基于阵列波导光栅结构的聚合物波导光开关阵列

摘要

基于阵列波导光栅结构的聚合物波导光开关阵列涉及一种单波长的聚合物材料波导光开关阵列器件，该波导光开关阵列中：输入平板波导(12)的输入端与输入波导(11)的输出端连接，输入平板波导(12)的输出端连接由弯曲波导组成的阵列波导光栅(13)的输入端；在阵列波导光栅(13)的顶部设有电流控制的电极组(16)，在电极组的两端连接有电流输入引线(18)和电流输出引线(19)共同构成温度控制装置，输出平板波导(14)的输入端与阵列波导光栅(13)的输出端连接，输出平板波导的输出端接输出波导(15)的输入端，该器件在同一个波长的信号输入下，通过不同电流的控制，实现光开光阵列的功能。此器件将减小常规级联结构光开关阵列的尺度，简化器件的驱动装置。

说明书

发明领域

本发明主要涉及1×N热光型以及电光型波导光开关阵列，涉及聚合物波导光开关阵列制造的技术领域，

背景技术

集成波导结构光开关被广泛应用于光通信的光交换系统、光路监控与维护系统、数据网络、光纤传感器系统以及光纤测量系统等。集成波导结构光开关的工作机理一般是利用热光效应或者电光效应来改变光波导介质的折射率，实现控制光路通断或者改变光传播方向的功能。根据不同的调制机理，采用电流驱动或者电压驱动方式。有机聚合物集成光开关是一类新型的集成波导光开关。由于运用了有机聚合物材料，而使得器件设计和制作有了较大的灵活性。同时由于有机聚合物材料价格低而有利于降低器件成本。加之有机聚合物材料的热光效应比较显著，非常适合于制备聚合物热光型光开关。特别的如果能够应用聚合物材料的大电光效应作为开关机理，还可以大大提高开关响应速度。

近年来，随着DWDM和全光通信网的发展，已经出现大端口数的光开关阵列或大规模光开关阵列，用以构成光纤交换器和波长交换器。人们对集成光开关阵列进行了大量的研究和开发。常见的光开关阵列中所包含的光开关单元类型包括：全反射型(TIR)、X结与Y结数字型(DOS)、定向耦合器型(DC)以及马赫-曾德尔干涉型(MZI)等。目前常见的1×N规模光波导开关阵列就是由1×2热光型或电光型单元结构级联发展而成的。采用这种传统级联结构的光波导开关阵列，由于必须进行逐级的电压或电流驱动控制，存在器件控制装置复杂，体积庞大等问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种利用聚合物热光效应或电光效应材料研制电流驱动简单、结构紧凑、尺寸小的基于阵列波导光栅结构的聚合物波导光开关阵列。

技术方案：本发明的基于阵列波导光栅结构的聚合物波导光开关阵列包含1个输入波导、一个输入平板波导、由M个弯曲波导组成的阵列波导光栅结构、一个输出平板波导、N个输出波导，以及一组电极构成的电极组。其中：输入平板波导的输入端与输入波导的输出端连接，输入平板波导的输出端连接由弯曲波导组成的阵列波导光栅的输入端；在阵列波导光栅的顶部设有电流控制的电极组，在电极组的两端连接有电流输入引线和电流输出引线共同构成温度控制装置，输出平板波导的输入端与阵列波导光栅的输出端连接，输出平板波导的输出端接输出波导的输入端，该器件在同一个波长的信号输入下，通过不同电流的控制，实现光开光阵列的功能。

所述的电极组为电压控制时，由电压控制电极组及其正电极引线和下电极共同构成的电压控制装置，该器件在同一个波长的信号输入下，通过不同电压的控制，实现光开光阵列的功能。阵列波导光栅中的相邻波导之间长度差为一个恒定的常数。电流控制电极组或电压控制电极组中的相邻电极的长度差等于阵列波导光栅中的相邻波导之间的长度差。

