专利名称：一种基于全内反射的1×n型波导光开关的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及光电信号处理技术，具体涉及基于全内反射的Y 分支波导结构所构成的IXN光开关。
背景技术：
光开关是一种重要的光子器件，可以实现光信号的通、断、系统保护倒换、系统检 测、信号路由、波长选择、光交叉连接、光分插复用和自愈等基本功能，在光信息处理、光计 算以及仪器仪表与传感等方面具有非常广阔的应用。目前，光开关的研究受到了国内外的 广泛关注和重视，其目标是实现速度快、消光比大、损耗低、偏振和波长依赖性小、易制作的 高性能光开关，以满足高速、大容量光网络的迫切需求。近年来，人们采用不同的材料、利用不同的物理效应和各种工作原理，提出了多种 光开关的实现方案。若按其结构形式，主要分为传统机械型光开关、微机械型光开关和波导 型光开关。传统机械型光开关和微机械型光开关主要用于自由空间中光束传播方向的切 换，难以用于集成光路光子系统中，且存在开关速度慢和可靠性差等缺点。波导型光开关是 指在集成光子系统中，采用光波导结构形式，通过外加控制信号来改变局部区域的折射率， 从而实现光在不同波导之间的切换。其局部折射率变化主要是基于热光效应、电光效应、载 流子注入效应来实现。波导型光开关由于无活动部件，不仅具有可靠性好的优点，还具有尺 寸小、速度快、易于集成和封装等优点。波导型光开关的主要结构类型有定向耦合型光开 关、多模干涉型光开关、光子晶体型光开关、Y分支DOS型光开关、全内反射型光开关。定向 耦合型光开关是通过调控波导耦合区的折射率来改变其耦合效率，以实现光开关功能；多 模干涉型光开关是基于自成像原理，通过对多模干涉区进行折射率调控，从而实现光开关 功能；光子晶体型光开关是通过调控光子晶体的折射率，调谐其禁带和通带光谱，从而实现 光开关功能。这些光开关的工艺容差通常很小，对结构参数精度要求较高，其制作工艺难度 较大，而且光开关性能通常对光波长和偏振态十分敏感，难以实现波长和偏振依赖性低的 光开关。Y分支DOS型光开关是通过对Y分支左右臂上的折射率进行调控，以实现左右分支 波导中光信号的开、光功能，但是其尺寸较大，不利于实现级联式矩阵开关，而且通常需要 较大的驱动功率。全内反射型光开关因具有波长不敏感、工艺容差大、尺寸小等突出特点，开始受到 大家的重视与关注。这种光开关主要基于聚合物的热光效应、半导体材料的载流子注入效 应来实现。其共同特点都是通过馈送控制信号使其控制区域的芯层折射率降低，从而使其 输入波导中的光在其分界面处产生全反射，以实现光开关功能。但是其折射率在分界面处 是渐变分布，这是由于其控制电极所激励的温度或载流子分布也是渐变分布的。因而，其 信道间串扰相对较高，其消光比相对较小，较严重地影响了光开关的性能，限制了其应用范 围。江哓清等人提出了在分支处采用间隙结构，以有效提高光开关在串扰和消光比方面的 性能指标，但是间隙结构参数变化对其消光比影响较为敏感，且还导致其光损耗有一定上 升，同时还增加了工艺制作难度。目前，高速、大容量光网络急需端口数多、性能好、易于制作、结构紧凑的光开关，这种高性能光开关还未见报道。因而，设计和制作高性能IXN光开 关对于集成光子系统具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型IXN光开关，即利用电光或热光效应，对控制电极 区域的芯层折射率进行调控，使光信号在调制区实现光开关功能。该器件具有波长依赖性 低、消光比高、串扰小、设计简单、易于工艺制作等诸多潜在优势。本发明技术方案如下一种基于全内反射的1 X N光开关，如图1 (a)所示，包括1个波导输入端口 1，N个 波导输出端口 2，N-1个Y分支波导3，N-1个控制电极4。