CN203616542U - 多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，属于一种全光开关领域。其在单控全光开关的基础上，还包括第一控制光波导端口、第二控制光波导端口、第一滤波器以及第二滤波器，所述的第一控制光波导端口、第二控制光波导端口均与马赫-曾德尔干涉臂相连；所述的第一多模干涉区、第二多模干涉区内均设有多模干涉耦合器；所述的第一滤波器、第二滤波器分别位于第一输出波导端口、第二输出波导端口上。本实用新型提供了一种多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，其引入两路控制光，两控制光都可控制两个输出端口的输出，使其在直通和交叉态之间自由选择。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种全光开关，尤其涉及一种多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关。
背景技术
全光开关是光子技术领域的关键器件之一，主要优点是他们避免了光-电和电-光的转换，也是高速全光通信网络的一个重要器件。研究全光开关主要从三个方面提高其性能：一是设计出新的器件结构，二是采用载流子超快驰豫的新材料，三是利用半导体量子阱材料的特殊性质来发展超高速光开关。本实用新型则是从器件的结构方面实现双控全光开关功能。多模干涉器件（MMI）和马赫-增德尔干涉（MZI）型装置是双控全光开关的主要部分。多模干涉自成像是多模波导的一种性质，即输入场的横向分布在沿着波导的传播方向会周期性重现一个或多个像。1972年，Marcuse发现在渐变折射率波导中可以周期性地产生物体的实像；1973年，Bryngdahl提出了均匀折射率多模平板波导也可以得到自映像；1994年，Bachmann给出了多模干涉器件成像的特性；1995年，Soldano L B等人在J.Lightwave Technol上提出在集成光学中有广泛用途的多模干涉（Multimode Interference,MMI）；2004年，Zhao Yiping等人在美国专利和商标局的专利数据库（USPTO）中报道了一种碳纳米管聚合物复合材料的超快全光开关；2005年，Chen Yuanyuan等人在Chinese Physics Letters中提出了一个基于绝缘硅的快速响应MMI-MZ热光开关；2011年，Bahrami等人在Optik中提出了基于MZ-MMI非线性耦合型全光开关。这些光开关都是运用载流子注入效应、热光、电光来改变波导材料的折射率，其结构和制作工艺较为复杂，响应时间也在纳秒量级。
中国专利申请号：201210372474.X，公开日：2013年1月16日，公开了一份名称为多模干涉马赫-曾德尔全光开关的专利文件。其包括第一输入波导端口、第二输入波导端口、第一输出波导端口、第二输出波导端口、控制光波导端口、控制光输出端口、第一多模波导、马赫-曾德尔干涉臂、第二多模波导，第一输入波导端口、第二输入波导端口都连接在第一多模波导的一端，第一多模波导的另一端通过马赫-曾德尔干涉臂与第二多模波导的一端连接，第一输出波导端口、第二输出波导端口、控制光输出端口都连接在第二多模波导的另一端，控制光波导端口与马赫-曾德尔干涉臂连接。该实用新型多模干涉马赫-曾德尔全光开关的结构简单紧凑，制作成本低。但是该实用新型仅仅由单束控制光加在马赫—曾德尔干涉仪的一个臂上，实现全光开关的功能，无法满足一些特殊的需要。类似于楼梯口的照明灯，用普通开关就无法实现楼上楼下都可以控制，必须用双控开关。
实用新型内容
1、要解决的问题
针对现有单控全光开关在一些特殊场合，如楼梯口照明，则无法实现楼上楼下的灵活应用的问题，本实用新型提供了一种多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，其引入两路控制光，两控制光都可控制两个输出端口的输出，使其在直通和交叉态之间自由选择。
2、技术方案
为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。
