CN1221496A - 数字光学开关 - Google Patents

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Abstract

一种带有两个输入端和两个输出端的数字光学开关应能适合于多种光学开关的广泛使用。绝热模式演变条件可以根据上述开关的计划中的应用要求灵活地调节,而其技术生产过程仍然是简单的。在根据本发明的数字光学开关中,输入区(S1)内的一输入波导(WG1)相对于第二输入波导,以及输出区(S2)内的第三输出波导(WG1’)相对于第四输出波导(WG2’),在横截面、折射率、和关于光传播方向上的布局都是互相对称的。四个有结构的电极对各波导有楔形的作用并与各波导相邻近,设置在输出区内的一个电极用电力驱动。

Description

数字光学开关
描述
本发明涉及的是数字光学开关，它包括被称为输入区的第一区，被称为输出区的第二区，以及根据绝热模式演变来控制对光传播状态的影响的部分。第一区中具有第一输入波导和第二输入波导，这两个波导逐渐相互接近，直到其相互作用区中的某一点；第二区中具有第三输出波导和第四输出波导，从前面提到的那点到相互作用区域外的某一点这两个输出波导逐渐相互远离。第二区的波导与第一区的波导相连。
对于光传输网中的宽频带光学信号中转，对于用来绕过有故障系统或光缆的转接开关以及对于传输光学网节点中的空间开关来说，光学开关是有吸引力的部件。计算机的宽频带光学反射器和传感器及汽车中光学信号的LAN(局域网)电视电缆的转接是其在电讯、微系统技术和汽车工业中更进一步的应用。这些不同的应用要求不同开关参数，如小的串扰、小的开关功耗、偏振独立性和波长敏感性。
现有技术源自US PS 4 775 207或1987年10月19日的应用物理通讯51(16),1230-1232页以及EP 0 457 406。发明是在此基础上发展起来的。
初次发表的出版物涉及的是在LiNbO3基体上布置为X形状的数字光学开关，输入区中两个相近的波导的宽度是不同的。输出波导从接触点起被电极包围。输入区的两个输入波导之间和输出区中从接触点引出的两个波导之间有一个角度θ(θ＜＜Δβ/γ),Δβ是两个对称模式的传播常数的平均差值，γ是波导环境中的横向波常数。对于这一四端数字电光开关来说，在考虑其宽度上非对称输入波导的情况下，切换过程建立在绝热模式演变的基础上。由此，通过对输出波导进行相应的控制，实现有目的地在DOS(数字光学开关)的波导中只引入一种确定的模式。
在EP 0457 406中介绍了数字光学开关，在这一开关中输入区的输入波导有非对称形式，输出区的输出波导有非对称或对称形式，并可用电力切换。输入区和输出区中波导形式的非对称性通过直线形地和弯曲形地相互接近或远离的波导实现。与上述DOS相比，借助于在输入区域相互接近的弯曲形式或在输出区域相互远离的波导应能实现部件缩短。
对于2×2DOS来说，在所述布置的现有技术中，至少部分地已在输入和/或输出区的形成中实现了绝热模式演变原理所需的非对称。绝热光传播只能在波导参数有很小变动的情况下进行，这样，以一个给定的基本模式(基模)入射到开关上的光能基本上也以这种模式保留，不发生任何模式变化。如果处于很低模式级中的光能入射到开关上，那么，光将通过具有较高折射率的输出波导传输，于是当开关中的光能传输基本上以绝热方式进行时，将产生较高的消光比。
此外，众所周知，数字光学开关由1×2-Y-分路器组成。在ECOC’95-布鲁塞尔大会上报导了关于聚合体基体上的数字热光学1×2开关(参看Proc.21st Eur.Conf.On Opt.Comm.,1063-1065页)，在这篇报导中将波导埋藏起来，输出支路间有一0.12°的角度，两个支路的热电极被完全覆盖。在给一个输出支路加热时，光将处于未加热的支路中，然后，当控制功率在130mW到230mW之间时，在加热支路中测量的消光系数优于20dB。当控制功率约在180mW时，消光系数达到27dB。
