CN1171658A - 易制作的小型y形高速数字光开关 - Google Patents

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简·埃里萨·祖克
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Abstract

一种光开关,它提供了改进了的高速数字光开关功能并具有紧凑且易制造的结构。它包含一个第一波导区、多个连接于第一波导区的过渡波导区,每个过渡区互成第一角θ1,其中的第一角θ1小于约2.0°;以及多个支路波导区,每个支路波导区连接于相应的过渡波导区且互成第二角θ2,其中的第二角θ2小于θ1且小于约0.3°。

Description

易制作的小型Y形高速数字光开关
本发明涉及到光开关，确切地说是涉及到Y型分引支数字光开关。
数字光开关(DOS)在包括通信系统的广泛的应用中已越来越取代着其它类型的光开关。最流行的一种数字光开关是Y形分支DOS，主要由于能够适应偏振、波长、温度等关键参数的变化，并在很大程度上甚至可适应器件几何尺寸的变化，这种Y形分支DOS已获得了广阔的市场认可。通常，Y形分支DOS被设计成二个波导支路相交以便在支路交叉处确定一个角度很小的Y形结构。波导结构的组成可包括诸如铌酸锂和半导体之类的各种各样的材料。Y形分支DOS借助于绝热改变(即缓慢地而不是突然地改变)一个波导中的光传播方向而执行其开关功能。具体地说，借助于强制一个波导支路中的折射率相对于另一个波导支路进行改变而得到Y形支路DOS中的开关作用。借助于例如向结构的选定区段加一电压和/或电流，可引起折射率改变。Y形支路DOS特性中特别重要的是其对外加电压或电流的台阶式响应，这就使尽管当外加电压或电流超过给定的阈值时，光仍然保持在折射率较高的支路中。因此，借助于使Y形支路DOS工作于超过外加电压/电流的某个阈值，上述偏振、波长等的变化就不会影响Y形支路DOS的开关能力。
尽管Y形支路DOS有各种优点，这种器件的某些缺点仍可能妨碍它们的某些应用。例如铌酸锂基Y形支路DOS所需的相当高的电压驱动就由于微波功率随外加电压增大而限制了其工作带宽。现有技术的Y形支路DOS的相对过长的尺寸也很讨厌，它增大了这些器件的总的光学损耗并由于其较长的“脚印”而妨碍了同其它器件的集成。如上所述，为在Y形支路DOS中获得开关功能而使光传播方向的小的逐渐改变要求现有技术Y形支路DOS有小的角度和长的脚印结构(以避免串扰)。在Y形支路DOS的小角度长脚印设计限制中突出的一点是在这些器件制造中难以用常规光刻技术来确定Y形支路DOS二个波导支路顶点处的小间隔(例如小于0.25μm)。
为了克服Y形支路DOS器件的限制，Okayama等人在题为“Y形支路数字光开关电压与长度乘积之降低”(发表于Journal of lightwaveTechnology，Vol.11，No.2，1983，pp379-387)的论文中提出了一种双角度形Y形DOS，可为Y形支路DOS提供改进了的串扰性能、降低了的长度和较低的电压驱动。Okayama双角度Y形支路DOS的一个例子示于图1，其中的Y形支路DOS10有一个在顶点18处连接于过渡波导区14和16的第一波导区12，过渡波导区14和16彼此成第一倾斜角θ1且对称于第一波导区12的纵轴20。
第二波导区22和24中的每一个分别连接于第一波导区14和16且成第二倾斜角θ2。在这一DOS10中，θ2＜θ1以形成锥形Y形支路结构。各个波导区12-16和22-24的宽度W可完全相同且结构10可关于纵轴20对称。
其它的现有技术修改了Okayama的双角度设计以进一步减小Y形分支DOS的长度、电压/电流驱动和串扰退化。不幸的是，所有的现有技术都未能使Y形支路DOS的小巧性和电压/电流驱动改变到明显影响Y形分支DOS工作带宽的程度。同样令人婉惜的是缺乏可用常规光刻技术而容易地制造Y形分支DOS的设计。
