基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构的制作方法
【专利摘要】一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，包括：一对输入波导；一前置耦合器，该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接，用以将一路光分为两路光，并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中；一后置耦合器，将两路光合并为一路光，并耦合到一对输出波导的某一条光波导中；一对输出波导，该一对输出波导的一端与后置耦合器的输出端连接；上干涉臂和下干涉臂，其两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接；一对光谐振腔，该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下干涉臂耦合。本发明利用波长在谐振点附近相位变化剧烈的优点，结合马赫-曾德尔干涉结构两臂干涉特性，只需要较少改变一个谐振腔的折射率，则实现光信号从不同的端口输出。
【专利说明】基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，属于集成光电子学领域。
【背景技术】
[0002]集成光电子技术由于其体积小、功耗低的优势，近几年成为研究热点。调制器、滤波器、激光器等分立元件发展迅速；将多个功能器件单片集成也得到了不断发展，单片集成度和数据通信量也在快速增长。集成光电子器件成为未来全光网络和片上光互联不断发展的基础与动力。光开关作为其中一个重要的器件，在光网络中广泛用于光分叉复用系统和光交叉结点中；在片上光互联中被用于多核处理器之间的数据通信。光开关的功能是光信号从N个输入口进,可以以任意的路由组合从N个输出口输出，即NXN光开关。对于N大于2的光开关，都是有1X2或者2X2光开关单元通过不同的拓扑结构形成。1X2或者2X2的光开关单元的开关性能，影响了 NXN光开关的性能，所以发展I X 2和2 X 2的光开关单元至关重要。
[0003]近几年研究国内外研究光开关的团队很多，他们也用了不同的结构作为其中的光开关单元，其中比较典型有以下几种。中科院半导体研究所的Ruiqiang Ji等人在 OPTICS EXPRESS (Vol.19, N0.21)上发表的论文 “Five-port optical router forphotonic networks-on_chip”中利用微环谐振腔与两条平行波导或者两条垂直波导稱合形成I X 2开关单元，拓扑来实现5端口的光开关，器件一共有16个微环，总尺寸只有50X400ym2，3-dB 的光谱带宽为 38GHz。IBM 公司的 Joris Van Campenhout 等人在 OPTICSEXPRESS (Vol.17，N0.26)上发表的论文“Low-power, 2X 2silicon electro-optic switchwithllO-nm bandwidth for broadband reconfigurable optical networks，，中提出用马赫-曾德尔干涉结构实现2X2光开关，通过设计耦合器使得光开关的谱宽覆盖llOnm，开关串扰低于-17dB，但是器件尺寸只有50X400 μ m2。美国康奈尔大学的Hugo L.R.Lira等人在 OPTICS EXPRESS (Vol.17，N0.25)上发表的论文 “fcoadband hitless siliconelectro-optic switch for on-chip optical networks” 中利用相互稱合的双环来实现开关单元，实验证明光谱带宽为60GHz，单元尺寸为20X40 μ m2。美国麻省理工的MichaelR-Watts 等人在 OPTICS EXPRESS (Vol.19，N0.22)上发表的论文 “Vertical junctionsilicon microdisk modulators and switches”中提出用微盘谐振腔来实现开关单元,微盘的直径只有3.5 μ m。
[0004]综合比较已报道的方法，基于马赫-曾德尔干涉结构的光开关光谱带宽最宽，但是器件尺寸较大，而且在开关操作时需要调节η的相位差，功耗较大。基于单个微环或者微盘结构的光开关，器件尺寸小，但由于单个谐振结构的光谱带宽比较窄，光谱响应不平坦，增大带宽就会使得功耗变大。基于双环结构的光开关，可以实现较大带宽的平顶开关响应，但由于需要精确控制两个环之间的耦合系数，工艺容差比较小。因此，提出一种器件尺寸较小，光谱响应宽而平坦，功耗较低，工艺容差较大的光开关十分重要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，结合马赫-曾德尔干涉器和谐振腔各自的优点，提出一种尺寸小、工作带宽大、调节功耗低的基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构。
[0006]为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下:
[0007]—种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，包括:
[0008]一对输入波导，用以将光波引导入马赫-曾德尔干涉仪中；
