CN1176392C - 可调谐波长选择2×2光开关 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐波长选择2×2光开关，包括光路结构和电路控制结构以及石英底座，光路结构中两对输入输出光纤准直器的光轴严格同光路，并与石英底座固接，两个核心光学元件沿着光学面的法线方向依次为增透膜层、基片层、透明金属薄膜层、高反射介质薄膜层、高分子材料薄膜层，相向排列组成光学核心组合件，电路控制结构中的一对微带传输线电及高频同轴接头与石英底座固接。本发明采用了电光效应与光学多次反射相干原理相结合的设计，使器件具有了快速的电压调谐性能，满足波长选择开关的设计要求，稳定性好，性能提高。

Description

可调谐波长选择2×2光开关
技术领域：
本发明涉及一种可调谐波长选择2×2光开关，是一种可调谐
Figure C0213725400031
(N选k)波长选择2×2光开关，属于光通信技术领域。
背景技术：
国际因特网(INTERNET)的蓬勃发展使得人们越来越多地在INTERNET上开发应用各类业务，造成业务流量的不断增加，从而对网络的带宽提出了越来越高的要求。如何利用光纤的巨大带宽，来更有效地支持各类不同的业务，成为光纤通信领域的研究重点之一。为了更好地支持INTERNET上各种不同业务，光传送网正朝着和因特网协议(IP)相融合的方向发展。为了实现在现有波分复用网络上传送因特网业务(IP over WDM)，人们提出了不同的方案，其交换方式主要有两种——线路交换和分组交换。从理论上讲，分组交换比线路交换有着更多的优势。光分组交换能对密集波分复用(DWDM)的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配。然而光分组交换技术对于光子器件提出了很高的要求，特别是以光开关为核心的交换技术。
近年来，光开关的发展出现了新的动向，一个是光开关矩阵的规模(即输入、输出端口数)要求越来越大(归因于DWDM的波长密度越来越细和宽带光放大技术的日趋成熟)，第二是光开关的波长可选择性。第三，要求光开关的响应速度提高到微秒，甚至纳秒量级。这些热点技术及其器件概括如下：微电机械MEMS光开关，喷墨气泡BUBBLE光开关，液晶光开关，热光光开关等。
然而，在上述具有实用前景的众多形式的光开关中，其响应速度都比较低，另外，也没有波长选择性。
关于波长选择性开关的相关报道和国内外专利不多。文献为1996年Journal oflightwave technology，Vol.14，no.6，pp1005。由美国Case Western Reserve University的David A.Smith提出的基于声光效应的波长路由开关，其声波频率为175MHz，开关建立时间为6毫秒，调谐速度为10微秒，边带抑制比为9.3dB，调谐范围为150～300纳米，3dB带宽为1纳米。显然，边带抑制比低是该类波长选择型开关实用化的最大局限性。相关专利有两个，2001年，美国Optical Coating Laboratory的Michael A Scobey等人申请的美国专利US 6,320,996，发明了“WavelengthSelective Optical Switch”(波长选择开关)，采用一种机械移动窄带滤光膜片方式，实现某一固定波长的选择，其他波长被反射。它的局限性在于开关响应速度太低，另外，选择的波长是某一固定波长。另外，2001年，美国Tellium，Inc和TelcordiaTechnologies，INC的Jayantilal Paterl，W. John Tomlinson，Janet Lehr Jackel发明的美国专利US6,327,019“Dual liquid-crystal wavelength selective optical switch”(双液晶波长选择开关)，采用波长色散单元-光栅，极化色散单元Wollaston Prism(渥棱斯顿棱镜)及液晶极化调制器组成。