CN2544291Y - 基于阵列波导干涉器的光开关阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征是由基于波导阵列干涉器的光开关A₁、A₂、…、A_N组成，所有这些光开关共用输入或/和输出光波导，光开关A₁、A₂、…、A_N通过采用折射率可变材料制作波导阵列干涉器，或把波导阵列干涉器制作在可伸缩基片上的方式构成。本实用新型由于采用阵列波导干涉器实现对光路的开与关，因此不但具有很高的波长分辨率，而且具有模块式结构，可以制作出大型光开关阵列。同时它采用集成光波导技术，响应时间短，与光纤具有较好的兼容性。

Description

基于阵列波导干涉器的光开关阵列

                      技术领域

本实用新型涉及一种基于阵列波导干涉器的光开关阵列，适用于光集成、光网络、光检测等领域，尤其适用于光通讯领域。

                      背景技术

光开关主要用于光纤通讯中光路的开与关，光开关阵列可以实现许多光路之间的直接交换，是实现全光网络的核心器件。光开关可分为机械式和非机械式两大类。其中机械式光开关靠移动光纤或光学元件，使光路发生改变，实现光路的开与关。常见机械式光开关包括移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜、移动耦合器等种类。机械式光开关的优点是插入损耗低，不受偏振和波长影响，缺点是响应时间长，一般在毫秒量级，有的还存在回跳抖动和重复性较差等问题。非机械式光开关主要依靠电光效应、磁光效应、声光效应、热光效应等来改变波导折射率，使光路发生改变，实现光路的开与关。非机械式光开关的优点是响应时间短，可达到毫秒甚至更低量级，体积小，便于光集成或光电集成。不足之处是损耗大，隔离度低。现有光开关，无论是机械式还是非机械式，由于其本身结构的限制，很难制作成大型光开关阵列，例如几十到几百路的光开关阵列，同时大多数现有光开关对波长没有选择性。

                      发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于阵列波导干涉器的光开关阵列，该光开关阵列波长分辨率高，可以对非常大数目的光路实现开与关，且它是一种光集成式光开关，响应时间短。

为达到上述目的，本实用新型采用阵列波导干涉器作为光开关的核心结构，通过热光效应、等离子体色散效应、应力双折射效应、磁至旋光效应、声光效应、电光效应等来改变光波导的折射率，或通过压电、热膨胀、机械挤压等来改变光波导的几何尺寸，从而改变阵列波导干涉器的中心波长或耦合输出强度，实现对一定波长光波的开与关。阵列波导干涉器是一种新型光集成干涉器，它包括输入光波导、输出光波导和耦合光波导阵列。从输入光波导输入的光波分别经过耦合光波导阵列中不同的光波导，耦合输出到输出光波导。由于光波分别经过耦合光波导阵列中不同光波导耦合到输出光波导时，具有不同的光程，因此只有一定波长的光波才满足干涉极大条件，从输出光波导输出，该波长称为该阵列波导干涉器的中心波长。而光程是光路的几何长度与折射率的乘积，因此通过电光效应、磁光效应、热光效应、声光效应、等离子体色散效应(the Plasma Dispersion Effect)等来改变光波导折射率，或通过压电、热膨胀、机械挤压等来改变光波导的几何尺寸时，都会改变阵列波导干涉器的中心波长。利用这一特性即可实现对一定波长光波的开与关。另外，改变阵列波导干涉器中耦合光波导阵列分别与输入光波导和/或输出光波导的耦合程度，也可显著改变阵列波导干涉器的输出光强，从而实现光的开与光。通过光集成技术，每个阵列波导干涉器可以集成成千上万根光波导，因此具有很高的波长分辨率。许多基于阵列波导干涉器的光开关可以通过共用输入或输出光波导的方式串联起来，实现大型1×N或N×1光开关阵列，由此进一步还可实现大型N×N光开关阵列。由于基于阵列波导干涉器的光开关采用光集成技术，且电光效应、磁光效应、声光效应、等离子体色散效应等都具有非常快的响应速度，因此它的开关响应时间短。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点和效果：

