CN1555508A - 具有提高的灵敏度的切换和调制光信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种切换设备(10)，其包括光学腔和安排在所述光学腔中的相位调制器(14)。光信号传播到所述腔中。相位调制器可以有选择地在光信号的多个部分之间引入相移，这些部分然后被重组并传播出光学腔。光学腔的腔约束了光信号以允许相移累积，以便可以对相位调制器用相对小的驱动功率来得到相对大的相移。

Description

具有提高的灵敏度的切换和调制光信号的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及光信号传输，更具体但非专门地涉及光开关和调制器。
背景技术
光开关和调制器广泛用于光通信系统中。这种光学系统包括波导(例如光纤、基于晶片的平面光路)和自由空间系统或这些系统的组合。在许多应用中，光通信系统中的调制实现为数字调制，其中调制器如同光开关中一样处于“开”或“关”状态。这样，数字信号传输系统中的光调制器实际上是“开/关”光开关。
光切换和调制的一种方法是基于控制光信号多个部分的相位来有选择地控制这些部分之间的干涉。例如，在一种方法中，输入的光信号被分成两个匹配的部分，随后控制它们之间的相差，随后这两个部分重组以形成输出的信号。如果相差是180度(或其的某个倍数)，那么当这两个部分重组时出现完全相消的干涉，使得输出信号理论上具有零强度。此组态可用作开关或调制器的“关”状态。相反，如果相差是0度(或360度的某个倍数)，则出现完全相长的干涉，使得输出信号具有与输入信号基本相同的强度。此组态可用作开关或调制器的“开”状态。
有若干方法来引起输入光信号的多个部分间的相差。一种方法是引起这些部分在其中传播的介质的折射率不同，而这将引起这些部分之间的相差。各种电光、热光和应力/应变-光机制可用来改变传播介质的折射率。
光开关和调制器的一个重要参数是该光开关和调制器在“开”和“关”状态之间切换所需的功率(即驱动功率要求)。在大多数应用中，期望降低光开关和调制器的驱动功率要求。
附图说明
参考以下图形来描述本发明的非限制和非穷举的实施例，其中在全部的各个视图中，除非另有说明，类似的标号是指类似的部分。
图1是图示根据本发明的一个实施例的光切换设备的方框图。
图2是更详细地图示图1的光切换设备实施例的方框图。
图3是图示根据本发明的一个实施例的图2的光切换设备操作的流程图。
图4是图示根据本发明的一个实施例的光切换设备的一种电光实现的示图。
图5是图示示例光切换设备的归一化开关传递函数的示图。
图6是图示示例光切换设备的相移作为该光切换设备的光学腔反射表面的反射率的函数的示图。
具体实施方式
这里描述了切换和调制光信号的一种方法和装置的实施例。在下面的说明中，给出了许多具体的细节以提供对本发明实施例的透彻理解。但是，本领域技术人员将认识到没有这些具体的细节中的一个或多个，或者用其他方法、部件、材料等等，也能实现本发明的实施例。在其他情况下，为了避免模糊本发明的各个方面，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作。
整个说明书中的用语“一个实施例”或“实施例”是指与该实施例相联系的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个说明书不同地方的出现不一定都是指同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
图1图示了根据本发明一个实施例的光切换设备10。光切换设备10的各种实施例包括光开关和光调制器。在本实施例中，光切换设备10包括光学腔12，该光学腔12包含具有MZI(Mach-Zehnder interferometer，马赫-策德尔干涉仪)的相位调制器14(这里也称为MZI结构)。在本实施例中，MZI结构14配置成作为响应于控制信号(未示出)在“开”和“关”状态之间转换开关或调制器来操作。光学腔12可以是具有至少两个部分反射表面或平面的任何合适的腔结构。在一个实施例中，光学腔12是对于要切换的光信号的波长的法布里-珀罗(FP)谐振器。