由于采用液晶，其稳定性和响应速度较低，另外，色散光栅的波长固定，不具有波长可调谐特性。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种新型结构的可调谐波长选择2×2光开关，可实现k个波长同时被选择，k可以为1到N之间的任意值，N为一个光纤中同时传输的密集波分复用通道数，同时使开关的速度得到提高，适合于高速光分组或光突发交换。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，分别在三个方面作了新的设计。在材料选择上，采用一种具有电光效应的高分子聚合物(有机与无机杂化材料)薄膜材料，并通过高速甩转成膜，平板电场极化，提高电光效应系数和开关的响应速度。在光学设计上，设计了同时带有电极和光学谐振腔一体化模式分析，并实现了在1500纳米到1600纳米工作的光开关，具有单个或多个波长同时选择性。在光学薄膜工艺上，分别在光学核心元件上镀有在1500纳米到1600纳米增透介质膜片和镀有在1500纳米到1600纳米高反射介质膜片，以及在光学核心单元的光学面及侧面同时镀有金属透明电极与金属电极，保证光学面的平整度，提高开关的对波长工作的选择性性能。另外，在光学对光与封装工艺上，通过可见光辅助对光，使对光过程快速简单，高效，提高本发明的生产效率，并且，利用先进的激光焊接封装工艺，光开关的光学基片采用石英材料，一面镀有1060纳米波长增透介质膜片，另一面，刻有金属微带线，这样，同时完成有效的激光平面封装和电路馈电两个条件，可以提高光开关的稳定性。
本发明的总体结构分为三部分：光路结构和电路控制结构以及石英底座。光路结构部分包括两个输入光纤准直器和两个输出光纤准直器，以及两个核心光学元件六个要件。六个要件与石英底座材料是通过激光焊接金属化固定的。两个核心光学元件的平面严格平行，并形成一个光学核心组合件。任何一对输入输出光纤准直器的光轴是严格同光路的，光学核心组合件的法线与任意光纤准直器的光轴夹角为固定的，范围在10度到45度之间。每个核心光学元件分别有六个部分组成，核心光学元件的基片为国家标准JGS3石英材料，大小为6毫米×6毫米(可以为3毫米到10毫米不等)，厚度为1.5毫米到3毫米，两个平行光学面允许有0到3度的夹角，沿着光学面的法线方向依次为增透膜层，基片层，透明金属薄膜层，高反射介质薄膜层，高分子材料薄膜层共五个基本层，另外，在光学基片层的下侧面有一层金属层。电路控制结构则有两个部分，分别为高频50欧姆同轴接头和一对50欧姆微带传输线。高频50欧姆同轴接头和石英底座材料是通过激光焊接金属化固定的。一对50欧姆微带传输线是溅射在石英底座上的。电路控制结构中的微带传输线分别与光路结构中的光学核心组合件中的位于光学基片层的下侧面一层金属层通过激光焊接金属化固定并实现电接触。石英底座是整个光开关的基本平台，有四个部分组成，包括石英基片，上表面金属薄膜层和下表面介质薄膜层以及金属三角侧板。石英基片为国家标准JGS3石英材料，上表面金属薄膜层除镀有电路控制结构中的微带传输线外，还镀有金属层，用于光路结构中的两个输入光纤准直器和两个输出光纤准直器与石英底座激光焊接金属化固定，并有金属三角侧板加固。下表面介质薄膜层是1060纳米增透的介质薄膜，为了使用YAG激光器进行激光焊接金属化固定封装时降低入射激光的费涅尔反射所损失的能量。
与现有技术相比，本发明提出的新型可调谐波长选择2×2开关，采用了电光效应与光学多次反射相干原理相结合的设计，使器件具有了快速的电压调谐性能，满足
Figure C0213725400051
(N选k)波长选择开关的设计要求，同时，介质薄膜的成熟工艺，其边带抑制比大大提高，而且，先进的激光对光激光焊接封装工艺，器件的稳定性好。因此，通过本发明，可以使开关的速度得到提高，在功能和性能上有较大突破，具有明显效果，适合于高速光分组或光突发交换。
附图说明：
图1为本发明总体结构示意图。