首先由于采用阵列波导干涉器实现对光路的开与关，因此不但具有很高的波长分辨率，而且它具有模块式结构，即增加或减少一个信道，只需增加或减少一个阵列波导干涉器，从而可以制作出大型光开关阵列。其次由于它采用集成光波导技术，器件与光纤具有较好的兼容性，且电光效应、磁光效应等都具有非常快的响应速度，因此它的开关响应时间短。

                     附图说明

图1是阵列波导干涉器的工作原理图。

图2和图3是基于阵列波导干涉器的单个光开关的结构示意图，其中图2通过利用纵向电光效应改变光波导的折射率，从而改变阵列波导干涉器的中心波长，而图3通过改变阵列波导干涉器的内部结构尺寸来实现对光路的开与关。

图4和图5分别是把多个基于阵列波导干涉器的光开关按照适当方式串联起来后组成的1×N和N×1光开关阵列的结构示意图。

                    具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

根据图1可知，阵列波导干涉器由输入光波导G_in、输出光波导G_out和阵列光波导G₁、G₂、G₃、…G_N-1、G_N组成。光波λ₁、λ₂、…λ_N由输入光波导G_in的输入端口P₁输入，经光波导阵列G₁、G₂、G₃、…G_N-1、G_N耦合到输出光波导G_out，由于光波经过阵列光波导中不同光波导耦合到输出光波导G_out时，彼此之间存在光程差，这样只有波长为λ_i、λ_j的光波分别满足干涉极大条件，分别从输出端口P₂和输出端口P₃输出，剩下的光波从输出端口P₄输出。由于单个阵列波导干涉器可以集成成千上万根光波导G₁、G₂、G₃、…G_N-1、G_N，因此可以实现很高的波长分辨率。

根据图1进一步可知，由于光程差与光波导的折射率紧密相关，如果采用具有热光效应、等离子体色散效应、应力双折射效应、磁至旋光效应、声光效应、电光效应等效应的材料制作阵列波导干涉器，则由上述材料之一制作的光波导的折射率将可利用上述物理效应人为控制，从而改变阵列波导干涉器的中心波长，实现光路的开与关，这样就构成了基于阵列波导干涉器的光开关。下面对采用上述材料制作的光开关的工作原理逐一予以进一步解释。

(a)、热光效应：很多材料其折射率对温度非常敏感，因此对于用具有热光效应的材料制作的基于阵列波导干涉器的光开关，只需控制温度的高低就可实现光路的开与关。

(b)、等离子体色散效应：一些材料，如半导体硅基材料，具有非常显著的等离子体色散效应，其折射率随自由载流子浓度的变化而变化，因此对用具有等离子体色散效应的材料制作的基于阵列波导干涉器的光开关，可通过电信号，如电压信号，改变载流子浓度，从而改变光波导的折射率，实现光路的开与关。

(c)、应力双折射效应：一些光学各向同性透明材料，当受到应力(或应变)的作用时，可以变成光学各向异性材料，折射率偏离无应力时的初始值，并且各个方向偏离程度不同，此即应力(应变)双折射效应，又称光弹效应。因此对用具有应力双折射效应的材料制作的基于阵列波导干涉器的光开关，可通过外加应力，如通过机械压力或压电应力等，改变光波导的折射率，实现光路的开与关。

(d)、磁至旋光效应：在磁场作用下，本来不具备旋光效应的透明材料也产生旋光效应，这称之为磁至旋光效应，又称法拉第效应。而旋光效应的产生是由于对左旋光和右旋光，材料的折射率不同造成的。因此对用具有磁至旋光效应的材料制作的基于阵列波导干涉器的光开关，可通过外加磁场，使光波导对左旋光和右旋光的折射率都偏离不加磁场时的初始值，实现光路的开与关。

