平面单片集成声光波长路由光开关

摘要

本发明公开了一种平面单片集成声光波长路由光开关，包括一平面光波导芯片以及位于芯片两端的输入/输出光纤阵列，芯片上设置有两个波导透镜和一个指换能器组，它们通过光路连接；计算机芯片选通超声电源为相应叉指换能器加电并在波导中激励出声光栅，于是通过声光互作用就可使得从M个入射端口中任一端口入射的λ1、λ1、λ2、......λN这N个波长的波分复用光信号按照波长路由原则定向到N个不同的输出光纤端口；其特点是：采用了波导透镜光路和声光布拉格光栅偏转机构，整个器件为单片集成波导结构，具有一个或多个可选择的传输端口，结构紧凑，集成度高，开关速度快，工艺重复性好，可以提高成品率和性价比。

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域与集成光电子领域，涉及一种基于声光效应的平面单片集成声光波长路由光开关。

背景技术

从高速光纤通信网络系统到光纤测量系统，光开关都是其关键部件，用以实现光在网络光路中的信道切换与路由选择。在信息爆炸的今天，由于波分复用技术的迅速发展，用于路由选择，特别是波长路由选择的光开关，在超高速、超大容量光通信系统的智能化方面需求日益迫切。

当前，光开关可分为非集成空间光开关和集成光波导光开关(IOWS)两大类。IOWS克服了非集成型光开关体积大、开关速度慢、回跳抖动等缺陷，符合系统集成化与小型化趋势，最有发展潜力。IOWS主要有电光型和声光型两种基本结构。电光型采用电光效应理论，开关速度快，但其基本单元大都是1*2或2*2型方向耦合器(条波导结构)，多路开关都由这一结构单元重复累加、级联而形成，成品率低、成本高、难以实现批量生产。集成声光型光开关采用声光效应原理，但目前大都是声光可调滤波器(AOTFs)结构，选通通道数极少，只有通过级联或与波分复用器等配合使用才能实现多路波长路由功能，同时由于建立在条形光波导基础上，存在结构与工艺复杂、成本极高且难以实现批量生产等问题，因而只适合进行光信号上/下路，但不适合作多路波长路由光开关。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于声光效应的结构紧凑、集成度高、高速、工艺重复性好、性价比高的多通道平面单片集成声光波长路由光开关。

为了实现上述目的，申请人在声光效应中发现，声光效应具有可实现1*N基本结构的优势，已实现的声光频谱分析仪中正是利用了这一特性。申请人的技术方案的解决思路是，将声光效应特性用于波长路由光开关的设计，并与波导透镜结合，可以得到一类多通道平面单片集成声光波长路由光开关。

本发明的技术解决方案是，一种平面单片集成声光波长路由光开关，包括：一平面光波导芯片，其特征在于，芯片的两端设置有M端口的输入光纤阵列和N端口的输出光纤阵列，芯片的平面光波导芯片的衬底上的平板光波导上设置有第一光波导透镜和第二光波导透镜，两波导透镜之间设置有叉指换能器形成的叉指换能器组，第一光波导透镜、叉指换能器和第二光波导透镜之间依次通过平板光波导光路连接；从M端口输入光纤阵列的任一入射端入射的不同波长的光，首先经过波导透镜扩束，又经过被由计算机芯片编程选通的超声电源加电的叉指换能器激励出的声光栅后得到偏转，最后偏转光束经过波导透镜按照波长路由原则定向到N端口输出光纤阵列的对应输出端。

本发明的其它一些特点是，所述输入光纤阵列和输出光纤阵列与平板光波导之间通过对接耦合方式连接。输入光纤阵列的端口数M可取从1到N之间的各个值，且每一端口输入的都是包含λ₁、λ₂、……λ_N的N波长波分复用光信号。

所述叉指换能器的加电由计算机芯片编程选通的超声电源的输出端口提供；加电叉指换能器不同，出射光端口即不同。

所述叉指换能器组包含若干个叉指换能器，各叉指换能器的叉指结构参数、指对数、所加激发声场频率可以相同或者不同，且各叉指换能器的结构及空间相对位置由光路设计确定。

所述的第一光波导透镜和第二光波导透镜均采用口径大、像差小的波导透镜。

本发明的平面集成声光波导多通道波长路由光开关，采用声光效应特性，可以降低开关的工艺难度、降低成本、提高成品率，有利于批量生产的实现；同时与现有机械开关相比，开关速度大大提高。

