CN113759469A - 一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关 - Google Patents

一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，包括输入偏振控制器、第一并联光栅辅助型耦合器、第二并联光栅辅助型耦合器、第一光开关、第二光开关、第一输出偏振控制器和第二输出偏振控制器；本发明采用输入偏振控制器，能将输入TM偏振态转化为TE偏振态，使得本发明具有偏振不敏感的特点，采用输出偏振控制器，可以自由切换输出光的偏振态，采用并联光栅辅助型耦合器，器件设计结构简单，尺寸紧凑，能同时实现两路波长上下路，结合光开关可实现双通道双波长自由选择开关，可应用于片上可重构光分插复用系统，另外本发明的制作工艺可利用商业CMOS工艺，具有大规模低成本制造的特点，对发展片上光自由网络具有重要意义。

Description

一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关
技术领域
本发明涉及集成光电子功能器件技术领域，尤其涉及一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关。
背景技术
波长选择开关是可重构光分插复用器的核心光电器件，可实现任意波长或任意波长组合在任意端口的光信号切换、衰减或阻断，是当前光通信行业的重点产品之一，随着当今社会的飞速发展，人们对网络数据量的需求不断增长，数据中心系统需要400gbps甚至更快速率的自由光传输网络，波长选择开关是光网络中高速传输模块的一个重要组成部分，目前已应用于通信网络中的可重构光分插复用系统，硅基光子器件具有结构紧凑、功耗低和集成度高等特点，这使其在数据中心系统构建中具有优势；
目前报道的硅基波长选择开关包括了基于微环谐振腔、阶梯光栅和阵列波动光栅结构，然而这些设计大都结构复杂，制作困难，尺寸不紧凑，不易于集成，且自身存在受限的自由光谱范围制约了器件的带宽，同时也无法在偏振复用系统中使用，不利于发展片上光自由网络，因此，本发明提出一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，该开关采用输入偏振控制器，能将输入TM偏振态转化为TE偏振态，使得本发明具有偏振不敏感的特点，采用输出偏振控制器，可以自由切换输出光的偏振态，采用并联光栅辅助型耦合器，器件设计结构简单，尺寸紧凑，能同时实现两路波长上下路，实现了双通道双波长自由选择开关，可应用于片上可重构光分插复用系统。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，包括输入偏振控制器、第一并联光栅辅助型耦合器、第二并联光栅辅助型耦合器、第一光开关、第二光开关、第一输出偏振控制器和第二输出偏振控制器，所述输入偏振控制器的输出端与第一并联光栅辅助型耦合器的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器和第二并联光栅辅助型耦合器的输出端分别和第一输出偏振控制器以及第二输出偏振控制器的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器分别与第一光开关和第二光开关连接，所述第二并联光栅辅助型耦合器分别与第一光开关和第二光开关连接。
进一步改进在于：所述输入偏振控制器的输入端连接有输入单模波导，所述第一输出偏振控制器和第二输出偏振控制器的输出端分别连接有第一信号通道和第二信号通道。
进一步改进在于：所述第一并联光栅辅助型耦合器的下路端分别与第一光开关以及第二光开关的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器的上路端分别与第一光开关以及第二光开关的输出端连接。
进一步改进在于：所述第二并联光栅辅助型耦合器的下路端分别与第一光开关以及第二光开关的输入端连接，所述第二并联光栅辅助型耦合器的上路端分别与第一光开关以及第二光开关的输出端连接。
进一步改进在于：所述输入偏振控制器包括模式转换器、非对称渐变定向耦合器、输出渐变波导和第三光开关，所述非对称渐变定向耦合器包括渐变多模波导和渐变单模波导，所述渐变多模波导的一端与模式转换器连接，所述渐变多模波导的另一端与输出渐变波导连接，所述输出渐变波导与渐变单模波导分别和第三光开关的输入端连接。
