TW539878B - Multi-mode interference waveguide based switch - Google Patents

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TW539878B TW090126035A TW90126035A TW539878B TW 539878 B TW539878 B TW 539878B TW 090126035 A TW090126035 A TW 090126035A TW 90126035 A TW90126035 A TW 90126035A TW 539878 B TW539878 B TW 539878B
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539878 A7 B7 五、發明説明（1 ) 技術領域 本發明關於以空間開關為基礎之多模式界面波導及特指 型多模式界面波導及一種切換光學訊號的方法。 發明之背景 目雨對於增加光傳送網路的產能和彈性有著強烈之需 求。發展中的通訊網路之重點都在彈性及重組性，其需要 光通訊的光積體電路（PICs)之強化功能，及小型化設備。 單模式傳輸系統的積體光學内多模式界面（MMI)效應則在 最近受到較多注意。MMI效應基礎的光學設備具有大光學 帶寬’及對極化不靈敏以及保持高度製造容忍度以呈現出 一些優點。MMI波導設備的作動則是以自我影像為基礎及 在索達諾（L· B Soldano)及潘尼（E. C. M. Pennings)於 1995年4月4日在光波技術（Lightwave Technology)期刊第 13期所發表的”自我影像為基礎的光學多模式界面設備，’另 有描述。 MMI波導設備在多種不同的領域皆有應用。例如，一波 長選擇開關，如本發明者在1 998年12月1 〇曰於電子信件 (Electronics Letters)第25冊第34卷所發表的”布來格柵格 輔助的MMIMI耦合器於波長選擇切換”。在此頁本發明者 描述波長選擇切換的一獨特的光學設備。該設備則是以布 來格柵格輔助的MMIMI (多模式界面密薛爾森干擾器）耦合 器為基礎。 MMI波導設僙的另一應用則是耦合器，如盧梭（J. Leuthold)及橋尼（C.H Joyner)在ECOC 2000，Proc,九月 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝- 訂
539878 A7 B7 五、發明説明（2 ) 號慕尼黑第三冊所發表的”具可調快速比率之多模式干擾耦 合器”所述。在此文章該等作者發表一獨特小型具可調快速 比率之多模式干擾耦合器。該耦和器具有相當大的可調範 圍及使用以最佳化干擾器設備或甚至一開關的開-關比率。 可以間隔光學通訊網路内的開關訊號的需求是很明顯 的。寬帶訊號的簡單間隔切換容許有效容量為基礎的路由 或現在沒有的網路組件的重路由。 先前技藝光學開關現正面臨高損失，高串音或對製造容 忍度有較高需求的問題。它們可能也有穩定度問題或有高 能量消耗問題。 發明之概述 本發明之目的是避免及減少上述問題，及提供一小型接 換設備及一種切換光學訊號的方法。 因此本發明提供一小型多模式干擾開關其中一光學輸入 訊號，在一MMI波導的第一側，則選擇地路由至一以調整 光學輸入訊號的自我影像相位前端及從該MMI波導的第二 側的自我影像反射地經由反射裝置地朝向第一側由多個輸 出存取波導所選擇的輸出存取波導。 本發明的一個優點是可獲致非常小型切換設備。另一優 點是提供具低損耗之穩定設備。又一優點是該開關將具有 低串音。 更詳細地，該相位調整可經由提供Μ相位位移器來得到， 其中Μ是一整數，及其中每一該等相位移則安置以各別地調 整第二側的Ν自我影像的相位。ΜΜΙ波導則被配置以使得 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 裝-
線 539878 A7 B7 五、發明説明（3 位於該MMI波導内一側在一存取波導的輸入光訊號被區分 成N個自我影像於MMI波導的第二側。每一自我影像將具 有一各別相位在第二側的位置，因此產生一相位分佈在Μ相 位位移器。該等相位位移器為可控的以調整自我影像的相 位分佈’以符合在該選定輸出存取波導處的一光學光訊號 產生在第一側的自我影像。 在一較佳具體例，Ν和Μ為相等。即是，Μ=Ν相位位移器 調整Ν=Μ自我影像的相位。 根據本發明的一層面，每一該等相位位移器包含一具有 第一反射指標的光透明埠及裝置用以調整該反射指標。 根據一較佳具體例，該調整可經由使得該光透明埠對熱 靈敏及控制該調整裝置的熱以有效地控制光透明埠的反射 指標來執行。由是，其可以控制入射光的光學路徑及每一 自我影像的相位。 根據本發明的另一較佳具體例，該光透明埠的反射指標 對流經的電流或該埠的電壓為靈敏。控制電流或電壓及反 射指標，接著執行該調整。 根據本發明的另一面，每一相位位移器包含反射裝置。 每一相位位移器則被配置以使得該反射裝置的各別位置在 平行ΜΜΙ波導的傳遞光線方向為可控制。由是，其可以控 制入射光之幾何位置的長度，及光學路徑長度，以及自我 影像的相位。 根據另一較佳具體例，該相位位移器包含一熱擴張段， 其可依所施溫度移動反射裝置於承行ΜΜΙ波導的傳遞光方 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）
