压电光学开关器件的制作方法

专利名称：压电光学开关器件的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明一般涉及压电光学开关，尤其涉及具有低双折射和高消光比的平面型Mach-Zehnder压电光学开关。
2.技术背景随着对带宽需求的增大，推动了智能、廉价和可动态重配置光纤网络的发展。为此，在经济和系统设计允许的情况下，网络设计师正在设法将习惯上以电学域实现的某些网络功能换用光学域的解决方法。设计师们已经认识到，四端口光学装置可以广泛应用于光纤网络，以提供容错、信号调制和信号路选。现在已经有了应用热光或电光技术的集成光学器件，然而这些器件由于高功耗与低切换速度而存在一些缺点。
四端口压电光学器件因其功耗低、切换时间短且适合光刻等大批量生产技术，故尤其令人关注。一直在考虑的一种方法涉及到通过用同轴压电铅锆酸钛酸盐厚膜涂覆光纤而制作的光学相位调制器。这种圆形对称的在线式光纤相位调制器可在100KHz～25MHz频率范围内提供相位调制。然而，由于难以在光纤周围淀积厚的PZT膜而呈现出高度衰减和低的压电性，所以该装置的效率很低。
在研究的另一种方法中，用由光纤制作的Mach-Zehnder器件来构制光学开关。在该设计中，每根光纤分支直接定位于压电片上。该设计也有若干缺点。首先，压电片要用高压切换。其次，压电片相对光纤定位会沿光纤轴引起非对称的应力，干扰了干涉计臂的偏振，造成高度双折射和劣化的串扰性能，因而使用这种开关要有偏振光。
在还有一种方法中，通过将压电片层迭在平面型波导器件上制作调制器。压电片是将一层压电材料夹在上下电板之间形成的。然后把压电片附接于波导上方的器件的外包层。然而，当驱动压电片时，得到的应变矢量产生强烈的双折射效应，在器件输出端严重劣化了消光比。
因此，要求四端口压电光学器件具有低双折射特性、高消光比、低功耗和短切换时间，这种开关必须是成本合理的，其设计要适合大批量生产技术。

发明内容
本发明是一种四端口压电光学开关，基本上解决了双折射问题和上述讨论的其它问题。这样，除了可用电压开关技术实现低功耗和缩短切换时间外，本发明的压电开关还提供了高消光比。本发明的平面设计适合光刻等大量生产技术，而且对构建智能光纤网络必需的某些信号路选与容错功能提供了期望的低成本方法。
本发明的一个方面是一种沿传播方向有选择地引导光信号的光学器件，它包括光信号的传播路径和输出端。该光学器件包括一压电元件，通过在光学器件中形成多个相互正交的应变分量把光信号导入输出端，其中压电元件相对于传播路径设置，使得多个沿传输方向对准的相互正交的应变分量中只有一个分量能存在于传播路径中。
在另一方面中，本发明是一种Mach-Zehnder光学器件，用于沿传播方向引导波长为λ的光信号。该光学器件包括具有第一传播路径、折射率n、第一长度L1和第一输出端的第一波导，其中光信号沿第一传输路径传播；和第一压电肋，用于通过在第一波导中形成第一组多个互正交应变分量而引导光信号，其中第一压电肋置于于与第一传播路径有第一偏置的第一波导上，因而在基本上沿传播方向对准的第一组多个互正交应变分量中，只有一个分量能存在于第一传播路径。
在再一个方面中，本发明是一种在光学器件中沿传播方向引导波长为λ的光信号的方法，所述光学器件包括具有第一传播路径、折射率n、第一长度L1和第一输出端的第一波导，其中光信号沿第一传播路径传播。引导光信号的该方法包括步骤提供第一压电肋以在第一波导中产生第一组多个互正交应变分量，其中第一压电肋置于与第一传播路径有第一偏差的第一波导上，从而在沿传播方向对准的第一组多个互正交应变分量中，只有一个分量可以存在于第一传播路径；提供设置在第一波导附近并具有第二传播路径、折射率n、第二长度L2和第二输出端的第二皮导；和驱使第一压电肋有选择地使第一波导变形，其中第一波导变形在第一波导中产生第一组多个互正交应变分量。
在又一个方面中，本发明揭示一种制作用于引导光信号的光学器件的方法。制作方法包括步骤形成一基片；将波导芯层置于基片上；由波导芯层形成第一波导，其中第一波导结构用第一传播路径、折射率n、第一长度L1和第一轴表征，且第一轴基本上垂直第一长度和第一传播路径；由波导芯层形成第二波导结构，其中第二波导结构用第二传播路径、折射率n、第二长度和平行于第一轴的第二轴表征；将第一压电肋置于第一波导结构上，其中第一压电肋的第一肋轴基本上平行于第一轴且与其分开某一偏差；和将第二压电肋置于第二波导结构上，其中第二压电肋的第二肋轴基本上平行于第二轴且与其分开所述偏差，其中将该偏差选成使光学器件中的双折射减至最小。
在再一个方面中，本发明揭示一种有选择地将光信号导入光学器件的第一或第二输出端的方法，而光学器件至少包括一个波导，波导的至少一个芯接至第一输出端，其中光信号沿传播方向的至少一个波导传播，选择性引导光信号的方法包括步骤提供至少一个压电元件，以便通过在至少一个波导中形成一组多个互正交应变分量而将光信号从第一输出端切换入第二输出端，把至少一个压电元件置于至少一个波导上的预定位置，从而该组多个互正交应变分量中只有第一分量能在存在于至少一个芯中，其中第一分量对准传播方向的应变分量；和驱使至少一个压电元件在至少一波导中产生变形，以在至少一个波导中产生多个互正交应变分量。
在以下详细描述中将提出本发明的附加特征和优点，本领域的技术人员通过描述将会明白，或通过实践这里描述的本发明，包括以下的详细描述、权利要求和附图，将认识到部分特征和优点。
应当理解，上述一般说明与以下的详细描述仅是本发明的示例，用于提出一个概况或框架以便理解所要求保护的本发明特征与特点。包括的附图可深入理解本发明，并结合在此构成本说明书的一部分。诸附图示出了本发明的各种实施例，它们与文字部分一起说明本发明的原理与工作状况。