公开了一种光开关，它包含一个第一波导区；多个连接于第一波导区且互成小于约2.0°的第一角θ1的过渡波导区，以及多个连接于各个过渡波导区且互成第二角θ2的支路波导区，其中第二角θ2小于θ1且小于约0.3°。
在本发明原理的一个实施例中，数字光开关包含一个Y形绝热结构，它由下列部分组成：1)一个通过输入端从光源接收电磁能量的直的无源波导区，2)一个梯形有源波导区，此区有一个小的基底a)将有源波导区耦合到直的无源波导区，且b)倾斜成不大于2.0°的角，电磁能通过它从直的无源波导区传送到有源波导区以转换成具有二个选定折射率之一的光能，以及3)第一和第二波导支路，这些支路i)彼此分隔一个不大于1.5μm的距离使第一和第二波导支路确定一个0.2°的角，且ii)安置成接收各个第一和第二折射率有源波导区输出的光能。
结合附图参照本发明实施例的下列详细描述，本发明的Y形支路开关的特点将变得更为明显并得到更好的理解，其中：
图1示出了现有技术的Y形分支开关；
图2示出了本公开的Y形分支开关的一个实施例；
图3示出了本公开的Y形分支开关的调制响应曲线图。
现详细参照附图，以相似的参考号标注相似或相同的元件，如图2所示，本发明公开描述了一种可生长在n型InP衬底上的Y形分支开关26。上包层28和下包层30可分别是厚度约为1.0μm左右的P型和n型lnP。本公开的开关26包含一个有源核32和用金属有机化学气相淀积(MOCVD)工艺(本技术领域熟知的)在n型InP基底28上生长制作成波导层结构的波导区36-42，有源核32厚度约为0.55μm，有例如大约30个可由InGaAsP/InP构成的量子阱。本技术领域熟练人员都知道，用其它材料和方法也可制作此量子阱，而且可用其它材料作包层和衬底。可用CH4/H2反应离子刻蚀在同一步骤中刻蚀出波导区34-42和电隔离槽44。
本公开的开关26包含一个第一波导区34、过渡波导区36和38以及支路波导区40和42，制作成基本上与有源核的组成相似。第一波导区34包含一个输入端区46，而支路波导区40和42包含各个输出端区48和50。
在一个实施例中，波导区34-42的波导宽度W1可大约为3.0μm，而刻蚀深度d可大约为1.65μm。本公开的开关26可用聚酰亚胺进行整平，在波导区34-42的顶部刻蚀出通孔(access)，且可在各波导区34-42的顶部蒸发诸如焊点52之类的Cr/Au接触焊点。本公开的开关26可装在铜座(posts)上且同约47Ω的薄片电阻连接(图2中未示出)。
如M.N.Khan等人“在InGaAs/InGaAlAs电子输运波导中的权重耦合数字Y形分支光开关的设计与实验”(Journal of LightwaveTechnology，Vol.12，No.11，1994，pp.2032-2039)以及M.N.Khan等人”在InGaAs/InGaAlAs量子阱电子输运波导中的权重耦合Y形分支光开关”(IEEE Photonics Technology Letters，Vol.6，No.3，1994，pp.394-397)所述，波导区36-42的倾斜角θ1和θ2以及长度可被优化以改善Y形分支开关的性能。
在一个最佳实施例中，第一波导区34可大致是直的，长度L1约为100μm，并用作在输入端处接收电磁能量的无源波导区。
每个过渡波导区36和38可取大致三角形的形状，长度L2约为180μm，且同其间的区域44一起形成一个互成约1.8°倾斜角θ1的大致上的梯形。亦即，平行于梯形相关表面的线如图2所示在其相交处确定第一倾斜角θ1。每个支路波导区40和42可基本上是直的，长度L3约为620μm，且互成约0.2°的第二倾斜角θ2；亦即，平行于各支路波导区40和42相关表面的线如图2所示在其相交处确定第二倾斜角θ2。