进一步改进在于：所述第三光开关包括第一多模干涉耦合器、第一加热层和第二多模干涉耦合器，所述第一多模干涉耦合器的两个输出端分别通过两干涉臂与第二多模干涉耦合器的两个输入端连接，且所述第一加热层置于其中一个干涉臂表面，所述第三光开关的输出端与第一并联光栅辅助型耦合器的输入端连接。
进一步改进在于：所述第一并联光栅辅助型耦合器和第二并联光栅辅助型耦合器结构相同，且均包括总线波导光栅、第一访问波导光栅和第二访问波导光栅，所述总线波导光栅、第一访问波导光栅和第二访问波导光栅的波导宽度均不相同，且总线波导光栅的波导宽度最大。
进一步改进在于：所述第一光开关和第二光开关结构相同，且均包括第三多模干涉耦合器、第二加热层和第四多模干涉耦合器，所述第三多模干涉耦合器的输出端通过两干涉臂分别与第四多模干涉耦合器的输入端连接，且所述第二加热层置于其中一个干涉臂表面。
本发明的有益效果为：本发明采用输入偏振控制器，能将输入TM偏振态转化为TE偏振态，使得本发明具有偏振不敏感的特点，采用输出偏振控制器，可以自由切换输出光的偏振态，采用并联光栅辅助型耦合器，器件设计结构简单，尺寸紧凑，能同时实现两路波长上下路，结合光开关可实现双通道双波长自由选择开关，可应用于片上可重构光分插复用系统，另外本发明的制作工艺可利用商业CMOS工艺，具有大规模低成本制造的特点，对发展片上光自由网络具有重要意义。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一的整体结构示意图；
图2是本发明实施例一的输入偏振控制器结构示意图；
图3是本发明实施例一的第一并联光栅辅助型耦合器结构示意图；
图4是本发明实施例一的第一光开关结构示意图；
图5是本发明实施例二中在SOI上的截面结构示意图。
其中，1、输入偏振控制器；2、第一并联光栅辅助型耦合器；3、第二并联光栅辅助型耦合器；4、第一光开关；5、第二光开关；6、第一输出偏振控制器；7、第二输出偏振控制器；8、输入单模波导；9、第一信号通道；10、第二信号通道；101、模式转换器；102、非对称渐变定向耦合器；103、输出渐变波导；104、第三光开关；105、渐变多模波导；106、渐变单模波导；107、第一多模干涉耦合器；108、第一加热层；109、第二多模干涉耦合器；201、总线波导光栅；202、第一访问波导光栅；203、第二访问波导光栅；401、第三多模干涉耦合器；402、第二加热层；403、第四多模干涉耦合器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参见图1、2、3、4，本实施例提供了一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，包括输入偏振控制器1、第一并联光栅辅助型耦合器2、第二并联光栅辅助型耦合器3、第一光开关4、第二光开关5、第一输出偏振控制器6和第二输出偏振控制器7，且均位于同一平面内，所述第一光开关4和第二光开关5均为2*2光开关，所述输入偏振控制器1的输出端与第一并联光栅辅助型耦合器2的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器2和第二并联光栅辅助型耦合器3的输出端分别和第一输出偏振控制器6以及第二输出偏振控制器7的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器2分别与第一光开关4和第二光开关5连接，所述第二并联光栅辅助型耦合器3分别与第一光开关4和第二光开关5连接。
所述输入偏振控制器1的输入端连接有输入单模波导8，所述第一输出偏振控制器6和第二输出偏振控制器7的输出端分别连接有第一信号通道9和第二信号通道10。
所述第一并联光栅辅助型耦合器2的下路端分别与第一光开关4以及第二光开关5的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器2的上路端分别与第一光开关4以及第二光开关5的输出端连接。
所述第二并联光栅辅助型耦合器3的下路端分别与第一光开关4以及第二光开关5的输入端连接，所述第二并联光栅辅助型耦合器3的上路端分别与第一光开关4以及第二光开关5的输出端连接。
所述输入偏振控制器1包括模式转换器101、非对称渐变定向耦合器102、输出渐变波导103和第三光开关104，所述第三光开关104为2*1光开关，所述模式转换器101由三段渐变波导组成，所述非对称渐变定向耦合器102包括渐变多模波导105和渐变单模波导106，多模波导宽度自左向右逐渐变窄，单模波导自左向右逐渐变窄，渐变多模波导和渐变单模波导的间距保持不变，所述渐变多模波导105的一端与模式转换器101连接，所述渐变多模波导105的另一端与输出渐变波导103连接，所述输出渐变波导103与渐变单模波导106分别和第三光开关104的输入端连接。