附图简介

图1是本发明第一实施例的压电光学开关的示意图；图2是在本发明波导结构上放置压电肋的详图；图3是本发明第二实施例的压电光学开关的示意图；图4是表明本发明双折射与消光比关系的曲线图；图5是本发明另一实施例的压电光学开关的示意图；图6是以机械方法隔离Mach-Zehnder臂以减少串扰的蚀刻槽的详图；图7是本发明又一实施例的压电光学开关的示意图；图8是本发明再一实施例的压电光学开关的示意图；图9是本发明另一实施例以可变衰减控制器为特征的压电光学器件的示意图；
图10是本发明还有一个实施例以光学调制器为特征的压电光学器件的示意图；和图11A～Q是本发明的压电光学开关在制作各阶段的连续示意图。
较佳实施例的详细描述现在详细参见本发明提出的诸较佳实施例，其例举由附图示出。在附图中始终用同一标号表示相同的部件。本发明示例的压电光学开关示于图1，一般始终标为标号10。
根据本发明，将光信号导入所需输出端的光学器件10包括压电肋40，压电肋40通过使至少一个波导芯变形以改变光路长度而引导光信号。变形产生的三维应变矢量在笛卡尔坐标系统各维x、y与z都具有分量，z对应于传播方向。将压电务40置于波导上离芯有一预定的偏差位置，可将与传播方向正交的应变分量x与y减到可忽略的程度。由于这些方向的应变会产生双折射，所以减少这些应变也可减少双折射。唯一保留的应变处于传播方向，而z向的应变不产生双折射。由于双折射率会劣化光学器件10输出的消光比，所以十分希望消除或减小双折射。
这样，解决了双折射问题，本发明就可提供一种高消光比的光学开关。本发明的另一优点是功耗低、切换时间短，这要归功于压电效应。此外，本发明的平面设计十分适合光刻一类的大量生产技术，因而对构建智能型光纤网络而言，某些必需的信号路选与容错功能可望有一种低成本的解决方法。
如这里实施和图1示出的，本发明第一实施例的示意压电光学开关10包括波导20与30形成的平面定向耦合器100。压电肋40置于波导结构20上离波导芯22一预定偏置距离d(见图2)，其长度为Lπ，距离长得足以在波导20与30之间产生π弧度的相位差。
如这里实施和图2示出的，揭示了压电肋40在本发明波导结构20上安置的详图。图2的直角坐标是一种描述元件取向的合适方式，整个描述都将应用。压电肋40包括上电极42与下电极44，这些电极都接至驱动器50。压电肋40置于波导结构20的外包层24上，与平分波导芯22的波导轴相距偏置距离d。波导结构20包括外包层24和芯22。注意，传播方向处于Z向。
波导结构20和30可以是任何合适的已知类型，但这里示例示出的波导用折射率约1.45的石英玻璃制作。本领域的技术人员明白，可以应用聚合物其它同类材料。芯22的几何形状可以是方形、矩形、梯形或半圆形。芯的尺寸依赖于信号光波长，且设计成确保该波导在信号波长为单模。芯22用外包层24包覆，外包层的厚度设计成限制该模并限制传播损失。
压电肋40可以是任何合适的已知类型，但这里示出的例子是一层铅锆酸盐钛酸盐(PZT)或氧化锌(ZnO)，厚约3μm～300μm，宽约20μm～300μm，长约2mm～3mm。压电肋的尺寸变化依赖于若干因素，包括要求压电肋40产生的相移量。压电肋40通过旋涂淀积PZT或ZnO溶胶-凝胶溶液和退火生产。压电肋40尺寸和安置的详细讨论以后再描述。
驱动器50可以是任何合适的已知类型，但示例列出的是一种能对压电肋40提供两个独立电压的电压源，第一独立电压为数伏量级，准确的电压取决于所需的相移；第二电压电平接近地电位。本领域的技术人员应明白，具有完全3dB耦合器的Mach-Zehnder实际上是不存在的。因此，驱动器50向压电肋40提供的实际电压，可能包括某一偏压以补偿Mach-Zehnder中因不完美而产生的小相位变化。这种“调谐”永远可通过对波导作紫外线曝光以完成所需的相位差来实现。
以线路电平与逻辑规约来衡量，网络接口60能使光学器件10适应任何网络环境。网络接口60还可配置成向该网络发回故障信息。
图1和2所示本发明第一实施例的光学器件10的工作状况如下。在第一驱动状态中，网络接口接收将光信号导入波导30输出端的命令。网络接口60驱动驱动器50，压电肋40去能。如图所示，光信号被导入定向耦合器100，信号功率传入波导30。在第二状态中，网络接口接收引导光学器件10将全部光信号导入波导20输出端的命令。作为响应，网络接口60驱动驱动器50向压电肋40提供合适的电压，电压肋40伸展而使波导结构20变形以在波导20中产生应变，变形造成的感应应变将改变波导20的折射率与长度，这两个因素都会导致波导20中光路长度的变化。波导20与30之间建立π弧度的相位差，光不再被耦入波导30，因而光学器件10被切换，光信号从波导20退出器件10。如上所述，本领域的技术人员应明白，电压量取决于要求产生折射率变化(将产生所需约相位差)所需的应变量。
本发明相对于变形、应变和在波导20与30中造成相移而在压电肋40的尺寸、功率要求与定位之间建立和相互关系的工作原理如下。若Ein是输入光信号的电场，Δφ是波导20与30之间的相位差，而Eout是输出信号的电场，则有如下关系Eout=jEin2(1+ejΔΦ)----(1)]]>把Mach-Zehnder 100的透射率定义为输出强度与输入强度之比，因此，由公式(1)得T=IoutIin=1+cos(ΔΦ)2----(2)]]>波导20与30间的相位差ΔΦ可表示为ΔΦ=2πd(nL)λ=2πLλ(ndLL+dn)----(3)]]>式中λ为波长，n为器件10中传播模式的有效折射率，L是波导20与30在耦合器112和114之间的长度。d(nL)项是波导20与30之间的nL之差。