图2为本发明核心光学元件的结构示意图。
图3光学核心组合件的工作原理图。
图4为
Figure C0213725400061
波长选择开关(选λ1状态)。
图5为 波长选择开关(选λ2状态)。
图6为
Figure C0213725400063
波长选择开关(选λ3状态)。
图7为 波长选择开关(选λ4状态)。
图8为
Figure C0213725400065
波长选择开关(选0λ状态)。
图9为
Figure C0213725400066
波长选择开关(选λ1，λ2状态)。
图10为
Figure C0213725400067
波长选择开关(选λ1，λ3状态)。
图11为
Figure C0213725400068
波长选择开关(选λ1，λ4状态)。
图12为 波长选择开关(选λ2，λ3状态)。
图13为 波长选择开关(选λ2，λ4状态)。
图14为
Figure C02137254000611
波长选择开关(选λ3，λ4状态)。
图15为
Figure C02137254000612
波长选择开关(选0λ状态)。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明的总体结构分为三个部分，光路结构20和电路控制结构21以及石英底座22。光路结构20部分包括输入光纤准直器1与输入光纤准直器2和输出光纤准直器3与输出光纤准直器4，以及核心光学元件5与核心光学元件6，共六个要件。核心光学元件5与核心光学元件6的平面严格平行并形成一个光学核心组合件19，输入光纤准直器1出射光路穿过光学核心组合件19，部分光波长入射到输出光纤准直器3，其余光波长入射到输出光纤准直器4，同时，输入光纤准直器2出射光路穿过光学核心组合件19，部分光波长入射到输出光纤准直器4，其余光波长入射到输出光纤准直器3。任何一对输入输出光纤准直器(如输入光纤准直器1与输出光纤准直器3或输入光纤准直器1与输出光纤准直器4或输入光纤准直器2与输出光纤准直器3或输入光纤准直器2与输出光纤准直器4)的光轴是严格同光路的，光学核心组合件19的法线与任意光纤准直器的光轴(如输入光纤准直器1的光轴或输入光纤准直器2等)的夹角为固定的，范围在10度到45度之间。以上六个要件与石英底座22是通过激光焊接金属化固定的。电路控制结构21则有两个部分，分别为高频50欧姆同轴接头8和一对50欧姆微带传输线7。高频50欧姆同轴接头8和石英底座22是通过激光焊接金属化固定的。一对50欧姆微带传输线7是溅射在石英底座22上的。电路控制结构21中的微带传输线分别与光路结构中的光学核心组合件19中的核心光学元件5与核心光学元件6的下侧面金属层通过激光焊接金属化固定并实现电接触。石英底座22是整个光开关的基本平台，有四个部分组成，包括石英基片9，上表面金属薄膜层10和下表面介质薄膜层11以及八个金属三角侧板12。石英基片9为JGS3石英材料，上表面金属薄膜层10是与电路控制结构21中的微带传输线7是采用电子溅射方法溅射在同一石英基片9上表面。下表面介质薄膜层11是1060纳米增透的介质薄膜，为了使用YAG激光器进行激光焊接金属化固定封装时降低入射激光的费涅尔反射所损失的能量。在上表面金属薄膜层10的上方位于四个光纤准直器1，2，3和4的两侧分别有两个金属三角侧板12用于光路结构20中的两个输入光纤准直器1，2和两个输出光纤准直器3，4与石英底座19激光焊接金属化封装加固。
图2是本发明中核心光学元件的结构示意图。