芯层的折射率为112和11' 2，表示 芯层是由两种具有不同折射率的材料构成，如图中的灰色和黑色区域所示，分别位于控制 电极之外和之内；其中折射率112略大于折射率η' 2。当控制电极4上施加电压为零时，其 对应Y分支满足全内反射条件；反之，当控制电极4上施加电压不为零时，其对应Y分支不 满足全内反射条件。光波导横截面如图1(b)所示，图中脊的宽度为W，上、下包层的折射率 分别为H1和n3，芯层的厚度为d，脊高厚度为h，其芯层的折射率为n2和η' 2 (分别表示灰 色和黑色区域的芯层折射率)。光信号通过光纤耦合到波导端口 1后，光信号在光波导中传 播，当到达第一个Y分支处，若满足全内反射条件时，光信号将沿左分支输出到波导端口 2 ； 反之，若不满足全内反射条件时，光信号沿右分支传播。若光信号沿右分支传播，当到达下 一个Y分支，类似前述过程。这里，由Y分支处控制电极来决定光信号选择特定的波导端口 输出，从而实现IXN光开关功能。上述方案中，所述的IXN光开关由三种有机光子材料构成，属于集成光子器件， 采用光学光刻方法可容易制作。本发明的工作原理是首先，IXN光开关的N-I个控制电极4上馈送控制电压，在其电极下方的芯层波导 中产生电场，由于该区域芯层波导材料具有电光效应。该电场将使其芯层波导的折射率增 加，这样所对应的Y分支将不满足全内反射条件，其光信号将沿其右分支波导中进行传输， 即对应的每一个Y分支处于断开状态。接着，当光信号从波导端口 1输入后，若每一个Y分 支处于断开状态，光信号传输到每一个Y分支处时将选择右分支波导进行传播，最后，光信 号将从输出波导端口 2中的第N个输出(注意这里输出端口的顺序号记为从左到右，Y分 支的顺序号记为从上到下)。若第i个Y分支处的控制电极的控制电压为零时，则其对应芯 层波导中无外加电场，该Y分支满足全内反射条件。当光信号传播到该Y分支时，将选择左 分支波导传输，最后将从第i个输出波导端口输出，实现光信号选择特定的波导端口输出。本发明提出了一种新型的基于全内反射的IXN光开关，其光信号的输出通道的 选择由其Y分支处的电极控制，从而快速地实现光开关功能。本发明的有益效果是本发明提供的基于全内反射的IXN光开关具有结构紧凑、设计简单、波长依赖性 低、损耗低、串扰小、消光比大、开关速度快等诸多优点，将在集成光子系统中具有广泛应用 前景。
图1(a)是本发明提供的基于全内反射的IXN型波导光开关的结构示意图。(b) 是本发明提供的光波导横截面的结构示意图。图2是1X4光开关在不同开关状态下光场在波导中传播的模拟结果，其中(a)、 (b)、(c)、(d)分别表示第1、2、3、4的Y分支处的开关处于开状态时，其光信号分别沿第1、 2、3、4波导输出端口的光场分布。
具体实施例方式下面结合附图，以1X4光开关为例进一步说明本发明。通常，光通信系统中通信 窗口为近红外，这里，假定光信号的工作波长为1.55微米，其偏振态为TM波。如图1(a)和 (b)所示，芯层脊的宽度为5 μ m,芯层的厚度为1 μ m,脊高厚度为0. 8 μ m，上、下包层材料 为UV15，其折射率为1.50。其灰色区域的芯层材料为SU8，其折射率为1.57。其黑色区域 的芯层材料为E7，是一种液晶材料，使其光轴方向与其波导方向平行Olian Wang et. al., J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 24，No. 10，3303 [2007])。当控制电极施加电压为零时，黑色区域的芯 层的折射率为η' 2 = η。= 1.50，而当控制电极施加电压时，其光轴转向电场方向。当光轴 转动到与电场方向一致时，所对应折射率为n' 2 = ne=1.70。光开关的每一个Y分支的 分支角为1°。