输入波导、输入平板波导、阵列波导光栅、输出平板波导以及输出波导阵列所选择的材料为具有较大热光系数的聚合物材料，对应的电极组选择电流控制的加热电极组时，电极组中的各电极的两端分别与电流输入引线及电流输出引线相连接，电流从电流输入引线注入电极组，并从电流输出引线流出，共同构成一个温度控制装置。对应的电极组选择电压控制的电极组时，电极组中的各电极的正电极与正电极引线相连接，下电极接地，共同构成一个电压控制装置。

普通的阵列波导光栅结构是利用不同入射波长在阵列波导结构中引起色散，导致输出光产生相位差，具有相位差的光波会在不同的位置成像从而使得不同波长的光聚焦在不同的输出位置上。在本发明中采用唯一的入射波长，也就是在不改变温度或者电压的前提下，光信号的输出位置是恒定不变的。

如果通过注入电流精确的调整热光型阵列波导的温度变化，会造成阵列波导结构折射率发生改变。虽然电极组上温度改变大小一致，但由于电极长度差会使光在阵列波导的相位差发生改变，从而也将导致输出光束成像的位置改变。即可以实现在同一入射波长下，随着温度的变化，输出光信号将从N个不同的输出波导中输出，实现1×N光开关阵列的功能。

如果通过改变电压精确的调整电光型阵列波导的相位变化，也将导致输出光束成像的位置改变。即可以实现在同一入射波长下，随着电压的变化，输出光信号将从N个不同的输出波导中输出，实现1×N光开关阵列的功能。

有益效果：采用本发明所设计的器件结构，统一进行电流或电压的控制。有效的避免了传统逐级的电压或电流驱动控制所造成的装置复杂问题。加之电极组不再以传统的级联串行结构出现，而是类似于并联结构。因此可以大大减小器件的整体长度，缩小器件的整体尺寸，电流驱动简单、结构紧凑、尺寸小。

附图说明

图1为本发明结构的热光效应光波导开关阵列结构示意图。

图2为图1中电极组16的局部放大顶视图。

图3为图2中纵向剖面示意图。

图4为本发明结构的电光效应光波导开关阵列结构示意图。

图5为图4中电压控制的电极组17的局部放大俯视图。

图6为图5中纵向剖面示意图。

图7为本发明结构的热光效应1×N型光波导开关阵列输出插损特性示意图。

以上的图中有：输入波导11，输入平板波导12，阵列波导光栅13，输出平板波导14，输出波导阵列15，电极组16，电流输入引线18，电流输出引线19，电压控制的电极组17，正电极引线20，下电极21。

具体实施方式

图1是根据本发明的一种光开关阵列具体实施例的示意图。该装置包括输入波导11，一组输出波导15，以及一个输入平板波导12、一个输出平板波导14、由一组长度差恒定的弯曲波导组成的阵列波导光栅13、以及一组长度差恒定的电极组16组成。其中：输入平板波导12的输入端与输入波导11的输出端连接，输入平板波导12的输出端连接由弯曲波导组成的阵列波导光栅13的输入端；在阵列波导光栅13的顶部设有电流控制的电极组16，在电极组16的两端连接有电流输入引线18和电流输出引线19共同构成温度控制装置，输出平板波导14的输入端与阵列波导光栅13的输出端连接，输出平板波导14的输出端接输出波导15的输入端，该器件在同一个波长的信号输入下，通过不同电流的控制，实现光开光阵列的功能。

我们所设计的热光型光开关阵列采用了普通阵列波导光栅的结构，光信号从输入波导11中输入，经由输入平板波导12，后进入阵列波导13中，由于阵列波导结构中波导的长度不相等，因此当光从阵列波导结构中输出时，彼此之间会产生不同的相位差。假设相邻阵列波导长度差为ΔL，波长为λ的光信号入射时可以得到光栅方程：