如上所述，当驱动器向压电肋40加电压时，它就根据该电压的幅值与极性而伸缩，由此使波导20变形而造成其折射率和长度的变化。折射率与应变的关系由下式表示dnx=-n32(p11ϵx+p12ϵy+p12ϵz)----(4)]]>dny=-n32(p12ϵx+p11ϵy+p12ϵz)----(5)]]>式中nx是x向偏振光的折射率(图3)，ny是y向偏振光的折射率，εx、εy和εz＝dL/L分别为x、y和x向的互正交应变分量。P11和P12都是光弹性系数，它们随制作波导所使用的材料而异。波导20与30间的相位差ΔΦ通常对光信号沿x向与y向的偏振分量是不同的，因而ΔΦx=2πLλ(-n32·p11ϵx-n32·p12ϵy-[n32p12-n]ϵz)=2πLλKx----(6)]]>ΔΦy=2πLλ(-n32·p12ϵx-n32·p11ϵy-[n32p12-n]ϵz)=2πLλKy----(7)]]>根据公式(6)与(7)，可计算出产生π弧度相位差所需的压电肋40的长度Lπ=λKx+Ky----(8)]]>根据应用的材料与光信号波长，Lπ的范围约为2mm～3mm。通过用不同宽度与厚度的PZT肋和不同外包层厚度的波导结构比较沿传播方向的应变εz，可以确定压电肋40合格的宽度与厚度范围。因此，作为合格的结果，压电肋40的厚度范围约为3μm～300μm，其宽度范围约为20μm～300μm。外包层深度取决于信号波长，而且必须足以限制该模和限制传播损失。
根据公式(6)与(7)，双折射造成的相位差的偏上依性也是显而易见的。双折射的主要作用是降低了消光比。消光比指光在波导20的输出端例如处于“通”状态与“断”状态之比，从理论上讲，在“断”状态，波导20不出射光，因而消光比是光漏泄的一种量度。显然，波导30的输出端也可用来作测量。若消光比很低，说明有过量的光从假定断开的波导输出口漏出器件10。通过减小器件的双折射率，也可提高消光比。
图3的曲线表示双折射与消光比的关系。双折射的一个量度是Q值。上面的曲线表示对应于Q值无穷大的无双折射Mach-Zehnder，下面的曲线表示10dB消光比对应于Q值为约5的器件。要获得20dB的最小消光比，Q值必须大于16。Q值与两种偏振的折射率差的关系为Q=dnx+dnydnx-dny----(9)]]>参数dnx与dny是压电肋40引起的应力所造成的折射率变化。公式(6)与(7)指出，波导的长度变化dL/L和变形引起的折射率变化补偿了沿传播方向的应变εz，这样，分别消除沿x与y向的应变分量εx与εy，可明显减小双折射。本发明通过将压电肋40置于离开芯22中心轴(图3)和传播路径一预定的偏置距离，实现了这一目的。驱动时，压电肋的几何位置可将应变分量εx与εy减至最小；然而，利用εz改变波导的折射率与长度，保持了切换功能。
运用Mach-Zehnder(其PZT肋的长为Lπ，宽约100μm，厚为μm)将Q值(与双折射成反比)交换为偏置距离的函数，可确定偏置距离的最佳范围。在这些条件下，该结构的最佳偏置距离值约为100μm。一般而言，偏置距离约为λ/4n。
如这里实施和图4所示的，本发明第二实施例的压电光学开关10的示意结构包括波导20与30形成的平面型Mach-Zehnder 100。压电肋40置于波导结构20上波导芯22一偏置距离“d”(图2)，其长度为Lπ。压电肋40电气接至驱动器50，后者接至网络接口60，接口60接收网络命令并相应地驱动驱动器50。
图4所示本发明第二实施例的光学器件10的工作状况如下。在第一驱动状态中，网络接口接收命令将光信号引导致波30的输出端，并驱动驱动器50，压电肋40去能。如图所示，把光信号导入Mach-Zehnder 100，光信号的一半由3dB耦合器112耦入波导30。本领域的技术人员将明白，当波导20与30之间无相位差时，带完美3dB耦合器的对称型Mach-Zehnder工作于交叉状态，光信号将从波导30的输出端退出器件10。
在第二状态中，网络接口接收命令引导光信号从波导20的输出端退出光学器件10。作为响应，网络接口60驱动驱动器50向压电肋40提供造成π弧度相位差所需的电压，压电肋40伸展并使波导结构20变形，在波导20中造成应变。变形造成的感应应变使波导20的折射率与长度发生变化，这两个因素会造成光信号在波导20中传播时光路长度的变化。本领域的技术人员将明白，所需的电压量取决于造成折射率变化(将产生所需的相位差)所需的应变量。相位差确定了驱动压电元件40所需的电场大小。供给压电肋40的电压在淑导20与30之间建立π弧度相位差，结果光学器件10被切换，光信号从波导20射出器件10。
在本发明第三实施例中，如这里实施和图5所示，示意地压电Mach-Zehnder光学开关10包括波导20与30形成的平面型Mach-Zehnder 100。压电肋40置于波导结构20上离波导20一偏离距离d，另一根压电肋70置于波导30上也有一偏置距离d。压电肋40和70也可分别置于波导20与30的里面。注意，图2和偏置距离d的讨论也应用于该实施例，像第一实施例一样。压电肋40电连接至驱动器50，压电肋70电连接至驱动器52，驱动器50与52由网络接口60协力驱动。
本领域的技术人员显然明白，根据每根肋要求提供的相移量，可对压电肋40与70作出更改和变化。在本发明第二实施例中，将第二压电肋70放在波导30上，可在波导20与30之间分配切换功能。如在第一实施例中那样，为将光信号切换到波导20的输出端，必须在波导20与30之间设置π弧度的总相位差。然而，利用压电肋70可以应用“推挽”效应，其中压电肋40提供正相移，而压电肋70提供负相移，因而压电肋40必须提供+π/2弧度相移，压电肋40必须提供-π/2弧度相移。由于要求每根压电肋提供的相移由π弧度减为π/2弧度，所以各肋的长度也可约减小一半Lπ2=αλKx+Ky----(10)]]>式中α≈0.5。为避免出现与机械串扰相关的问题，压电肋40与70应至少隔开500μm距离，建议间隔距离为500μm～1000μm，这是器件尺寸与串扰之间的折衷办法。