通过计算，当控制电极上施加电压为零时，该Y分支的结构满足全内反射条 件；但当控制电极上施加电压不为零时，由于电极下黑色区域芯层的折射率增加，折射率变 为1.70，这时该Y分支的结构不满足全内反射条件。这里，我们采用BPM方法，模拟了光信号在1X4光开关中沿不同输出波导输出时 光场传输过程，其中图2(a)、(b)、(c)、(d)分别表示第1、2、3、4的Y分支处的开关处于开 状态时，其光信号分别沿第1、2、3、4波导输出端口的光场分布。从图中可以看出，1X4光开 关的消光比很高、而串扰却很小，这对于实现高性能光开关有重要实际意义。在光通信系统中，光信号通常有一定的谱宽，从几纳米到几十纳米。我们模拟了 1 X 4光开关的性能受波长的影响。这里以1 X 4光开关中第1个Y分支处的控制开关处于开 状态、光信号波长变化范围为1500nm 1600nm时为例，对其进行了模拟。1X4光开关中第 1输出端口的归一化光功率输出为0. 999，而其它输出端口归一化光功率输出小于0. 0001， 它们在不同工作波长条件下的归一化光功率输出基本保持不变。由此可以看出，其光功率 输出受波长的依赖性很小，这是由于光开光是基于全内反射原理来实现的。同样，对于1X4 光开关中其它Y分支处的控制开关来说，其光功率输出对波长的依赖性也很小。本发明所提出的方案是一种新型的基于全内反射的IXN型波导光开关，它具有 设计简单、易于制作、波长依赖性低、消光比高、串扰小等优点。本发明提出的IXN型波导 光开关不仅可利用电光效应来实现，还可利用热光或光非线性效应来实现，本发明提供了 一种新型的光开关方案，具有重要的应用前景。
权利要求
1.一种基于全内反射的IXN型波导光开光，N为正整数；包括波导输入端口(1)、波导 输出端口 0)、N-1个Y分支波导(3)、N-1个控制电极；其特征在于，光信号通过光纤耦 合到波导端口(1)后，光信号在光波导中传播，当到达第一个Y分支处时，若满足全内反射 条件，光信号将沿左分支输出到波导端口( ；反之，光信号沿右分支传播。若光信号沿右 分支传播，当到达下一个Y分支，类似前述过程，由Y分支处控制电极来决定光信号选择特 定的波导端口输出，从而实现IXN光开关功能。
2.根据权利要求1所述的基于全内反射的IXN型波导光开光，其特征在于，所述IXN 型波导光开关属于集成光子器件，由集成波导结构构成。
3.根据权利要求1所述的基于全内反射的IXN型波导光开光，其特征在于，所述IXN 型波导光开光采用电光效应来实现，也可采用热光效应、光非线性效应来实现。
4.根据权利要求1所述的基于全内反射的IXN型波导光开光，其特征在于，所述IXN 型波导光开光可与其它功能光子器件进行集成，实现多功能集成光子系统。
全文摘要
一种新型的基于全内反射的Y分支波导结构所构成的1×N型波导光开关，属于光电技术领域，涉及光电信号处理技术。本发明提出的光开关由1个波导输入端口、N个波导输出端口、N-1个Y分支波导、N-1个控制电极构成。光信号通过光纤耦合进波导输入端口，光信号在光波导中传播，由Y分支处控制电极来决定光信号选择特定的波导输出端口。当光信号到达Y分支处，若满足全内反射条件时，光信号将沿左分支输出到波导输出端口；反之，光信号沿右分支传播。最后，光信号选择特定波导端口输出，从而实现1×N光开关功能。本发明提供的基于全内反射的1×N光开关具有结构紧凑、设计简单、波长依赖性低、损耗低、串扰小、消光比大、开关速度快等诸多优点。
文档编号G02F1/01GK102096207SQ201010601899
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者刘永, 刘永智, 唐雄贵, 廖进昆, 李和平, 童伟, 陆荣国 申请人:电子科技大学