专利名称：：单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关的制作方法
技术领域：
：本发明涉及光学开关器件，尤其涉及一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关。
背景技术：
：光学开关(Opticalswitches)是利用材料本身特性或外部调制，在一个或多个可选择的传输端口之间，对光传输线路或集成光路中的光信号进行切换或逻辑操作的器件。它广泛的应用于光纤通信，光互连与光网络，光学测量或传感等系统中，扮演信道切换的角色。集成光学光开关相对于传统机械式开关有集成度高、结构紧凑、高能量利用率、速度快等特点。传统集成空分型光开关常采用方向耦合型、MZ干涉型和全内反射型，由它们设计的开关数大于2的单个元件通常采用级联的方式获得。对于形成N×N开关矩阵来说，当增加开关规模时，常见单元开关2×2开关数与N的平方成正比而增加，由级联带来的弯曲、损耗问题也就随之而来，而且控制的电极数也大大增加。为满足大数据量的光学计算和通信的需要，增加开关阵列中单个开关元件的路数，提高开关性能尤为重要。3×3开关的引入不仅可以提高单个开关元件的路数，而且可以与2×2开关自由组合成丰富的矩阵开关。然而实现3×3开关或更多路数的常见方法以增加调制区个数和提高工艺难度为代价，附加工艺和调制区的引入势必增大开关损耗和串扰，降低消光比，延长开关时间，从而大大影响整体开关效果。此外，基于多模干涉原理的器件具备良好的级联重建和组合功能，能保持稳定的输出功率分配和空间输出状态，而且结构简单，原理清晰，设计方便，由它来构成光学开关具有很好的前景。
发明内容本发明的目的在于提供一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关。它利用多模波导的多模干涉产生重叠成像的原理，仅通过对单一单一调制区的相位调制，实现多模干涉型3×3光学开关器件。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是方案一一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，包括衬底基片、下限制层和芯层；所述的芯层是由三根输入波导、多模波导区和三根输出波导串联构成；单一调制区位于多模波导区上。所述的单一调制区位于多模波导区1/3或2/3纵向长度处，覆盖相邻重叠成像像点，且单一调制区对这两个像点调制的相位呈二倍关系。所述的单一调制区采用材料的多种物理效应调制相位，为光注入效应、热光效应、电光效应或载流子注入效应，不同的调制方法与物理效应和在像点处出现明显像差的长度决定单一调制区的内置。方案二另一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，包括衬底基片、下限制层和芯层；所述的芯层是由三根输入波导、两个多模波导区、三根连接波导、锥形过渡波导，三根输出波导和单一调制区构成；第一个多模波导的输入端通过各自的锥形波导接三根输入波导，三根连接波导分别通过两端锥形波导连接第一个多模波导的输出端与第二个多模波导的输入端，第二个多模波导的输出端的三根输出波导通过各自的锥形波导与输出波导连接，在三根连接波导中相邻的其中两根波导处组成一个单一调制区。所述的单一调制区位于相邻重叠成像像点延伸出的连接波导上，且单一调制区对这两个连接波导调制的相位呈二倍关系。所述的单一调制区采用材料的多种物理效应调制相位，为光注入效应、热光效应、电光效应或载流子注入效应，不同的调制方法与物理效应和在像点处出现明显像差的长度决定单一调制区外置。本发明具有的有益效果是本发明根据多模干涉器件的特性和像点间特殊的相位关系，实现了调制简单、控制电极数少、结构紧凑，损耗较小，信道数多，消光比高，制作容差大、宽频带的光学开关器件，在三维空间光互连、光网络、光计算、光信息处理等方面有广泛的应用前景，为设计密集的光开关阵列和光网络开辟了新的道路，具有重要的科学研究意义和应用价值。图1是由单一单一调制区调制像点实现3×3多模干涉光开关的基本原理图；图2是把图1所示开关的像点外延至连接波导后组成单一调制区的拓展图；图3是对应于图1的脊型截面的3×3多模干涉光开关的立体实施图；图4是对应于图2的脊型截面的3×3多模干涉光开关的立体实施图。图中a、b、c，为x＝Wmmi/3，0，-Wmmi/3处的输入输出端口和像点的编号；1，输入波导；2，多模波导；3，输出波导；4，单一调制区；5，第二个多模波导；6，连接波导；7，锥形波导；8，脊型截面；9，下限制层；10，衬底基片。具体实施例方式根据多模波导的自映像原理，图1中输入波导和所有的连接波导位置分别在WMMI/3，0和-WMMI/3处。