一般而言，光切换设备10的本实施例如下操作。光信号16(表示为箭头)传播到光学腔结构12中，信号被约束在其中以多次穿过传播介质。此外，在这些多次穿过期间，光信号16传播穿过MZI结构14。在一些实施例中，MZI结构14包括两条或多条传播路径。MZI结构14可被控制来有选择地在不同通路中传播的光信号之间引入相移，以在这些光信号被组合的时候产生干涉。对MZI结构14的多次穿过有利地允许相对相移累积。MZI结构14随后将来自这两条通路的光信号组合以形成输出信号。当MZI结构14引入的相移产生180度(或其倍数)的累积相对相移时，因为这两条通路中的光信号在重组时将相消干涉，所以输出信号将处于“关”状态。相反，当累积相对相移是0度(或360度的倍数)，因为这两条通路中的光信号在重组时将相长干涉，所以输出信号将处于“开”状态。
光切换设备10获得的一个优点是降低了驱动功率要求。换言之，因为相移是在每次穿过期间累积的，所以MZI结构14需要小于传统MZI开关(其仅提供单次穿过)的驱动功率来实现同样有效的相对相差，以达到所需的“开/关”状态。
图2更详细地图示了光切换设备10(图1)的实施例。在本实施例中，光学腔12用部分反射面21和22来实现。部分反射面21和22可以任何合适的方法来实现，例如反射光栅(例如平面衍射光栅、紫外线写入指数光栅(UV-written index grating)等等)、高反射介电涂层(即高低折射率材料层交替的涂层)、部分镀银镜等等。在一些实施例中，部分反射面21和22的反射率是匹配的，但在其他实施例中它们不需要匹配。此外，在本实施例中，光学腔14的参数设计成使得光学腔14对输入光信号16的波长是谐振的。
在本实施例中，MZI结构14包括光耦合器24、光耦合器25和相移器26。举例来说，光耦合器24可用标准50∶50的耦合器来实现，例如Y耦合器、分光棱镜或任何其他光学功率分配器设备。光耦合器25也可以是50∶50的耦合器。在其他实施例中，分配器可具有任意的功率分配率。相移器26可以是任何合适的相移设备，例如电光、热光和应力-光相移器。在本实施例中，相移器26通过改变光信号在其中传播的介质的折射率而来改变光信号的相位。其他实施例可能使用用不同的方法和机构来产生相差的相移器。
光切换设备10的本实施例的元件如下互连。连接或布置部分反射面21以接收输入光信号16。光耦合器24具有耦合到部分反射面21的输入端口。换言之，光耦合器24被耦合来接收穿过部分反射面21的那部分光信号16以及从部分反射面21面对光耦合器24的表面反射的光信号。光耦合器24具有第一和第二输出端口，分别连接到光路或臂28A和28B的一端。在一些实施例中，臂28A和28B长度匹配，而在其他实施例中它们可具有不同的长度。相移器26连接到臂28A和28B中的一个或两个，如虚线29A和29B所示。臂28A和28B的另一端连接到光耦合器25的第一和第二输入端口。光耦合器25的输出端口耦合到部分反射面22。穿过部分反射面22的光信号形成光切换设备10的输出信号18。
图3是图示根据本发明一个实施例的光切换设备10(图2)的操作的流程图。参考图2和3，光切换设备10如下来操作。
在操作中，输入光信号16传播到光学腔14中。在一个实施例中，输入光信号16是波长1550nm的激光。在其他实施例中，可以使用不同的波长，这一般取决于该设备所期望的最终用途(例如特定的光通信网络)以及该应用中使用的传播介质。在本实施例中，输入光信号16被传播到部分反射面21。该操作在图3中用框31表示。
输入光信号16的一部分穿过部分反射面21而传播到光耦合器24。在本实施例中，光耦合器24将此光信号分成相位和能量匹配的两个分量信号。一个分量信号在臂28A中传播而另一个在臂28B中。此操作在图3中用框33表示。在其他实施例中，光耦合器将光信号分成具有不相似的相位关系和能量比例的多个(多于2个)分量。
相移器26随后在臂28A和28B中传播的分量信号之间引入大小受控的相差。理想地，相移器26在分量信号之间产生相对相移，当这些分量光信号以后被组合并离开光学腔14时，该相差有效地导致光的相长干涉而得到“开”的切换状态，或者导致光的相消干涉而得到“关”的切换状态。此操作在图3中用框35表示。