在ECOC’95-布鲁塞尔大会的另一篇报导中第一次介绍了1×8DOS，它由三个1×2开关的级联组成(参看Proc.21st Eur.Conf.OnOpt.Comm.,1059-1062页)。在这种解决方法里也在聚合体波导中用上了热-光效应，它可在很小的控制电压下产生大的折射率变化，并由此能有目的地产生模式性能。
本发明的任务在于，介绍有两个输入端和两个输出端的数字光学开关，在这一开关中，根据应用范围可灵活调节绝热模式演变的条件，但从技术上来说可以简单实现。
发明的任务这样完成：在数字光学开关中，就光的传播方向来说，开始提到的输入区第一输入波导与第二输入波导和输出区第三输出波导与第四波导在横截面、折射率和关于光传播方向的布局上是对称的，具有楔形形状的结构电极与此相邻地布置在波导上，输入区的电极和输出区的电极是电控的。
通过在输入和输出区内各自的两个相同形式的波导布置并使它们靠近以及工作电极对波导的楔形作用，本发明的解决方法可在每一波导支路中分别进行参数调节，以实现绝热模式演变。由此可实现非对称的波导传输，而不必在DOS区的形成过程中用波导几何形状进行预调节，因为在本发明的方法中设置了作为转接区的输入区和输出区。本发明的、建立在绝热模式演变基础上的DOS显示了阶梯状的通断性能，这使得确定的接通状态能保持很长的时间，如同加上了在门槛值之上的接通电压或电流。由于其电极工作范围灵活的调节性，本发明的DOS有较大的容许误差，降低了接通电压或电流控制精确调节的必要性。此外，这样的DOS还具有波长灵敏性。
在本发明的实施形式中规定
-第一输入波导和第二输入波导在输入区中以θ角(θ＜＜Δβ/γ)直线地逐渐互相接近，Δβ是两个对称模式的传播常数的平均差值，γ是波导环境中的横向波常数。第三输出波导和第四输出波导在输出区中以相同的θ角直线地逐渐相互远离。或
-第一输入波导和第二输入波导，在输入区中曲线地相互接近；第三输出波导和第四输出波导也是曲线地相互逐渐远离。在提到的实施例的特殊构成中，输入区的输入波导在横截面、折射率和布置上与输出区的输出波导是对称的。或
-第一输入波导和第二输入波导在输入区以在θ角(θ＜＜Δβ/γ)直线地相互接近。第三输出波导和第四输出波导，在输出区中曲线地相互远离。或
-第一输入波导和第二输入波导，在输入区中曲线地相互接近。第三输出波导和第四输出波导在θ角(θ＜＜Δβ/γ)直线地相互远离。
在其它实施形式中规定，邻近波导布置的电极楔形地形覆盖波导或具有楔形结构，并设置在波导的同一层中。
在这一实施形式中，对于波导来说，发明的方法可使用在其它实施例中已知的、从Ⅲ-Ⅴ族半导体、LiNbO3、玻璃、Si-Ge混晶、SiO2和聚合体中选出的材料，以能在所有的变化中实现希望的功能，即根据波导材料的热-光或电-光效应，有目的地调节输入区的两个波导中的光传播速度差值。对于发明的数字光学开关的生产来说，用这种方式可以有很宽的材料选择范围，还将进一步扩大可能的应用范围。
发明的其它实施形式涉及的是电极的控制变化。规定，与输入区中输入波导邻近布置的电极以及与输出区中输出波导(它与输入波导镜面对称或点对称)邻近布置的电极是电控的。
用发明的这些实施形式说明了实现发明的DOS的很大的可变性。这些实施形式涉及到输入区输入波导的对称结构、输出区输出波导的对称结构、在输入区和输出区波导之间的光传播中借助于电极控制进行的非对称调节和在其作用下折射率的改变以及在与受控电极相邻的波导中光传播的改变。