文中用LMMI和WMMI分别标记多模波导的总长度和宽度。从任一输入端口激励起光强为单位1的光束，通过第一个长为LMMI/3＝Lπ＝4nrWeff2/3λ0的多模波导后在波导末端对应位置呈现三个像点，其中nr为多模区有效折射率，Weff为多模区有效宽度，λ0为工作波长。去除常数相位后，输入端口与像点之间的振幅与相位关系可以表示为矩阵乘法EaoutEboutEcoutz=Lπ=M(Lπ)EainEbinEcinandM(Lπ)=13exp0jπj4/3jπj4π/3jπj4π/3jπ0]]>Eain从a端口输入的场强，其它输入情况依次类推；M(Lπ)为振幅和相位的传递矩阵。在多模波导末端对三个像点进行相位调制后，再通过另一个长为2Lmmi/3的多模波导传输，整个级联MMI系统的传输特性可以表示为其中对角矩阵MMR表示对像点或连接波导调制的相位。由于相位调制的周期性，可以以某一像点的相位参考，比如固定a＝0，也就是不调制端口a所对应的、横坐标位于Wmmi/3处的像点或说是连接波导，而仅对其它两个波导调制即可，这样形成调制区。研究表明，无论哪一个输入端口被激发，改变b，c的不同相位组合，可以切换输出光到三个不同输出端口。比如光从端口a输入的光，通过第一个多模波导区后呈现功率相等的三个像点，其相对相位为(0，π，4π/3)，如果再对三个连接波导进行(0，2π/3，4π/3)的相位调制，并通过第二个多模波导后|Eaout|2∶|Ebout|2∶|Ecout|2＝0∶1∶0，从而把从端口a输入的光由输出端口c切换到输出端口b。同理，改变输入端口和调制相位的不同组合，可以得出下表的对应关系表格.不同相位调制下，输入输出端口的对应关系<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="540">相位调制(MMR)从a输入从b输入从c输入diag(0，0，0)从c输出从b输出从a输出diag(0，2π/3，4π/3)从b输出从a输出从c输出diag(0，4π/3，8π/3)从a输出从c输出从b输出</table></tables>比较表中第三行和第四行可以得出，对应的相位调制量呈现二倍关系。也就是说，固定第二个和第三个连接波导的相位调制量呈二倍关系，可以实现任何输入输出端口的开关组合。因此，可以对两个像点或调制波导同时进行调制，组成单一调制区。依据不同调制的物理效应，通过改变调制区形状可以获得波导间调制相位的二倍关系，比如当单一调制区的折射率变化均匀时，设计横T型的调制区使得对第二个连接波导的调制长度为第三个连接波导的调制长度的二倍。要精确而有效的调制像点的相位，必须在像点发散以前完成相位变化。在下列情况下可以采用如图2所示的拓展结构1)所采用的折射率调制的物理效应较弱，达到所需相位调制量，需要相对较长的调制区；2)过大的多模区折射率变化引起多模区材料很强的反射损耗或散射损耗，严重影响开关的消光比；3)当在单一调制区的物理效应扩散严重时，等效折射率的方法不适于描述折射率变化梯度等。图2中引入的锥形波导7有助于提高过渡区的耦合效率和减小反射损耗。实施例1如图3所示，本发明包括衬底基片10、下限制层9和芯层；所述的芯层是由三根输入波导1、多模波导区2和三根输出波导3串联构成；单一调制区4位于多模波导区2上。所述的单一调制区4位于多模波导区21/3或2/3纵向长度处，覆盖相邻重叠成像像点，且单一调制区4对这两个像点调制的相位呈二倍关系。所述的单一调制区4采用材料的多种物理效应调制相位，为光注入效应、热光效应、电光效应或载流子注入效应，不同的调制方法与物理效应和在像点处出现明显像差的长度决定单一调制区4的内置。当对单一调制区4调制时折射率变化均匀，调制区可以呈横T型，且对应两个调制波导的长度为二倍关系。实施例2如图4所示，本发明包括衬底基片10、下限制层9和芯层；所述的芯层是由三根输入波导1、两个多模波导区2，5、三根连接波导6、锥形过渡波导7，三根输出波导3和单一调制区4构成；第一个多模波导2的输入端通过各自的锥形波导7接三根输入波导1，三根连接波导6分别通过两端锥形波导7连接第一个多模波导2的输出端与第二个多模波导5的输入端，第二个多模波导5的输出端的三根输出波导3通过各自的锥形波导与输出波导3连接，在三根连接波导6中相邻的其中两根波导处组成一个单一调制区4。所述的单一调制区4位于相邻重叠成像像点延伸出的连接波导6上，且单一调制区4对这两个连接波导6调制的相位呈二倍关系。所述的单一调制区4采用材料的多种物理效应调制相位，为光注入效应、热光效应、电光效应或载流子注入效应，不同的调制方法与物理效应和在像点处出现明显像差的长度决定单一调制区外置。当对单一调制区4调制时折射率变化均匀，调制区可以呈横T型，且对应两个被调制的连接波导的长度为二倍关系。所述的多模波导所支持的模式数目一般在输入波导所支持的模式数目的至少三倍以上。