[0009]一前置耦合器，该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接，用以将一路光分为两路光，并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中；
[0010]—后置稱合器，将两路光合并为一路光，并稱合到一对输出波导的某一条光波导中；
[0011]—对输出波导，该一对输出波导的一端与后置I禹合器的输出端连接，用以将光从马赫-曾德尔干涉仪输出；
[0012]上干涉臂，该上干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的一条光路；
[0013]下干涉臂，该下干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的另一条光路；
[0014]其特点在于，
[0015]一对光谐振腔，该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下干涉臂耦合。
[0016]所述的前置耦合器和后置耦合器是多模干涉耦合器、Y分支分束器或定向耦合器，实现任意输入口进入，均匀分光输出。
[0017]所述的上、下干涉臂完全相等，长度不影响开关特性，尽量减少臂长以减少器件尺寸和工艺误差带来的臂不对称。
[0018]所述的一对光谐振腔，是微环谐振腔、微盘谐振腔、跑道型谐振腔或者光子晶体谐振腔，谐振腔与干涉臂处于过耦合状态，增强与干涉臂的耦合可以增加关开关的光谱带宽。
[0019]光信号从任意输入波导进入光开关中，通过改变其中一个光谐振腔的折射率，可以实现光信号从不同的输出波导输出；利用一个输入波导实现1X2光开关,利用两个输入波导实现2X2光开关。
[0020]光开关是硅基集成光子器件，其折射率的改变可以通过热光效应、载流子色散效应和非线性效应实现。
[0021]光开关是石英基或者氮化硅基集成光子器件，其折射率的改变可以通过热光效应实现。
[0022]作为开关单元，通过不同的开关拓扑结构，可以实现多端口进，多端口出的光开关路由器，用于光通信、片上光网络等领域中。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0024]改变上、下两个干涉臂的相位相位差从O到π，从而实现光信号从不同输出端口输出。
[0025]两个谐振腔分别与干涉臂耦合，并且处于过耦合状态(幅度直通系数τ小于损耗系数a)，光信号在谐振波长附近相位变化剧烈。
[0026]通过改变其中一个谐振腔的折射率，可以用较小的折射率差实现相位的改变，从而实现光开关功能。
[0027]相对于传统的1X2或者2X2光开关单元，本发明光开关功耗较低、器件尺寸较小、光谱响应较宽而平坦。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图。
[0029]图2为实施例1基于双微环谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图。
[0030]图3为实施例2基于双微盘谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图。
[0031]图4为实施例3基于双跑道型谐振耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图。
[0032]图5为实施例4基于双光子晶体谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图。
[0033]图6为谐振腔在不同折射率变化下的(a)相位响应和(b)光谱响应图。
[0034]图7为基于双跑道耦合马赫-曾德尔光开关(a)直通端和(b)交叉端在不同折射率变化下的光谱响应图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0036]请先参阅图1，图1为本发明基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关的结构示意图，如图1所示，一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，包括:
[0037]一对输入波导I，2，用以将光波引导入马赫-曾德尔干涉仪中；
[0038]一前置耦合器3，该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接，用以将一路光分为两路光，并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中；
[0039]—后置稱合器6,将两路光合并为一路光,并稱合到一对输出波导的某一条光波导中；
[0040]—对输出波导7, 8,该一对输出波导的一端与后置f禹合器的输出端连接,用以将光从马赫-曾德尔干涉仪输出；
[0041]上干涉臂4，该上干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的一条光路；
[0042]下干涉臂5，该下干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的另一条光路；
[0043]一对光谐振腔41，51，该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下干涉臂耦合。
[0044]前置耦合器3是多模干涉耦合器、Y分支分束器或定向耦合器，实现任意输入口进入，均匀分光输出；上干涉臂4和下干涉臂5的长度一样，长度不影响开关特性，尽量减少臂长以减少器件尺寸和工艺误差，一般可以设计IOym量级；