电极对波导有楔形作用的区域保证了在输入区和输出区内的绝热波导传输。借助于输入区内的受控电极来调节绝热模式的条件，使得在输入区的两个波导中的光传播速度有目的地产生差值Δβ。第一输入波导和第二输入波导在输入区以θ角(θ＜＜Δβ/γ)直线地相互接近，第三输出波导和第四输出波导在输出区以同一θ角区直线地相互远离。θ角与绝热模式演变条件相对应，并这样地小，使得在中心区域根据是否加热相应的输入波导而出现或者对称的模式或者非对称的模式，这里中心区域是输入区波导直线进入交汇点以及输出区输出波导离开点的所在区域。因此可以通过准确调节与输出波导相邻的电极的加热功率将中心区域的对称模式传输给希望的输出波导。当加热功率足够大时，对称模式始终在未加热的波导中传播，非对称模式在加热的波导中传播。因此，发明的方法将输入区或输出区的每一波导部实现为单模的。当在发明的DOS的至少一个区中段，即输入区或输出区中，波导被形成曲线形时，可以模拟地调节绝热模式演变的条件。
根据现有技术，在由级联多个已知DOS组成的阵列中，由于输入波导支路的不同尺寸而需要楔形区，它将阵列的结构长度以不希望的方式放大，并不允许优化的插入衰减。在本发明(输入区的输入波导与输出区的输出波导成镜面和点对称，且实现了可双向工作的DOS)的实施形式中不出现这些缺陷，因为场分布只需与所有波导都一样的横截面相符。因此，发明的DOS可以有利的方式用作阵列组件。此外，与现有技术中提到的1×2-Y开关相比，该阵列组件有非常紧凑的布置。而1×2-Y开关在由四个这种开关组成的阵列中才能有与发明的DOS相同的功能。
在发明的数字光学开关的另一实施形式中这一阵列建立在聚合物基体上。两个线性接近或远离的波导包含的θ角≤0.1°。电极通过布置在缓冲中间层上楔形地覆盖波导。在这一优选实施例中，通过对电极的控制，相应波导的折射率改变量可调节到为Δn＞0.0015。由于良好的可控制生产方式，聚合物波导的使用使得有许多结构改进途径。此外，聚合物还有很大的热-光系数，即温度的改变产生很大的折射率改变和很小的导电性。借助于聚合物技术可以用混合技术将许多光学部件集成在一个基底上。
下面借助于附图进一步介绍发明的实施例。
图1示意性地显示了聚合物基底上本发明的DOS的多层结构平面图；
图2显示的是图1中多层结构AA’剖面的横截面；
图3显示的是图1中介绍的DOS的直通(“bar”)状态的BPM(光传播法)模拟；
图4显示的是图1中介绍的DOS的交错(“cross”)状态的BPM(光传播法)模拟；
图5显示的是输出区波导光功率与直通状态下对图1DOS电极的电控功率的关系的测量曲线；
图6显示的是输出区波导光功率与交错状态下对图1DOS电极的电控功率的关系的测量曲线；
图7显示的是描述通断性能可调节性的测量曲线。
图1中示意性地描述聚合物基底上的DOS多层结构包括了输入区S1和输出区S2中的对称的波导。在输入区S1中布置有两个波导WG1和WG2，它们有相应的输入端1和2，两者之间的角度θ=0.08°。在输出区S2中有两个以相同角度θ分开的波导WG1’和WG2’，其有相应的输出端1’和2’。用PMMA(有机玻璃)借助于标准聚合物波导技术在-3”-Si-片上产生波导。波导有7μm×7μm的横截面。输入区或输出区的两波导相距250μm，整个DOS长度为25mm。四个波导WG1,WG2,WG1’和WG2’被四个叠加在相应的波导之上的楔形电极E1,E2,E1’和E2’覆盖。在发明的DOS中，光的传播性能通过绝热模式演变表征。对于每个波导WG1,WG2,WG1’和WG2’可以通过控制相应的电极E1,E2,E1’和E2’来实现绝热模式演变的条件。发明的方法初次允许在聚合物基底上生成有两个输入输出的DOS。
