CN1651950A - 平面光波电路中的高容限宽带光开关 - Google Patents

Abstract

一种基于具有一对非对称波导的绝热耦合器的宽带光开关，该非对称波导具有曲率可变部，该宽带光开关包括：基于Mach－Zehnder干涉仪的2×2结构的两个这种绝热耦合器；以及1×2或者2×1结构的绝热耦合器和Y分支器。每一个绝热耦合器包括：不同但恒定宽度的两个波导分支，具有变化半径的弯曲部，通过改变这两个波导分支之间的间距使这两个波导分支在耦合长度内相分离，并且在非对称交叉区域中混合；以及两个对称波导分支。在2×2开关中，两个绝热耦合器沿主传播轴以镜像的方式通过其相应的对称分支相互面对，并通过两个相同的臂相连。通过在硅基板上的二氧化硅MZI开关中使用可变曲率的绝热耦合器，为开关提供了特别的带宽范围(1.2－1.7μm)、非常高的消光比(＞35dB)、低的制造敏感性以及与偏振无关的操作。这些开关明显地小于已知的宽带开关，具有明显更小的额外损耗、更快的切换时间以及低的功耗。

Description

平面光波电路中的高容限宽带光开关

本申请是于2002年2月18日提交的美国专利申请No.10/098,391的部分延续申请，该申请要求于2001年12月20日提交的美国临时申请No.60/341,240的优选权。

背景技术

现代电信的迅速发展使得对于在多个用户之间传递(rout)信息的快速、有效方式的需求日益增加。随着光纤替代老式铜线，对低成本的定向(direct)光开关的需求日益增长。这种光开关元件应该在支持用于各种应用(例如光插分复用(OADM)、光交叉连接(OXC)、保护、恢复等)的密集波分复用(DWDM)的现代通信网络系统中进行操作。

为了实现更高的容量，需要更多的通信信道。因此，光学元件的更宽带宽是必须的。必须低成本、高可靠性地大量制造这种宽带元件。没有移动元件的可靠固态器件适于批量生产，如在微电子行业所看到的。平面光波电路(PLC)技术是最有前景的固态技术之一，Mach Zehnder干涉仪(MZI)是以这种技术建立的最成功、最有用的结构之一。

在一个多世纪以前就已发明了MZI。其广泛应用于全光学开关、滤波器、衰减器等的设计中。然而，由于标准MZI的耦合器具有较高的波长依赖性，并且还由于在某些结构中，其两个支路之间存在长度差，而导致标准MZI不是宽带的。

在过去，对制造宽带MZI光开关进行了很少的尝试。一种用于基于热光(thermo-optical)硅的开关的方法提出了用波长不敏感耦合器(WINC)来替代定向耦合器，其中各个WINC本身实际上是一个完整的MZI(Kitoh T.et al.“Novel broad-band optical switch usingsilica-based planar circuit”，IEEE Photon.Technol.Lett.4，pp.735-737，1992)。该器件非常长并使用三个电子驱动器和三个有源电极，因此具有复杂的控制并耗费较高的电力。此外，该器件的消光比(ER)性能不足—在1.25-1.65μm的谱范围内为17dB。

在美国专利No.5418868中，Cohen等人在他们提出的MZI开关中采用了宽带绝热耦合器(由Henry C.H.等，在“Analysis of modepropagation in optical waveguide devices by Fourier expansion”，IEEE J.Quantum Electron.27 pp.523-530，1991中第一次描述)。耦合器的核心是宽度逐渐变化的两个紧邻的波导，将这两个波导布置为使得二者之间的间隔恒定。这些耦合器和MZI开关具有以下几个缺点：为了进行绝热，它们必须非常长，并且在耦合器的波导之间的小(几微米)间隙的耦合效应对制造(例如对过蚀刻、材料应力等)非常敏感，从而导致较低的消光比，或者导致较窄的工作波长窗口。在通常的制造条件下，1.25-1.6μm的谱范围内的ER仅为15dB，这对于大多数的当前应用也是不足的。

在美国专利No.4775207中，Silberberg介绍了一种通过电光效应实现的2×2数字光开关(DOS)，并且由诸如具有大电光系数的铌酸锂(LiNbO₃)的材料来制造。所提出的DOS对于切换电压具有光阶状(optical step-like)响应。该DOS基于非对称的波导结构造(由宽度不相等的两个输入波导、宽中心区域和对称输出支路构成)。与MZI相反，DOS在电场的控制下仅具有两种功能性状态。这使得能够将输入光信号路由给这两个端口中的任何一个(即，“数字”响应而不是MZI开关的有用模拟响应)。