这些分量信号随后在臂28A和28B中传播到光耦合器25。光耦合器25将这些分量信号组合到单个光信号中。此操作在图3中用框37表示。
重组的光信号(即光耦合器25的输出信号)随后传播到部分反射面22。在本实施例中，部分反射面22允许重组信号的一部分穿过。换言之，重组信号的非反射部分作为输出信号18离开光学腔14。此操作在图3中用框39表示。
但是，部分反射面22还将重组光信号的一部分反射而经由光耦合器25、臂28A和28B以及光耦合器24传播回部分反射面21。更具体而言，(a)光耦合器25将被反射的信号分离而在臂28A和28B中传播；(b)相移器26在信号组合器25输出的分量信号之间引入另一个相对相移；(c)光耦合器24组合这些分量信号；以及(d)部分反射面21反射光耦合器24的重组输出信号的一部分。实际上被反射的这部分随后继续如框31中所描述地那样被操作，等等。这样，实际上，输入光信号16的多个部分被约束在光学腔12(由部分反射面21和22确定)中以多次穿过MZI结构14(由相移器26以及光耦合器24和25形成)。结果，在离开部分反射面22之前，光信号的这些部分可累积由相移器26所引入的相移。
通过允许应用驱动相移器26引入相对低的“单程”相移，该相移随后被累积来达到所要得到的相移，此过程可有益地降低光切换设备10的驱动功率要求。相比之下，典型的传统光开关和调制器要求相对大的驱动功率来使相移器26在单程中引入180度的相移。下面结合图5来描述光切换设备10的一个实施例的性能。
图4图示了根据本发明一个实施例的光切换设备10(图2)的电光实现。在本实施例中，光切换设备10以平面集成光路的形式实现，其中光信号穿过波导传播。更具体而言，在本实施例中光组合器24和25(图2)分别用50∶50的组合器41和42(例如Y耦合器)来实现。部分反射面21和22(图2)分别用反射光栅44和45来实现。在本实施例中，反射光栅44设计成对光输入信号16的波长具有约90％的反射率。在其他实施例中可以使用其他的反射率，而相移性能趋向于随反射率而提高(下面结合图6更详细地描述)。在本实施例中，相移器26(图2)用电光相移器46来实现，其包括电压源47、开关47A、第一电极48A和第二电极48B。
另外，波导49(其包括区段49A、49B、49C和49D以及臂28A和28B)用来在光切换设备10的本实施例中传播光信号。在本实施例中，波导49实现为具有LiNbO3传播介质的平面波导。在其他实施例中，可使用对应用中所用的光信号透明的不同传播介质，这些传播介质当受到变化的电磁场作用时具有变化的反射率。例如，LiNbO3的折射率随电场强度而改变。
光切换设备10的本实施例的元件如下互连。波导区段49A被连接来接收光信号16。例如，光纤可耦合到包含光切换设备10的平面集成光路来将光信号16传播到波导区段49A。反射光栅44形成在波导区段49A和49B之间以形成光学腔12的一个部分反射端。光组合器41连接到波导区段49B的另一端并连接到臂28A和28B。光组合器42连接到臂28A和28B的另一端以及波导区段49C。反射光栅45形成在波导区段49C和49D间以形成光学腔12的另一个反射端。
另外，电光相移器46的元件被如下这样可操作地耦合到臂28A。电压源47的一个输出端连接到电极48A，而另一个连接到开关47A的一个端子。开关47A的另一个端子连接到电极48B。电极48A和48B布置在臂28A附近，以使得当开关47A关闭时，臂28A在电极48A和48B间所产生的电场之中。在另一个实施例中，电光相移器46可另外包括两个电极(未示出)，它们类似地布置在臂28B附近但有相反的极性。
光切换设备10的本实施例的操作方式与上面结合图2和3所描述的基本相同。但是，更具体而言，电光相移器如下操作以在臂28A和28B中传播的分量光信号之间引入相移。
电光相移器46有选择地在任一个在臂28A中传播的光信号中引入相移。在本实施例中，当开关47A关闭时，电光相移器46在电极48A和48B间产生电场。如图4所示，臂28A置于电极48A和48B之间。该电场使得臂28A中LiNbO3的折射率变化，该折射率与(相对于传播方向)电场的强度和极性相关。因为光信号的传播速度与传播介质的折射率相关，所以臂28A中(即臂28A在电场中的部分)折射率的变化使得在臂28A中传播的分量信号相对于在臂28B中传播的分量信号发生相移。例如，在一个实施例中，为进入一个状态，光切换设备10可使开关47A关闭来产生电场，该电场改变臂28A的折射率。而折射率的变化在臂28A和28B中传播的分量信号之间产生相差。
