CN1648701A - 具有波长选择性的2×2波导光开关 - Google Patents
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Abstract
一种具有波长选择性的2×2波导光开关，其构成包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口，在第一输入端口、第二输入端口和第一输出端口、第二输出端口之间有一马赫－曾德干涉仪，在第一输入端口、第二输入端口和马赫－曾德干涉仪的第一臂、第二臂的节点处是第一波导光耦合器，在第一输出端口、第二输出端口和马赫－曾德干涉仪的第一臂、第二臂的节点处是第二波导光耦合器，在马赫－曾德干涉仪的第一臂通过第三波导耦合器耦合第一波导微型环形腔，该第一波导微型环形腔中包含第一相位调节器，在马赫－曾德干涉仪的第二臂通过第四波导耦合器耦合第二波导微型环形腔，该第二波导微型环形腔中包含第二相位调节器。
Description
技术领域
本发明涉及光开关，特别是一种具有波长选择性的2×2波导光开关。本发明的光开关主要用于波分复用光通信中波长路由、上载下载信道、光交叉互联单元、信道保护、网络自愈等技术领域。
背景技术
由于对光通信容量需求的不断增加，人们正在密集波分复用技术的基础上，研究和发展全光网技术和智能光网技术。在该系统中，要求对一系列波长信道的信息分别进行各种处理，以满足各个用户的信息需求。高性能的具有波长选择性的光开关是其中的关键器件之一，用以有效地将所需波长提取出来，同时可以将用户的信息上载到光通信网络系统中去。
目前已有的波长选择性开关，主要的实现方案有两大类：基于光纤光栅滤波器的各种光开关和基于平面波导的各种光开关。
1、基于光纤光栅的波长选择光开关
光纤Bragg光栅(FBG)具有良好的波长选择性、低的插入损耗、偏振不敏感和可构成全光纤器件等特点。基于FBG的波长选择性开关的主要结构有：
(1)在平衡MZ的两个臂上分别写入Bragg光栅，利用两个光栅的反射光干涉实现波长的选择开关[T.Mizuochi et.al.，Interferometriccrosstalk-free optical add/drop multiplexer using Mach-Zehnder-based fibergratings，Journal of Lightwave Technology，1998，16(2)：265～276]。这种结构是利用两个相同的光纤光栅的反射光相干，因此要求两光纤光栅的Bragg波长必须严格相同，MZ的臂长完全相同，这就对制备工艺提出了很高的要求。
(2)在光纤耦合器上写入光栅，利用耦合器双波导的同光栅的相位匹配实现波长选择性 [L.Dong et.al.，Novel Add/Drop Filters forWaveglength-Division-Multiplexing Optical Fiber Systems Using a BraggGrating Assisted Mismatched Coupler.IEEE Photonics Technology Letters，1996，8(12)：1656～1658]。这种结构同样要求工艺上对耦合器的结构以及光栅的写入严格控制。器件的实用性、稳定性还有待解决。
(3)基于光纤环形镜和光纤光栅的波长选择光开关[赵浩等，基于光纤光栅和光纤环形镜的波长选择开关，光学学报，2000，20(10)：1425～1428]，这种光开关需要配合环行器才能实现1×2和2×2开关的功能，增加了开关的成本。
2、基于平面光波导的波长选择性光开关
波导光开关具有易于批量生产和集成的优点，成为人们关注的热点。平面波导光开关主要有以下技术方案：
(1)基于非平衡马赫—曾德干涉效应的波导选择性光开关，如[Q.Lai et.al.，Tunable wavelength-selection switch and multiplexer/demultiplexer based on asymmertric silica-on-silicon Mach-Zehnderinterferometer.Electronics Letters，1998，34(3)：266～267]。由于其光谱响应为正弦形式，波长的选择性较差。