梯形区有一个第一基底支路波导区40和42在此处汇合，和一个具有第一倾斜角θ1的斜坡的第二基底。梯形区包括过渡波导区36和38，用作将从第一波导区36接收到的电磁能量转换成第一和第二折射率之一的光能的有源公共波导区。每个支路波导区40和42有效地连接于相应的过渡区36和38，且安置成接收各第一和第二折射率的光能。
于是，本公开的开关26就提供了一个相对紧凑的Y形绝热结构，其总长度LTOTAL约为900μm。不言而喻，本技术领域熟练人员可用弯曲的波导区34-42来实现本公开的开关26，其中各波导区34-42构成和/或具有基本接近于倾斜角θ1和θ2的切向表面形成角。
电隔离隙44位于过渡波导区36和38之间Y形分支的顶点处，隙44的宽度W2约为1.6μm，这使本公开的开关26很容易制作。用离子注入或腐蚀方法都可获得这种电隔离。
具有上述示范性结构的本公开的开关26提供了低的串扰、制作容易、且传播损耗小。本公开的开关26具有减小了的电压-长度乘积，同时又以短于前此所达到的器件长度而提供了制作上的方便和更好的串扰性能。
如M.N.Khan等人“在InGaAs/InGaAlAs电子输运波导中的权重耦合数字Y形分支光开关的设计与实验“(上文2035)所述，串扰值绘成倾斜角θ1和θ2的函数，为了得到改善的串扰性能，第一倾斜角θ1可在-1.5°～2.0°的范围中。本公开的开关26如上所述具有一个足以使支路波导区40和42易于用本领域所知的光刻技术加以制作的倾角θ1。相对大的第一倾斜角θ1继之以相对小的第二倾斜角θ2，保持了本公开的开关26的绝热性。
在一个实施例中，本公开的开关26的传播损耗约为1.25dB/mm，而900μm长的器件的剩余损耗低达约0.10dB。本公开的开关26还提供了数字开关特性，对于约为800μm的有源长度，其串扰约为-25dB，这可借助于在支路波导区40和42的一个之中相对于另一个提供约为0.001的折射率改变Δn而达到，其幅射损耗约为0.05dB。用本技术领域所知的束传播方法(BPM)可证实这一串扰值。由于相当大的第一倾斜角θ1使Y形支路顶点中的隔离槽可相当大，故这种折射率改变也易于制作。
借助于电压控制的折射率改变，本公开的开关26也可执行高速开关操作，采用约-4V的开关电压而得到约10GHz的3dB带宽。
借助于用二个不同的负直流偏压同时驱动二个臂以增大二部分之间的微分折射率改变，可进一步改善串音性能。图3示出了本公开的开关随驱动频率的信号调制响应，这是用HP8703光网络分析仪测得的。用本公开的开关26得到了10GH2的3dB带宽，这是数字开关的最高报道速度。由测得的数据得到了封装后的开关的电感L约为0.6nH，电容C约为0.32pF，接触串联电阻R约为46Ω。在本公开的开关26的单支路波导区被驱动时，执行开关所用的示范电压小于约-4V。
虽然参照最佳实施例已描述了本公开的倾斜Y形分支开关，但对本技术领域熟练人员不言而喻，可作出各种形式和细节的修改而不超越本发明的范围和构思。因此，上述的修改不受限制而被认为属于本发明的范围之中。

Claims (25)

1.一种光开关，它包含：
一个第一波导区；
多个连接于第一波导区且互成第一角θ1的过渡波导区，其中的第一角θ1小于约2.0°；以及
多个连接于相应过渡波导区且互成第二角θ2的支路波导区，其中的第二角θ2小于θ1且小于约0.3°。
2.权利要求1的光开关，其中第一角θ1约为1.8°。
3.权利要求1的光开关，其中第二角θ2约为0.2°。
4.权利要求1的光开关，其中每一个过渡波导区构造成其间有一个在过渡波导区之间提供基本电隔离的区域。
5.权利要求4的光开关，其中的区域有一个约为1.6μm的相关宽度。
6.权利要求4的光开关，其中的区域用离子注入工艺形成。
7.权利要求4的光开关，其中的区域用腐蚀工艺形成。
