CN1423757A - 具有平面波导和快门致动器的光学开关 - Google Patents

具有平面波导和快门致动器的光学开关 Download PDF

Info

Publication number
CN1423757A
CN1423757A CN00818460A CN00818460A CN1423757A CN 1423757 A CN1423757 A CN 1423757A CN 00818460 A CN00818460 A CN 00818460A CN 00818460 A CN00818460 A CN 00818460A CN 1423757 A CN1423757 A CN 1423757A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
optical switch
groove
switch according
width
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN00818460A
Other languages
English (en)
Inventor
K·阿尔海梅亚里
R·D·琼斯
J·L·希门尼斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LNL Technologies Inc
Original Assignee
L3 Optics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by L3 Optics Inc filed Critical L3 Optics Inc
Publication of CN1423757A publication Critical patent/CN1423757A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3596—With planar waveguide arrangement, i.e. in a substrate, regardless if actuating mechanism is outside the substrate
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G02B6/3514—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror the reflective optical element moving along a line so as to translate into and out of the beam path, i.e. across the beam path
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/3544—2D constellations, i.e. with switching elements and switched beams located in a plane
    • G02B6/3546—NxM switch, i.e. a regular array of switches elements of matrix type constellation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/3544—2D constellations, i.e. with switching elements and switched beams located in a plane
    • G02B6/3548—1xN switch, i.e. one input and a selectable single output of N possible outputs
    • G02B6/355—1x2 switch, i.e. one input and a selectable single output of two possible outputs

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

一种光学开关,具有一个输入波导和两个输出波导,被沟槽分开并位于沟槽周围。输入波导和第一输出波导具有其各自的芯所限定的各自光路；这些光路(和芯)彼此同轴。这些波导也被沟槽分开,所述沟槽中具有折射率与波导折射率不同的介质。输入波导和第一输出波导被分开一段由所述沟槽限定的距离,该距离不足以影响从输入波导传播到第一输出波导的光信号的传输特性,即使光信号穿过所述沟槽从输入波导到第一输出波导传播时经过不同的折射率。输入波导和第二输出波导通常设置在所述沟槽的同一侧以便从输入波导传播到第二输出波导的光信号不完全穿过所述沟槽。这样,即使光信号从输入波导到第一或者第二输出波导之一传播时经过不同的折射率,光信号在波导之间必须通过的距离足够小,以致于不会影响所述信号的光学传输特性。