图2以平面图的方式描述了聚合物基底上2×2-DOS的横截面。在用作散热片的硅基底S上布置有SiOx缓冲层BB。由四氟乙烯塑料组成的3μm厚的缓冲层TB用于减少损耗和保护波导层W不受潮，在波导层中设有波导WG1,WG2,WG1’和WG2’。在每一波导WG1,WG2,WG1’和WG2’上布置相应的热电极E1,E2,E1’和E2’作为最后一层，使得其下面的波导被楔形地复盖。
本发明的基于绝热模式演变的DOS的功能可以很好地借助于图3和图4说明。在图3和图4的第一部分中分别介绍和说明了以X形状布置的、电极被加热的波导WG1,WG2,WG1’和WG2’的输入区S1和输出区S2。随后的部分中显示了各个波导WG1,WG2,WG1’和WG2’中在直通(“bar”)状态或交错(“cross”)状态下，光波传播的可能途径。
如图3所示，当电极E2和E2’被加热，即被电功率PelE2和PelE2’相应地控制时，DOS在直通状态工作。如果在未加热波导WG1中传输的光到达中央区域，那么，如在图的第二部分中看到的那样，其对称模式将通过波导WG1’传输，因为WG1’的折射率比波导WG2’的折射率大。如果在加热的波导WG2’中传输光，那么在中央区域非对称模式将在有较小折射率的波导WG2’中继续传输。在未加热的波导WG1/WG1’和加热的波导WG2/WG2’之间的折射率差值确定为Δn=0,0025。
如同在图4的第一部分中看到的那样，如果加热电极E1和E2’，即用功率PelE2和PelE2’相应地进行控制，那么本发明的DOS在交错状态工作。这里也有相同的、前面提到的折射率差值。如果光在加热的波导WG1中传输，那么在中央区域产生非对称模式，光将通过加热的具有较低折射率的波导WG2’传输。如果光在未加热的波导WG2中传输，那么在中央区域产生对称模式，光将通过波导WG1’传输。应该明确，开关的绝热条件不仅会在输入区的波导中保持，而且还会在输出区的波导中保持，只要输入区或输出区的两个波导之间的角度θ≤0.1°，折射率差值Δn≥0.0015。
为了演示聚合物基体上的本发明的DOS(在图1和2中示意性描述了其结构，在图3和4中介绍了其功能)，将λ=1.55μm的激光二极管的光线与输入端1或输入端2相连，并在输出端1’和2’上测量光输出功率Popt。由于已确定对于TE和TM偏振的输出功率值＜±0.5dB，所以只介绍TM偏振的结果。
图5显示了波长λ=1.55μm时作为电功率PelE2’函数的传输特性的测量曲线，即在这种情况下加热电极E2’。这里用65mW的恒定功率PelE2控制电极E2(在插图中描述了控制)。为了在输入区S1的波导WG1和WG2中实现绝热模式演变，需要这样的加热控制。在这种配置下，开关将在直通状态工作。在电接通功率PelE2’≥45mW时，串扰测量值＜-25dB。已确定，接通功率PelE2’＜100mW时这一值不发生变化。
对交错向状态，在图6中描述了在聚合物基底上的、作为电功率PelE2’函数的本发明DOS的传输特性。在这种情况下，用45mW的恒定功率PelE1控制电极E1，以再次满足输入区S1的波导WG1和WG2中的绝热模式演变条件。如果可变、可控的接通功率值PelE2’≥45mW，那么这里也会测量到＜-25dB的串扰值。在这两种接通状态下恒定控制功率的微小偏差来源于制作过程中电极和波导的微小偏差。但这并不因此涉及到发明原理，每一波导只对一种确定的模式是可通过的。
在这两种接通配置中，聚合物基底上的热-光DOS的切换时间＜1ms。
对于相同的开关，在λ=1.3μm时也会产生这样的传输特性，并表现出类似的数字通断性能(未示出)。