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線 539878 A7 B7 五、 發明説明（4 向。 根據又一較佳具體例，該相位位移器包含微機械相位調 整裝置配置於可控制移動反射裝置於平行MMI波導内傳遞 光方向的方向。 附圖之簡單說明 圖1展示根據本發明第一具體例的一多模式干擾設備的概 圖。 圖2展示圖1的問題内波長之界面處一電能分佈。 圖3a-3b展示不同相位分佈。 圖4展示根據本發明第二具體例的一設備的概圖。 裝- 圖5展示根據本發明第三具體例的一設備的概圖。 圖6展示根據本發明第四具體例的一設備的概圖。 圖7展示根據本發明的一具體例之1x4開關的圖解。 參考號瑪對照表 101 存取波導 102 存取波導 103 存取波導 104 存取波導 105 存取波導 106 多模式干擾波導 107 光傳遞方向 108 方向107的垂直方向 109 相位位移器 110 相位位移器
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X 297公釐） 539878 訂
k- A7 B7 五、發明説明（5 ) 111 相位位移器 112 相位位移器 113 相位位移器 201 電能峰值 202 電能峰值 203 電能峰值 204 電能峰值 205 電能峰值 301 相位分佈 302 相位分佈 303 相位分佈 304 相位分佈 305 相位分佈 401 輸入存取波導 402 八個輸出存取波導 403 MMI波導 404 九個各別可控相位位移器 405 寬帶反射段 406 隔離 407 絕熱變細段 408 角度θ τ 501 相位位移器 502 相位位移器501的可移第一埠 503 寬帶反射段 -8- 裝· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 539878 A7 B7 五、發明説明（6 ) 504 可控微機器設備 505 控制裝置 506 反設指標轉合設備 507 MMI波導 601 九個相位位移器 602 寬帶反射段 603 熱擴張段 604 加熱元件 605 熱隔離層 701 輸入波導存取埠 702 MMI波導開關設備 703 輸出存取波導埠 704 輸出存取波導埠 705 輸出存取波導璋 706 輸出存取波導埠 707 隔離板 較佳具體例 圖1展示根據本發明第一具體例的一多模式干擾設備的概 圖。在圖左側，在界面A，五個存取波導各別以101至105 標示。波導106的長度及寬度被採.¾以使得一存取波導處的 一輸入影像將產生五個自我影像於界面B處。該光傳遞方向 則以107標示及垂直方向為108。應注意該光也可以相反方 向傳遞至方向107。 圖2展示在存取波導101處一訊號進入圖1内MMI波導之 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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線 539878 A7 B7 五、發明説明（7 ) 界面B處電能分佈。每一電能峰值，各別標示為2〇1-2〇5， 表示一自我影像及均勻分佈於界面B處。換言之，圖2的乂軸 是朝向圖1垂直方向108的。來自其他存取波導1〇2-1〇5的 輸入將產生相似電能分佈或自我影像於界面B處。不同輸入 存取波辱間在界面B的電能分佈差異在MMI波導的正確設 計下是微不足道的。 ΜMI波導的光學帶則反比於輸入和輸出波導數。mmI 波導的帶寬特性則π貝西（P. A· Besse)，貝克曼（Μ Bachmann)，密爾雪（H. Melchior)，索道諾（L. B. Soldano) 及史密特（Μ. K. Smit)在1994年6月6日第12冊於光波技術 期刊所發表的”多模式干擾耦合器的光學帶寬及製造容忍度” 所示。 圖3a展示來自頂端三個輸入波導1〇 1-103於界面b處3的 自我影像相位分佈。即是，一進入存取波導1 〇 1處圖1的 MMI波導106之光影像將具有一根據圖2的電能分佈及根據 圖3a虛線301的相位分佈。一進入存取波導1〇2處MMI波導 106之光影像將具有相似於圖2的電能分佈的電能分佈及根 據圖3 a虛線3 0 2的另一相位分佈。相似地一進入存取波導 103處MMI波導之影像將具有根據圖3 a虛點點線3 0 1的一相 位分佈。 為可簡易參考，一進入存取波導104處MMI波導106之影 像的相位分佈則以圖3b的虛線所繪及標示為304。最後，一 進人存取波導1 05處MMI波導之影像的相位分佈則以圖3 b 的虛點線所繪及標示為305。 -10·* 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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波導ι〇6為互換的。在界㈣，五個相位位移 器則被安置及標示為1〇9-113。反射器裝置（未示）則配置以 反射入射光線。該等相位位移器13也包含裝置用以可 控地位移入射先的;f目位3因為從存取波導1〇3處進入心1以^波 導〖06的輸入影像將如圖2所示產生一電能強化分佈及如圖3 之線303的一相位分佈，及因為該MMI波導為倒數，一根據 圖2在界面B的電能分铈’並具有如圖3内線3〇3的一相位分 佈，傳遞於方向107的相反方向將產生一單自我影像於存取 波導10 3處。 裝 為切換一訊號，進入存取波導1〇2以離開存取波導1〇3， 圖1的設備因此作動如下所示。該光學訊號將進入波導 106及如圖2所示產生五個自我影像於界面b處，及如圖3的 線3 02所示產生一相位分佈。該等相位位移器丨ο% 1丨3則可 控地設定以位移入射光的相位以符合根據圖3線303的相位 分佈於反射及完全通過該相位位移器後。
因此可以微調該等相位位移器以重複產生精確的位移模 仿該相位分佈303至最佳可能範圍。依此方法可產生一具如 圖3線303的相位分佈的反射於界面B處，以相反於方向107 的方向傳遞，而產生一單自我影像於存取波導103處。因 此、一動態切換從存取102至存取103獲得。經由位移訊號 的入射光進入MMI波導的相位，該訊號可切換至存取波導 10 1 -105之任一處，如，包括輸入存取波導。原理上並不受 限於輸入及輸出存取波導的數目，如一 PxQ MMI波導開 關3若需要分離輸入及輸出波導，則存取波導N的數目則等 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 539878 A7 B7 五、發明説明（9 於P + Q，替代地若相同輸入及輸出存導波導被使用，則需 要NxN開關。 圖4展示根據本發明的第二較佳具體例的一設備。此設備 是一具一輸入存取波導401的lx8開關，及8輸出存取波導 共同標不為402。九個各別可控相位位移器4〇4則被使用以 控制一入射光影像的相位前端。每一相位位移器包含一具 反射指標的透明媒體，其可經由將一電壓施於該媒體為可 控。其也可以使用一熱光學材料，其中改變溫度來控制反 射指標。經由改變相位位移器4〇4的反射指標，該光學路徑 長度為可控及因此一入射光影像的相位前端。一寬帶反射 段405反射該相位調整影像為選定輸出存取波導4〇2。該 MMI波導403包含一絕熱錐形部份4〇7，具有一角度0 τ 408。由於入射光的相位傳經一相對長距離，即穿越相位位 移器404的路程期間，光的強度分佈會在穿過相位位移器 404的距離期間改變。因此可獲得一具有實質減少串音及減 少電能損耗的更有效率的切換。 設備設計應不僅考量通過相位位移器的入射光及具調整 反射指標的透明琿’也需考量反射光。此在相位位移器的 設計内需考量以獲得一適切的相位調整。該等相位位移器 則適切地於每一406間隔離以使得¥音為最小。 圖5展示一根據本發明第三較佳具體例之1χ8開關。相關 詳細以相同號碼標示。一般標示為5〇1的相位位移器包含一 配置以反射入射光之具有一寬帶反射側5〇3的第一埠5(^。 該第一埠則被配置為可在ΜΜΙ波導内光傳遞的方向移動。 較佳地，該第一埠502為彈性再入以採取第一位置及可經由 -12- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 539878
相位位移為1的第二淳5〇4在朝向存取波導401及402的方 ，移動^ 一第二位置。該第二埠為可控地將第一埠502推向 :二波；的微機器設備，由是縮短入射光的幾何距離， -、：/于入射光的和位之微調：每一微機械設備5 〇4則各別 可由：控制裝置505控制。在此較佳具體例，MMI波導並無 、斬縮j #又，因為入射光相位的改變在比較短時間内發 生。因此並不需強度分佈之改變。 匕^射指標耦合.裝置506則使用以耦合MMI波導507的反射 指標。因為相位移將移動及間隙，如空氣或真空，會在相 k fe移為50 1和MMI波導間發生，所以前述之耦合為必須 的汶私裇耦合裝置則為具有-MMI波導之相同反射指標 的一流體。在此例，其較佳可將該流體置於壓力下以防止 成型或料。其也可能使用-軟質材料，其可流動相位位 移器之移動。如矽橡膠3 圖6展示根據本發明第四具體例之一 1χ8開關。相似之詳 細皆以相同號碼標示。九個各別可控相位位移器6〇1則為可 各別控制。一寬帶反射段602則位於_熱膨脹段6〇3上。該 熱膨脹段603以平行光在_工波導傳遞的方向移動該寬帶反 射段。該熱膨脹段603則可經由一加熱元件控制。因此其可 經由加熱元件604之熱應用各別控制每一相位位移器以調整 入射光影像的相位。為避免經由改變溫度來改變熱串音及 避免改變指標耗合裝置506的反射指標，一熱隔離層6〇5被 應用於熱膨脹段603及指標鶄合裝置5〇6間。 圖7展示-具有輸入波導存取埠7〇1輪合至一 mmi波導開 -13·. 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝， 訂