Description

具有平面波导和快门致动器的光学开关
技术领域
本发明涉及在一个输入波导与一个或多个输出波导之间进行切换光的光学开关。
背景技术
光学开关在光学网络中是重要元件，用于确定和控制光学信号传输的路径。通常，光学信号(在这里交叉使用术语“光信号”和“光学信号”，意欲作广泛的解释，指可见光、红外光、紫外光和类似光)由波导沿着光路传导，所述光路通常由所述波导芯限定。可能需要或者希望再次传播光学信号以便能够沿着不同的光路传播，即通过不同的波导芯。光信号从一个波导向另一个波导的传输可能需要光信号通过一种介质传输，该介质的折射率可能与波导的折射率不同(所述波导通常具有基本上相同的折射率)。已知如果光信号通过具有不同折射率的材料(介质)则可能导致信号的传输特性变化。例如，光信号从具有第一折射率的材料传递到具有第二折射率的材料，由于信号在各个介质中传播的速率不同和至少部分由于材料的各自折射率，可能在光信号中引起不希望的相移。此外，由于在两个介质分界面极化场不匹配可能产生反射信号。如同在这里所使用的，术语“介质”作广泛的解释并且包括真空。
这种光信号反射是不希望的，因为传输功率被反射信号量降低了，所以导致传输信号损失。此外，反射信号可能沿着光源的方向往回传播，这也称为光回波损失。光回波损失是特别不希望的，因为这样能使得光信号源不稳定。
如果两种材料(或介质)具有大致相同的折射率，当光信号从一种材料传播到另一种材料时，它的传输特性没有明显变化。解决折射率不匹配的一个方案涉及使用折射率匹配液。在光学开关中的通常用法是在至少两个波导之间的沟槽内填充一种折射率大致等于波导折射率的材料。这样，当光信号通过所述沟槽从一个波导传播到另一个波导时不经过任何明显的折射率变化。
这种方案的一个例子可以在WO 00/25160国际专利申请中看到。该申请描述了一种在光路之间(即波导之间)的空腔内使用视准匹配液(collimation matching fluid)的开关，以便保持开关的光学性能。使用折射率匹配液产生一系列新问题，包括可能泄露和可能由于开关元件在液体内运动阻力导致开关的响应时间下降。
此外，当光信号通过沟槽和波导之间时可能有插入损失。还有一个问题是由于波导输入/输出面和沟槽的不连续性导致光回波损失。通常，当光信号通过沟槽沿着传输方向传输时，它将遇到波导的输入面，由于该面的物理特性(例如反射率、垂直度、波导材料等)可能导致光信号的反射部分(根据光功率)被通过所述沟槽传播回去(即传播方向的相反方向)。显然这是不希望的。
尺寸也是在光学元件(即装置、线路和系统)的设计、制造和结构中一直存在的问题。显然希望提供较小尺寸的光学元件以便光学装置、线路和系统能够制成更为紧凑，消耗较小功率，而且工作效率更高。
发明概述
本发明涉及一种光学开关，具有一个输入波导和两个输出波导，被沟槽分开并位于沟槽周围。输入波导和第一输出波导具有它们各自的芯限定的各自光路；这些光路(和芯)通常彼此对准或者同轴。所述沟槽中具有折射率与波导的折射率不同的介质。因此能够避免背反射，因为输入波导、第一输出波导和第二输出波导被分开一段距离，该距离不足以影响沿着从输入波导传播到第一或者第二输出波导传输的光信号的传输特性，即使光信号在从输入波导到第一或者第二输出波导传播时经过不同的折射率。这样，即使从输入波导传播到输出波导之一的光信号必须完全穿过所述沟槽，在波导之间光信号必须通过的距离足够小，以致不影响信号的光学传输特性。
输入波导和第二输出波导通常设置在所述沟槽的同一侧以便从输入波导传播到第二输出波导的光信号完全不穿过所述沟槽。同样，即使光信号经过不同的折射率，但是其传输通过的距离太短，以致于不会对所述信号的光学传输特性产生不良影响。
根据本发明可以构成1×2和2×2光学开关。
因此本发明包括元件的结构特征和组合以及元件的排列，这些将在本说明书中举例说明。本发明的范围将在权利要求书中指出。
附图简述
附图不是按比例绘出的，只是说明性的，其中在几个附图中相同的参考标号表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明构成的光学开关的顶视图；
图2A和2B是光学开关的两个实施例沿着图1中的线2-2剖开的截面图；
图3是光学开关的波导沿着图1中的线3-3剖开的截面图；
图4A和4B是根据本发明构成的另一个光学开关的顶视图，图4A描述了位于第一位置的开关，图4B描述了位于另一位置的开关；
图5是包括图4A和4B所示的光学开关的2×2开关的示意图；
图6是包括图4A和4B所示的光学开关的4×4开关的示意图；
图7是作为根据本发明的光学开关的一部分的电热致动器的一个
实施例的顶视截面图；
图8是作为根据本发明的光学开关的一部分的静电致动器的另一个实施例的顶视平面图；
图9是作为根据本发明的光学开关的一部分的静电致动器的再一个实施例的顶视平面图；
图10是图1所示波导的锥形部分的顶视平面图；
图11A和11B描述了根据本发明一个实施例的光学开关组件；以及
图12A和12B是分别示出利用倒装片法和单片制造技术制造的根据本发明的光学开关部分结构与外部元件和连接件的局部侧视剖视图。
本发明最佳实施例详述
本发明涉及一种光学开关，具有一个输入波导和两个输出波导，被沟槽分开并位于沟槽周围。输入波导和第一输出波导具有它们各自的芯限定的各自光路；这些光路(和芯)彼此对准或者同轴。这些波导还被所述沟槽分开，所述沟槽中具有其折射率与波导的折射率不同的介质。输入波导和第一输出波导被分开一段距离，该距离不足以影响沿着从输入波导传播到第一输出波导传输的光信号的传输特性，即使光信号在从输入波导到第一输出波导传播时经过不同的折射率。因此，即使从输入波导传播到第一输出波导的光信号必须完全穿过所述沟槽，在波导之间光信号必须通过的距离足够小，以致不影响信号的光学传输特性。
输入波导和第二输出波导通常设置在所述沟槽的同一侧以便从输入波导传播到第二输出波导的光信号不完全穿过所述沟槽，而是从快门的反射面反射。同样，即使光信号经过不同的折射率，但是它传输通过的距离太短，以致于不会对所述信号的光学传输特性产生不良影响。
也就是说，虽然沟槽足够大，允许把有限厚度的反射镜快门放置在沟槽内，但是沟槽也应该尽可能小，以便减少光在沟槽间隙内的衍射。