Hwang等人在论文“Polymeric 2×2 electrooptic switch consistingof asymmetric Y-junctions and Mach-Zehnder interferometer”，Photonics Letters，vol.9，No.6，June 1997中描述了一种由一对耦合器构成的2×2开关，每一个耦合器都具有两个不同的但是宽度恒定的直分支(branch)，通过改变这两个分支之间的间隔使它们在耦合长度上相分离。这些分支在对称的交叉区域中混合。因为这些分支是直的，所以开关必须较大。Hwang等人没有提及消光比，并且未揭示该响应在大范围内与波长无关。

因此，广泛地意识到需要一种不受以前开关的缺点(如以上所列)困扰的高容限宽带MZI，这具有很大优势，特别地，该开关具有与波长无关的响应和较高的ER。

发明内容

我们开发了光学MZI开关的各种实施例，该光学MZI开关可以使用标准PLC技术来制造，并且与其它公知的光开关相比，其具有较宽的工作波段和较好的处理(process)容限。此外，本发明的光开关与其它宽带光开关相比，具有更小的尺寸，而不会使其它特性(ER、损耗、依赖于偏振的损耗(PDL)、功耗等)受到任何损害。

传统的MZI开关使用定向耦合器。然而，这种耦合器具有依赖于波长的响应。为了实现宽带开关操作，我们已开发出在宽的波长范围内具有基本平坦特性的改进绝热耦合器。其主要组件为宽度不同的两个弯曲的波导(其特征为连续变化的半径)，这两个波导交叉，形成一小角度，并且混合为对称结构，以使得当光信号向交叉点处传播时出现光模式的平滑(绝热)转换。宽/窄波导的模式分别转换为对称/非对称模式。一种选择是，宽的中间波导紧临交叉点之后设置，在这种情况下，两个对称输出分支(例如，S弯曲部分(bend))将两个模式分离为两个输出信号，根据模式的对称性，这两个信号同相或者具有相位差π。

本发明对具有不同宽度的两个输入波导分支进行了独特的应用，每一个输入波导分支都具有明显的弯曲部，在该明显弯曲部中曲率是变化的(优选地，连续地变化)。即，各个这种分支都具有“可变曲率”部分，优选地该“可变曲率”部分由具有不同局部半径的连续子部分构成。该局部半径可以从非常小的半径(接近于0)变化为非常大的半径(接近于无穷大)。这两个分支的小半径子部分使得我们能够迅速地将输入波导(这些输入波导在其输入接口处或者“近端”处足够远，以在光学上不耦合)彼此靠近，由此显著地减小了设备的尺寸。这些弯曲部的半径随着分支之间的间隙的减小而平稳地增大，直到弯曲部转为分支交叉点附近的直波导部分为止。这种几何形状保持了绝热特性。

这种耦合器设计具有高的容限，以处理相关扰动(例如过蚀、介质的折射系数相对于期望值的偏差等)。此外，即使我们的经改善的3dB耦合器远远短于现有技术的耦合器，其性能也优于现有技术设计的绝热耦合器(更宽的带宽、更好的3dB特性以及更高的容限)。特别地，通过使用具有连续可变曲率的两个输入弯曲波导，可以显著减小设备尺寸，同时保持绝热特性。此外，通过在耦合器的输出处使用S弯曲部分，而不是线性绝热分支器(splitter)，使设备进一步缩短，同时保持其性能质量。

在一优选实施例中，优选地，将本发明的耦合器集成为2×2 MZI开关，与其它宽带光开关相比，该2×2 MZI开关表现出更好的性能(更宽的带宽，更高的消光比以及更高的容限)。在另一优选实施例中，通过使用Y分支器代替多个绝热耦合器之一来获得1×2(或者，如果反过来，则为2×1)光开关。该Y分支器具有非常宽的带宽，该带宽最少涵盖绝热耦合器的带宽。当在1×2(或2×1)MZI开关内使用该Y分支器时，该Y分支器还相对于2×2开关为两个输出(或者输入)提供更加对称的消光比特性。