如图2所示，本发明中分别采用了真空蒸发与电子溅射和高速甩膜三个工艺实现。核心光学元件5分别有六个部分组成，核心光学元件5的基片13为JGS3石英材料，大小为6毫米×6毫米(可以为3毫米到10毫不等)，厚度为1.5毫米到3毫米，基片13的两个平行光学面允许有0到3度的夹角，沿着基片13光学面的法线方向依次为增透膜层14，基片层13透明金属薄膜层15，高反射介质薄膜层16，高分子材料薄膜层17共五个基本层，另外，在光学基片层13的下侧面有一层金属电极层18。透明金属薄膜层15为导电导光材料，为ITO，(Indium TinOxide)，氧化铟锡，一般通过电子溅射将氧化铟锡溅射到基片层13表面。增透膜层14和高反射介质薄膜层16则是通过真空蒸发将两种材料二氧化硅和二氧化钛分别按照四分之一工作波长光学厚度的依次交替叠加形成。增透膜层14为两到三层，高反射介质薄膜层16为二十层。高分子材料薄膜层17是具有电光效应的高分子聚合物(有机与无机杂化材料)薄膜材料通过高速甩转成膜，厚度为20微米到100微米不等，经过负压抽真空去除液态聚合物中的溶剂后，在真空箱中填充氮气，并按照每分钟1度加温至180度，外加400伏直流电压(或更高电压1000伏)，在平板电场作用下使高分子材料极化30分钟，冷却至常温。
图3为本发明光学核心组合件的工作原理图。
如图3所示，本发明的光学核心组合件工作原理如下：输入光纤准直器1中有三个波长的光信号波长29，波长30和波长31同时入射到核心光学元件5和核心光学元件6，首先穿过核心光学元件5的增透膜层14，基片层13。透明金属薄膜层15，高反射介质薄膜层16，高分子材料薄膜层17并经过中间间隔空气35进入核心光学元件6的高分子材料薄膜层23，高反射介质薄膜层25，透明金属薄膜层28，基片层27。增透膜层26，最后出射至输出光纤准直器4。由于有高反射介质薄膜层16和高反射介质薄膜层25的多次来回反射，因此，间隔空气35中包括了所有波长的信号在其内来回振荡。当在核心光学元件5的金属电极层18和核心光学元件6的金属电极层24外加电压时，改变核心光学元件5的高分子材料薄膜层17和核心光学元件6的高分子材料薄膜层23的光学折射率，导致入射的波长30发生相位匹配被反射至输出光纤准直器3的波长32，而其余几个波长29和波长31则由于相位不匹配，输出至输出光纤准直器4中的波长33和波长34。同样道理，从输入光纤准直器2中输入的波长经过光学核心组合件19也会部分光波长进入输出光纤准直器3，另一部分光波长进入输出光纤准直器4。并且输入光纤准直器1与输入光纤准直器2之间的波长是相互交换进入输出光纤准直器3与输出光纤准直器4的。
图4～图8为阐述 波长选择开关的原理图。
图4为 波长选择开关的选λ1状态。输入光纤1中的N个光波长36，37，38，39中的36(对应波长λ1)被选择进入输出光纤3，其他波长37，38，39(对应于λ2，λ3，λ4)进入输出光纤4。波长的选择是通过光学核心组合件19来实现的。在图4中，光学核心组合件19选择λ1透过，其他波长(如λ2，λ3，λ4)均被反射。同样原理，通过对光学核心组合件19的控制，可以实现对其他波长的选择性通过。
图5为 波长选择开关的选λ2状态。输入光纤1中的N个波长36，37，38，39中的37(对应波长λ2)被选择进入输出光纤3，其他波长，36，38，39(对应于λ1，λ3，λ4)进入输出光纤4。
图6为 波长选择开关的选λ3状态。输入光纤1中的N个波长36，37，38，39中的38(对应波长λ3)被选择进入输出光纤3，其他波长，36，37，39(对应于λ1，λ2，λ4)进入输出光纤4。
图7为 波长选择开关的选λ4状态。输入光纤1中的N个波长36，37，38，39中的39(对应波长λ4)被选择进入输出光纤3，其他波长，36，37，38(对应于λ1，λ2，λ3)进入输出光纤4。
图8为 波长选择开关的选0λ状态。输入光纤1中的N个波长36，37，38，39中无波长被选择透过，所有波长36，37，38，39(对应于.λ1，λ2，λ3，λ4)进入输出光纤4。上述开关对波长的选择性可以用排列组合式CN 1+1表示，N个波长中有一个波长被选择透过，其他N-1个波长被反射。总计该类开关的状态数为5个，记为： C N 1 + 1 = 5 (N＝4)，CN 1表示N选1的组合表达式。
图9～图15为阐述
Figure C0213725400098
波长选择开关的原理图。
图9为
Figure C0213725400099
