低串扰数字光开关

摘要

本发明公开了一种低串扰数字光开关。由一个Y分叉波导数字光开关和分别与Y分叉波导数字光开关两端相连的S弯曲波导型可变光衰减器集成构成。利用材料的负折射率效应，在不增加器件长度和复杂结构的前提下，大大提高开关光的开关特性。并可扩大Y分叉的角度，同时对Y分叉区域进行结构修正，降低了工艺难度。根据BPM法(光束传输法)模拟分析，本发明的数字光开关具有低串扰、插入损耗小，偏振相关性小，波谱平坦性好，易于集成等优点。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种光学元器件，特别是涉及一种低串扰数字光开关。

背景技术

随着光纤通信技术和密集波分复用(DWDM)系统的飞速发展，数字光开关(DOS)作为重要的光波导器件，得到了越来越广泛的应用。常见的光开关有马赫-增德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型、方向耦合器型、X结型、Y分叉型等，其中Y分叉型数字光开关更为人们关注，然而通常Y分叉角度设计的非常小，一般控制在在0.05° 0.15°

开关的结构入手，设计出具有某些优良性能参数的开关器件，如采用与可变光衰减器(VOA)集成为一种有效的方法，可大大提高开关的消光比。

普通Y分叉型1×2DOS的输出波导末端一般有一段S型弯曲的过渡波导，将输出光引出并便于同标准光纤阵列耦合。根据弯曲波导理论，波导弯曲区域的切面上折射率不是成阶跃型，而可以等效为向外倾斜的分布，当距离向外侧增大时，包层的折射率不断增加，甚至比核芯区的更大，电磁场分布也会向折射率增大的方向平移，所以产生辐射损耗。另外，常规的Y分叉数字型光开关，由于是利用模式耦合分离的原理来实现开关功能，从而分叉角α需要非常小，一般在0.05°0.15°

发明内容

根据弯曲波导易产生辐射损耗，并利用材料的负折射率效应可制作成弯曲型光可变衰减器的特点，本发明的目的是提供一种低串扰数字光开关。直接利用Y分叉DOS型开关输出波导的S形弯曲过渡波导，并将其弯曲波导设计成S形弯曲波导可变光衰减器(VOA)，形成与该Y分叉1×2DOS的集成。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：由一个Y分叉波导数字光开关和分别与一个Y分叉波导数字光开关两端相连的S弯曲波导型可变光衰减器集成构成。

S弯曲波导型可变光衰减器依次由连接波导经锥形过渡波导、S弯曲波导、另一锥形过渡波导与另一连接波导连接，S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极分别位于S形弯曲的曲率半径小的一侧；在波导边缘一侧的电极边缘距S形弯曲波导边缘距离为±1微米，两侧的S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极分别同Y分叉波导数字光开关部分电极相串联。

Y分叉波导数字光开关的分叉角α在0.3-1.0°，并在分叉处填去分叉角填充部分，其顶部宽度d为1.5-2μm。

本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：

本发明在不增加器件长度和复杂结构的前提下，大大提高开关光的串扰特性。并可扩大Y分叉的角度，同时采用过对分叉区域进行结构修正，降低了工艺难度。根据BPM法(光束传输法)模拟分析，这种新型的数字光开关具有低串扰、插入损耗小，偏振相关性小，波谱平坦性好，易于集成等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是该开关光用BPM法模拟的效果图；

图2是本发明的数字光开关结构示意图；

图3是本发明的数字开关光Y分叉部分结构示意图；

图4是本发明的数字开关光中S弯曲波导可变光衰减器部分结构示意图；

图5是图2的C-C剖面示意图；

图6是图2的D-D剖面示意图。

图中：1、Y分叉波导数字光开关，2、S弯曲波导型可变光衰减器，3、输入波导，4、分叉角填充部分，5、Y分叉波导数字光开关部分电极，6、Y分叉部分波导，7、连接波导，8、锥形过渡波导，9、S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极，10、S弯曲波导，11、硅或玻璃衬底，12、波导包层(即包括上下限制层)。

具体实施方式

如图2所示，由一个Y分叉波导数字光开关1和分别与一个Y分叉波导数字光开关1两端相连的S弯曲波导型可变光衰减器2集成构成。

如图4所示，S弯曲波导型可变光衰减器2依次由连接波导7经锥形过渡波导8、S弯曲波导10、另一锥形过渡波导8与另一连接波导7连接，S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极9分别位于S形弯曲的曲率半径小的一侧；在波导边缘一侧的电极边缘距S形弯曲波导边缘距离为±1微米，两侧的S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极9分别同Y分叉波导数字光开关部分电极5相串联。

如图3所示，Y分叉波导数字光开关1的分叉角α在0.3-1.0°，并在分叉处填去分叉角填充部分4，其顶部宽度d为1.5-2μm。

图5是图2中C-C’处波导结构的剖示图，在硅或玻璃基底11上，分别制作波导包层12(含上下限制层)，S弯曲波导10的芯层和S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极9。

图6是图2中D-D’处波导结构的剖示图，在硅或玻璃基底11上，分别制作波导包层12(含上下限制层)，Y分叉部分波导6的芯层和Y分叉波导数字光开关部分的电极5。

以采用有机聚合物材料，利用其热光效应来开关光功能实现为例。

按照图2、5、6的器件和结构设计，在硅或玻璃基底上，利用常规的有机聚合物波导旋涂成膜的制作工艺完成该器件制作。对于波长为1.55μm的光波，波导的折射率为n＝1.529/1.521(TE/TM模)，芯层、覆盖层折射率差为Δn＝0.005，热光系数为-2.5×10^-4/K^-1，下限制层厚10μm，芯层厚度为7μm，芯层与覆盖层总厚19μm。在Y分叉后紧接一个S弯曲波导，Y分叉区波导和输入、连接波导宽度选取7μm，S形弯曲部分的波导宽度选取5μm，Y分叉区波导与S形弯曲部分的波导通过1000μm的锥形波导过渡，S形弯曲部分的曲率半径大于6000μm。Y分叉角为α＝0.4°Y分叉尖角部分填补修正d＝1.5μm，Y分叉的末端间隔L＝20μm；电极可采用铬-金双层金属电极，厚度约200-300nm，Y分叉部分的电极分为两部分，宽度与波导相同，A区的电极与波导的夹角为α，B区的电极与波导平行，其中各电极的长度和具体位置与器件所用材料性质和α角度有关。S弯曲波导的弯曲的内侧各设计串联电极，电极外侧边缘同波导的内侧基本重合，并同Y分叉部分电极串联一起。

S弯曲波导部分有二个作用，一是将输出端分开到能与光纤阵列耦合的距离，另一作用就是起到可变光衰减器的功能。当右侧电极作用时，首先利用Y分叉的模式分离原理，将绝大部分光能量耦合到左侧的波导，剩余的极少部分光能量进入S形弯曲波导，此时再利用S弯曲波导的电极作用，在波导的垂直方向产生温度梯度，由于聚合物材料的负热光系数，形成相应的垂直方向的折射率梯度，使得折射率分布向外倾斜更厉害，水平方向上的光能量发生严重的泄漏，剩余的这极少部分光能量通过S弯曲波导结构的可变光衰减器衰减掉，这样便可以大大提高光开关的消光比性能。图1为采用BPM法模拟的光开关效果图。

Y分叉的作用主要完成能量的分配，高消光比的性能主要通过可变光衰减器来实现，故它Y分叉角度可以放大一些，同时考虑到工艺制作的问题，在分叉处填去尖角部分，使其顶部宽度在一般波导制作光刻工艺易实现的宽度，如1.5μm，利用BPM(光束传输法)模拟分析表明，这一修正引起的插入损耗的增加仅仅0.15dB左右。Y分叉的末端间隔(L)设计在20μm，此时分叉两端产生相互耦合很小，这样可缩短Y分叉波导长度。