如这里实施和图6所示，本发明另一实施例也可包括波导20和30之间的蚀刻槽80，槽80通过隔离Mach-Zehnder 100的臂20与30，减少了机械串扰。
本发明相对于波导20与30中感应的应变与相移而确定压电肋40与70的宽度、厚度、功率要求和定位的工作原理，基本上与图1和2所示第一实施例讨论的情况相同。
图5所示本发明第三实施例的光学器件10的工作原理如下。在第一驱动状态中，网络要求将光信号导入波导30的输出端。3dB耦合器112将进入Mach-Zehnder100的一半光信号耦入波导30。当波导20与30之间无相位差且光信号将由波导30输出时，配备完美3dB耦合器112与114的对称型Mach-Zehnder将工作于交叉状态。这样，在处理了网络命令后，网络接口60就驱动驱动器50与52，供给压电肋40与70的电压降至接近零伏。如上所述，本领域的技术人员将明白，实际上并不存在配备完美3dB耦合器的Mach-Zehnder。在各个开关状态，驱动器50与52分别向压电肋40与70提供标称电压和用于补偿Mach-Zehnder的不完美而产生的小相位变化的小偏压。
在第二驱动状态中，网络接口受命将光信号导入波导20的输出端，并相应地驱动驱动器50与52。驱动器50向压电肋40提供正电压，而驱动器52向压电肋70提供接近间幅值的负电压。压电肋40在使波导结构20变形时伸展，压电肋70在使波导结构30变形时收缩，变形使波导20与30伸缩，由此改变了其路径长度。波导20中的路径长度变化导致约+π/2弧度相移，而波导30中的路径长度变化产生的-π/2弧度相移，因而在波导20与30之间建立了π弧度相位差，或π弧度的奇数倍相位差，将光信号导入波导20的输出端。当然，电压极性反过来可得到同样结果，但是电压必须为相反极性。
在本发明再一个实施例中，如这里实施和图7所示，压电肋40包括置于波导20外侧上的外压片46和置于波导20内侧上的内压电片48。压电肋70包括置于波导30外侧上的外压电片72和置于波导30内侧上的内压电片74。内压电片48与74至少分开500μm，间距在上述讨论和图7所示的推荐间距范围500μm～1000μm内，这是串扰与器件尺寸之间的折衷。图6的蚀刻槽也可应用于该实施例。驱动器50接至压电片46与48，向它们提供同样的电压。驱动器52接至压电片72与74，它们提供同样的电压。网络接口60接至驱动器50与52，进行协力驱动。
相关技术领域技术人员将明白，根据各自要求提供的相移量，可对本发明的压电肋40与70作出更改和变化。将压电片46、48、72与74置于其各自波导20与30的两侧，压电肋片长度与第二实施例相比减小了一半，与第一实施例相比减为1/4。因而在公式(10)中，α≈0.25。
除了上述的变化外，图7中光学开关10的工作方法与图5的实施例相同，故不再复述。
在又一个实施例中，如这里实施和图8所示，示意地压电光学开关10包括波导20与30形成的Mach-Zehnder 100。压电肋40置于波导结构20上与波导芯22隔一偏置距离。另一压电肋70置于波导结构30上也与芯隔一偏置距离。对图2讨论的偏置距离也适用于该实施例。压电肋40电连接至驱动器50，后电肋70电连接至驱动器52，驱动器50与52接成由网络接口60协力驱动。
驱动器50与52可以是任何合适的已知类型，但举例是一个能向压电肋40与70提供三个独立电压的电压源。本例采用的“推挽”效应类似于前一例讨论的技术。用反极性电压驱动压电肋40与70可实施通信。这样，电压源协力操作，当驱动器50提供+V伏时，驱动器52提供-V伏，当驱动器50提供-V伏时，驱动器52提供+V伏，当驱动器50接近地电位时，驱动器52也是如此。如上所述，标称电压V依赖于各种因素，如所需的相位差与压电肋尺寸。相关领域的技术人员将明白，需要的话，可以用多种电压组合在波导20与30之间分离光信号。
相关领域的技术人员将明白，根据要求每根肋提供的相移量，可对本发明作出更改与变化。图8中，波导20比波导30短一距离ΔL＝L2-L1，当λ＝1.55μm且n≈1.5时，ΔL接近250μm。波导20与30之间的这一路径长度差在波导20与30之间确立了π/2弧度的相位差。因此，为在波导20与30之间得到π弧度相移或零相移，只要求每一压电元件40与70产生π/4弧度相移。由于压电肋40与70必须提供的相移已由π弧度减为π/4弧度，所以长度也能减为接近1/4。因此，可用公式(10)计算压电肋40与70的长度L(π/4)，式中α≈0.25。本领域的技术人员还应明白，本例可用一根或四根压电肋实施。
相关领域的技术人员将明白，可对图8所示的本发明作更改和变化。不将路径长度差设计成提供π/2弧度相位差，而是可将其设计成提供不变的π弧度相位差。此时，当压电肋不被驱动时，发光学器件10处于条形状态而不是交叉状态。当该开关将用于条形状态而不是交叉状态时，这一设计是令人关注的。
如以上对前一例所述，为避免与机械串扰相关的问题，电压肋40与70的最小间距为500μm，推荐的间距范围为500μm-1000μm。如上所述，该间距范围是串扰与器件尺寸之间的折衷。图6的蚀刻槽也可应用于本例。
图8所示本发明的光学器件10的工作原理如下。在第一驱动状态中，网络命令光学器件10把光信号导入波导20的输出端，网络接口60相应地驱动驱动器50与52，驱动器50向压电肋40提供预定的正电压，驱动器52向压电肋70提供同一幅值的负电压，压电肋40波导20变形而产生的π/4弧度的相移，压电肋70使波导30变形而产生约-π/4弧度的相移。本领域的技术人员将明白，实际的相移取决于MZ1中固有的不完美性，相位变化可略为不同。要求是在波导20与30之间建立π弧度的总相位差。这样做后，光学器件10就换向，光信号从波导20的输出端退出该器件。