波长选择开关的选λ1，λ2状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的40，41(对应波长λ1，λ2)被选择进入输出光纤3，其他波长42，43(对应于λ3，λ4)进入输出光纤4。光学核心组合件19选择λ1，λ2透过，其他波长(λ3，λ4)均被反射。同样原理，通过对光学核心组合件19的控制，可以实现对其他波长的选择性通过。
图10为
Figure C0213725400101
波长选择开关的选λ1，λ3状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的40，42(对应波长λ1，λ3)被选择进入输出光纤3，其他波长41，43(对应于λ2，λ4)进入输出光纤4。光学核心组合件19选择λ1，λ3透过，其他波长(λ2，λ4)均被反射。
图11为
Figure C0213725400102
波长选择开关的选λ1，λ4状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的40，43(对应波长λ1，λ4)被选择进入输出光纤3，其他波长41，42(对应于λ2，λ3)进入输出光纤4。光学核心组合件19选择λ1，λ4透过，其他波长(λ2，λ3)均被反射。
图12为 波长选择开关的选λ2，λ3状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的41，42(对应波长λ2，λ3)被选择进入输出光纤3，其他波长40，43(对应于λ1，λ4)进入输出光纤4。光学核心组合件19选择λ2，λ3透过，其他波长(λ1，λ4)均被反射。
图13为
Figure C0213725400104
波长选择开关的选λ2，λ4状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的41，43(对应波长λ2，λ4)被选择进入输出光纤3，其他波长40，42(对应于λ1，λ3)进入输出光纤4。光学核心组合件19是一种双波长选择性光学元器件，选择λ2，λ4透过，其他波长(λ1，λ3)均被反射。
图14为 波长选择开关的选λ3，λ4状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的42，43(对应波长λ3，λ4)被选择进入输出光纤3，其他波长40，41(对应于λ1，λ2)进入输出光纤4。光学核心组合件19选择λ3，λ4透过，其他波长(λ1，λ2)均被反射。
图15为
Figure C0213725400106
波长选择开关的选0λ状态。输入光纤1中的N个波长40，41，42，43中的无波长被选择进入输出光纤3，所有波长40，41，42，43(对应于λ1，λ2，λ3，λ4)进入输出光纤4。光学核心组合件19无波长被选择透过，所有波长(λ1，λ2，λ3，λ4)均被反射。总计该类开关的状态数为7个，记为： C N 2 + 1 = 7 (N＝4)，CN 2表示N选2的组合表达式。
基于上述同样道理，对于 波长选择开关，则是将N个波长中的k个波长被选择通过，其他N-k个波长被反射，从而实现
Figure C0213725400112
波长选择开关。总计该类开关的状态数为：CN k+1，CN k表示N选k的组合表达式。
实施例1：
Figure C0213725400113
波长选择2×2光开关。
波长选择2×2光开关的关键是核心光学元件的设计加工与组合件的对光封装。对
Figure C0213725400114
波长选择2×2光开关的可调谐波长选择单元采用参数如下：EO为电光高分子，膜厚为10000nm，电光系数为50pm/V，ITO的膜厚为20nm，阻抗为100欧姆/平方英寸。空气间隔层厚度为60微米。得出结果如下：
参数     最大值 条件
工作波段  1500nm～1600nm 可以在任意波长
开关最大插入损耗     3.2dB (对所有波长)