(2)利用微型环形谐振腔的波长选择性光开关。微环形谐振腔具有良好的波长选择性，因此是波长选择光开关的最佳选择之一。见[C.A.Barrios，High-performance all-optical silicon microswitch.ElectronicsLetters，2004，40(14)]。该器件实现开关的基本机理是利用其谐振波长的移动，在要求信道波分确定的DWDM波分复用系统中，应用就受到了限制。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上波长选择性光开关的不足，提供一种具有波长选择性的2×2波导光开关，它应具有降低开关的功耗和高度集成性，提高开关的速率和信道间的隔离度，中心波长可调，应用灵活，体积小的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种具有波长选择性的2×2波导光开关，包括第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口，其特点是在第一输入端口、第二输入端口和第一输出端口、第二输出端口之间有一马赫—曾德干涉仪，该马赫—曾德干涉仪由第一臂和第二臂构成；在第一输入端口、第二输入端口和马赫—曾德干涉仪的第一臂、第二臂的节点处是第一波导光耦合器，其分束比为1∶1；在第一输出端口、第二输出端口和马赫—曾德干涉仪的第一臂、第二臂的节点处是第二波导光耦合器，其分束比为1∶1；在马赫—曾德干涉仪的第一臂通过第三波导耦合器耦合第一波导微型环形腔，该第一波导微型环形腔中包含第一相位调节器，在马赫—曾德干涉仪的第二臂通过第四波导耦合器耦合第二波导微型环形腔，该第二波导微型环形腔中包含第二相位调节器；第三波导耦合器和第四波导耦合器的分束比为t2∶(1-t2)，所述的第一波导微型环形腔和第二波导微型环形腔的长度分别为l1和l2。
所述的第一相位调节器和第二相位调节器为平面光波导结构，它是在光波导的硅片衬底上依次制作二氧化硅波导下包层、条形波导、上包层和金属薄膜，该金属薄膜并与一可调电流的电源相连构成的。
所述的第一波导微型环形腔和第二波导微型环形腔的长度l1＝l2。
在所述的硅片衬底的下表面贴设有半导体致冷器，该半导体致冷器与一半导体致冷器的电源相连，在硅片衬底设测温的热电耦或热敏电阻并与所述的半导体致冷器的电源相连。
本发明的优点和特点是：
1、本发明不同于普通的非平衡马赫—曾德干涉仪型波长选择性光开关。在马赫—曾德干涉仪型光开关中，实现开关切换的条件是两个干涉臂的相位差获得π的变化。本发明的光开关在改变远小于π的相移情况下就可以实现光开关。这对降低开关的功耗，提高开关的速率，有很大的好处。
2、本发明是利用环形谐振腔结构来实现波长的选择性的，其物理原理是利用多光束的干涉，具有波长选择性的优点。而且可以利用在两个环形谐振腔上同时实施调相，实现中心波长的调谐，增加了其在波分复用光通信系统中应用的灵活性。
3、本发明利用了两个相同的微环形谐振腔，通过结构参数的优化设计，可以实现二阶的光谱滤波响应，这样就使其滤波响应带内具有一定的平顶，而且可以提高信道间的隔离度。
4、利用目前已有的先进的微加工工艺可以实现微米量级半径的环形谐振腔，因此这种波长选择性的开关具有高度集成性特点，而且易于同具有其它功能的波导器件集成等优点。同光纤光栅相比较，具有体积小的特点。而且不需要任何附加的器件。
图示说明
图1是本发明具有波长选择性的2×2波导光开关结构原理框图；
图2是本发明微环形腔位相光谱曲线；
图3是光信号开和关状态的光谱曲线；
图4本发明实施例的平面光波导结构剖面图；
图5本发明实施例的平面结构图；