现在详细参考附图，而且首先参考图1，描述了根据本发明一个实施例构成的光学开关1。本发明的光学开关1最好由二氧化硅基的半导体(例如SiO2)和其他弱限制光的波导构成。也可以使用其他的半导体，诸如例如GaAs和InP。此外，下述波导构成只是为了说明给出的，而不是本发明实施例的限制性例子；本发明也可以使用其他波导形状和结构，这些也落入本发明的范围和实质内。
虽然图1描述了1×2开关，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，通过这里所公开的内容，本发明也可以其他结构(例如1×N或M×N)实施，这些也落入本发明的范围和实质内。举例来说，通过提供与波导6相对而且光路与波导6的光路同轴的第二输入波导，可以构成2×2开关，如同下面结合图4A和4B所详细讨论的一样。
开关1包括输入波导3及第一和第二输出波导5和6，设置在沟槽15周围并被沟槽15分开(输入波导3和第一输出波导5)。第二输出波导6的截面也是输入波导3和第一输出波导5的说明性例子，在图3中示出，下面描述和参考第二输出波导6也适用于输入波导3和第一输出波导5。波导6利用本领域公知的半导体制造技术和方法制成，因此这里不必详细描述。波导6包括沉积在下包层9b上的芯7，所述下包层9b沉积在基底13上。作为非限制性举例，基底可以是硅、石英或者SiO2。上包层9a沉积在芯7上方并包围芯7，以便形成埋入式波导结构。
波导3、5、6可以由选择具有希望光学性能的各种材料形成。虽然最好是把本发明的光学开关1制作在二氧化硅基(SiO2)平板上，但是也可以使用其他具有所希望的光学性能的半导体。例如，芯7可以包括掺锗二氧化硅，而上、下包层9a和9b可以包括热二氧化硅或者掺磷化硼二氧化硅玻璃。该平板与光纤连接良好并且可以提供各种折射率对比(0.35％至1.10％)。作为非限制性例子，其他可以使用的平板包括SiOxNy、聚合物、或者它们的组合。也可以使用诸如磷化铟或者砷化稼的其他系列制品。
继续参考图3，芯7的折射率对比可以在大约0.35％至0.70％范围内，更为优选的是，折射率可以在大约0.35％至0.55％范围内，以便与输出光纤更好地耦合。芯7可以是长方形，侧面厚度为大约3-10μm，宽度为大约3-15μm。更为优选的是，芯7是正方形，侧面厚度为大约6-8μm，宽度为大约6-14μm。邻近芯7的上下包层9a和9b可以是大约3-18μm厚，更为优选地是大约为15μm厚，由于同样的理由，芯的厚度可以在大约7至8μm范围内。在选择最终芯和包层的尺寸时，应该注意以便使得水平衍射低和不对准允许误差大。
这些尺寸仍然是用于举例，而并非是限制性的。
本发明可以用于弱限制波导和强限制波导。目前，优选用于弱限制波导。
再次参考图1，输入波导3的芯7限定沿着波导的纵向长度方向的光路2。光路2通常与由第一输出波导5的芯7限定的光路8同轴。非同轴度一方面用光信号传播方向的垂直方向与输入波导-沟槽界面之间形成的角度确定，另一方面用沟槽的长度确定，如同后面将解释的一样。因此，可以认为输入波导3和第一输出波导5设置成彼此在对准或者同轴光路上配准，这样使得从输入波导3传输到第一输出波导5的光量最大。
第二输出波导6也限定光路4，该光路4相对于输入波导光路2定向在预定角度上；最好在大约30°至80°范围内。这样，输入波导光路2与第二输出波导光路4在相交点110相交。
沟槽15形成在基底13上(例如参见图2A和2B)，所述基底13把输入波导3和第一输出波导5分开，而且波导设置在它的周围。沟槽15部分或者全部填充光学透明介质120，具有相关折射率n，例如像空气。对于空气，折射率大约等于1.00。
通过非限制性例子，沟槽15可以大约为8-40μm宽，更为优选的是12-20μm宽。
开关元件130简化了在输入波导3与第一和第二输出波导5和6之一之间的光信号切换。开关元件130包括设置在沟槽15内的快门17和通过连接10与快门17耦合的致动器33，所述连接10用于选择移动快门17，如同后面将详细描述的一样。本发明考虑了致动器33的不同实施例，作为非限制性例子，包括电热型、静电型和压电型，下面对其中每一个都进行了详细描述。
快门17最好由轻而硬的材料制成，诸如二氧化硅、聚合物、金属或者介质材料。能够使得这样的低质量刚性快门17响应电信号快速移动，例如在图1所示的位置和第二位置(未示出)之间移动，其中在图1所示位置从输入波导3输出的光信号被反射到第二输出波导6，在所述第二位置中快门17被从光路中移开，以便从输入波导3输出的光信号传播到第一输出波导5。
在快门17的至少一个表面140上设置有高反射膜，最好该表面对着输入波导3的输出端面21。该膜层使用金能够在表面140上形成高反射面29，该反射面反射光，不产生失真(大约95％的反射率)，而且对于例如远程通信、数据通信、和光谱应用，实质上与波长无关。术语“端面”是指波导的端部。
继续参考图1，快门140的后部28可以类似方式镀上金膜。这样的膜层能够使开关7工作在交替模式，如上所述通过提供与波导6相对而且光路与波导6的光路同轴的第二输入波导(未示出)，可以构成2×2开关。在该结构中，通过光从快门140的后部28反射能够把光从第二波导引导到输出波导5。后面结合附图4A和4B详细描述2×2开关。
快门140可以大约为1-8μm厚，大约10-100μm高，大约10-100μm长。快门140可以由任何足够坚硬而且轻的材料制成。最好，快门140大约为2μm厚，大约30-40μm高，大约30-40μm长。作为非限制性例子，快门140最好也由硅制成，而反射面28、29可以用金(gold)制成。
继续参考图2A，快门17的高度为h，当快门17位于第二位置时足以完全遮挡和反射光。将会理解为了完全遮挡入射光信号，快门17的高度hs应该大于芯7的厚度tc，快门17的长度ls应该大于芯7的宽度wc。最好使快门17的长度ls减至最小，以便减小快门17从第一位置移动到第二位置所需移动的距离，这样也降低了把快门17移入和移出光路中所需要的电功率，并且提高了开关1的速度。
快门17的宽度ws影响反射光路中的插入损失。具体地说，较薄的快门17可以降低插入损失，快门宽度的最佳尺寸大约为2μm。由于在沟槽15内光衍射导致的从快门17的反射面29反射的光损失，可以通过使得具有最小可能平面镜厚度而使之最小。
