6再次按～50％：50％的功率比分配到其第一输入端口和第二输入端口，最后分别经由第一输出波导7a或第二输出波导7b输出。
考虑到第一加热电极8a、第二加热电极8b均未施加电压或注入电流的情形：当入射光从第一输入波导1a输入时，第一输出波导7b处接收的两束光相干加强，而第二输出波导7a处接收的两束光相干相消，所有光将从第一输出波导7b 输出；当入射光从第二输入波导1b输入时，第一输出波导7b处接收的两束光相干相消，而第二输出波导7a处接收的两束光相干加强，所有光将从第二输出波导7a输出。
若在第一加热电极8a或第二加热电极8b上施加电压或注入电流，使得第一相移波导4a上产生π相移，则：当入射光从第一输入波导1a输入时，第一输出波导7a处接收的两束光相干加强，而第二输出波导7b处接收的两束光相干相消，所有光将从第一输出波导7a输出；当入射光从第二输入波导1b输入时，第一输出波导7a处接收的两束光相干相消，而第二输出波导7b处接收的两束光相干加强，所有光将从第二输出波导7b输出。
下面给出一种具有低随机相位误差的热光波导开关的具体实施例。
实施例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料是SiO2，厚度为2μm、折射率为1.4404；其上包层材料是SiO2，厚度为1μm、折射率为1.4404。
对于如图1所示的基于MZI结构的光开关，其相关参数为：第一输入光波导1a、第二输入光波导1b、以及第一输出光波导7a、第二输出光波导7b宽度均为500nm。第一功分耦合器2、第二功分耦合器6输入端口、输出端口宽度均为900nm，第一欧拉弯曲波导3a、第二欧拉弯曲波导3b、第三欧拉弯曲波导以及第四欧拉弯曲波导的宽度从900nm渐变到500nm再渐变到900nm，第一宽波导4c、第二宽波导4d宽度为2μm，第一宽波导和第二宽波导的长度为30μm。第一加热电极8a和第一加热电极8b的宽度为3μm、长度为50μm。
对于如图2所示的欧拉弯曲滤模结构，其相关参数为：第一欧拉弯曲波导 3a_3、第二欧拉弯曲波导3b_3、第三欧拉弯曲波导以及第四欧拉弯曲波导的宽度从900nm到500nm再渐变到900nm，当波导900nm渐变到670nm经历了60 度，弯曲的半径从20μm渐变到3μm,当波导670nm渐变到500nm经历了30度，弯曲的半径从3μm渐变到10μm，当波导500nm渐变到670nm经历了30度，弯曲的半径从10μm渐变到3μm，当波导670nm渐变到900nm经历了60度，弯曲的半径从3μm渐变到20μm。第一欧拉弯曲波导3a_3左侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3a_1，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从240nm渐变到260nm，耦合区域经历角度为10.5度；右侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3a_2，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从260nm 渐变到240nm，耦合区域经历角度为10.5度；第二欧拉弯曲波导3b_3左侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3b_1，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从240nm渐变到260nm，耦合区域经历角度为15度；右侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导3b_2，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从260nm渐变到240nm，耦合区域经历角度为10.5度；第三欧拉弯曲波导左侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从240nm渐变到260nm，耦合区域经历角度为10度；右侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从 260nm渐变到240nm，耦合区域经历角度为10.5度；第四欧拉弯曲波导左侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从240nm渐变到260nm，耦合区域经历角度为10.5度；右侧放置基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导，基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导与欧拉弯曲波导间隔200nm，其宽度从 260nm渐变到240nm，耦合区域经历角度为10.5度；
对于如图3所示的宽度渐变转换结构，其相关参数为：输入端口900nm，输出端口2μm，长度10μm，结构符合曲线y＝x^2.5趋势。
对于如图4所示的弯曲定向耦合器，其相关参数为：波导宽度2.4μm，长度20μm，输入端口、输出端口均为900nm，两输入端口、两输出端口均相距 600nm。
本实施例2×2MZI光开关的结构如图5所示，实施例最后的测试频谱响应如图6所示。从图中可以看出，所研制的光开关在“开”和“关”两个状态下，在1520nm～1620nm范围内，其插入损耗小于1dB，消光比20dB，实现了近零相位差的光开关，可见具有有益效果中所提到的突出技术效果。
本实施例2×2MZI光开关与普通500nm波导的2×2MZI光开关进行对比如表1，验证了波导制作容差1nm相位差几乎为零，也就是说同等误差条件下相位误差降低了13.8倍。ddx：同等误差条件下相位误差降低的倍数。
表1实际制作出来的相位误差
Figure BDA0002504176720000121
上述实施例用如图6所示，来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：