539878 A7 B7 五、 發明説明（11 關設備702的1x4開關。四個輸出波導存取埠則各別標示為 703，704，705和706。一隔離板707則配置以防止輸入存 取波導701及輸出存取波導703-706間的串音。該開關約為 5 mm寬，距離A，及10 mm高，距離B具有指標常數 Δ=1.5% (Δ = nk-nclad/nciad)。該圖非為相對尺寸，例如輸 出埠703-706的距離C約為1 mm。 -14-
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Claims (1)

  1. 539滞於》月以曰修正 第090126035號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(92年3月）C8 六、申請專利範圍 1. 一種用以將一光學訊號從一輸入存取波導間隔選擇切換至 一第一選定輸出存取波導之設備， 該設備包含一具有多個，N，存取以連接存取波導於第 一側的多模式干擾（MMI)波導，
    裝
    該MMI波導具有一長度於光傳遞方向，以使得一在第i 個存取波導的影像，kN，傳遞入該MMI波導，將產生N 個自我影像於相反第一側的第二側處，其中N是一大於1 的整數， 其特徵在於 反射裝置，位於靠近第二側的MMI波導内，配置以反 射該朝向MMI波導的第一側之N自我影像，及 調整裝置，配置於第二側處，以調整每一自我影像的相 位以產生一單自我影像於選定輸出存取波導處。 2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中源自於該光學訊號進 入位於第i個存取波導處的MMI波導之N自我影像具有每 一相位Pn，i解釋一組描述第二側處自我影像的相位分佈之 Pi，及 -該用以調整每一自我影像的相位之裝置則為一輸入存取 波道i的自我影像，被配置以調整第二側處相位分佈Pi， 以符^—選定輸出存取波導j的相位分佈Pj。 3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該用以調整每一自我 影像相位的裝置包含N個位於垂直第二側入射光傳遞方向 的各別相位位移器。 4. 如申請專利範圍第3項之設備，其中每一相位位移器包含 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 539878 A8 B8 C8
    凋整相位位移器的至少一部分之反射指標的裝置。 5·=巾請專利範圍第4項之設備，其中該反射指標則經由調 正’凰度或將一電壓施於相位位移器的至少一部分來調整。 6·如申租專利範圍第3項之設備，其中該反射裝置則配置於 一面對每一相位位移器的光傳遞方向的表面，且其中每一 相位位移器包含控制裝置用以調整其平行MMI波導内光 傳遞方向的位置。 如申明專利範圍第6項之設備，其中該相位位移器的至少 部分為熱膨脹材料，該位置調整裝置則為一溫度調整裝 置，且該溫度調整裝置則耦合至相位位移器的至少一部 刀’以使得溫度調整裝置的溫度變化會改變相位位移器的 長度。 8·如申凊專利範圍第6項之設備，其中該相位位移器的至少 一部分為可在平行MMI波導内光傳遞方向的方向移動， 且其中該位置調整裝置為一微機械設備，配置以移動該相 位位移器的至少一於光傳遞方向。 9。 如申請專利範圍第ό項之設備，其中該反射指標耦合裝置 則施於該ΜΜΙ波導及每一相位位移器間。 10. 如申請專利範圍第3項之設備，其中每一相位位移器則以 一隔離距離相間地並排配置。 .種用以將一光學訊號從第一輸入存取波導切換至第一選 定輸出存取波導之方法，該第一輸入存取波導及一組輸出 存取波導則連接至一ΜΜΙ波導的第一側， 產生一第一組Ν個，自我影像於ΜΜΙ波導的第二側其中
    539878 ABCD
    六、申請專利範圍 N為一整數，該一影像係出現在輸入存取波導處， 其特徵在於 調整第二側的自我影像的每一第一組的相位以符合自我 影像的第二組的相位分佈，其係出現來自一選定輸出存取 波導處一影像的第二側，及 反射朝向第一側的自我影像的第一組。 12.如申請專利範圍第11項之方法，另包含調整位於第二側之 自我影像的位置處之Μ個相位位移器的反射指標的步驟， 其中Μ為一整數。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之方法，另包含用以調整平行 ΜΜΙ波導内光傳遞方向的方向之Μ個相位位移器的位置之 步驟，該相位位移器則配置於第二側處每一自我影像的位 置。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）
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