继续参考图1，输入波导3从光源100(例如光缆、激光器等)接收光信号(例如WDW、DWDM、UDWDM等)并在芯7中沿着光路2传播光信号。光信号通过输出端面21从输入波导3出射并进入沟槽15。根据快门17的位置，光信号或者穿过沟槽15传播并通过输入端面21′进入第一输出波导5，或者到达表面140的膜层29并在此反射(或者如果没有膜层，就是表面140本身)，穿过沟槽15的一部分传播并通过输入端面21″进入第二输出波导6。在任何一种情况下，光信号将继续传播并沿着各个波导的光路而被该波导的芯7所引导。
继续参考图1，开关元件130的致动器33控制快门17在第一和第二位置之间的移动。快门17实际上可以在任意方向上移动(例如沿着平行于或者垂直于沟槽15的底面150的平面)，这样移动能够在各个输出波导5、6之间切换光信号就可以。例如，图1和2A描述了开关元件130的第一实施例，具有快门17，快门17通常可以沿着平行于沟槽15的底面平面150的平面和通常由箭头A(图1)所示方向上移动。
另一个实施例在图2B中示出，其中快门17通常可以沿着垂直于沟槽15的底面150的平面和通常由箭头B所示方向上移动。快门17的移动方向并不是关键，只要快门17能够移入和移出由输入波导3限定的光路2即可。当位于光路2中时，光信号将从快门17反射并被传播到第二输出波导6中。当不位于光路2中时，光信号将穿过沟槽15并进入第一输出波导5。致动器133移动快门17可以响应输入到致动器133的控制信号。该信号可以是电、光、机械或实际上能够引起致动器响应的任何其他信号。
现在参考图4A和4B，将理解反射快门117是非常有吸引力的开关元件，因为快门117的两边128、129可以用于切换。这一特征简化了开关阵列的结构，因为只需要使用较少数目的快门就可以构成较大的开关。例如在2×2开关的情况下，只需要一个快门117形成真正的2×2非遮挡开关。相对于其他技术这是一个显著的进步，诸如对于2×2非遮挡开关使用热光马赫-泽德干涉仪，需要四个开关元件实现2×2非遮挡开关。
继续参考图4A和4B，图4A描述了根据本发明构成的2×2光学开关101。开关101是非遮挡设计，这是指任何输入中的光信号可以被传导到任何输出中，而不影响把任何其他输入中的光信号传导到任何其他输出中的能力。在图5中以更一般的视图示出了开关101，该图示出开关元件和波导103、112。
如图4A所示，开关101具有第一波导112，第一波导112具有输入G和输出Y。波导112是非连续的，因为其光路被形成在半导体基底(未示出)中的沟槽115所截断。第二波导103设置成通常垂直于第一波导112的光路，并在沟槽115与之相交。第二波导103包括输入H和输出Z。反射镜快门117可以在通常由箭头I所示方向上选择移入和移出沟槽115。反射镜快门117具有两个通常平行的表面128、129，这两个面是高度反射面而且每一个都作为一个端面，从而形成双面反射镜117。反射镜快门117可以包括微型机械快门或者其他适当的装置，沿着前面结合本发明的其他方面讨论的线路。
当反射镜快门117位于沟槽15外部时，如图4A所示，开关101处于关闭状态。存在于波导112的输入G内的光信号G′将通过那里传播并通过输出Y从波导112中出射。类似地，存在于波导103的输入H内的光信号H′将通过那里传播并通过输出Z从波导103中出射。虽然沟槽15截断每个波导112、103的光路，但是沟槽15并不影响光通过波导112、103的传播。当反射镜快门117位于沟槽15内时，如图4B所示，开关101处于打开状态，即将发生切换。存在于波导112的输入G内的光信号G′将到达反射镜快门117，从表面128反射，并通过波导103的输出Z从开关101出射。类似地，存在于波导103的输入H内的光信号H′将到达反射镜快门117，从表面129反射，并通过波导112的输出Y从开关101出射。
现在参考图5，简要示出开关101，第一和第二波导112、103连接在上面。
图6描述了4×4开关300，它使用六个如上面结合图4A和4B所描述类型的开关301(也称为开关元件)(已知类型的4×4开关诸如自由空间MEMS开关和热光马赫-泽德(Mach-Zchnder)干涉仪开关需要十六个开关元件)。该开关300具有四个输入波导303、305、307和309和四个输出波导311、313、315和317，信号AA、BB、CC和DD输入到上述四个输入波导内。开关301可通过已知方式设置，以便分别通过输入波导303、305、307和309进入开关300的信号AA、BB、CC和DD根据需要被引导到输出波导311、313、315和317内。可以认识到本发明显著减少了4×4开关300所需要的开关元件301的数目。
现在参考图1和2B，致动器33、133通过连接10、110连接到快门17，并起到把快门17移入和移出光路2的作用。虽然可以使用任何适当的致动器实现本发明，但是最好使用电热或者机电类型致动器。
电热致动器在本领域是公知的，因此不详细描述。为了实现本发明的目的，应该理解可以使用任何足以根据所施加的热能(将会理解所述热能可以由所施加的电能产生)改变它的尺寸的电热致动器。使用电热致动器的一个优点是这样的致动器可以是闭锁式致动器，即保持它的位置，而不需要连续施加能量。这样，闭锁式致动器将保持在两个位置的其中之一，直到使得它切换离开该位置。
适用于本发明的说明性电热闭锁式致动器233在图7中示出。该致动器233包括弹性元件34，在端点35、35′牢固固定到腔37的壁上。腔的尺寸和形状使得弹性元件34的移动足以引起快门17在第一和第二位置之间移动。还设置有加热器39，位置非常靠近弹性元件34。当驱动加热器39时，弹性元件34变热并膨胀。因为元件的端部在端点35、35′固定，所以元件34不能简单地膨胀，使得端点向外移动。相反，将沿着元件的长度方向产生压缩应力。这些应力增大直到达到一定水平，足以导致元件34的位置改变到图7中的参考符号D所示的位置上。这样，当使加热器39加热(例如，利用通过接触片(未示出)的电流)时，弹性元件34也将被加热并被迫在环境位置(用参考符号C表示)和弯曲位置(用参考符号D表示)之间移动。或者，弹性元件34本身也可以是加热器。