图6本发明实施例的外加致冷器方案。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明具有波长选择性的2×2波导光开关结构原理框图。由图可见，本发明具有波长选择性的2×2波导光开关的构成：包括第一输入端口1、第二输入端口2、第一输出端口3和第二输出端口4，在第一输入端口1、第二输入端口2和第一输出端口3、第二输出端口4之间有一马赫—曾德干涉仪，该马赫—曾德干涉仪由臂长相等的第一臂6a和第二臂6b构成；在第一输入端口1、第二输入端口2和马赫—曾德干涉仪的第一臂6a、第二臂6b的节点处是第一波导光耦合器5a，其分束比为1∶1；在第一输出端口3、第二输出端口4和马赫—曾德干涉仪的第一臂6a、第二臂6b的节点处是第二波导光耦合器5b，其分束比为1∶1；在马赫—曾德干涉仪的第一臂6a的中点通过第三波导耦合器8a耦合第一波导微型环形腔7a，该第一波导微型环形腔7a中包含第一相位调节器9a，在马赫—曾德干涉仪的第二臂6b的中点通过第四波导耦合器8b耦合第二波导微型环形腔7b，该第二波导微型环形腔7b中包含第二相位调节器9b；第三波导耦合器8a和第四波导耦合器8b的分束比为t2∶(1-t2)，所述的第一波导微型环形腔7a和第二波导微型环形腔7b的长度分别为l1和l2。
本发明开关的工作原理如下：
由第一波导光耦合器5a和第二波导光耦合器5b互相连接构成的马赫—曾德干涉仪，当马赫—曾德干涉仪的二臂6a、6b长度相等时，具有平衡马赫—曾德干涉仪的特性，即，当光信号从第一输入端口1输入时，将全部从第二输出端口4输出；而当信号从第二输入端口2输入时，将全部从第一输出端口3输出。当马赫—曾德干涉仪两臂的光程相位差被调节达到π(180°)时，输出信号将在第一输出端口3和第二输出端口4之间切换。即，从第一输入端口1输入的光波从第一输出端口3输出；而从第二输入端口2输入的光波从第二输出端口4输出。第一波导微型环形腔7a和第二波导微型环形腔7b插入马赫—曾德干涉仪二臂时，增加了二臂的光学相移。该相移同工作波长λ、第一波导微型环形腔7a和第二波导微型环形腔7b的长度l1和l2、第三波导耦合器8a和第四波导耦合器8b的分束比t2/(1-t2)有关，可以表示为：
式中：a和b是t2的函数，表示为
a＝(1-t2)/(1+t2)，
b＝2t/(1+t2)，
n为波导的有效折射率。
当第一波导微型环形腔7a和第二波导微型环形腔7b的长度和有效折射率相等时，马赫—曾德干涉仪两臂的光程仍保持为相等，光路走向也不变。当插入在微环形腔中的第一相位调节器9a和第二相位调节器9b的相移不同时，输出光信号就会在第一输出端口3和第二输出端口4之间切换，实现2×2光开关的功能。由于光波在微环形腔中会发生多次的循环传输，相位调节器的相移对马赫—曾德干涉仪的传输臂引入的相移1.2将会放大。因此当第一相位调节器9a和第二相位调节器9b之间有一小的相移变化，就可以实现光路的切换。
图2显示了二环形腔相位变化和它们之差的光谱曲线。图中虚线和点划线为二环形腔的相移谱。在未做调相操作时，两曲线重合，它们之差为零。当对相位调节器分别操作时，两相位曲线发生相对位移。它们之差如图中实线所示。通过相位调节器的操作就可以改变和控制相位差，实现如图所示的一个π的相位差。图3为输出光信号的光谱，显示出器件开(实线)和关(虚线)状态的差别。
本发明的第一相位调节器9a和第二相位调节器9b可以利用热光效应来实现。具体实施方案如下：图4为平面光波导结构剖面图。图中10为光波导的硅片衬底。采用热氧化方法在硅片上制备二氧化硅波导下包层11；根据结构设计尺寸在下包层11上制作条形波导12；然后在该条形波导12上制作上包层13。在条形波导12上制作金属薄膜14。对该金属薄膜14施加电流时，由于电流的热效应将使波导的温度上升。由于材料折射率的温度效应和材料的热膨胀，将引起波导的有效折射率和几何尺寸变化，从而产生相位调节的作用。
本发明的器件的波导材料可以利用各种玻璃材料、有机聚合物、晶体、半导体等。制备方法可以利用溶胶凝胶法、火焰水解法、等离子体增强化学气相沉积法、溅射、离子交换等工艺实现。