所述的开关的波导截面不局限于脊型8，也可以是通道型，ARROW型，多层型，渐变折射率型等不同折射率分布截面。所述的实施例采用如下方案如图3和图4所示，在i-GaAs(100)衬底基片10上生长一层2.5μmAl0.07Ga0.93As下限制层9和一层1.5μmGaAs芯层。在GaAs表面刻蚀出0.6μm的脊型截面8。输入输出波导、连接波导的宽度均为6μm。多模波导宽度为30μm，两个多模波导的宽度分别为3250μm和6500μm。锥形波导宽度变化为1μm，长度为400微米。然后在芯层GaAs波导表面镀上一层Al膜作为光注入挡光材料，再在两个连接波导处腐蚀出大小分别为6μm×125μm和6μm×250μm的光注入窗口。总的注入区大小为16μm×250μm，这一尺寸足以保证注入有效的聚焦。实现所有开关态需要注入光所产生的波导折射率变化达到0.0085，而这一数值足以用光注入致折射率变化实现。本发明的实施方式很多，只要采用通常制作半导体器件的工艺过程及条件就可制成。在此以光注入调制的Al0.07Ga0.93As/GaAs脊型单一调制区3×3多模干涉开关为实施例，但决非仅限于此实施例。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。权利要求1.一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，包括衬底基片(10)、下限制层(9)和芯层，其特征在于所述的芯层是由三根输入波导(1)、多模波导区(2)和三根输出波导(3)串联构成；单一调制区(4)位于多模波导区(2)上。2.根据权利要求1所述的一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，其特征在于所述的单一调制区(4)位于多模波导区(2)1/3或2/3纵向长度处，覆盖相邻重叠成像像点，且单一调制区(4)对这两个像点调制的相位呈二倍关系。3.根据权利要求1或2所述的一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，其特征在于所述的单一调制区(4)采用材料的多种物理效应调制相位，为光注入效应、热光效应、电光效应或载流子注入效应，不同的调制方法与物理效应和在像点处出现明显像差的长度决定单一调制区(4)的内置。4.一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，包括衬底基片(10)、下限制层(9)和芯层，其特征在于所述的芯层是由三根输入波导(1)、两个多模波导区(2，5)、三根连接波导(6)、锥形过渡波导(7)，三根输出波导(3)和单一调制区(4)构成；第一个多模波导(2)的输入端通过各自的锥形波导(7)接三根输入波导(1)，三根连接波导(6)分别通过两端锥形波导(7)连接第一个多模波导(2)的输出端与第二个多模波导(5)的输入端，第二个多模波导(5)的输出端的三根输出波导(3)通过各自的锥形波导与输出波导(3)连接，在三根连接波导(6)中相邻的其中两根波导处组成一个单一调制区(4)。5.根据权利要求4所述的一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，其特征在于所述的单一调制区(4)位于相邻重叠成像像点延伸出的连接波导(6)上，且单一调制区(4)对这两个连接波导(6)调制的相位呈二倍关系。6.根据权利要求4或5所述的一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关，其特征在于所述的单一调制区(4)采用材料的多种物理效应调制相位，为光注入效应、热光效应、电光效应或载流子注入效应，不同的调制方法与物理效应和在像点处出现明显像差的长度决定单一调制区外置。全文摘要本发明公开了一种单一调制区控制的3×3多模干涉型光开关。由三根输入波导、多模波导区和三根输出波导串联构成；单一调制区位于多模波导区上。或由三根输入波导、两个多模波导区、三根连接波导、锥形过渡波导，三根输出波导和单一调制区构成；第一个多模波导的输入端通过各自的锥形波导接三根输入波导，三根连接波导分别通过两端锥形波导连接第一个多模波导的输出端与第二个多模波导的输入端，第二个多模波导的输出端的三根输出波导通过各自的锥形波导与输出波导连接，在三根连接波导中相邻的其中两根波导处组成一个单一调制区。本发明根据多模干涉器件的特性和像点间特殊的相位关系，实现了调制简单、信道数多，消光比高，宽频带的光学开关器件。文档编号G02B6/35GK1851507SQ20061005170公开日2006年10月25日申请日期2006年5月30日优先权日2006年5月30日发明者周海峰,江晓清,郝寅雷,杨建义,王明华申请人:浙江大学