可以将本发明的光开关用于在光学网络中对光进行引导。还可以将其集成到包括几个开关和其它光学组件的平面波导的大型电路中。

根据本发明，提供了一种具有主传播轴的2×2光开关，其包括：第一3dB绝热耦合器，具有第一对恒定宽度、非对称的波导分支，各个分支在近端和远端之间延伸，各个分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变分支之间的间距使这些分支在耦合长度内相分离，并且在远端处的对称交叉区域中混合，并且两个对称分支在远端处与该交叉区域相连；第二3dB绝热耦合器，具有第一对恒定宽度、非对称的波导分支，各个分支在近端和远端之间延伸，各个分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变分支之间的间距使这些分支在耦合长度内相分离，并且在远端处的对称交叉区域中混合，并且两个对称分支在远端处与该交叉区域相连，其中第一和第二绝热耦合器沿主光传播轴以镜像的方式相互面对；两个相同的臂(arm)，将第一对和第二对对称分支沿主传播轴光学地相互连接；以及至少一个有源元件，与这些相同的臂中的至少一个耦接，用于动态地改变至少一个臂的光学性能，由此，该开关在平面光波电路中的实施提供了明显小于现有技术开关的一种开关，并且实际上与偏振无关，而且在特别宽的宽带范围内具有低的损耗和非常高的消光比。

根据本发明，提供了一种具有主传播轴的2×1光学开关，其包括：Y分支器，其包括输入波导和一对对称分支器分支；3dB绝热耦合器，具有第一对恒定宽度、非对称的波导分支，各个分支在近端和远端之间延伸，各个分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变分支之间的间距使这些分支在耦合长度内相分离，并且在远端处的对称交叉区域中混合，并且两个对称耦合器分支在远端处与该交叉区域相连，该Y分支器和绝热耦合器以镜像的方式通过其相应的对称分支沿着主光学传播轴方向相互面对；两个相同的臂，将该对对称分支器和耦合器分支沿传播轴方向彼此光学地相连；以及至少一个有源元件，与这些相同的臂中的至少一个耦接，用于动态地改变该臂的光学特性，由此，该开关在平面光波电路中的实施提供了明显小于现有技术开关的一种开关，并且实际上与偏振无关，而且在特别宽的带宽范围内具有低的损耗和非常高的消光比。

根据本发明，提供了一种3dB宽带绝热耦合器，其包括：一对宽度恒定、非对称的波导分支，各个分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变分支之间的间距使这些分支在耦合长度内相分离，并且在远分支端的对称交叉区域中混合；以及两个对称分支，在远端处与该交叉区域相连。

一般地，假设连续弯曲部分之间的曲率差小得足以保持绝热特性，则可以使用离散的大量不同的圆形弯曲部分(具有单调递增或者递减的半径值)来代替半径连续变化(可变曲率)的弯曲部分。在两个连续弯曲部分之间的界面处的曲率的倒数不必等于零。弯曲波导的一个特例由宽度不同并且其间具有小角度的两个直的非平行波导(R→无穷大)来表示。

附图说明

在此参照附图仅通过示例的方式对本发明进行说明，附图中：

图1是如在此所述的用于构造光开关的经改进的绝热耦合器的示意图。

图2是包括两个绝热耦合器、两个臂以及有源组件的宽带MZI 2×2光开关的实施例的示意图。

图3是包括绝热Y分支器、绝热耦合器、两个臂以及有源组件的宽带MZI 1×2光开关的实施例的示意图。

图4表示作为波长的函数的2×2宽带MZI开关的理论和实验消光比的结果。

具体实施方式

本发明是一种宽带光开关，该宽带光开关基于MZI结构内的宽带绝热3dB耦合器，其优选地采用标准PLC技术制造，并且与其它已知的光开关相比，该宽带光开关具有更宽的工作波段和更好的处理容限。可以使本发明的光开关比其它宽带光开关更短，而不损害其它特性(消光比、损耗、PDL、攻耗等)。

除非特别指明，本发明的所有波导都支持用于所有相关波长的单光学模式。然而，假设在操作过程中仅激发了基模(fundamental mode)，则有时可以使用支持第二光学模式的波导。这通常规定了开关的几微米的典型波导宽度，这种开关被设计用来以商业光通信网络的标准红外波段进行操作。