也可以使用静电致动器选择移动快门17。静电致动器的优点包括操作速度快、能量损耗低、和系统发热最少。可以用于本发明的一种类型静电致动器333在图8中示出。该致动器333包括电极41、41′，位于由一种材料制成的压电元件43的相对表面上，当在电极41、41′上施加电场时，所述材料至少在一维方向(即宽度或者长度方向)上膨胀。因此可以使压电元件43在箭头E所示方向上膨胀，导致快门17移动。
可能只有一个致动器不足以使得快门17移动所需要的量。这可以通过提供具有多个交错齿45的压电致动器433校正，诸如图9所示。这些齿连接到致动器433内的支架20上，用于防止齿45向不希望的一边移动。当把电信号施加在致动器433的电极上(未示出)时，端点47在沿着箭头F所示方向上的总位移量反映所有齿45的累计位移量。因为端点47的位移是各个齿位移量的和，因此快门17能够实现大移动量。这种类型的静电致动器433可能需要施加大电压，可能在100V数量级，以便快门17实现所希望的移动。虽然所述电压电位高，但是只需要很小功率，因为流过静电致动器433的电流是可以忽略的。
再次参考图1，每个波导3、5、6具有由构成波导芯7的材料确定的相关折射率，至少部分由构成波导芯7的材料确定。波导3、5、6的相关折射率大致彼此相等，而且对于二氧化硅平台数值大约为1.45。填充在沟槽15内的介质120也具有可能与波导折射率不同的相关折射率。例如，如果介质是空气，它的折射率为1.00。当光信号在传播过程中经过不同的折射率时，信号的某些特性可能由于不同折射率而改变。例如，当光信号在传播过程中经过不同的折射率时，部分光信号(根据光功率)可能被沿着光路2反射回到输入波导。反射信号可能传播回到光源并导致光源不稳定。
此外，当光信号从具有第一折射率的材料传播到具有第二不同折射率的材料时，光信号可能产生相移。在某些情况下，这是所希望的结果。对于光学开关，当沿着构成开关的不同元件传播光信号并被切换时，最好是光信号的光学特性不产生任何显著变化。
为了克服不同折射率所产生的不希望后果，本发明控制输入波导3的输出端面21与输出波导5、6的输入端面21′、21″之间的距离，以便光信号传播的距离太短，以致于折射率差不足以对光信号的特性产生任何显著变化。因此，即使光信号完全穿过沟槽15，(从输入波导3至第一输出波导5)或者部分穿过沟槽15(从输入波导3至第二输出波导6)，光信号不会由于介质与波导各自折射率差而受到任何显著的不利影响。
本发明的另一个方面补偿当光信号在不同折射率的材料之间通过时产生的光回波损失(ORL)。例如折射率差可能导致部分光信号(根据光功率)被反射并沿着光路2返回到输入波导。反射信号可能不利地反射回到光信号源，而且可能导致它不稳定。通过相对于各个波导光路倾斜输出端面21、21′、21″(例如见图1)，任何反射信号被传导向包层9a和9b，离开波导芯7，从而防止反射光干扰由输入波导3传导并在输入波导3中传播的光信号。在本发明的一个实施例中，输出端面21、21′、21″可以设置在大约5°至10°的角度α上，最好是大约为6°-8°，以便使返射回输入波导3内的光损失最小。在为6°的最好情况下，对于上述同轴度的偏离在0.2μm(对于5.0μm的沟槽)至1.7μm(对于35μm的沟槽)范围内。
在本发明的另一个方面，通过在波导端面21、21′、21″上镀减反射膜(未示出)可以进一步使光回波损失最小。减反射膜可以是单层或多层结构。这样的膜层能够在大波长范围内把波导-沟槽界面上的反射率从3.5％降低到1％以下。形成减反射膜膜层的材料和厚度与用于薄膜技术的材料和厚度相同。例如，二氧化硅波导与沟槽之间的最好的单层减反射膜膜层在1.55μm波长的折射率为1.204，厚度为322nm。
在另一个实施例中，结合利用倾斜端面和减反射膜可以使得光回波损失最小。
本发明的另一个方面涉及用于传播光并形成开关1的波导3、5、6的形状。根据本发明的这个方面，如图1和10所示，至少在波导3、5、6之一上设置锥形颈部51，以便波导宽度在远离沟槽15的位置49变为较小截面。锥形颈部51有利于减少沟槽内的光衍射。
只是作为非限制性例子，在沟槽15的区域内，波导宽度可以在大约5-15μm范围内。该宽度在远处位置49可以变窄到大约4-10μm范围内。应该理解这些尺寸只是举例性的，其他尺寸也可能落入本发明的范围和实质内。
当光信号沿着波导3、、5、6传播并被它们引导时锥形颈部51形成平滑过渡。锥形颈部51限制通过波导传播的光，根据已知的波导光学原理，并大大降低了渡越损失，否则当光通过不同尺寸的波导之间时将产生渡越损失。
根据所给装置的具体情况可以使用各种锥形长度和锥度。
本发明的光学开关1可以单片形成或利用倒装片制造技术组装，后者在图11A和11B概括示出。在倒装片制造过程中，利用已知的半导体制造技术和工艺(例如沉积、蚀刻等)把波导3、5和6与沟槽15单片形成在第一芯片200上，快门17和致动器33形成在第二芯片210上。在组装之前，两个芯片定向为彼此相对并对齐以便芯片的相应部分(例如快门17和沟槽15)彼此相对。然后把芯片接合。
或者，在本发明的另一个实施例中，可以通过单片形成开关元件130和波导3、5、6构成光学开关1。在这样的实施例中，利用现在已知的或后面将研究的半导体蚀刻技术和工艺选择沉积并去掉不同层材料，把光学开关1的不同部分形成在单个基底13上，单片制造的一个优点是不需要在接合两个基底之前对准不同的元件。
下面参考图12A和12B，分别示出倒装片法和单片形成的根据本发明的光学开关1。两个图也示出光学开关1与外部光学元件的连接，诸如例如光纤67，以便光纤芯7与与光纤芯65光学连接。每个光纤67被开槽元件69支撑，并利用光纤盖63固定在位置上。玻璃罩61保护下面的开关元件。也可以使用其他方法固定光纤，或者使用其他光路。
两种制造技术之间的一个区别是对于倒装片法开关元件130位于波导上方，而对于单片法位于基底13上。
应该理解本发明并不限于这里所述的角度、材料、形状和尺寸，而是由权利要求书的描述限定角度、材料、形状或尺寸。
因此，虽然以应用于最佳实施例的方式给出和描述了本发明的新特征，但是应该理解本领域的普通技术人员可以对所公开发明的形式和细节进行各种省略、替代和改变，而不脱离本发明的精神。因此，本发明将只限于权利要求书所限定的范围。
还应该理解权利要求书意欲覆盖这里描述的本发明所有一般和具体特征以及本发明范围内的所有情况，根据语言叙述，可以说本发明范围内的所有情况落入权利要求书中。特别是，本发明不应该解释为限于这里所述尺寸、比例或者布局。