[0045]一对光谐振腔41，51，该上光谐振腔41与上干涉臂4耦合，下光谐振腔51与下干涉臂耦合，光谐振腔41和51是微环谐振腔、微盘谐振腔、跑道型谐振腔或光子晶体谐振腔，两个谐振腔的尺寸完全一致；[0046]图2为实施例1基于双微环谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图，图3为实施例2基于双微盘谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图，图4为实施例3基于双跑道型谐振耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图，图5为实施例4基于双光子晶体谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图。本发明光开关可以通过硅基、石英基或者氮化硅基材料实现，通过热光效应或者硅基中的载流子色散效应、非线性效应来调节其中一个谐振腔的折射率，或者同时朝不同方向调节两个谐振腔的折射率。在开关关闭状态，上、下两干涉臂的相位差为0，光信号进入光开关后从交叉端输出，直通端的光强为O。当改变一个谐振腔的折射率，其光谱的相位响应发生移动，如图6(a)所不,光在1551.34nm波长附近相位变化剧烈，通过较小的折射率改变，则可以实现相位差η的变化，两个臂干涉相减，实现了开关反转，光信号就从直通端输出。图6(b)为谐振腔在不同折射率变化下的光谱响应，当发生开关反转时，光信号在上、下两个谐振腔的幅度相等。图7(a)和(b)为光开关直通端和交叉端在改变不同折射率下的光谱响应，当信号加载到1551.34nm波长上，本发明光开关处于关闭状态，折射率变化为0，直通端的响应为0，交叉端的响应接近I ;当开关开启后，直通端的输出接近1，而交叉端的响应为O
实施例
[0047]以图2基于双微环耦合马赫-曾德尔光开关为实施例，硅基为器件材料，前置耦合器3和后置耦合器6为多模干涉耦合器。图2中微环谐振腔41和51的半径都为10 μ m，在41上制作金属热电阻，利用热光效应改变该环的折射率实现开关作用。考虑到实际工艺会带来损耗，假定总损耗为3dB/cm,转化为微环41、51的损耗因子a为0.9978。微环41、51与干涉臂的幅度直通系数τ都为0.94，对应幅度耦合系数K为0.3412。对微环41进行加热升温，改变折射率。图5(a)和(b)所示为微环41在不同折射率改变下的相位响应图和光谱响应图。假定信号加载在1551.34nm,当折射率变化为4.85X 10_4时，相位改变π，幅度则和初始状态一样。对于马赫-曾德尔干涉结构，即为干涉相减，就实现了开关反转。图7(a)和(b)分别为本发明基于双微环耦合马赫-曾德尔光开关直通端和交叉端在微环41不同折射率改变下的光谱响应。初始状态光信号从交叉端输出，直通端的输出为0，直通端输出不为I是由于微环损耗造成。改变微环41的折射率，直通端的输出光强逐渐增加，交叉端的输出光强则减少。当折射率变化为4.85X10_4时，交叉端的输出为0，光信号全部从直通端输出，实现了开关反转。从图中可以看到，开关的3-dB带宽为?53GHz (0.425nm)，光谱响应也较为平坦。实现更大的3-dB带宽，只需要增加谐振腔41和51与干涉臂的耦合强度。
[0048]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】和实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，包括: 一对输入波导(1，2)，用以将光波引导入马赫-曾德尔干涉仪中； 一前置耦合器(3)，该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接，用以将一路光分为两路光，并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中； 一后置稱合器(6),将两路光合并为一路光，并稱合到一对输出波导的某一条光波导中； 一对输出波导(7, 8),该一对输出波导的一端与后置I禹合器的输出端连接,用以将光从马赫-曾德尔干涉仪输出； 上干涉臂(4)，该上干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的一条光路； 下干涉臂(5)，该下干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的另一条光路； 其特征在于， 一对光谐振腔(41，51)，该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下干涉臂耦合。
2.根据权利要求1所述的基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，其特征在于，所述的一对光谐振腔是微环谐振腔、微盘谐振腔、跑道型谐振腔或者光子晶体谐振腔，谐振腔与干涉臂处于过耦合状态。
3.根据权利要求1所述的基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，其特征在于，所述的前置耦合器和后置耦合器是多模干涉耦合器、Y分支分束器或定向耦合器。
4.根据权利要求1所述的基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，其特征在于，所述的上干涉臂和下干涉臂的结构相同。
【文档编号】G02B6/28GK103487889SQ201310347974
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】陆梁军, 周林杰, 李新碗, 陈建平 申请人:上海交通大学