(e)、声光效应：对透明材料施加超声波，由于声波是弹性纵波，材料在声波的传播方向上将产生周期性应变，材料的折射率也相应发生周期性改变。因此对用具有声光效应的材料制作的基于阵列波导干涉器的光开关，当施加声波场，特别是沿垂直于阵列波导干涉器中耦合阵列光波导，如图1中的G₁、G₂、G₃、…G_N-1、G_N，的方向施加声波场时，相临光波导的折射率将在不同程度上偏离不施加声波场时的初始值，相临光波导的光程差发生改变，从而实现光路的开与关。

(f)、电光效应：当给各向异性的晶体材料施加外电场时，晶体的折射率将发生变化，此即电光效应。如果折射率的改变量与电场的平方成正比，称为克尔(Kerr)效应，如果折射率的改变量与电场的一次方成正比，称为普克耳斯(Pochels)效应，又称线性电光效应。另外如果外加电场的方向垂直于光波传播方向，称为纵向电光效应，如果外加电场的方向平行于光波传播方向，称为横向电光效应。因此对用具有电光效应的材料制作的基于阵列波导干涉器的光开关，可通过施加电场改变光波导的折射率，从而方便地实现光路的开与关，开关响应时间可以达到纳秒量级。

根据图2可知，利用纵向电光效应的基于阵列波导干涉器的光开关，其特征在于由采用具有电光效应的材料制作的阵列波导干涉器A₀、上电极E₂和下电极E₁组成，阵列波导干涉器A₀位于上电极E₂和下电极E₁之间，阵列波导干涉器A₀的输入端口P₁和三个输出端口P₂、P₃、P₄之中的任一个端口分别与外部输入通道和输出通道相连。通过施加在上电极E₂和下电极E₁之间的适当电压改变阵列波导干涉器A₀中光波导的折射率，从而改变其中心波长。当上电极E₂和下电极E₁之间不施加/施加电压时，从输入端口P₁输入的波长为λ_i/λ_j的光波，满足干涉极大条件，从输出端口P₂/P₃输出，而不是直接从端口P₄输出。当上电极E₂和下电极E₁之间施加/不施加适当电压时，由于电光效应，光波导的折射率发生改变，波长为λ_i/λ_j的光波不再满足干涉极大条件，不能从输出端口P₂/P₃输出，而是直接从端口P₄输出，这样就实现了对波长为λ_i/λ_j的光波的开与关。

根据图3可知，基于阵列波导干涉器的光开关，其特征是由阵列波导干涉器A₀和可伸缩的基片S₀组成，阵列波导干涉器A₀制作在基片S₀上，阵列波导干涉器A₀的输入端口P₁和三个输出端口P₂、P₃、P₄之中的任一个端口分别与外部输入通道和输出通道相连。当基片S₀处于适当尺寸时，波长为λ_i/λ_j的光波满足干涉极大条件，从输出端口P₂/P₃输出，而不是直接从端口P₄输出。当通过压电效应、热膨胀、机械挤压等手段沿图中箭头F₁所指方向使基片S₀进一步发生拉伸形变时，将大幅度降低阵列波导干涉器A₀内部的耦合波导阵列与输入光波导G_in和/或输出光波导G_out之间的耦合强度，从输出端口P₂和P₃输出的光强急剧减小，光波直接从端口P₄输出，从而实现了光路的开与关。当通过压电效应、热膨胀、机械挤压等手段沿图中箭头F₂所指方向使基片S₀发生拉伸形变时，将改变阵列波导干涉器A₀的中心波长，同样可实现对波长为λ_i/λ_j的光波的开与关。

综合图1、图2和图3可知，基于阵列波导干涉器的光开关，其特征是采用具有热光效应、等离子体色散效应、应力双折射效应、磁至旋光效应、声光效应、电光效应等效应的材料制作的阵列波导干涉器，或制作在可伸缩基片上的阵列波导干涉器。