所述第三光开关104包括第一多模干涉耦合器107、第一加热层108和第二多模干涉耦合器109，所述第一多模干涉耦合器107为2*2多模干涉耦合器(MMI)，所述第二多模干涉耦合器109为2*1多模干涉耦合器(MMI)，所述第一多模干涉耦合器107的两个输出端分别通过两干涉臂与第二多模干涉耦合器109的两个输入端连接，且所述第一加热层108置于其中一个干涉臂表面，通过改变第一加热层108的温度，利用硅的热光效应，改变干涉臂的相位，实现切换从第一多模干涉耦合器107任意输入端输入的信号输出，所述第三光开关104的输出端与第一并联光栅辅助型耦合器2的输入端连接。
所述第一并联光栅辅助型耦合器2和第二并联光栅辅助型耦合器3结构相同，且均包括总线波导光栅201、第一访问波导光栅202和第二访问波导光栅203，所述总线波导光栅201、第一访问波导光栅202和第二访问波导光栅203的波导宽度均不相同，且总线波导光栅201的波导宽度最大，三根波导的光栅齿均分布在波导两侧，总线波导的光栅齿呈反对称分布，两根访问波导的光栅齿呈对称分布，所有波导光栅齿的周期和占空比相同，但光栅齿的大小不同。
所述总线波导光栅201中波长为λ1反向耦合到第一访问波导光栅202，从所述第一并联光栅辅助型耦合器2输出的相位匹配条件为：(n0+n1)Λ＝λ1，式中n0为总线波导光栅201的基模有效折射率，n1为第一访问波导光栅202的基模有效折射率，Λ为光栅周期；
所述总线波导光栅201中波长为λ2反向耦合到第二访问波导光栅203，从所述第二并联光栅辅助型耦合器3的下路端输出的相位匹配条件为：(n0+n2)Λ＝λ2，式中n2为第二访问波导光栅203的基模有效折射率。
所述第一光开关4和第二光开关5结构相同，且均包括第三多模干涉耦合器401、第二加热层402和第四多模干涉耦合器403，所述第三多模干涉耦合器401和第四多模干涉耦合器403均为2*2多模干涉耦合器(MMI)，所述第三多模干涉耦合器401的输出端通过两干涉臂分别与第四多模干涉耦合器403的输入端连接，且所述第二加热层402置于其中一个干涉臂表面，通过改变第二加热层402的温度，利用硅的热光效应，改变干涉臂的相位，实现切换光信号从光开关的任意输出端输出。
工作时，当TM偏振态输入光通过输入偏振控制器1时，模式转换器101将TM偏振态转换为多模波导的TE偏振态的一阶模式，再通过非对称渐变定向耦合器102转换为渐变单模波导106的基模，最后经第三光开关104进入第一并联光栅辅助型耦合器2的输入端；
当输入光为TE偏振态时，其通过输入偏振控制器1时不发生偏振转换，再通过第三光开关104进入第一并联光栅辅助型耦合器2的输入端，输入光经过第一并联光栅辅助型耦合器2时，满足相位匹配条件的波长为λ1和λ2的光信号，分别从下路端进入第一光开关4以及第二光开关5的输入端，λ1波长的光经过第一光开关4，当第一光开关4处于直通态时，该信号光回到第一并联光栅辅助型耦合器2的输入端，最后第一并联光栅辅助型耦合器2的输出端出射；当第一光开关4处于交叉态时，该信号光进入第二并联光栅辅助型耦合器3的输入端，最后从第二并联光栅辅助型耦合器3的输出端出射；
与此类似的，λ2波长的光经过第二光开关5，通过控制第二光开关5的状态可以实现该信号光从第一并联光栅辅助型耦合器2或第二并联光栅辅助型耦合器3的输出端出射，从并联光栅辅助型耦合器输出的光，进入输入偏振控制器1，通过光开关的选择可实现输出光TE和TM偏振态的选择；
由此，本发明实现了自由切换λ1和λ2的光信号从第一信号通道9或第二信号通道10输出，还具有偏振不敏感的特点，实现了输出光信号偏振态的自由切换。
实施例二
本实施例还提供了实施例器件结构的制作工艺，如图5所示，工艺制作流程是采用标准的绝缘层上硅(SOI)材料，SOI材料是指由底层硅11、二氧化硅衬底12、波导层硅13和二氧化硅包层14组成，二氧化硅包层14上设有电加热层15，波导层硅的厚度为220nm，二氧化硅包层厚度为2μm；电加热层15位于硅波导的上方，通过在电加热层15施加电压产生热场，热场通过二氧化硅向下传递，影响硅波导的温度，进而改变其有效折射率，达到控制传输光的相位来实现光开关的切换；单模波导宽度可以为450nm左右，偏振转换器的宽度可以由450nm变化到590nm再到680nm最后变化到800nm，分别对应的长度为8μm、32μm和14μm；非对称渐变定向耦合器102中的渐变多模波导105的宽度由800nm变化到600nm,渐变单模波导106的宽度由150nm变化到450nm,对应长度为150μm，两波导的间距为150nm，输出渐变波导的宽度由600nm变化到500nm，变化长度为20μm；总线波导宽度可以采用500nm，访问波导的宽度分别为450nm和430nm，采用总线波导光栅齿大小为50nm，访问波导光栅齿大小为30nm，光栅周期分别为324nm，占空比为0.5，可得到下路波长为1550nm和1530nm。