在观察图7(描述了、具有各种PelE2值的与图5有相同配置的本发明聚合物基底上的DOS的传输特性)时可以清楚地看到，这种DOS的通断性能可通过对输出区一个电极的可变接通功率控制以及对输入区电极的恒定基本控制进行调节。可以辨别出，该DOS的“数字性”(即“0”、“1”的分明性)可以根据与输入区S1的电极E2的恒定基本控制值Pel-E2的关系进行调节，使得在一个很窄的Pel-E2’值范围内保证非常好的消光比。如果这一值发生改变，则将表面出有很好“鲁棒性”(抗干扰性)的小消光比数字接通性能。
上述通断性能独在生产过程中允许有误差，并且不再需要很精密的电流和电压控制。此外，对于环境温度的变化而言，描述的DOS的通断性能是稳定的。

Claims (12)

1、数字光学开关，它包括：-被称为输入区的第一区，第一区中具有输入第一波导和第二波导，这两个波导逐渐相互接近，直到其相互作用区的某一点；以及-被称为输出区的第二区，第二区中具有第三输出波导和第四输出波导，从前面提到的那点到相互作用区域外的某一点这两个输出波导逐渐相互远离，第二的区波导与第一区的波导相连；以及-用来根据绝热模式演变控制光传播状态影响的部分，
其特征是，输入区的第一输入波导相对于第二输入波导，输出区的第三输出波导相对于第四输出波导在横截面、折射率上相互相同，并且它们在关于光传播方向的布置上相互对称，具有局部变化宽度的结构电极与这些波导相邻布置，布置在输入区的电极和布置在输出区的电极设计得可被电控制。
2、根据权利要求1的数字光学开关，其特征是，第一输入波导和第二输入波导以θ角(θ＜＜Δβ/γ)在输入区中直线地相互接近，第三输出波导和第四输出波导以相同的θ角在输出区中直线地相互远离。
3、根据权利要求1的数字光学开关，其特征是，第一输入波导和第二输入波导在输入区中曲线地相互接近；第三输出波导和第四输出波导在输出区中曲线地相互远离。
4、根据权利要求1到3的数字光学开关，其特征是，输入区的输入波导相对于输出区的输出波导在横截面和折射率上相同，并且它们在布置上对称。
5、根据权利要求1的数字光学开关，其特征是，第一输入波导和第二输入波导以θ角(θ＜＜Δβ/γ)在输入区中直线地相互接近，第三输出波导和第四输出波导在输出区中曲线地相互远离。
6、根据权利要求1的数字光学开关，其特征是，第一输入波导和第二输入波导在输入区中曲线地相互接近，第三输出波导和第四输出波导以θ角(θ＜＜Δβ/γ)下在输出区中直线地相互远离。
7、根据权利要求1到6的数字光学开关，其特征是，与波导相邻布置的电极楔形地覆盖波导。
8、根据权利要求1到6的数字光学开关，其特征是，与波导相邻布置的电极结构为楔形的，并设置在波导层中。
9、根据权利要求1,7和8的数字光学开关，其特征是，与输入区输入波导相邻的电极和与输出区输出波导(与输入波导镜面对称)相邻的电极设计得是可被电控制的。
10、根据权利要求1,7和8的数字光学开关，其特征是，与输入区输入波导相邻的电极和与输出区输出波导(与输入波导点对称)相邻的电极是设计得可电控的。
11、根据权利要求1的数字光学开关，其特征是，波导材料从下面列举的材料组中选择：Ⅲ-Ⅴ族半导体、LiNbO3、玻璃、Si-Ge混晶、SiO2和聚合体。
12、根据权利要求1,2,4,7和11的数字光学开关，其特征是，在聚合物基体上的开关中，在输入区(S1)或输出区(S2)中的两个直线地接近的波导(WG1,WG2)或两个直线地远离的波导(WG1’,WG2’)之间的θ角≤0.1°，波导(WG1,WG2,WG1’,WG2’)上方的电极(E1,E2,E1’和E2’)隔着一个缓冲层(TB)楔形地复盖这些波导，并通过控制输入区(S1)和输出区(S2)中各个电极(E1或E2,E1’或E2’)可调节相应波导的折射率改变量Δn＞0.0015。
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