为进入相反的状态，开关47A被打开以便不产生电场。这样，臂28A中的折射率没有变化，使得分量信号的相对相位不改变。如果臂28A和28B的长度相等，那么当分量光信号到达光组合器时就没有相差。
图5图示了根据本发明实施例所模拟的光切换设备10(图4)的归一化开关传递函数。参考图4和5，传递函数的纵轴代表传输比(即输出光信号18对输入光信号16的功率和能量比)。传递函数的横轴代表由电光相移器46所提供的单程相移。该传递函数还可应用到其他类型的相移器。于是，传递函数用来将输出光信号18的能量或功率表示为由相移器提供的单程相移的函数。因为相移器的单程相移与驱动功率相关，所以图5还将输出光信号18的能量或功率表示为驱动功率的函数。
本实施例的光切换设备10的传递函数用曲线51来表示。作为对比，图5中包括曲线52和53以示出传统MZI设备和传统FP设备的传递函数。如图5所示，曲线51在约90度处具有最大值并在约180度处具有最小值。这样，光切换设备10仅需要其相移器提供约90度的单程相移来从最大值改变到最小值(即从“开”状态到“关”状态)。相反，曲线52和53在0度处具有最大值并在180度处具有最小值。这样，传统的MZI和FP设备需要它们的相移器提供180度的相移来从“开”状态转换到“关”状态。
在一个实施例中，光切换设备10的臂28A和28B设计成不同的长度，以使得当由光组合器组合时在分量光信号之间有90度的单程相差。这样，当未向电光相移器46提供驱动功率时，有90度的单程相移，导致输出光信号18的最大传输(即“开”状态)。然后，为进入“关”状态，电光相移器46仅需要被驱动来提供90度的单程相移。这样，光切换设备10就大大降低了用于在“开”和“关”状态之间切换的驱动功率。
图6图示了根据本发明一个实施例模拟的作为光学腔12(图4)反射率的函数的光切换设备10(图4)的性能。纵轴代表在输出光信号16(图4)的最大和最小传输之间转换所需的光切换设备10(图4)的单程相移。横轴代表反射光栅44和45(图4)的反射率。参考图4，当反射率是0时，实际上就没有光学腔。这样，在这种情况下，光切换设备10等价于MZI设备。返回参考图6，该图示出和在传统的MZI设备中一样需要180度的单程相移。随着反射率增加，所需的单程相移减小。在约90％的反射率处，所需的相移约为90度。约90％的反射率在反射光栅中相对容易达到。
根据本发明的热光光切换设备基本上类似于光切换设备10(图4)，除了波导49将具有传播介质，其折射率随温度而非电磁场而改变。例如，波导49可用二氧化硅(SiO2)传播介质来实现。此外，相移器将具有加热元件而非电极48A和48B。例如，一个(多个)加热元件可以是与臂28A相接近或相接触放置的一个(多个)电阻。这种热光实现以与光切换设备10(图4)基本相同的方式来操作。考虑到本公开，不用更多的实验本领域技术人员也可以设计应力/应变-光实现。
对本发明图示实施例的上述说明，包括摘要中所描述的，并不意于是穷尽的或将本发明限制到所公开的精确的形式。虽然这里为解释的目的而描述了本发明的具体实施例和示例，但如本领域技术人员将认识到的，在本发明范围内的各种等价修改都是可能的。
考虑到上述详细说明，可以对本发明做出这些修改。所附权利要求中所用的术语不应理解成将本发明限制到说明书和权利要求中所公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求应按照已制定的解释权利要求的原则来理解。

Claims (30)

1.一种光切换设备，包括：
具有输入端口和输出端口的光学腔；和
安排在所述光学腔中的相位调制器，所述相位调制器具有分别耦合到所述光学腔的所述输入端口和所述输出端口的输入端口和输出端口，其中在所述光学腔中传播的光信号的一部分沿一个方向传播的时候，所述相位调制器在所述分量信号中引入相移，并在所述光信号沿另一个方向传播的另一部分中引入相移。