参照附图和相关说明可以更好地理解根据本发明的宽带光开关的原理和操作。

现参照附图，图1表示用于制造本发明的光开关的绝热耦合器10的示例性实施例。为了清晰起见，改变了图1的元件的比例，而不必表示实际的比例。耦合器10具有1-3毫米的典型尺寸(长度)。图1示出了具有两个输入波导(端口)P₁和P₂的耦合器10，这两个波导将该耦合器(以及与其结合在一起的开关)与光学芯片上的其它集成组件相连，或者与其它光输入相连。为了使这两个输入波导P₁和P₂的靠得足够近，使用了两个弯曲部分16和18。弯曲部分16和18减小了波导P₁和P₂之间的距离，同时将该组件的尺寸保持得尽可能短。另一方面，波导P₁和P₂之间在弯曲部分的端部处(分别靠近两个绝热锥体(taper)20和22)的距离仍然应该足够大，以抑制在这两个波导之间耦合的渐消模式(evanescent mode)。绝热锥体20和22分别在端部24和26处终止，并且用于改变一个或者两个波导的宽度。由此，在端部24和26处，两个波导具有不同的宽度。锥体20和22分别引出两个非对称(宽度方面)的波导或者分支28和30，每一个分支都具有曲率可变的弯曲部(优选地，多个平稳并单调变化的半径)。在图1中，耦合器分支28较窄而耦合器分支30较宽。在其它实施例中，分支28可以是较宽的分支，而分支30可以是较窄的分支，从这方面讲，这种选择是任意的设计选择。分支28和30各自从分别由端部24、26限定的近端处开始，并且在接近于交叉区域36的起始处的公共远端34处终止。交叉区域36可以是无限薄(沿光传播的方向)，或者如下所述，可以包括中间波导(mediatingwaveguide)。通过多个离散符号R₁、R₂、R₃、…R_n来表示分支30中的弯曲部的变化半径，其中n可以是有限数，但是优选地是无限数(即，半径从0至无穷大连续变化)。相似的半径(未示出)限定了分支28的弯曲部。实际上，由于制造的限制，沿各分支的不同半径的数量(或者弯曲子部)是有限的。可以通过一系列具有单调变化的半径值的离散圆形弯曲部分来近似或者替代分支28和30的连续变化的曲率部分。在两个连续的弯曲部分之间的界面处的曲率的导数不必等于0。在特定示例中，R→∞，耦合器分支的几何形状由具有不同宽度和其间具有小角度的两个直的非平行波导(R→∞)来限定。

由锥体20和22导致的宽度变化可以相等或者不相等(以及具有相同或相反的符号)；重要特征在于分别在端部24和26处开始的耦合器分支28和30具有不同的(并且对于各个分支本身是恒定的)宽度。例如，在图1中，相对于输入波导P₁和P₂，使用这些锥体使分支28变窄(以下称为“窄分支28”)以及使分支30变宽(以下称为“宽分支30”)了相同的量。在近端处需要小的半径(例如R₁)，以迅速减小到两个分支之间的距离并且使耦合器的长度最小。这不会损害绝热性能，因为两个分支之间的初始距离(在近端处)足够大，使得它们之间的光耦合非常小。由于分支28和30之间的间隙减小而它们之间的耦合增大，所以需要较大的弯曲半径(例如R_n)，以保持这些模式的绝热转换。优选地，与现有技术相反，使用合适的变化半径弯曲部分提供了非常小的耦合器尺寸，同时保持了绝热要求。当分支28和30接近远端34时，它们变为以角度α相交的直的非平行波导，该角度α足够小，以使耦合器维持足够的绝热。通常，α小于0.15°。

可以将锥体24和26设置在输入端口与分支28和30之间的两个波导的任意部分中。例如，可以将锥体设置在弯曲部分16、18之前(正好在输入端口之后)、这些弯曲部分之后(如图1所示)、或者沿这些弯曲部分的任何位置处。将窄分支28和宽分支30设置为使得这两个分支之间的间距小于从端部24和26开始到它们在远端34交叉并混合为对称结构为止的距离。与现有技术的耦合器相反，分支28和30的内(邻近的)边缘在光耦合交叉的长度内(即从端部24和26到区域36)是不平行的。通过使用优选地具有连续变化半径的可变曲率波导部分来改变非等宽分支之间的间距以分离非等宽分支的组合，构成了本发明的耦合器(和开关)的一个重要的新颖特征。该特征及其在尺寸和绝热耦合性能方面的优点在现有技术中是不能同时存在的。在任何现有技术的耦合器或开关(包括Hwang等人和Cohen的868)中没有发现该特征，并且该特征对显著的性能提高起到很大作用，如下文所示。

为了改善开关的制造钝性(insensitivity)，可以采用多种方法来改进交叉区域36。例如，可以将交叉分支28和30向侧向移动(彼此分离，以使得它们不在单个点处相交)很小的量，以在与交叉区域36或者与可选的中间波导36的界面处的波导之间形成小的交叉钝部(blunt)34。优选地，中间波导36是设置在分支28和30的交叉处之后的宽(分支28和30的组合宽度的量级)且相对较短(相对于耦合器)的对称波导。中间波导36应该支持至少两种光模—对称和非对称。通过引入钝部34，避免了通常的制造工艺不能适当制造的锐交叉角。该钝部必须足够小，以避免明显的过渡损失。