图5为本发明实施例的平面结构示意图。图中1a、2a、3a、4a分别是与光波导器件的端口1、2、3、4相耦合的光纤。10为作为光波导衬底的硅片。14a和14b为制作在第一微环形腔7a和第二微环形腔7b的条形波导上的加热用的金属薄膜。15a和15b是对金属薄膜施加可控电流的电源。根据实验和计算，对金属薄膜加热器施加数毫安的电流，就可以获得180度的相位变化，实现开关的切换。
在采用热光效应实现相位调节的情况下，根据热传导的一般特性，温度上升比较快，下降比较缓慢。为了提高开关的相应速度，可以采用致冷方法，加快散热速度。图6为采用半导体致冷器的器件封装方案示意图。图中16为一个半导体致冷器。17为半导体致冷器的电源。18为测温、控温用的热电耦或热敏电阻。对器件采用致冷恒温措施，也有利于器件的波长选择和消光比等性能的稳定工作。
本发明中的相位调节器，除了上述热光效应，也可以利用材料的电光效应来实现；还可以利用半导体的载流子注入等方式来实现。
经分析和实验表明，本发明的优点是：
1、本发明不同于普通的非平衡马赫—曾德干涉仪型波长选择性光开关。在马赫—曾德干涉仪型光开关中，实现开关切换的条件是两个干涉臂的相位差获得π的变化。本发明的光开关在改变远小于π的相移情况下就可以实现光开关。这对降低开关的功耗，提高开关的速率，有很大的好处。
2、本发明是利用环形谐振腔结构来实现波长的选择性的，其物理原理是利用多光束的干涉，具有波长选择性的优点。而且可以利用在两个环形谐振腔上同时实施调相，实现中心波长的调谐，增加了其在波分复用光通信系统中应用的灵活性。
3、本发明利用了两个相同的微环形谐振腔，通过结构参数的优化设计，可以实现二阶的光谱滤波响应，这样就使其滤波响应带内具有一定的平顶，而且可以提高信道间的隔离度。
4、利用目前已有的先进的微加工工艺可以实现微米量级半径的环形谐振腔，因此这种波长选择性的开关具有高度集成性特点，而且易于同具有其它功能的波导器件集成等优点。同光纤光栅相比较，具有体积小的特点。而且不需要任何附加的器件。
Claims (4)
1、一种具有波长选择性的2×2波导光开关，包括第一输入端口(1)、第二输入端口(2)、第一输出端口(3)和第二输出端口(4)，其特征是在第一输入端口(1)、第二输入端口(2)和第一输出端口(3)、第二输出端口(4)之间有一马赫—曾德干涉仪，该马赫—曾德干涉仪由臂长相等的第一臂(6a)和第二臂(6b)构成；在第一输入端口(1)、第二输入端口(2)和马赫—曾德干涉仪的第一臂(6a)、第二臂(6b)的节点处是第一波导光耦合器(5a)，其分束比为1∶1；在第一输出端口(3)、第二输出端口(4)和马赫—曾德干涉仪的第一臂(6a)、第二臂(6b)的节点处是第二波导光耦合器(5b)，其分束比为1∶1；在马赫—曾德干涉仪的第一臂(6a)通过第三波导耦合器(8a)耦合第一波导微型环形腔(7a)，该第一波导微型环形腔(7a)中包含第一相位调节器(9a)，在马赫—曾德干涉仪的第二臂(6b)通过第四波导耦合器(8b)耦合第二波导微型环形腔(7b)，该第二波导微型环形腔(7b)中包含第二相位调节器(9b)；第三波导耦合器(8a)和第四波导耦合器(8b)的分束比为t2∶(1-t2)，所述的第一波导微型环形腔(7a)和第二波导微型环形腔(7b)的长度分别为l1和l2。
2、根据权利要求1所述的具有波长选择性的2×2波导光开关，其特征在于所述的第一相位调节器(9a)和第二相位调节器(9b)为平面光波导结构，它是在光波导的硅片衬底(10)上依次制作二氧化硅波导下包层(11)、条形波导(12)、上包层(13)和金属薄膜(14)，该金属薄膜(14)与一可调电流的电源(15a)或可调电流的电源(15b)相连构成的。
3、根据权利要求1所述的具有波长选择性的2×2波导光开关，其特征是所述的第一波导微型环形腔(7a)和第二波导微型环形腔(7b)的长度l1＝l2。
4、根据权利要求2或3所述的具有波长选择性的2×2波导光开关，其特征是在所述的硅片衬底(10)的下表面设有半导体致冷器(16)，该半导体致冷器(16)与一半导体致冷器的电源(17)相连，在硅片衬底(10)设测温的热电耦或热敏电阻(18)并与半导体致冷器的电源(17)相连。
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