多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，包括第一输入波导端口、第二输入波导端口、第一输出波导端口、第二输出波导端口、第一多模干涉区、第二多模干涉区以及马赫-曾德尔干涉臂，还包括第一控制光波导端口、第二控制光波导端口、第一滤波器以及第二滤波器，所述的第一控制光波导端口、第二控制光波导端口均与马赫-曾德尔干涉臂相连；所述的第一多模干涉区、第二多模干涉区内均设有多模干涉耦合器；所述的第一滤波器、第二滤波器分别位于第一输出波导端口、第二输出波导端口上。
优选地，所述的马赫-曾德尔干涉臂与第一多模干涉区、第二多模干涉区的连接处、第一输出波导端口、第二输出波导端口与第二多模干涉区的连接处均为锥型结构。
更优选地，所述的锥型结构的锥型角的取值在多模波导的二重像输出端发生平移的容差范围内。
优选地，所述的第一滤波器、第二滤波器的类型均为带通滤波器。
优选地，所述的第一多模干涉区、第二多模干涉区的长度相等，且长度范围为890μm-900μm。
3、有益效果
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
（1）本实用新型继承了单束控制光改变单模波导的折射率，使马赫-曾德尔干涉臂产生相位差来实现光通过与关断的开关作用的优点：在干涉臂上直接接入控制光波导，使开关尺寸更加紧凑；波导由具有良好光致色变性能的有机聚合物材料制作，成本低廉；基于材料的非线性光克尔效应，在强光作用下，折射率改变快，因此开关的响应时间比热光电光开关更短。
（2）本实用新型采用两个控制光波导端口，分别控制全光开关的导通与断开，实现双控型结构，与单控型结构相比，增加了一个控制端口，因而增加了开关的灵活性，具有更为广泛和方便的用途。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中标号说明：1、第一输入波导端口；2、第二输入波导端口；3、第一输出波导端口；4、第二输出波导端口；5、第一控制光波导端口；6、第二控制光波导端口；7、第一多模干涉区；8、第二多模干涉区；9、马赫-曾德尔干涉臂；10、第一滤波器；11、第二滤波器。
具体实施方式
为进一步了解本实用新型的内容，下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
实施例1
如图1所示，多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，包括第一输入波导端口1、第二输入波导端口2、第一输出波导端口3、第二输出波导端口4、第一多模干涉区7、第二多模干涉区8以及马赫-曾德尔干涉臂9，第一输入波导端口1、第二输入波导端口2都连接在第一多模干涉区7的一端，第一多模干涉区7的另一端通过马赫-曾德尔干涉臂9与第二多模干涉区8的一端连接，所述的第一输出波导端口3、第二输出波导端口4连接在第二多模干涉区8的另一端，还包括第一控制光波导端口5、第二控制光波导端口6、第一滤波器10以及第二滤波器11，第一控制光波导端口5、第二控制光波导端口6均与马赫-曾德尔干涉臂9相连；所述的第一多模干涉区7、第二多模干涉区8内均设有多模干涉耦合器；第一滤波器10、第二滤波器11分别位于第一输出波导端口3、第二输出波导端口4上。
另外，马赫-曾德尔干涉臂9与第一多模干涉区7、第二多模干涉区8的连接处、第一输出波导端口3、第二输出波导端口4与第二多模干涉区8的连接处均为锥型结构。锥型结构的锥型角的取值在多模波导的二重像输出端发生平移的容差范围内。
第一滤波器10、第二滤波器11的类型均为带通滤波器。第一多模干涉区7、第二多模干涉区8的长度相等，且长度范围为890μm。
本实用新型基于马赫-曾德尔型干涉（MZI）结构、多模干涉（MMI）原理和光学克尔效应，设计了MMI-MZI型全光开关。工作时，工作波长光束从第一输入波导端口1进入，从第二输出波导端口4输出，或者从第一输入波导端口2进入，从第一输出波导端口3时，即为交叉态；从第一输入波导端口1进入，从第一输出波导端口3输出，或者从第一输入波导端口2进入，从第二输出波导端口4输出时，即为直通态。
增加或不增加控制光所出现的情况分为：（1）当不加控制光束时，工作波长光束从第一输入波导端口1输入，从第二输出波导端口4输出，即信号光束为交叉态；（2）当第一控制光波导端口5或第二控制光波导端口6的任一端输入另一波长且一定强度的控制光束时，信号光束为直通态；（3）当第一控制光波导端口5和第二控制光波导端口6同时输入另一波长且一定强度的控制光束时，则信号光束为交叉态。