可以将可选的弯曲元件分别插入在锥体20、22与分支28和30之间，以及这些分支和中间波导36之间，以实现将光学传播路径绝热调节为与分支18和30的角度方向稍微不同。在没有该可选中间波导的情况下，可以将分支28和30在远端34处直接地连接到耦合器的对称侧43的两个完全对称的分支40和42。然而，中间波导36提高了容限，并且可以减小光学过渡损失。对称分支40和42将中间波导36分别连接到两个耦合器输出端口Q₁和Q₂。对称分支40和42的长度和半径可以与输入弯曲部分16和18的长度和半径相等或者不同。与输入弯曲部分16和18类似，对称侧43可以包括多个弯曲部分。由于具有钝部34，所以可以在与中间波导36的界面46处在两个对称分支40和42之间引入小的钝部44，以提高制造容限。还可以为特定的实现对位于界面46处的对称分支40和42之间的角度β进行优化。β与α通常具有相同的量级。

可以为特定的实施例和工艺参数对中间波导36的几何结构进行进一步的优化，只要这些元件相对于传播轴保持其对称性，从而在对称和非对称模式之间不出现过渡即可。例如，几何结构优化可以包括改变其长度或者宽度、连续地改变宽度(即形成锥体)、将中间波导36的一部分分割成两个平行的波导等。尽管存在上述限制，但是有时可以使用相对于对称性的小偏差(例如中间波导36的侧向偏移、倾斜等)，以对耦合器分支28、30相对于中间波导36以及中间波导36相对于分支40、42的光学过渡的任何不对称性进行补偿。实现该相同目的的另一方法是在中间波导36上设置有源元件，该有源元件能够改变中间波导36的折射率。

在操作时，通过与宽分支30相连的端口P2到达绝热耦合器10的任何信号应该从该耦合器输出，并被转换为对称输出模式。因此，对称分支40和42保持以相同相位传播，同时分别携带50％的来自P2的总输入功率的信号。通过窄分支28(即通过端口P1输入)到达绝热耦合器的任何信号应该从绝热耦合器10输出，并被转换为非对称输出模式。因此，对称分支40和42保持以相对相位差π传播，同时分别携带有50％的来自P1端口的总输入功率的相干信号。该特性实际上在宽带宽上对波长不敏感并且与偏振无关。

耦合器的光学特性是完全可逆的，即，通过端口Q1和Q2的相同的相干(并且同相)输入(对称输入)会产生通过宽分支(端口P2)的输出。通过Q1和Q2的具有相位差π的输入信号(非对称输入)会产生通过窄分支(端口P1)的输出。

如果分支40和42不是对称的，则可以对耦合器进行改进，以获得两个输出之间的不同的功率分配(例如在这些输出端口之一中为60％的输入功率而不是50％)。如果两个分支的宽度不相等，或者如果两个分支在与中间波导36的接口处与传播轴形成了不同的角度，或者存在以上两种情况，则可以实现这种改进。

图2表示完整的2×2 MZI开关48的示例性实施例。如图1所示，这是一示意性的进行了比例变化的示图，实际的比例可能很不相同。该开关由上述类型的两个绝热耦合器构成：具有两个输入端口P1和P2的输入耦合器10；以及具有两个输出端口P3和P4的相反的输出耦合器50，其为输入耦合器10相对于与光传播轴垂直的平面的镜像。优选地，耦合器10和50是相同的。然而，通常这两个耦合器也可以不同。MZI臂是两个分离良好的波导52和54，这两个波导连接两个耦合器的向内的分支。臂52和54必须具有相同的横截面以及相等的长度，以使得在开关的无源状态下，在这些臂中不会产生这些模式之间的过量相位差。在最简单的实施例中，臂52和54仅是直的平行波导。

控制开关的有源元件60位于一个MZI臂或两个MZI臂的附近(通常由于散热问题而位于MZI臂上方或者MZI臂两侧)。图2表示臂52上的这种元件。元件60通过改变臂中的折射率，以公知的方式来改变通过该臂传播的光的光程。优选地，沿两个臂制造相同的有源元件结构(例如金属电极)，以保持对称性，即使这些有源元件之一实际上从来都不使用(始终是无源的)。此外，制造工艺导致的臂的不对称性或者相对于期望值的耦合器相关相位差偏移都可能导致最小/最大传输点相对于无源(0电压)操作状态的偏移。这种偏移可以通过对处于OFF状态的这些臂之一的折射率进行有源调节来进行校正，由此提高开关的ER。如果有源元件仅可以增大/减小折射率(例如热光加热器)，并且如果仅制造了一个有源元件，则当最小传输点已向该有源元件的传输特性的一侧(正电压)偏移时，仅可以对无源状态进行有源校正。然而，如果在两个MZI臂上都制造了有源元件，各个MZI臂具有其自己的独立功率控制，则可以始终对非对称效应进行有源补偿，因为无论零传输点(OFF状态)向哪一侧移动，都可以增大一个臂的折射率，而不是减小另一个臂的折射率。可以以下面的多种不同实施例来实现该有源元件：通常用于制造平面集成光学器件的一些材料(例如硅)具有相对高的热光系数。当由这种材料来制造光学介质时，有源元件的适当选择可以是与可控电压源相连的电加热器(电阻器)。当电流通过该加热器时，该加热器使介质的温度升高。在这种情况下，应该将MZI的两个臂很好地分离开，以使这两个臂与彼此热隔离。对于具有高电光系数的材料(例如LiNbO₃)，该有源元件可以由与可控电压源相连的多个电极构成。由这些电极产生的静电场可以引起光学介质的折射率的变化。