2*1MMI的宽度为9μm，长度为92μm，2*2MMI的宽度为12μm，长度为81μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，包括输入偏振控制器(1)、第一并联光栅辅助型耦合器(2)、第二并联光栅辅助型耦合器(3)、第一光开关(4)、第二光开关(5)、第一输出偏振控制器(6)和第二输出偏振控制器(7)，其特征在于：所述输入偏振控制器(1)的输出端与第一并联光栅辅助型耦合器(2)的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器(2)和第二并联光栅辅助型耦合器(3)的输出端分别和第一输出偏振控制器(6)以及第二输出偏振控制器(7)的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器(2)分别与第一光开关(4)和第二光开关(5)连接，所述第二并联光栅辅助型耦合器(3)分别与第一光开关(4)和第二光开关(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述输入偏振控制器(1)的输入端连接有输入单模波导(8)，所述第一输出偏振控制器(6)和第二输出偏振控制器(7)的输出端分别连接有第一信号通道(9)和第二信号通道(10)。
3.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述第一并联光栅辅助型耦合器(2)的下路端分别与第一光开关(4)以及第二光开关(5)的输入端连接，所述第一并联光栅辅助型耦合器(2)的上路端分别与第一光开关(4)以及第二光开关(5)的输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述第二并联光栅辅助型耦合器(3)的下路端分别与第一光开关(4)以及第二光开关(5)的输入端连接，所述第二并联光栅辅助型耦合器(3)的上路端分别与第一光开关(4)以及第二光开关(5)的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述输入偏振控制器(1)包括模式转换器(101)、非对称渐变定向耦合器(102)、输出渐变波导(103)和第三光开关(104)，所述非对称渐变定向耦合器(102)包括渐变多模波导(105)和渐变单模波导(106)，所述渐变多模波导(105)的一端与模式转换器(101)连接，所述渐变多模波导(105)的另一端与输出渐变波导(103)连接，所述输出渐变波导(103)与渐变单模波导(106)分别和第三光开关(104)的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述第三光开关(104)包括第一多模干涉耦合器(107)、第一加热层(108)和第二多模干涉耦合器(109)，所述第一多模干涉耦合器(107)的两个输出端分别通过两干涉臂与第二多模干涉耦合器(109)的两个输入端连接，且所述第一加热层(108)置于其中一个干涉臂表面，所述第三光开关(104)的输出端与第一并联光栅辅助型耦合器(2)的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述第一并联光栅辅助型耦合器(2)和第二并联光栅辅助型耦合器(3)结构相同，且均包括总线波导光栅(201)、第一访问波导光栅(202)和第二访问波导光栅(203)，所述总线波导光栅(201)、第一访问波导光栅(202)和第二访问波导光栅(203)的波导宽度均不相同，且总线波导光栅(201)的波导宽度最大。
8.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的双通道双波长选择开关，其特征在于：所述第一光开关(4)和第二光开关(5)结构相同，且均包括第三多模干涉耦合器(401)、第二加热层(402)和第四多模干涉耦合器(403)，所述第三多模干涉耦合器(401)的输出端通过两干涉臂分别与第四多模干涉耦合器(403)的输入端连接，且所述第二加热层(402)置于其中一个干涉臂表面。
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