根据图4可知，基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征是由基于阵列波导干涉器的光开关A₁、A₂、…、A_N组成，所有这些光开关A₁、A₂、…、A_N共用光波导O₁作为输入光波导，并通过端口1与外部输入通道相连接，它们各自的输出端口P₁₂/P₁₃、P₂₂/P₂₃、…、P_N2/P_N3分别与外部输出通道相连，光开关A₁、A₂、…、A_N采用具有热光效应、等离子体色散效应、应力双折射效应、磁至旋光效应、声光效应、电光效应等效应的材料制作的阵列波导干涉器，或制作在可伸缩基片上的阵列波导干涉器。由于光开关A₁、A₂、…、A_N可分别对波长为λ_1i/λ_1j、λ_2i/λ_2j、…、λ_Ni/λ_Nj的光波实现开与关，这样通过控制光开关A₁、A₂、…、A_N的开与关就可把从输入端口1输入的波长为λ_1i/λ_1j、λ_2i/λ_2j、…、λ_Ni/λ_Nj的光波分配到N个输出端口P₁₂/P₁₃、P₂₂/P₂₃、…、P_N2/P_N3中的任一输出端口，形成一个1×N光开关阵列。

根据图5可知，基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征是由基于阵列波导干涉器的光开关A₁、A₂、…、A_N组成，所有这些光开关A₁、A₂、…、A_N共用光波导O₂作为输出光波导，并通过端口2或端口3与外部输出通道相连接，它们各自的输入端口P₁₁、P₂₁、…、P_N1分别与外部输入通道相连，光开关A₁、A₂、…、A_N采用具有热光效应、等离子体色散效应、应力双折射效应、磁至旋光效应、声光效应、电光效应等效应的材料制作的阵列波导干涉器，或制作在可伸缩基片上的阵列波导干涉器。由于光开关A₁、A₂、…、A_N可分别对波长为λ_1i/λ_1j、λ_2i/λ_2j、…、λ_Ni/λ_Nj的光波实现开与关，这样通过控制光开关A₁、A₂、…、A_N的开与关就可把从输入端口P₁₁、P₂₁、…、P_N1输入的波长为λ_1i/λ_1j、λ_2i/λ_2j、…、λ_Ni/λ_Nj的光波输出到端口2/端口3，形成一个N×1光开关阵列。

综合图4和图5可知，基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征在于由基于阵列波导干涉器的光开关A₁、A₂、…、A_N组成，所有这些光开关A₁、A₂、…、A_N通过共用输入或输出光波导的方式串联起来，光开关A₁、A₂、…、A_N采用具有热光效应、等离子体色散效应、应力双折射效应、磁至旋光效应、声光效应、电光效应等效应的材料制作的阵列波导干涉器，或制作在可伸缩基片上的阵列波导干涉器。

Claims (3)

1.一种基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征在于由基于阵列波导干涉器的光开关(A₁)、(A₂)、(A_N)组成，光开关(A₁)、(A₂)、(A_N)通过共用输入或输出光波导的方式串联起来，光开关(A₁)、(A₂)、(A_N)采用具有热光、或等离子体色散、或应力双折射、或磁至旋光、或声光效应、或电光效应的材料制作的阵列波导干涉器，或制作在可伸缩基片(S₀)上的阵列波导干涉器。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征是光开关(A₁)、(A₂)、(A_N)共用光波导(O₁)作为输入光波导，并通过端口(1)与外部输入通道相连接，输出端口(P₁₂/P₁₃)、(P₂₂/P₂₃)、(P_N2/P_N3)分别与外部输出通道相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导干涉器的光开关阵列，其特征是光开关(A1)、(A2)、(AN)共用光波导(O2)作为输出光波导，并通过端口(2)或端口(3)与外部输出通道相连接，输入端口(P11)、(P21)、(PN1)分别与外部输入通道相连。

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