可以将有源元件设计为产生应力。对晶片施加的应力可以通过光弹效应导致折射率的变化。还可以使用其它类型的有源元件，只要这些有源元件可以引起足够的光学相移。

在操作时，在这些臂中没有任何折射率变化的情况下，从输入耦合器10的端口P1通过窄分支28入射到开关48中的光将通过输出耦合器50的窄分支62和端口P3出射。类似地，通过耦合器10的端口P2和宽分支30入射的光将通过耦合器50的宽分支64和端口P4出射。这是开关48的无源“栅(bar)”状态。当输出耦合器50由其相对于光传播轴的镜像代替时，可以获得开关的无源“交叉”状态，即，当从P1输入的光在P4处输出，而在P2输入的光在P3处输出时。

可以通过打开有源元件60(例如，在一个实施例中，对加热器施加电压)来实现从栅状态至交叉状态或者从交叉状态到栅状态的可操作的变化，从而对MZI开关的对应臂中的光信号进行相移。π相移将导致相反的切换状态，从栅到交叉(或者如果交叉为无源状态，则从交叉至栅)。尽管不同的波长要求不同的折射率的变化，以实现π相移，但是在无源操作状态下，这不会损害处于关闭状态的输出端口的宽带消光比，尽管这可能会导致在该端口处的某些损耗(通常为0.3-0.5dB)。此外，如果该开关在始终预先知道输入信号的波长的应用(例如实时功率/波长监测)中进行操作，则可以一起消除这种损耗，所以该开关可以动态地适应该波长(通过将操作开关功率重新设置为这种情况下所需的特定值)。如果两个耦合器相同，则MZI开关的无源状态对于耦合器的相对于准确的3dB功率分配的偏移不敏感。可以在设计很好的光子电路体系结构中利用这种特性。

除了0和π相移状态以外，本发明的光开关还可以通过仅产生0和π之间的部分相移(部分加热功率)，来在所有中间(模拟)状态下进行操作。因此，除了严格的ON-OFF切换应用以外，本发明的光开关还具有许多扩展的性能，例如，集成光输出功率控制(例如可变光学衰减器-VOA)、内嵌功率均衡、多播、广播等。

图3表示根据本发明的MZI开关的另一实施例。这是具有一个绝热耦合器50和Y分支器102的1×2开关100。分支器102具有输入端口O₁，该输入端口O₁通过一优选的直波导104与小角度γ的绝热锥体106相连。将锥体106设计用来增大波导104的宽度，将波导104分为相同横截面的两个对称波导(分支)108、110，这两个波导108和110在与锥体106的界面处相交。可以利用界面112在这两个波导的相交区域在这两个波导之间制造小钝部(未示出)，以提高处理容限。对称的直波导108和110形成小角度γ，以使它们绝热地分离到点113，在该点113处，两个对称弯曲部分114和116分别将波导108和110连接到两个MZI臂52和54。另选地，可以使用其它的对称输出分支来代替108和110。将引出角γ保持得较小，以使元件的损耗最小。该1×2开关的其它元件与构造图2的2×2开关所使用的元件相同，并且在图3中以与图2相同的方式示出并标号。

在操作时，以基本上与波长无关的方式，在Y分支器中将通过端口O₁入射的光输入转换为相同强度和相位的两个光信号。在无源操作状态下，通过绝热耦合器将对称信号传送给与“宽”分支64相连的端口P4。在有源状态下，臂之间的光程差在沿两个臂传播的信号之间产生π的相位差。通过绝热耦合器将这种非对称信号传输到与“窄”分支62相连的端口P3。由此，可以将从端口O₁入射的光切换到任一输出端口。