2.如权利要求1所述的光切换设备，其中所述相位调制器包括马赫-策德尔干涉仪。
3.如权利要求2所述的光切换设备，其中所述相位调制器包括电光相移器。
4.如权利要求2所述的光切换设备，其中所述相位调制器包括热光相移器。
5.如权利要求2所述的光切换设备，其中所述相位调制器包括应力-光相移器。
6.如权利要求2所述的光切换设备，其中所述马赫-策德尔干涉仪包括Y耦合器。
7.如权利要求2所述的光切换设备，其中在实现所述光学腔时使用第一反射面和第二反射面。
8.如权利要求7所述的光切换设备，其中所述第一面包括具有多个邻接层的涂层，每一层具有不同于邻接层的折射率，所述折射率在较高和较低的折射率之间交替。
9.如权利要求7所述的光切换设备，其中所述第一面包括反射光栅。
10.一种光切换设备，包括：
具有输入端口和输出端口的光学腔；和
安排在所述光学腔中的装置，用于调制在所述光学腔中传播的光信号的一部分的相位。
11.如权利要求10所述的光切换设备，其中所述用于调制的装置包括马赫-策德尔干涉仪。
12.如权利要求11所述的光切换设备，其中所述用于调制的装置包括电光相移器。
13.如权利要求11所述的光切换设备，其中所述用于调制的装置包括热光相移器。
14.如权利要求11所述的光切换设备，其中所述用于调制的装置包括应力-光相移器。
15.如权利要求11所述的光切换设备，其中所述马赫-策德尔干涉仪包括Y耦合器。
16.如权利要求11所述的光切换设备，其中在实现所述光学腔时使用了第一反射面和第二反射面。
17.如权利要求16所述的光切换设备，其中所述第一面包括具有多个邻接层的涂层，每一层具有不同于邻接层的折射率，所述折射率在较高和较低的折射率之间交替。
18.如权利要求16所述的光切换设备，其中所述第一面包括反射光栅。
19.一种平面光集成光路，包括：
具有小于1的反射系数的第一面；
具有小于1的反射系数的第二面；
耦合到所述第一面的第一光组合器；
耦合到所述第二面的第二光组合器；
第一臂，所述第一臂具有耦合到所述第一光组合器的一端以及耦合到所述第二光组合器的另一端；
第二臂，所述第二臂具有耦合到所述第一光组合器的一端以及耦合到所述第二光组合器的另一端；和
可操作地耦合到所述第一臂和第二臂的相移器。
20.如权利要求19所述的平面光集成光路，其中所述第一和第二面的每个都包括反射光栅。
21.如权利要求19所述的平面光集成光路，其中所述相移器是电光相移器、热光相移器或应力-光相移器。
22.一种方法，包括：
将光信号传播到光学腔中；
使所述光信号的一部分在一条光路中传播，并使所述光信号的另一部分在另一条光路中传播；
有选择地在所述光信号的所述多个部分之间引入相差；
组合所述光信号的所述多个部分；以及
将所组合的信号的一部分传播出所述光学腔。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述光学腔是对于所述光信号的谐振光学腔。
24.如权利要求22所述的方法，其中用反射光栅来形成所述光学腔的一部分。
25.如权利要求22所述的方法，其中用马赫-策德尔干涉仪来有选择地引入所述相差。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述马赫-策德尔干涉仪包括相移器，所述相移器从包括电光相移器、热光相移器或应力-光相移器的组中选出。
27.一种光切换设备，包括：
光学腔；
用于将光信号传播到所述光学腔中的装置；
用于使所述光信号的一部分在一条光路中传播并使所述光信号的另一部分在另一条光路中传播的装置；
用于有选择地在所述光信号的所述多个部分之间引入相差的装置；
用于组合所述光信号的所述多个部分的装置；和
用于将所述组合的信号的一部分传播出所述光学腔的装置。
28.如权利要求27所述的光切换设备，其中用反射光栅来形成所述光学腔的一部分。
29.如权利要求27所述的光切换设备，其中用于有选择地引入相差的所述装置包括马赫-策德尔干涉仪。
30.如权利要求29所述的光切换设备，其中所述马赫-策德尔干涉仪包括相移器，所述相移器从包括电光相移器、热光相移器或应力-光相移器的组中选出。
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