在图8的第二驱动状态中，驱动器50与52对其各自的压电肋40与70提供接近零伏的电压。如上所述，制作的图8的非对称型Mach-Zehnder在波导20与30之间具有接近π/2弧度的固有相位差，因而当压电肋40与70都不使导波20与30变形时，固有的π/2弧度相位差使光信号在波导20与30的输出端之间被等分。在此状态中，光学器件10是一种3dB分束器。
在第三驱动状态中，网络接口60受命将光信号导入波导30的输出端。以同样的方式，驱动器52向压电肋70提供接近同样幅值的正电压，后电肋40使波导20变形而产生约-π/4弧度相移，压电肋70使波导30变形而产生约+π/4弧度相移。在该驱动状态中，压电肋40与70产生的相移抵消了由其路径长度差在波导20与30之间造成的固有的π/2相位差，因而在波导20与30之间不存在相位差，光信号按命令被导入波导30的输出端。
在又一实施例中，如这里实施和图9所示，压电可变衰减器10包括波导20与30形成Mach-Zehnder 100。压电肋40置于波导结构20上与波导芯22隔一偏置距离。上述对图2讨论的偏置距离同样适用于本例。压电肋40电连接至驱动器50。
驱动器50可以是任何合适的已知类型，但图示例子是一在连续的电压范围内动态地改变电压的可变电压源。本领域的技术人员将明白，能与驱动器50提供的电压电平成正比地动态控制光信号在波导20或30的输出端的功率电平，因而在连续的范围内改变电压，可构成可变衰减器10。
图9所示本发明的可变衰减器10的工作原理如下。如对第一实施例讨论的那样，若压电肋40去能，在对称型Mach-Zehnder 100中传播的光信号将被导入波导30的输出端。当接到命令要求将波导30输出的光衰减到某一电平时，网络接口就解释该命令并把它转换成在驱动器50提供的范围内的电压电平，驱动器50向压电肋40提供要求的该电压电平。作为响应，压电肋40伸展而使波导结构20变形，造成折射率和波导20的长度发生变化，从而一部分光信号从波导30的输出端转向而再导入波导20的输出端。随着电压的增大，更多的信号从波导30转向而衰减。当驱动器50对压电肋40提供预定电压时，就在波导20与30之间建立π弧度的相位差。在该状态中，波导30的输出被完全衰减，因而驱动器50提供的电压正比于衰减量。
在再一个实施例中，如这里实施和图10所示，压电可调谐滤波器10包括波导20与30形成的Mach-Zehnder 100。注意，波导20比30短一距离ΔL＝L2-L1，它接近200μm。压电肋40置于波导结构20上与波导芯22隔一偏置距离。对图2讨论的该偏置距离同样适用于本例。压电肋40电连接至驱动器50。
图10所示本发明的可调谐滤光器10的工作原理如下。两臂间的相位变化由下式给出ΔΦ=2πλnΔL----(11)]]>由于折射率n为波长有关，所以乘积nΔL也与波长相关。对于大的ΔL，可在不同的波长之间得到大的相位差，如在第一驱动状态中，其中压电肋40未被驱动，对于λ1＝1554.5nm的光，无相位差，对于λ2＝1558.5nm的光，则有π相位差。这样，λ1不与相消干消发生干扰，而λ2将经历相消干涉。在第二驱动状态中，压电肋40在波导20与30之间造成π相位差。由于上述的波长相依性，不同波长的衰减半会变化，λ2不与相消干涉干扰，而λ1将由相消干涉破坏。
图11A-Q是本发明的压电光学开关在连续的制作阶段的连续示图。在图11A中，形成了基片100，它可以是任何合适的已知类型，但图示例子是硅玻璃形成的基片。图11B示出淀积在基片100上的缓冲层112，它可以是任何合适的已知类型，但图示例子是石英玻璃形成的层。图11C示出淀积在缓冲层112上的芯层114，它可以是任何合适的已知类型，但图示例子是石英玻璃形的层，折射率n比缓冲层112的高。相关领域的技术人员将明白，图11A-11C的制造步骤也可用聚合物、共聚物、单体或其它合适材料实施。图11D与11H表示形成波导结构20与30的光刻工艺，掩模116定位于芯层114上，照射该掩模可将波导结构20与30的图案转移到芯层114。图11G的蚀刻工艺去除多余的芯材料。在图11H中，将外包层24淀积在波导结构20与30上。图11I-11N表示形成在波导结构20上的压电肋40。在底部电极44上淀积一层PZT或ZnO，PZT肋的尺寸可在上述讨论的范围内变动。在图11P中，将引出端18接至波导20与30以提供光学连接性。最后，在图11Q中，将压电肋电极用导线接至置于封装光学单元118中的连接器。
本领域的技术人员将明白，可对本发明作各种更改与变化而不偏离本发明的精神与范围。因此，本发明试图包括本发明的各种更改与变化，只要它们在所附权利要求及其同等文件的范围内。
权利要求
1.一种有选择地将光信号导入第一或第二输出端的光学器件，其特征在于所述光学器件包括至少一个波导，它具有至少一个接至第一输出端的芯，光信号以一传播方向沿所述至少一个波导传播；和至少一个压电元件，它通过在所述至少一个波导内形成多个互正交应变分量，用于将光信号从第一输出端切换入第二输出端，所述至少一个压电元件设置在至少一个波导的一个预定位置上，从而在所述多个互正交应变分量中，基本上只有第一分量存在于所述至少一个芯中，其中所述第一分量是对准所述传播方向的应变分量。
2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，预定位置使得至少一个芯中的双折射值基本上可予以忽略。