该1×2开关还可以以相反的方式进行操作，作为2×1开关。在其无源状态下，该开关仅将通过宽分支(输入端口P4)入射的光传输给输出端口O₁。将不传输通过窄分支(在P3处)入射的光输入。通过将有源元件60变为“ON”并且在两个臂之间引起π光学相位差，来传输来自窄分支的输入，并抑制其它输入。在多播、VOA和利用臂之间的中间相位差的其它应用的情况下，也可以在各种中间状态下使用光学元件60，由此仅传输光的一部分。

示例

利用热光效应设计根据本发明的宽带光开关，并由Δn＝0.75％(在波导的芯和包层之间)的硅(基板)上的二氧化硅(波导)来制造。2×2结构(图2)的长度大约为12mm，而1×2结构(图3)的长度大约为10mm。除了2×2结构在交叉输出处具有更好的消光比(ER)以外，两个设备都具有相似的性能。图4中示出了作为波长的函数的2×2结构的ER结果(理论和实验的)。通过矢量有限差分光束传播方法而获得的理论结果(实线)以非常高的准确度与实验结果(实心圆)拟合。

对设备进行优化，以在宽带波段范围的中间获得最高的ER。在实验和理论结果之间获得了非常好的一致性。在最优OFF和ON电压处测量各个点。然而，通过仅使用用于所有OFF状态的一个值和用于所有ON状态的一个值(这两个值对于所有波长在波长1.42μm处最优)，获得了30dB以上的谱ER。在波长1.55μm处进行最优化，在C+L波段中获得了37dB以上的ER，并且在1.3μm的窗口中获得了25dB以上的ER。这些ER明显优于任何现有技术的开关，主要是由于在此所公开的绝热耦合器的特殊几何结构。1×2结构表现出比2×2结构小大约5dB的ER，这主要是由于1×2结构对相对于3dB功率分配的耦合器偏差具有更高的敏感性；然而，1×2结构在两个输出中具有相同的ER，并且更短。如果要求更小的窗口，例如S+C+L波段(其仍然被认为是宽带)，则甚至可以通过更短的长度(例如短于10mm)获得类似的结果。

确定每开关损耗为0.3dB。在之前不知道输入波长的情况下，对于宽带操作的要求产生了高达0.3dB/sw的附加损耗。这种新开关的偏振依赖性也非常低(在off状态下＜5mW)，而其实际上与偏振无关。功耗与传统的MZI相似(0.1-0.5W，取决于光学和金属层设计)。切换时间(上升和下降时间，10％-90％)大约为1ms。

总之，本发明公开了一种比所有现有技术都好的固态光开关，并且该光开关适于光通信网络的未来要求。该开关优选地使用具有非对称波导的绝热耦合器，该非对称波导具有可变曲率的弯曲部。可变曲率部使设备尺寸显著减小并且具有优异的消光比。不能过分强调更小的设备对光学芯片的重要性。不能将仅使用直耦合器分支的现有技术的设备缩短，而不对绝热耦合和相关性能产生显著影响。

在此通过参照说明书，并入在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请的全文，如同具体并且单独地表示要在此通过引用并入各个出版物、专利或者专利申请。此外，不应将本申请中的任何参考文献的引用或者识别解释为对于本发明这种参考可作为现有技术得到。

尽管参照有限数量的实施例对本发明进行了描述，但是应该理解，可以对本发明进行多种变化、修改和其它应用。

Claims (26)

1.一种具有主传播轴的2×2光学开关，其包括：

a)第一3dB绝热耦合器，其具有

i)第一对恒定宽度、非对称的波导分支，每一个所述分支在近端和远端之间延伸，每一个所述分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变所述分支之间的间距使所述分支在耦合长度内相分离，并且在所述远端处的对称交叉区域中混合，以及

ii)两个对称分支，在所述远端处与所述交叉区域相连，

b)第二3dB绝热耦合器，其具有

iii)第一对恒定宽度、非对称的波导分支，每一个所述分支在近端和远端之间延伸，每一个所述分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变所述分支之间的间距使所述分支在耦合长度内相分离，并且在所述远端处的对称交叉区域中混合，以及

iv)两个对称分支，在所述远端处与所述交叉区域相连，其中所述第一和第二绝热耦合器沿主光学传播轴以镜像的方式彼此面对，

c)两个相同的臂，将所述第一对对称分支和第二对对称分支沿所述主传播轴彼此光学连接，以及

d)至少一个有源元件，与所述多个相同的臂耦接，用于动态地改变所述至少一个臂的光学特性，由此该开关在平面光波电路中实现提供了一种开关，其明显小于现有技术的开关，实际上与偏振无关，并且在特别宽的带宽范围内具有低的损耗和非常高的消光比。