Claims (23)

1.一种光学开关，用于切换来自光源的光信号，该光学开关包括：
具有相关折射率的第一波导，该第一波导沿着通常由第一波导的纵轴限定的第一波导光路引导光信号；
具有相关折射率的第二波导，该第二波导沿着通常由第二波导的纵轴限定而且通常与所述第一波导光路同轴的第二波导光路引导光信号；
具有相关折射率的第三波导，该第三波导沿着通常由第三波导的纵轴限定而且通常相对于所述第一波导光路而定向在预定角度上的第三波导光路引导光信号；
所述第一、第二和第三波导设置在沟槽周围，该沟槽分开其中两个波导而且带有具备相关折射率的介质；
设置在所述沟槽内而且具有反射面的快门；以及
连接到所述快门的致动器，用于使该快门在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置来自第一波导的光信号穿过所述沟槽而传播到所述第二波导内，在所述第二位置来自所述第一波导的光信号被所述反射面反射而进入所述第三波导；
所述第一、第二和第三波导的相关折射率基本上相同，而与所述介质的相关折射率不同，该第一、第二和第三波导被分开一段距离，在该距离上光信号不受所述波导和介质折射率不同的影响。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一和第二波导被分开的距离不大于大约8-40μm。
3.根据权利要求2所述的光学开关，其中所述第一和第二波导被分开的距离不大于大约12-20μm。
4.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一、第二和第三波导的折射率基本上相同。
5.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述致动器是电热致动器。
6.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述致动器是压电致动器或者静电致动器的其中之一。
7.根据权利要求3所述的光学开关，其中所述沟槽具有基本上恒定的深度。
8.根据权利要求3所述的光学开关，其中所述沟槽具有可变深度。
9.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一波导具有端面，光信号通过该端面而从该第一波导出射进入沟槽，所述第二波导具有端面，光信号通过该端面而离开沟槽进入该第二波导，所述第三波导具有端面，被所述反射面反射并离开所述沟槽的光信号通过该端面而进入该第三波导。
10.根据权利要求9所述的光学开关，其中至少所述第一、第二和第三波导端面的其中之一对应于相应的波导光路倾斜。
11.根据权利要求10所述的光学开关，其中至少所述第一、第二和第三波导端面的其中之一在大约6°到10°之间倾斜。
12.根据权利要求9所述的光学开关，其中所述第一、第二和第三波导端面中的每一个对应于相应的波导光路倾斜。
13.根据权利要求12所述的光学开关，其中每个端面倾斜的角度在大约6°到10°之间。
14.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述沟槽具有表面，并且使得其中所述快门沿着通常平行于所述表面的直线而在所述第一和第二位置之间移动。
15.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述沟槽具有表面，并且使得其中所述快门沿着通常与所述表面相交的直线而在所述第一和第二位置之间移动。
16.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一波导具有第一宽度和比第一宽度窄的第二宽度，以及连接该第一和第二宽度的锥形过渡区，所述第一宽度设置在端面。
17.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第二波导具有第一宽度和比第一宽度窄的第二宽度，以及连接该第一和第二宽度的锥形过渡区，所述第一宽度设置在端面。
18.根据权利要求17所述的光学开关，其中所述第三波导具有第一宽度和比第一宽度窄的第二宽度，以及连接该第一和第二宽度的锥形过渡区，所述第一宽度设置在端面。
19.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述快门宽度大约为2μm，长度在大约20μm到70μm之间。
20.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述致动器是闭锁式致动器。
21、一种光学开关，包括：
第一波导；
第二波导，在相交区域与该第一波导相交；
沟槽，与所述第一波导和第二波导二者相交，该沟槽的一部分位于相交区域；以及
滑动元件，具有第一反射面和第二反射面，该元件可以沿着所述沟槽而在所述相交区域内的第一位置和相交区域外的第二位置之间移动。
22、一种在光学开关中切换光信号的方法，该光信号被输入波导所引导，并从该输入波导的端面出射进入第一和第二输出波导的其中之一的输入端面，所述输入波导限定的光路与该第一输出波导限定的光路同轴，并与该第二输出波导限定的光路相交，该输入波导和所述第一及第二输出波导中的每一个都具有基本上彼此相同的相关折射率，所述输入波导和第一输出波导设置在沟槽的两边，在该沟槽中设置有介质，该介质具有的相关折射率与波导的相关折射率不同，所述方法包括如下步骤：将所述输入波导和第一输出波导分开一段距离，在该距离上光信号不受所述介质和波导的不同折射率的影响。
23、根据权利要求22所述的方法，其中所述沟槽的宽度大约在4-40μm之间，并且其确定分开所述输入波导和第一输出波导的距离。
CN00818460A 1999-11-23 2000-11-22 具有平面波导和快门致动器的光学开关 Pending CN1423757A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16714299P 1999-11-23 1999-11-23
US60/167,142 1999-11-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1423757A true CN1423757A (zh) 2003-06-11