附图说明

图1是本发明的整体简图；

图2是本发明的芯片结构示意图；

图3是叉指换能器的一种结构示意图；

图4是本发明的一个实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见附图1～2，多通道平面单片集成声光波长路由光开关，包括：一平面光波导芯片2，其两端设置有M端口的输入光纤阵列1和N端口的输出光纤阵列3，平面光波导芯片2的平面光波导4上设置有第一光波导透镜5和第二光波导透镜7，两光波导透镜之间设置有若干个叉指换能器6组成的叉指换能器组，第一光波导透镜5、叉指换能器6和第二光波导透镜7依次通过平板光波导4光路连接；从M端口输入光纤阵列1的任一入射端ini入射的不同波长的光先经过波导透镜5，再经过由计算机芯片9选通超声电源8输出端口而加电的叉指换能器6所激励出的声光栅，继而进入波导透镜7，按照波长路由原则被定向到N端口输出光纤阵列3的不同输出端。

M端口输入光纤阵列1的每一端口输入的都是N波长波分复用光信号。

由入纤1来的光线的行程为：入射光纤端口→平板波导4→第一波导透镜5→平板波导4→加电叉指换能器6形成的声光栅→平板波导4→第二波导透镜7→平板波导4→输出光纤端口3；经波导透镜扩束后的光线在经过声光栅时，不同通道的光被衍射到不同方向，它们被第二个波导透镜聚焦后进入不同输出光纤端口。

叉指换能器组由若干个叉指换能器6组成，改变加电叉指换能器6的组合，可改变出射光到达N端口的输出光纤阵列3的不同端口。

波分复用光线从N端口输入光纤阵列1中的某一通道入射后经过平板光波导4，进入波导透镜5，其中波导透镜5的焦距位于输入光纤阵列上，因而入射光被扩束，成为展开的平行光束；

若干个叉指换能器6中被外电路选通的某几个激发叉指所激发的声表面波与扩束后的平行光束相互作用，使得不同入射端、不同波长的光被衍射而形成沿不同方向传输的平行光束；通过计算机芯片9选通超声电源8为叉指换能器6加电，不同的加电叉指换能器组合对应不同偏转方向。

偏转后的平行光束经平板波导传输到第二个波导透镜7后，被其聚焦，形成不同的出射光点，进入到输出光纤阵列3的不同端口。

器件综合应用了宽口径的波导透镜和大偏转能力的声光光栅，形成一种单片集成的非条形波导主结构。

参见图3，所述叉指换能器组6由若干个叉指换能器组成，各叉指结构参数(包括指宽a、指间距b)、指对数n、叉指换能器个数K、各叉指上所加激发声场频率f可以相同或者不同。叉指换能器的内部结构参数及各叉指换能器的空间相对位置由光路设计确定。经光路设计确定叉指换能器组内各叉指的结构参数及相对位置后，通过外部控制电路选通所需的叉指换能器组合，外部电路采用计算机芯片，通过编程就可控制从任一入射端口入射的N个波长的波分复用光按照波长路由原则定向到N个不同的输出端；如图是一种指宽a和指间距b相等，且均等于声波长的1/4的叉指换能器，abab构成一个指对。

图4是一个2端口2波长输入、2端口输出的波长路由光开关。图中，波导透镜采用光波导短程透镜，叉指换能器采用指间距与指宽相等的叉指换能器组。波长λ₁＝1550nm、λ₂＝1310nm的波分复用光沿间距250μm的入射光纤端口in1、in2射入开关芯片的平板光波导中，之后进入口径直径为5mm，焦距为4mm的光波导短程透镜，被展开为平行光束，之后被A、B两个叉指换能器激励的声光栅偏转，A组换能器指宽a＝b＝2.9μm，指长L＝2mm，指对数n＝50，驱动电源频率f₁＝300MHz；B换能器叉指宽度a＝b＝2.4μm，长L＝2mm，指对数n＝50，所加频率f₂＝350MHz。若计算机芯片选通叉指换能器A与B，则in1端口的λ₁光进入out1，λ₂光进入out2；同时in2端口的λ₁光进入out2，λ₂光进入out1，实现了波分路由功能。