响应时间     小于10纳秒
半波带宽     0.35nm
最大波长调谐偏移     7.21nm 控制电压为100伏
单纤同时工作通道数     9 最大100伏为电压，通道波长间隔为0.8纳米。
实施例2： 波长选择2×2光开关。
对 波长选择2×2光开关的可调谐波长选择单元采用参数如下：EO为电光高分子，膜厚为10000nm，电光系数为50pm/V，ITO的膜厚为20nm，阻抗为100欧姆/平方英寸。空气间隔层厚度位1460微米。得出结果如下：
参数     最大值 条件
工作波段    1500nm～1600nm 可以在任意波长
开关最大插入损耗     3.8dB (对所有波长)
响应时间     小于10纳秒
半波带宽     0.22nm
最大波长调谐偏移     1.6nm 控制电压为100伏
单纤同时工作通道数     3 最大100伏为电压，通道波长间隔为0.8纳米。
实施例3：另一个 波长选择2×2光开关。
Figure C0213725400122
波长选择2×2光开关的可调谐波长选择单元采用参数如下：EO为电光高分子，膜厚为8000nm，电光系数为40pm/V，ITO的膜厚为20nm，阻抗为100欧姆/平方英寸。空气间隔层厚度位100微米。得出结果如下：
参数    最大值 条件
工作波段    1500nm～1600nm 可以在任意波长
开关最大插入损耗    3.5dB (对所有波长)
响应时间   小于10纳秒
半波带宽   0.31nm
最大波长调谐偏移   3.6nm 控制电压为100伏
单纤同时工作通道数   5 最大100伏为电压，通道波长间隔为0.8纳米。

Claims (4)

1、一种可调谐波长选择2×2光开关，包括光路结构(20)、电路控制结构(21)以及石英底座(22)，光路结构(20)中的两个输入光纤准直器(1、2)、两个输出光纤准直器(3、4)的光轴严格同光路，石英底座(22)包括石英基片(9)，上表面金属薄膜层(10)和下表面介质薄膜层(11)以及金属三角侧板(12)，上表面金属薄膜层(10)镀有电路控制结构(21)中的微带传输线(7)，还与光路结构中的两个输入光纤准直器(1、2)和两个输出光纤准直器(3、4)固接，并由金属三角侧板(12)加固，其特征在于光路结构中两个核心光学元件(5、6)的平面严格平行，沿着光学面的法线方向依次为增透膜层(14、26)，基片层(13、27)、透明金属薄膜层(15、28)、高反射介质薄膜层(16、25)、电光效应高分子聚合物薄膜层(17、23)，两个核心光学元件(5、6)之间为空气间隔层(35)，相向排列组成光学核心组合件(19)，光学核心组合件(19)的法线与光纤准直器的光轴夹角固定，范围在10～45度之间，基片层(13、27)的下侧面有金属电极层(18)，分别与电路控制结构(21)中的一对微带传输线(7)固定并实现电接触，电路控制结构(21)中的高频同轴接头(8)与石英底座(22)固接。
2、如权利要求1所说的可调谐波长选择2×2光开关，其特征在于石英底座(22)的下表面介质薄膜层(11)是1060纳米增透的介质薄膜。
3、如权利要求1所说的可调谐波长选择2×2光开关，其特征在于核心光学元件(5、6)的基片层(13、27)为JGS3石英材料，长、宽均为3～10毫米，厚度为1.5～3毫米，基片层(13、27)的两个平行光学面有0～3度的夹角。
4、如权利要求1所说的可调谐波长选择2×2光开关，其特征在于核心光学元件(5、6)的透明金属薄膜层(15、28)为导电导光材料氧化铟锡，增透膜层(14、26)和高反射介质薄膜层(16、25)是二氧化硅和二氧化钛分别按照四分之一工作波长光学厚度依次交替叠加形成，增透膜层(14、26)为2～3层，高反射介质薄膜层(16、25)为20层，电光效应高分子聚合物薄膜层(17、23)厚度为20～100微米。
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