2.根据权利要求1所述的开关，其中所述波导分支的所述非对称性包括不同的波导宽度。

3.根据权利要求1所述的开关，其中所述可变曲率由有限数量的不同半径进行限定。

4.根据权利要求1所述的开关，其中所述可变曲率由无限数量的变化半径进行限定。

5.根据权利要求1所述的开关，其中所述弯曲波导部由具有不同的单调减小或者增大的半径值的一系列离散的圆形弯曲部分来近似和替代。

6.根据权利要求1所述的开关，其中所述第一和第二绝热耦合器相同。

7.根据权利要求1所述的开关，其中每一个所述绝热耦合器都包括一对对称的输入/输出弯曲部分，每一个所述弯曲部分在所述近分支端与分支的相应的所述弯曲部相连，并且每一个所述弯曲部分被构造为与所述分支的相应宽度相匹配。

8.根据权利要求7所述的开关，其中所述多个耦合器中的至少一个还包括位于所述交叉区域和所述对称分支之间的可选中间波导。

9.根据权利要求7所述的开关，其中每一个所述弯曲部分与对应弯曲部的所述连接以绝热锥体作为中介。

10.根据权利要求1所述的开关，其中所述耦合器和所述相同的臂由硅基板上的二氧化硅构成，并且其中所述臂的所述光学特性包括所述臂的折射率。

11.根据权利要求10所述的开关，其中所述消光比选自由C+L波段内的至少为30的消光比以及在1.3μm波长窗口中的至少为32的消光比所构成的组。

12.根据权利要求1所述的开关，其中与所述相同的臂中的至少一个耦接的所述至少一个有源元件包括各个所述相同的臂上的有源元件，由此所述两个有源元件的组合使用可以对所述臂中的任何非对称效应进行有源补偿。

13.一种具有主传播轴的光开关，其包括：

a)Y分支器，其包括输入波导和一对对称分支器分支，

b)3dB绝热耦合器，其具有：第一对恒定宽度、非对称的波导分支，每一个所述分支在近端和远端之间延伸，每一个所述分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变所述分支之间的间距使所述分支在耦合长度内相分离，并且在所述远端处的对称交叉区域中混合；两个对称耦合器分支，在所述远端处与所述交叉区域相连，所述Y分之支器和所述绝热耦合器以镜像的方式通过其相应的对称分支沿所述主光学传播轴相互面对，

c)两个相同的臂，将所述对称分支器对和耦合器分支对沿所述主传播轴彼此光学连接，以及

d)至少一个有源元件，与所述相同的臂中的至少一个耦接，用于动态地改变所述臂的光学特性，由此，该开关在平面光波电路中的实现提供了一种开关，其明显小于现有技术的开关，并实际上与偏振无关，并且在特别宽的带宽范围内具有低的损耗和非常高的消光比。

14.根据权利要求13所述的光开关，其被构造为选自由1×2光学开关和2×1光学开关所构成的组中的开关。

15.根据权利要求13所述的开关，其中所述Y分支器还包括连接在所述输入波导和所述对称分支器分支对之间的绝热锥体。

16.根据权利要求13所述的开关，其中所述3dB耦合器中的所述波导分支的所述非对称性包括不同的波导宽度。

17.根据权利要求13所述的开关，其中所述可变曲率由有限数量的不同半径进行限定。

18.根据权利要求13所述的开关，其中所述可变曲率由无限数量的变化半径进行限定。

19.根据权利要求13所述的开关，其中所述弯曲波导部由具有不同的单调减小或者增大的半径值的一系列离散的圆形弯曲部分来近似和替代。

20.根据权利要求13所述的开关，其中所述Y分支器、所述耦合器和所述两个相同的臂由硅基板上的二氧化硅构成，并且其中所述臂的光学特性包括所述臂的折射率。

21.根据权利要求13所述的开关，其中所述消光比选自由C+L波段内的至少为28的消光比以及1.3μm波长窗口中的至少为30的消光比所构成的组。

22.一种3dB宽带绝热耦合器，其包括：

a)一对宽度恒定、非对称的波导分支，每一个所述分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变所述分支之间的间距使所述分支在耦合长度内相分离，并且在远分支端的对称交叉区域中混合，以及

b)两个对称分支，在所述远端处与所述交叉区域相连。

23.根据权利要求22所述的3dB耦合器，其中所述波导分支的所述非对称性包括不同的波导宽度。

24.根据权利要求22所述的3dB耦合器，其中所述可变曲率由有限数量的不同半径进行限定。

25.根据权利要求22所述的3dB耦合器，其中所述可变曲率由无限数量的变化半径进行限定。

26.根据权利要求22所述的3dB耦合器，其中所述弯曲波导部由具有不同的单调减小和增大的半径值的一系列离散的圆形弯曲部分来近似和替代。

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