3.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，至少一个波导包括第一与第二波导，由此形成一个光耦合器。
4.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，至少一个波导包括第一与第二波导，由此形成一个Mach-Zehnder器件。
5.一种将波长为λ的光信号导入第一或第二输出端的Mach-Zehnder光学器件，其特征在于，所述光学器件包括第一波导，它具有接至第一输出端的第一芯、折射率n、第一长度L1和第一输出端，光信号沿一传播方向在所述第一芯内传播；和第一压电肋，它通过在所述第一波导内产生第一组多个互正交应变分量，将光信号在第一与第二输出端之间切换，所述第一压电肋置于所述第一波导上离所述第一芯第一预定偏置距离，从而所述第一组多个互正交应变分量中只有第一分量基本上存在于所述第一芯中，其中所述第一分量平行于所述传播方向。
6.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述第一预定位置使得第一芯中的双折射值基本上可予以忽略。
7.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于还包括第二波导，它置于第一波导附近且具有接至第二输出端的第二芯、折射率n和第二长度L2，并且所述第二芯沿所述传播方向传播光信号；和第一驱动器，它接至第一压电肋，使第一压电肋产生第一波导变形，所述第一波导变形在第一波导中产生第一组多个互正交应变分量。
8.如权利要求7所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形在第一与第二波导之间形成一相位差，所述相位差以下述公式表征ΔΦ=2πL1λ[ndL1L1+dn]]]>式中dn是折射率n的变化，dL1是长度L1的变化。
9.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，光信号包括x向的第一偏振分量与y向的第二偏振分量，其中所述x向、y向与z向是直角坐标系的互正交轴，而且所述z向沿所述传播方向。
10.如权利要求9所述的光学器件，其特征在于，第一组多个互正交应变分量与折射率n的变化相关，可表示为dnx=-n32(p11ϵx+p12ϵy+p12ϵz),]]>和dny=-n32(p12ϵx+p11ϵy+p12ϵz)]]>其中dnx是第一偏振分量的折射率变化，dny是第二偏振分量的折射率变化，p11与p12是光弹性系数，εx、εy、εz＝dL1/L1是第一组多个互正交应变分量，而dL1是第一长度L1的变化。
11.如权利要求10所述的光学器件，其特征在于，根据下述公式，在第一与第二波导之间，第一波导变形建立第一偏振分量相移ΔΦx和第二偏振分量相移ΔΦyΔΦx=2πL1λKx]]>和ΔΦy=2πL1λKy,]]>其中Kx与Ky是无量纲系数，且均是第一组多个互正交应变分量的函数。
12.如权利要求10所述的光学器件，其特征在于，第一芯中第一双折射值与该组多个互正交应变分量的关系由下式表示Q=dnx+dnydnx-dny]]>其中Q反比例于所述第一双折射值。
13.如权利要求12所述的光学器件，其特征在于，第一预定偏置距离约为λ/4n。
14.如权利要求12所述的光学器件，其特征在于，当Q大于16时，第一与第二输出端的消光比至少为20dB。
15.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形在第一与第二波导之间建立π弧度相位差，使光信号被导入第一输出端。
16.如权利要求15所述的光学器件，其特征在于，当第一波导不变形时，光信号被导入第二输出端。
17.如权利要求15所述的光学器件，其特征在于，第一驱动器是一个接至第一压电肋的电压源，用于对第一压电肋提供一预定电压。
18.如权利要求15所述的光学器件，其特征在于，第一压电肋的第一肋长度Lπ按下式对应于π弧度相移Lπ=λKx+Ky]]>其中Kx和Ky是无量纲系数，而且是第一组多个互正交应变分量的函数。
19.如权利要求18所述的光学器件，其特征在于，Lπ的范围近似为2mm～3cm。
20.如权利要求18所述的光学器件，其特征在于，第一压电肋的宽度范围近似为20μm～30μm。
21.如权利要求18所述的光学器件，其特征在于，第一压电肋的厚度范围近似为3μm～300μm。
22.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于还包括第二压电肋，它通过在第二波导中形成第二组多个互正交应变分量，与第一压电肋相一致地在第一与第二输出端之间切换光信号，所述第二压电肋置于第二波导上离第二芯第二预定偏置距离，从而所述第二组多个互正交应变分量中只有第二分量基本上存在于第二芯中，其中所述第二分量平行于传播方向；和第二驱动器，它接至第二压电肋，使第二压电肋产生第二波导变形，所述第二波导变形在第二波导中产生第二组多个互正交应变分量。
23.如权利要求22所述的光学器件，其特征在于，第一长度L1基本上等于第二长度L2。
24.如权利要求23所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形是向第一驱动器提供第一预定电压造成的，而第二波导变形是向第二驱动器提供与所述第一预定电压反极性的第二预定电压造成的。
25.如权利要求24所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形在第一波导中建立第一相移，而第二波导变形在第二波导中建立第二相移，并且第一与第二相移之间的相位差约等于π弧度或π弧度的奇数倍。