本实用新型控制光的强度既要满足引起光克尔效应在干涉臂上产生π（或π的奇数倍）相位差，也要使第二个多模干涉区由于折射率的变化对二重像位置的影响在容差范围内。由于多模干涉区的长度对信号光成双像，而对控制光成单像，因此，控制光也在输出端输出，为了不影响信号光的传输，在输出波导上引入第一滤光器10和第二滤光器11，作用是允许信号光通过，滤除控制光。此外，由于控制光的引入，使第二多模干涉区8的折射率产生微弱改变，这种改变会使输出光场位置在一定范围内变化，因此输出单模波导使用锥形结构，使得信号光在系统允许容差范围内输出。
本实用新型运用到的多模干涉耦合器，其工作原理基于多模波导中的自成像效应，当一束光进入多模波导时，会激发波导的各阶导模，各阶导模在波导中传播时，由于传播常数不一样，导模间产生相位差，相互之间发生干涉，在满足一定条件的特定位置上会出现输入光场的一个或多个映像。由于相位的周期性，这些映像会重复出现。本实用新型中多模干涉区相当于起到分束器和合束器的作用。当信号光从第一输入波导端口1或第一输入波导端口2进入到第一多模干涉区7时，经过一定长度的传输，在成二重像处均匀输出两束光，这两束信号光分别经马赫-曾德尔干涉臂传输进入第二多模干涉区8，经过相同长度的传输，则在对称输出口成单像，即在第二输出波导端口4或第一输出波导端口3输出（交叉态）；当在第一控制光波导端口5或第二控制光波导端口6加控制光束时，由于材料的光学克尔效应，其折射率发生了改变，使得经马赫-曾德尔干涉臂传输的光束产生一附加的π（或π的奇数倍）相位差，在进入第二多模干涉区8后，从第一输出波导端口3或第二输出波导端口4输出，开关处于直通态。当第一控制光波导端口5和第二控制光波导端口6同时引入控制光时，同样由于光学克尔效应，信号光又从第二输出波导端口4或第一输出波导端口3输出（交叉态）。本实用新型基于MMI-MZI原理和光克尔效应，以一定强度的控制光使开关运行，达到以光控光的目的，并且由于第一控制光波导端口5和第二控制光波导端口6是两个控制光输入端口，可以分别控制，实现双控功能。
实施例2
同实施例1，所不同的是，第一多模干涉区7、第二多模干涉区8的长度为900μm。以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，包括第一输入波导端口（1）、第二输入波导端口（2）、第一输出波导端口（3）、第二输出波导端口（4）、第一多模干涉区（7）、第二多模干涉区（8）以及马赫-曾德尔干涉臂（9），所述的第一输入波导端口（1）、第二输入波导端口（2）都连接在第一多模干涉区（7）的一端，第一多模干涉区（7）的另一端通过马赫-曾德尔干涉臂（9）与第二多模干涉区（8）的一端连接，所述的第一输出波导端口（3）、第二输出波导端口（4）连接在第二多模干涉区（8）的另一端，其特征在于，还包括第一控制光波导端口（5）、第二控制光波导端口（6）、第一滤波器（10）以及第二滤波器（11），所述的第一控制光波导端口（5）、第二控制光波导端口（6）均与马赫-曾德尔干涉臂（9）相连；所述的第一多模干涉区（7）、第二多模干涉区（8）内均设有多模干涉耦合器；所述的第一滤波器（10）、第二滤波器（11）分别位于第一输出波导端口（3）、第二输出波导端口（4）上。
2.根据权利要求1所述的多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，其特征在于，所述的马赫-曾德尔干涉臂（9）与第一多模干涉区（7）、第二多模干涉区（8）的连接处、第一输出波导端口（3）、第二输出波导端口（4）与第二多模干涉区（8）的连接处均为锥型结构。
3.根据权利要求2所述的多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，其特征在于，所述的锥型结构的锥型角取值在多模波导的二重像输出端发生平移的容差范围内。
4.根据权利要求1所述的多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，其特征在于，所述第一滤波器（10）、第二滤波器（11）的类型均为带通滤波器。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的多模干涉马赫-曾德尔型双控全光开关，其特征在于，所述的第一多模干涉区（7）、第二多模干涉区（8）的长度相等，且长度范围为890μm-900μm。
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