包括输入波导区(1)、N×2输入光耦合器(2)、第一滤模区(3)、相移区(4)、第二滤模区(5)、2×M输出光耦合器(6)和输出波导区(7)；
输入波导区(1)包括N条输入波导，N×2输入光耦合器(2)包括N个输入端口和2个输出端口，第一滤模区(3)包括第一滤模器(3a)和第二滤模器(3b)，相移区(4)包括第一相移波导(4a)和第二相移波导(4b)，第二滤模区(5)包括第三滤模器(5a)和第四滤模器(5b)，2×M输出光耦合器(6)包括2个输入端口和M条输出端口，输出波导区(7)包括M条输出波导；
输入波导区(1)的N条输入波导与N×2输入光耦合器(2)的N个输入端口一一对应连接，N×2输入光耦合器(2)的2个输出端口分别经第一滤模器(3a)、第二滤模器(3b)后与第一相移波导(4a)、第二相移波导(4b)的输入端相连；第一相移波导(4a)、第二相移波导(4b)的输出端分别经第三滤模器(5a)、第四滤模器(5b)与2×M输出光耦合器(6)的2个输入端口相连，输出波导区(7)的M条输出波导与2×M输出光耦合器(6)M个输出端口一一对应连接；
所述的第一滤模区(3)的第一滤模器(3a)和第二滤模器(3b)以两侧对称布置，所述的第二滤模区(5)的第三滤模器(5a)和第四滤模器(5b)以两侧对称布置；
经过滤模器后输出光为基模；
所述的第一滤模区(3)的第一滤模器(3a)包括第一欧拉弯曲波导(3a_3)、第一基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3a_1)，第一欧拉弯曲波导(3a_3)呈S形弯曲布置，第一欧拉弯曲波导(3a_3)一端作为输入端，第一欧拉弯曲波导(3a_3)另一端作为输出端，第一基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3a_1)置于第一欧拉弯曲波导(3a_3)在靠近输入波导区(1)的一侧旁；所述的第一滤模区(3)的第二滤模器(3b)包括第二欧拉弯曲波导(3b_3)、第二基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3b_1)，第二欧拉弯曲波导(3b_3)呈S形弯曲布置，第二欧拉弯曲波导(3b_3)一端作为输入端，第二欧拉弯曲波导(3b_3)另一端作为输出端，第二基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3b_1)置于第二欧拉弯曲波导(3b_3)在靠近输入波导区(1)的一侧旁；
所述的相移区(4)包括第一相移波导(4a)和第二相移波导(4b)，第一相移波导(4a)和第二相移波导(4b)相同，都是基于多模波导的相移结构；第一滤模器(3a)和第二滤模器(3b)的输出端到第一、第二相移波导输入端的连接波导为第一宽度渐变波导(4a_1)和第二宽度渐变波导(4b_1)，第一、第二相移波导的输出端到第三滤模器(5a)和第四滤模器(5b)输入端的连接波导为第一宽度渐变波导(4a_1)和第二宽度渐变波导(4b_2)，宽度渐变可以是线性渐变或非线性渐变。
2.根据权利要求1所述的一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：所述的第一滤模器(3a)、第二滤模器(3b)、第三滤模器(5a)、第四滤模器(5b)结构可以相同也可以不同。
3.根据权利要求1所述的一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：所述的第一滤模器(3a)还包括第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3a_2)，第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3a_2)置于第一欧拉弯曲波导(3a_3)在靠近输出波导区(7)的一侧旁；所述的第二滤模器(3b)还包括第四基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3b_2)，第四基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(3b_2)置于第二欧拉弯曲波导(3b_3)在靠近输出波导区(7)的一侧旁；第三滤模器(5a)还包括第七基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(5a_2)，第三基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(5a_2)置于第三欧拉弯曲波导(5a_3)在靠近输出波导区(7)的一侧旁；所述的第四滤模器(5b)还包括第八基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(5b_2)，第八基于绝热型渐变双芯波导模式解复用波导(5b_2)置于第四欧拉弯曲波导(5b_3)在靠近输出波导区(7)的一侧旁。
4.根据权利要求1所述的一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：所述的相移区(4)上方或旁边设置电极区(8)，具体是在所述第一相移波导和第二相移波导或者两者之一的芯区、包层上方或旁边设有电极。
5.根据权利要求1所述的一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：所述的输入波导区(1)、N×2输入光耦合器(2)、第一滤模区(3)、相移区(4)、第二滤模区(5)、2×M输出光耦合器(6)、输出波导区(7)的波导为硅光波导、铌酸锂波导或聚合物波导。
6.根据权利要求1所述的一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪，其特征在于：所述的输入波导区(1)、N×2输入光耦合器(2)、第一滤模区(3)、相移区(4)、第二滤模区(5)、2×M输出光耦合器(6)、输出波导区(7)的波导采用条形光波导或脊形波导。
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