26.如权利要求23所述的光学器件，其特征在于，当第一与第二波导不变形且时，相位差接近零弧度，并且光信号被导入第二输出端。
27.如权利要求23所述的光学器件，其特征在于，第一与第二压电肋的长度相等，根据下列公式，其肋长度L(π/2)对应于π/2弧度相移L(π2)=αλ(Kx+Ky),]]>式中α是约等于0.5的比例常数，λ为波长，Kx与Ky是无量纲系数，分别与第一、第二波导波中的第一组、第二组多个互正交应变分量相关。
28.如权利要求22所述的光学器件，其特征在于，第一长度L1与第二长度L2不等，形成的路径长度差在第一与第二波导之间建立π弧度相位差。
29.如权利要求22所述的光学器件，其特征在于，第一长度L1与第二长度L2不等，形成的路径长度差在第一与第二波导之间建立π/2弧度相位差。
30.如权利要求29所述的光学器件，其特征在于，路径长度差约250nm。
31.如权利要求28所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形是向第一驱动器提供一预定正电压造成的，第二波导变形是向第二驱动器提供一预定负电压造成的。
32.如权利要求31所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形在第一波导中引起约+π/4相移，第二波导变形在第二波导中引起约-π/4相移，致使在第一与第二波导结构之间造成π弧度的相位差，从而将光信号导入第一输出端。
33.如权利要求31所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形是向第一驱动器提供一预定负电压造成的，第二波导变形是向第二驱动器提供一预定正电压造成的。
34.如权利要求33所述的光学器件，其特征在于，第一波导变形在第一波导结构中引起约-π/4相移，第二波导变形在第二波导结构中引起约+π/4相移，致使抵消了第一与第二波导间由路径长度差建立的π/2弧度相位差，从而将光信号导入第二输出端。
35.如权利要求31所述的光学器件，其特征在于，第一与第二波导均不变形，致使光信号被分束基本上相等的部分而导入第一与第二输出端。
36.如权利要求31所述的光学器件，其特征在于，第一与第二压电肋的肋长度L(π/4)按下述公式对应于π/4弧度偏移L(π4)=αλ(Kx+Ky),]]>式中α是约等于0.25的比例常数，Kx与Ky均是无量纲系数，分别与第一和第二波导中的第一组、第二组多个互正交应变分量相关。
37.如权利要求22所述的光学器件，其特征在于，第一压电肋包括第一外压电片，它置于第一波导外侧上且距离基本上等于第一偏置；和第一内压电片，它置于第一波导内侧上且距离基本上等于第一偏置。
38.如权利要求37所述的光学器件，其特征在于，第二压电肋包括第二外压电压片，它置于第二波导结构外侧上且距离基本上等于第二偏置；和第二内压电片，它置于第二波导内侧上且距离基本上等于第二偏置，并且第一与第二内压电片间的距离范围基本上为500μm～1000μm。
39.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，第一驱动器是接至第一压电肋的可变电压源，所提供的电压正比例于被导入第一输出端的光信号量。
40.如权利要求39所述的光学器件，其特征在于，电压在零伏至第一预定电压量的连续范围内可变。
41.如权利要求40所述的光学器件，其特征在于，零伏对应于光信号的最大衰减量，第一预定电压量对应于光信号的最大透射率。
42.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于还包括蚀刻在第一与第二输出端之间的槽，用于以机械方式使第一输出端与第二输出端隔离。
43.如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，第一长度L1与第二长度L2具有约200μm的路径长度差，所述路径长度差造成的相位变化为ΔΦ=2πλnΔL]]>其中ΔL等于L1-L2。
44.如权利要求43所述的光学器件，其特征在于，第一波长的第一光信号在第一压电肋未被驱动时输出，第二波长的第二光信号在第一压电肋被驱动时输出。
45.一种将波长为λ的光信号导入光学器件之第一或第二输出端的方法，其中所述光学器件的第一波导具有接至第一输出端的第一芯，折射率n和第一长度L1，所述第一芯沿一传播方向传播该光信号，所述引导光信号的方法包括以下步骤提供第一压电肋，用于在第一波导中产生第一组多个互正交应变分量，所述第一压电肋置于所述第一波导上离所述第一芯第一预定偏置距离，从而在第一芯中基本上只存在所述第一组多个互正交应变分量中的第一分量，其中第一分量平行于所述传播方向；提供置于第一波导附近的第二波导，它具有接至第二输出端且沿传播方向传播光信号的第二芯、折射率n、第二长度L2和第二输出端；并且驱动所述第一压电肋以产生第一波导变形，在第一波导中产生所述第一组多个互正交应变分量。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，驱动第一压电肋的步骤在第一与第二波导之间形成π弧度的相位差。
47.如权利要求45所述的方法，其特征在于，在不执行驱动第一压电肋的步骤时光信号从第二波导结构出射。