Family

ID=22606112

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN00818460A Pending CN1423757A (zh) 1999-11-23 2000-11-22 具有平面波导和快门致动器的光学开关

Country Status (9)

Country Link
US (1) US6493482B1 (zh)
EP (1) EP1234206A2 (zh)
JP (1) JP2003515760A (zh)
KR (1) KR20020064909A (zh)
CN (1) CN1423757A (zh)
AU (1) AU1803801A (zh)
CA (1) CA2389597A1 (zh)
TW (1) TW503329B (zh)
WO (1) WO2001038921A2 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114127600A (zh) * 2019-08-20 2022-03-01 思科技术公司 潜望镜光学组件

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW522269B (en) * 2000-02-04 2003-03-01 L3 Optics Inc Optical waveguide and shutter
US7103245B2 (en) 2000-07-10 2006-09-05 Massachusetts Institute Of Technology High density integrated optical chip
JP2002207181A (ja) * 2001-01-09 2002-07-26 Minolta Co Ltd 光スイッチ
US20030002778A1 (en) * 2001-02-14 2003-01-02 David Bach Photo-polymer based fiber-optic switch using total internal reflection and micro-fluidic actuation
FR2822247B1 (fr) * 2001-03-15 2003-05-16 Opsitech Optical Sys On A Chip Dispositif optique a structure integre, a deviations d'ondes
US20020131683A1 (en) * 2001-03-15 2002-09-19 Doerr Christopher Richard Planar lightwave wavelength blocker devices using micromachines
US6801682B2 (en) * 2001-05-18 2004-10-05 Adc Telecommunications, Inc. Latching apparatus for a MEMS optical switch
JP4483129B2 (ja) * 2001-05-22 2010-06-16 住友電気工業株式会社 光スイッチ
WO2003056380A1 (fr) * 2001-12-26 2003-07-10 Nikon Corporation Appareil de commutation/reglage d'un faisceau lumineux, et procede de fabrication de celui-ci
GB0201969D0 (en) 2002-01-29 2002-03-13 Qinetiq Ltd Integrated optics devices
GB0203343D0 (en) * 2002-02-13 2002-03-27 Alcatel Optronics Uk Ltd Micro opto electro mechanical device
US6987901B2 (en) * 2002-03-01 2006-01-17 Rosemount, Inc. Optical switch with 3D waveguides
US6934427B2 (en) 2002-03-12 2005-08-23 Enablence Holdings Llc High density integrated optical chip with low index difference waveguide functions
WO2003083551A1 (en) * 2002-03-28 2003-10-09 Ntt Electronics Corporation Waveguide type optical unit and method for detecting position
JP2004004649A (ja) * 2002-03-28 2004-01-08 Ntt Electornics Corp 光学装置
US7522790B1 (en) * 2002-12-20 2009-04-21 Raytheon Company Optical communications system with selective block/add capability of an optical channel
GB0306008D0 (en) 2003-03-15 2003-04-23 Qinetiq Ltd Optical device
US20060215954A1 (en) 2004-03-22 2006-09-28 Jenkins Richard M Optical routing device comprising hollow waveguides and mems reflective elements
GB0306634D0 (en) 2003-03-22 2003-04-30 Qinetiq Ltd Optical wavelength division multiplexer/demultiplexer device
US7359523B2 (en) * 2003-06-17 2008-04-15 Avago Technologies Fiber Ip Pte Ltd Fluidic acoustic transducer
US7525604B2 (en) * 2005-03-15 2009-04-28 Naxellent, Llc Windows with electrically controllable transmission and reflection
ES2634506T3 (es) * 2007-01-24 2017-09-28 Ravenbrick, Llc Filtro óptico de conversión descendente conmutado térmicamente
US7973998B2 (en) * 2007-05-18 2011-07-05 Serious Materials, Inc. Temperature activated optical films
JP5558350B2 (ja) * 2007-07-11 2014-07-23 レイブンブリック，エルエルシー 温度応答切換式反射型光シャッタ
AU2008302125B2 (en) 2007-09-19 2012-01-12 Ravenbrick, Llc Low-emissivity window films and coatings incoporating nanoscale wire grids
US8169685B2 (en) 2007-12-20 2012-05-01 Ravenbrick, Llc Thermally switched absorptive window shutter
EP2269100A4 (en) 2008-04-23 2011-12-28 Ravenbrick Llc HANDLING OF GLOSSY ON REFLECTIVE AND THERMO-THINKING SURFACES
US9116302B2 (en) 2008-06-19 2015-08-25 Ravenbrick Llc Optical metapolarizer device
US8665414B2 (en) 2008-08-20 2014-03-04 Ravenbrick Llc Methods for fabricating thermochromic filters
ES2616252T3 (es) * 2009-04-10 2017-06-12 Ravenbrick, Llc Filtro óptico conmutado térmicamente que incorpora una arquitectura de huésped-hospedador
US8947760B2 (en) 2009-04-23 2015-02-03 Ravenbrick Llc Thermotropic optical shutter incorporating coatable polarizers
US8064493B2 (en) * 2009-06-12 2011-11-22 Binoptics Corporation Surface emitting photonic device
US8867132B2 (en) * 2009-10-30 2014-10-21 Ravenbrick Llc Thermochromic filters and stopband filters for use with same
WO2011062708A2 (en) 2009-11-17 2011-05-26 Ravenbrick Llc Thermally switched optical filter incorporating a refractive optical structure
ES2748829T3 (es) 2010-03-29 2020-03-18 Ravenbrick Llc Dispositivo de cristal líquido termotrópico estabilizado por polímero
US8699114B2 (en) 2010-06-01 2014-04-15 Ravenbrick Llc Multifunctional building component
KR101967030B1 (ko) * 2013-12-03 2019-04-08 인텔 코포레이션 모놀리식 방식의 물리적 변위가능 광 도파관
US9362608B1 (en) 2014-12-03 2016-06-07 General Electric Company Multichannel relay assembly with in line MEMS switches