8.权利要求1的光开关，其中的每一个过渡波导区和支路波导区有一个相关长度，其中的第一和第二角以及相关长度提供了一个约为25dB的降低了的光开关串扰值。
9.权利要求1的光开关，其中的每一个过渡波导区和支路波导区有一个相关长度，其中的第一和第二角以及相关长度提供了3dB的约10GHz的电学带宽。
10.权利要求1的光开关，其中的每一个过渡波导区和支路波导区有一个相关长度，其中的第一和第二角以及相关长度提供了一个减小了的电压-长度乘积。
11.权利要求1的光开关，其中的每一个过渡波导区和支路波导区有一个相关长度，其中的第一和第二角以及相关长度提供了一个减小了的光开关总长度。
12.权利要求11的光开关，其中的减小了的总长度提供了一个减小了的与光开关相关的传播损耗。
13.一种具有倾斜Y形支路结构的数字光开关，它包含：
一个带有一输入端的第一波导区；
一个连接于此第一波导区的区域；
多个连接于第一波导区及此区域的过渡波导区，每个过渡波导区及区域构造成大致上为梯形，互成第一角θ1，其中的第一角θ1约为1.8°；以及
多个支路波导区，每个支路波导区连接于一个相应的过渡波导区并具有相应的输出端，每个支路波导区互成第二角θ2，其中的第二角θ2小于θ1且约为0.2°，且其中的第一波导区、过渡波导区、区域及支路波导区都构造在倾斜的Y形分支结构中。
14.权利要求13的数字光开关，其中的每一个过渡波导区构造成其间具有相关宽度约为1.6μm且在过渡波导区之间提供基本电隔离的区域。
15.权利要求14的数字光开关，其中的区域用离子注入工艺形成。
16.权利要求14的数字光开关，其中的区域用腐蚀工艺形成。
17.权利要求13的数字光开关，其中的每一个过渡波导区和支路波导区有一个相关长度，其中的第一和第二角以及相关长度提供了一个约为-25dB的降低了的数字光开关串扰值。
18.权利要求13的数字光开关，其中的每一个过渡波导区和支路波导区有一个相关长度，其中的第一和第二角以及相关长度提供了约为3dB的约10GHz的电学带宽。
19.一种半导体基的数字光开关，它包含：
一个带有一输入端的第一波导区；
多个连接于第一波导区的过渡波导区，每个过渡波导区形成一个大致上的梯形，互成第一角θ1，其中的第一角θ1约为1.8°；
多个支路波导区，每个支路波导区连接于相应的过渡波导区并有各自的输出端，每个支路波导区互成第二角θ2，其中的第二角θ2小于θ1且约为0.2°；而且
其中的每个第一波导区、过渡波导区和支路波导区都排列在一个InP衬底上且被有效地连接于包含多个InGaAsP/InP量子阱的有源区。
20.权利要求19的半导体基数字光开关，其中的每一个第一波导区、过渡波导区和支路波导区都用金属有机化学气相淀积(MOCVD)工艺排列在InP衬底上。
21.一种数字光开关，它包含：
一个Y形绝热结构，它包含：
a)彼此分隔距离不大于1.5μm的第一和第二波导支路，第一和第二波导支路在其相交处确定一个0.2°的角，第一和第二波导支路被安排来接收各为第一和第二折射率的光能；以及
b)一个梯形有源公共波导区，它包含：
一个第一基底，其中第一和第二波导支路在此处汇合；以及
一个第二基底，此基底：
i)倾斜一个不大于2.0°的角；且
ii)耦合到基本上直的无源波导区；
其中的梯形有源公共波导区用来将从基本上直的无源波导区接收到的电磁能量转换成第一和第二折射率之一的光能。
22.权利要求21的数字光开关，其中的Y形绝热结构的长度小于约900μm。
23.权利要求21的数字光开关，其中的每一个第一和第二波导支路的长度小于约620μm。
24.权利要求21的数字光开关，其中的梯形有源公共波导区的长度小于约180μm。
25.权利要求21的数字光开关，其中基本上直的无源波导区的长度小于约90μm。
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