48.如权利要求45所述的方法，其特征在于还包括以下步骤提供第二压电肋，用于在第二波导中产生第二组多个互正交应变分量，所述第二压电肋置于第二波导上离第二芯第二预定偏置距离，从而在第二芯中基本上只存在所述第二组多个互正交应变分量的第二分量，其中所述第二分量平行于传播方向；和驱动所述第二压电肋而产生第二波导变形，以在第二波导中产生所述第二组多个互正交应变分量。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，驱动第一压电肋的步骤包括对第一压电肋提供一预定正电压，而驱动第二压电肋的步骤包括对第二压电肋提供一预定负电压。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，驱动第一压电肋的步骤在第一波导结构中建立约-π/2弧度相移，驱动第二压电肋的步骤在第二波导结构中建立约-π/2弧度相移。
51.如权利要求49所述的方法，其特征在于，在第一与第二波导间建立π弧度或π弧度奇数倍的相位差，从而将光信号导入第一输出端。
52.如权利要求48所述的方法，其特征在于，当第一与第二波导不变形时，第一与第二波导间无相位差，光信号被导入第二输出端。
53.如权利要求48所述的方法，其特征在于，第一长度L1与第二长度L2不等，其路径长度差在第一与第二波导结构之间产生约π/2弧度相位差。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，驱动第一压电肋的步骤包括对第一压电肋提供一预定正电压，使光信号在第一波导结构中相移约+π/4弧度，而驱动第二压电肋的步骤包括对第二压电肋提供一负电压，使光信号在第二波导结构中相移约-π/4弧度。
55.如权利要求32所述的方法，其特征在于，在第一与第二波导结构之间存在π弧度或π弧度奇数倍的相位差，使光信号从第一波导结构射出该光学器件。
56.如权利要求53所述的方法，其特征在于，驱动第一压电肋的步骤包括对第一压电肋提供一预定负电压，使光信号在第一波导结构中相移约-π/4弧度，而驱动第二压电肋的步骤包括对第二压电肋提供一正电压，使光信号在第二波导结构中相移约+π/4弧度。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，π/2被抵消，第一与第二波导间不存在相位差，并且光信号被导入第二输出端。
58.如权利要求53所述的方法，其特征在于，不执行驱动第一与第二压电肋的步骤，将光信号分束成基本上相等的部分而分别导入第一与第二输出端。
59.一种在基片上制作光学器件的方法，所述光学器件用于引导光信号，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤在基片上设置一波导芯层并由所述波导芯层形成第一波导，所述第一波导结构包括第一芯、折射率n和第一长度L1；由所述波导芯层形成第二波导结构，所述第二波导结构包括第二芯、折射率n和第二长度L2；将第一压电肋置于所述第一波导结构上离所述第一芯第一预定偏置距离，所述第一预定偏置距离将所述第一波导中的双折射值减至最小，将第二压电肋置于所述第二波导结构上离所述第二芯第二预定偏置距离，所述第二预定偏置距离将所述第二波导中的双折射值减至最小。
60.如权利要求59所述的方法，其特征在于，设置第一压电肋的步骤还包括在第一波导结构外侧上设置第一外压电片，距离基本上等于第一偏置；和在第一波导内侧上设置第一内压电片，距离基本上等于第一偏置。
61.如权利要求60所述的方法，其特征在于，设置第二压电肋的步骤还包括在第二波导结构外侧上设置第二外压电片，距离基本上等于该偏置；和在第二波导内侧上设置第二内压电片，距离基本上等于该偏置。
62.如权利要求61所述的方法，其特征在于，第一与第二外压电片、第一与第二内压电片的宽度范围基本上都是50μm～200μm。
63.如权利要求62所述的方法，其特征在于，第一与第二内压电片间的距离范围基本上为500μm～3000μm。
64.如权利要求59所述的方法，其特征在于，制作第一或第二压电肋或两者的压电材料由选自下列组的物质制备铅锆酸盐钛酸盐(PET)或氧化锌(ZnO)。
65.如权利要求59所述的方法，其特征在于，制作第一或第二波导结构或二者的材料由下列组的物质制备石英、聚合物或共聚物。
66.如权利要求59所述的方法，其特征在于，第一波导结构具有第一截面形状，第二波导结构具有第二截面形状，所述第一与第二截面形状是方形、矩形、梯形、圆形或半圆形。
67.一种有选择地将光信号导入光学器件之第一或第二输出端的方法，所述光学器件包括至少一个波导，波导的至少一个芯接至第一输出端，所述光信号以一传播方向沿所述至少一个波导传播，其特征在于，所述有选择地引导光信号的方法包括以下步骤提供至少一个压电元件，它通过在所述至少一个波导内形成多个互正交应变分量，将光信号从第一输出端切换入第二输出端，所述至少一个压电元件设置在至少一个波导的一预定位置上，从而在所述多个互正交应变分量中基本上只有第一分量存在于所述至少一个芯中，所述第一分量是对准所述传播方向的应变分量；和驱动所述至少一个压电元件，由此在至少一个波导中产生变形，从而在至少一个波导中产生所述多个互正交应变分量。
全文摘要
一种压电光学开关(10)包括一个平面型Mach－Zehnder光学器件,该器件具有一个设置在一个或两个波导结构(20、30)上的压电肋(40)。压电肋(40)使波导结构变形而产生应变矢量,它改变了波导(20)的光路。压电肋(40)偏离波导(20)中的传播路径。将压电肋(40)放置得偏离波导,可忽略掉在波导传播路径中沿垂直于传播方向的方向(如x向与y向)的应变分量。由于这些方向的应变会产生双折射,因而消除这些应变可将双折射减至最小。本发明的压电开关可提供高消光比和低功耗,且为压电器件提供所期望的短的切换时间。
文档编号G02F1/29GK1342272SQ00804570
公开日2002年3月27日 申请日期2000年3月6日 优先权日1999年3月4日
发明者E·P·塔拉佐那 申请人:康宁股份有限公司