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3138968A1 (de) * 1981-09-30 1983-04-14 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Optische steuervorrichtung zum steuern der in einem optischen wellenleiter gefuehrten strahlung, insbesondere optischer schalter
US4774407A (en) 1986-03-04 1988-09-27 Allen-Bradley Company, Inc. Fiber optic switching system with link monitoring
US4836636A (en) 1986-11-13 1989-06-06 The Furukawa Electric Co., Ltd. Optical switch and optical keyboard utilizing the same
FR2618914B1 (fr) 1987-07-31 1991-12-06 Alain Souloumiac Perfectionnements apportes aux interrupteurs optomagnetiques
US5208880A (en) 1992-04-30 1993-05-04 General Electric Company Microdynamical fiber-optic switch and method of switching using same
JP3036613B2 (ja) 1992-10-06 2000-04-24 日本電信電話株式会社 マトリクス光導波路スイッチ
US5699462A (en) * 1996-06-14 1997-12-16 Hewlett-Packard Company Total internal reflection optical switches employing thermal activation
US5923798A (en) 1997-05-15 1999-07-13 Lucent Technologies, Inc. Micro machined optical switch
US6075239A (en) 1997-09-10 2000-06-13 Lucent Technologies, Inc. Article comprising a light-actuated micromechanical photonic switch
US5960131A (en) * 1998-02-04 1999-09-28 Hewlett-Packard Company Switching element having an expanding waveguide core
US6195478B1 (en) * 1998-02-04 2001-02-27 Agilent Technologies, Inc. Planar lightwave circuit-based optical switches using micromirrors in trenches
US6108466A (en) 1998-09-17 2000-08-22 Lucent Technologies Micro-machined optical switch with tapered ends
US6404942B1 (en) * 1998-10-23 2002-06-11 Corning Incorporated Fluid-encapsulated MEMS optical switch
US6205267B1 (en) 1998-11-20 2001-03-20 Lucent Technologies Optical switch
US6229640B1 (en) 1999-08-11 2001-05-08 Adc Telecommunications, Inc. Microelectromechanical optical switch and method of manufacture thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114127600A (zh) * 2019-08-20 2022-03-01 思科技术公司 潜望镜光学组件

Also Published As

Publication number Publication date
KR20020064909A (ko) 2002-08-10
TW503329B (en) 2002-09-21
WO2001038921A2 (en) 2001-05-31
EP1234206A2 (en) 2002-08-28
CA2389597A1 (en) 2001-05-31
WO2001038921A3 (en) 2002-01-10
AU1803801A (en) 2001-06-04
JP2003515760A (ja) 2003-05-07
WO2001038921A9 (en) 2002-05-30
US6493482B1 (en) 2002-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1423757A (zh) 具有平面波导和快门致动器的光学开关
US6253015B1 (en) Planar waveguides with high refractive index
KR101508619B1 (ko) 광 신호를 라우팅하기 위한 시스템 및 방법
KR101464816B1 (ko) 빔 커플러 및 스플리터, 빔 커플러 및 스플리터 형성 방법 및 시스템
EP1385036B1 (en) Total internal reflection optical switch utilizing a moving droplet
JP2022506913A (ja) 集積光学微小電気機械システムにおける応力及び間隙の軽減のための構造及び方法
US6614947B1 (en) Digital optical switch using an integrated mach-zehnder interferometer having a movable phase shifter
US6768572B2 (en) Solid state free space switch array on a substrate
WO2010129543A2 (en) System and method for modulator-based optical interconnections
WO2001038925A1 (en) Waveguide optical phase shifter
CN1461420A (zh) 集成平面光波导和快门
WO2001038923A1 (en) Optical mach-zehnder switch with movable phase shifter
US6563965B1 (en) Analog optical switch using an integrated Mach-Zehnder interferometer having a moveable phase shifter
WO2001059492A2 (en) Optical waveguide and shutter
JP2000193838A (ja) 光導波路構造体
US20040208412A1 (en) Optical path control device
CN1320400C (zh) 低串扰数字光开关
TWI286610B (en) Optical variable attenuator and optical module
CN115657218A (zh) 基于透镜辅助的全固态光束扫描系统
KR20020041896A (ko) 광섬유 콜리메이터와 그 제조방법
Blair et al. MEMS hybridization: bridging the free-space gap
JP2004004756A (ja) 光スイッチモジュール及び光スイッチモジュールを製造する方法
Hendrickx et al. Towards flexible routing schemes for polymer optical interconnections on printed circuit boards
JP2001013335A (ja) 積層集積導波路デバイス及びその製造方法
GB2388918A (en) Optical waveguide switch with movable reflector in trench

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication