一种反射式阵列波导调制型光开关

摘要

一种反射式阵列波导调制型光开关，由输入/输出波导阵列、平板波导区、调制波导阵列、调制器阵列、反射镜阵列、可调光衰减器阵列等基本单元构成。输入/输出波导阵列，平板波导区，调制波导阵列依次以锥形波导直接耦合连接，可调光衰减器阵列制作在输入/输出波导阵列上，调制器阵列制作在调制波导阵列上，反射镜阵列制作在调制波导阵列的末端。输入光信号由平板波导区耦合进调制波导阵列，并经反射镜阵列的反射，在调制波导阵列中实现两次调相，从而使不同调制波导中的光信号产生相位调制。不同相位的光信号在平板波导区实现多光束干涉，控制光束输出到指定的输出波导，实现1×N光开关功能。且可构成N×1光开关或N×N光开关阵列。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信和光信号处理中应用的反射式阵列波导调制型1×N光开关，主要用于实现光传输线路或集成光路中的光信号相互转换或逻辑操作。

背景技术：

光开关与光开关阵列是光纤通信系统中关键的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是数据通信和密集波分复用(DWDM)系统的应用，全光网络(AON)已经成为网络发展的趋势，复杂的网络拓扑对可靠、灵活的网管产生了强烈的要求。DWDM在骨干网、城域网和接入网的应用对具有交换功能的光开关的需要更加迫切。光域优化、路由、保护和自愈等网络功能已成为全光网的关键技术，这一切都离不开光开关。

现在已报道了采用微光机电(MOEMS)技术、液晶技术、全息光栅技术、气泡技术，波导调制技术等各种技术的光开关。其中波导光开关开关速度快，一般在微秒到亚微秒量级，且易于集成大规模的开关阵列。尤其在光集成和光计算等领域，波导光开关已经成为取得突破的关键技术。现已报道的波导光开关通常利用Y型结构(专利公开号：CN 1279406A)和多模干涉(MMI)结构(严清风等，4×4区域调制多模干涉耦合SOI光波导开关的设计，半导体光电，2002，Vol.23 No.3：p174-p177)，这类光开关的问题是：单个器件输入输出端少，实现多端口交叉互连时要通过多级串连构成光开关阵列，所需器件多，阵列结构复杂，相应增大插入损耗，串扰加剧，降低了开关性能；开关隔离度一般都不高；有些结构如Y型结构器件结构不紧凑，尺寸很难做小。

发明内容：

本发明提供一种反射式阵列波导调制型1×N光开关结构，用于实现多端口，低损耗，高隔离度的波导光开关。

本发明提供一种反射式阵列波导调制型光开关，它由输入/输出(I/O)波导阵列，平板波导区，调制波导阵列，可调光衰减器阵列，调制器阵列和反射镜阵列六个结构单元构成。输入/输出(I/O)波导阵列，平板波导区，调制波导阵列依次以锥形波导直接耦合连接，可调光衰减器阵列制作在输入/输出(I/O)波导阵列上，调制器阵列制作在调制波导阵列上，反射镜阵列制作在调制波导阵列的末端。输入/输出(I/O)波导阵列包含一条输入波导和N条输出波导，其中输入波导位于输入/输出(I/O)波导阵列的中心，和输出中心波导错开半个波导间距，输入/输出(I/O)波导阵列与平板波导区的耦合端面做成锥形波导，锥形波导的锥形口宽度小于或等于波导间距。平板波导区做成罗兰圆结构，调制波导阵列中调制波导是直波导，调制波导做得足够长以提供必需的调制长度，波导间距逐渐增大以提供制作调制器阵列所需空间，调制波导数目大于或等于输出波导数N，调制波导数目要取一个适当值，波导数目太多会造成波导长度过大，增加器件尺寸和调制波导的传输损耗；波导数目太少会增加平板波导区和调制波导阵列的耦合损耗，调制波导阵列与平板波导区的耦合端面也要做成锥形波导，锥形波导的锥形口宽度小于或等于波导间距。在输入/输出(I/O)波导上制作可调光衰减器阵列，可调光衰减器的制作方案可以是：利用Si的等离子色散效应，由PN结载流子电注入实现光功率的吸收，达到可调衰减的目的；利用Si的等离子色散效应，由PN结载流子光注入，产生大量光生载流子，对光信号实现功率吸收，达到可调光功率衰减的目的。在调制波导阵列上制作调制器阵列，调制器阵列的实现方法很多，可以是：电光调制，所用的波导材料为LiNiO₃材料或III-V族材料；热光调制，所用的波导材料为SiO₂材料、聚合物材料或SOI材料；载流子注入调制，所用的波导材料为Si或SOI材料，通过PN结的电注入或光注入实现光调制以及其它可能的调制方式。在调制波导阵列的末端制作反射镜阵列，反射镜阵列位于调制波导阵列和平板波导区交界端面圆的同心圆上，以避免由于调制波导长度不同造成光程差，反射面阵列的背面要镀上增反射膜，反射镜阵列构成一个圆弧反射镜。光信号由输入波导输入到平板波导区，输入波导与平板波导区的锥形波导耦合端面，可以减少输入/输出(I/O)波导阵列与平板波导区的耦合损耗，增加接受光信号端口大小，减少模式转换损耗。平板波导区将光信号均匀耦合进调制波导阵列，调制波导阵列与平板波导区的锥形波导耦合端面，可以减少调制波导阵列与平板波导区的耦合损耗，增加接受光信号端口大小，减少模式转换损耗。调制器阵列对调制波导阵列中的光信号实现相位调制，形成相位差。光信号在反射镜阵列实现反射，反射镜阵列背面的增反射膜可以增大反射效率，减少反射损耗。光信号经反射镜阵列反射后，又在调制波导阵列中由调制器阵列实现二次调制，相位差进一步变大。当光信号由调制波导阵列耦合进平板波导区时，不同相位的光信号在平板波导区发生多光束干涉，根据多光束干涉原理，通过控制相位差可以控制光束输出到指定的输出波导，达到光信号切换的目的，平板波导区与输出波导阵列的锥形波导耦合端面，可以减少平板波导区与输出波导阵列的耦合损耗，增加接受光信号端口大小，减少模式转换损耗。可调光衰减器阵列用于衰减非指定波导中的光功率即串扰光信号，从而进一步增大光开关的隔离度，其作用相当于一个1×1光开关阵列。器件做在同一衬底上，衬底材料与波导和调制器所用材料有关。

根据本发明提供的光开关，采用阵列波导调制的方式，实现多端口的1×N光开关，N可以做到几十甚至上百。本发明区别于AWG器件，其采用反射式阵列波导调制，调制波导为直线波导，避免了AWG器件阵列波导弯曲部分的复杂几何设计，且由于无弯曲部分，没有弯曲损耗，光程长度易于控制，提高了器件性能；输出端集成可调光衰减器阵列，解决了波导光开关隔离度不高的问题。可以制作端口数多，性能好的波导光开关。

另外，如果将该1×N光开关的输入/输出(I/O)波导分别作为新开关的输出和输入波导，则构成N×1光开关。本发明所述的光开关还可以通过全连接方法，实现N×N光开关功能。例如，N个所述的1×N光开关和N个所述的N×1光开关可组成一个N×N光开关阵列，用于光网络的交叉连接(OXC)。各个光开关之间连接的方式可以是光波导连接或光纤连接。

附图说明

下面结合附图对本发明的原理和优点进行更详细的说明。

图1为通常的1×N波导光开关结构示意图，11为分光器，一般用Y型结构和MMI结构；12为调制器；13为耦合器，一般用3dB耦合器或MMI结构。这类波导光开关一般端口数较少(N≤4)，并且存在隔离度不高的问题。

图2为由1×2光开关构成的1×32光开关阵列的示意图，由示意图可以看出，一个1×32光开关阵列，要由31个1×2光开关经由5级串接得到，其插入损耗等于5级插入损耗之和，故插入损耗增大，串扰加剧，大大降低了器件性能。

图3为通常的阵列波导光栅(AWG)结构示意图。31为输入波导，32为平板波导，33为阵列波导，34为输出波导。AWG器件具有结构紧凑，易于集成，易于封装等优点，缺点是阵列波导弯曲部分的几何设计复杂，工艺实现难度大。

图4为根据本发明的反射式阵列波导调制型光开关的结构示意图。41为输入/输出(I/O)波导阵列，42为可调光衰减器阵列，43为平板波导区，44为调制波导阵列，45为调制器阵列，46为反射镜阵列。

图5为图4所示光开关中输入/输出(I/O)波导阵列与平板波导区耦合端面的锥形波导示意图。41为输入/输出(I/O)波导阵列，43为平板波导区，51为输入/输出(I/O)波导阵列与平板波导区耦合端面的锥形波导。

图6为图4所示光开关中平板波导区与调制波导阵列耦合端面的锥形波导示意图。43为平板波导区，44为调制波导阵列，61为平板波导区与调制波导阵列耦合端面的锥形波导。

具体实施方式

实施例1：如图4所示实施例中，反射式阵列波导调制型1×N光开关以SOI材料做衬底，输入/输出(I/O)波导阵列41包含1条输入波导和N条输出波导，其中输入波导位于输入/输出(I/O)波导阵列的中心，和输出中心波导错开半个波导间距。输入/输出(I/O)波导阵列与平板波导区的耦合端面做成锥形波导，锥形波导的锥形口宽度等于波导间距。平板波导区43做成罗兰圆结构，与输入/输出波导阵列和调制波导阵列相连接。调制波导阵列44中调制波导是直波导，调制波导做得足够长以提供必需的调制长度，波导间距逐渐增大以提供制作调制器阵列所需空间，调制波导数目大于或等于输出波导数N，调制波导数目要取一个适当值，波导数目太多会造成波导长度过大，增加器件尺寸和调制波导的传输损耗；波导数目太少会增加平板波导区和调制波导阵列的耦合损耗，调制波导阵列与平板波导区的耦合端面也要做成锥形波导，锥形波导的锥形口宽度约等于波导间距。调制器阵列45在调制波导上制作。调制器阵列用热光调制方法实现；反射镜阵列46位于调制波导阵列和平板波导区交界端面圆的同心圆上，反射镜阵列的背面要镀上增反射膜，反射镜阵列构成一个圆弧反射镜。可调光衰减器阵列42在输入/输出波导阵列上制作，可调光衰减器利用Si的等离子色散效应，在调制波导上制作PN结，通过载流子电注入实现光功率可调衰减。

在本实施例中提供的反射式阵列波导调制型光开关中，输入/输出(I/O)波导阵列与平板波导区耦合端面的锥形波导51锥形口宽度约等于波导间距(如图5所示)。

在本实施例中提供的反射式阵列波导调制型光开关中，平板波导区与调制波导阵列耦合端面的锥形波导61锥形口宽度约等于波导间距(如图6所示)。实施例2：将本发明提供的1×N光开关的输入/输出(I/O)波导分别作为新开关的输出和输入波导，构成N×1光开关。

实施例3：将N个本发明提供的1×N光开关和N个本发明提供的N×1光开关全连接，构成N×N光开关阵列，具体连接方法是：N个1×N光开关的输入波导作为N×N光开关阵列的输入波导阵列，第一个1×N光开关的N条输出波导分别和N个N×1光开关的第一条输入波导连接，第二个1×N光开关的N条输出波导分别和N个N×1光开关的第二条输入波导连接，第三个1×N光开关的N条输出波导分别和N个N×1光开关的第三条输入波导连接，……，依此类推，第N个1×N光开关的N条输出波导分别和N个N×1光开关的第N条输入波导连接，N个N×1光开关的输出波导作为N×N光开关阵列的输出波导阵列。