基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構的制作方法
【專利摘要】一種基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，包括：一對輸入波導；一前置耦合器，該前置耦合器的輸入端與一對輸入波導相連接，用以將一路光分為兩路光，并分別進入到上干涉臂和下干涉臂中；一后置耦合器，將兩路光合并為一路光，并耦合到一對輸出波導的某一條光波導中；一對輸出波導，該一對輸出波導的一端與后置耦合器的輸出端連接；上干涉臂和下干涉臂，其兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接；一對光諧振腔，該一對光諧振腔分別與上干涉臂和下干涉臂耦合。本發明利用波長在諧振點附近相位變化劇烈的優點，結合馬赫-曾德爾干涉結構兩臂干涉特性，只需要較少改變一個諧振腔的折射率，則實現光信號從不同的端口輸出。
【專利說明】基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，屬于集成光電子學領域。
【背景技術】
[0002]集成光電子技術由于其體積小、功耗低的優勢，近幾年成為研究熱點。調制器、濾波器、激光器等分立元件發展迅速；將多個功能器件單片集成也得到了不斷發展，單片集成度和數據通信量也在快速增長。集成光電子器件成為未來全光網絡和片上光互聯不斷發展的基礎與動力。光開關作為其中一個重要的器件，在光網絡中廣泛用于光分叉復用系統和光交叉結點中；在片上光互聯中被用于多核處理器之間的數據通信。光開關的功能是光信號從N個輸入口進,可以以任意的路由組合從N個輸出口輸出，即NXN光開關。對于N大于2的光開關，都是有1X2或者2X2光開關單元通過不同的拓撲結構形成。1X2或者2X2的光開關單元的開關性能，影響了 NXN光開關的性能，所以發展I X 2和2 X 2的光開關單元至關重要。
[0003]近幾年研究國內外研究光開關的團隊很多，他們也用了不同的結構作為其中的光開關單元，其中比較典型有以下幾種。中科院半導體研究所的Ruiqiang Ji等人在 OPTICS EXPRESS (Vol.19, N0.21)上發表的論文 “Five-port optical router forphotonic networks-on_chip”中利用微環諧振腔與兩條平行波導或者兩條垂直波導稱合形成I X 2開關單元，拓撲來實現5端口的光開關，器件一共有16個微環，總尺寸只有50X400ym2，3-dB 的光譜帶寬為 38GHz。IBM 公司的 Joris Van Campenhout 等人在 OPTICSEXPRESS (Vol.17，N0.26)上發表的論文“Low-power, 2X 2silicon electro-optic switchwithllO-nm bandwidth for broadband reconfigurable optical networks，，中提出用馬赫-曾德爾干涉結構實現2X2光開關，通過設計耦合器使得光開關的譜寬覆蓋llOnm，開關串擾低于-17dB，但是器件尺寸只有50X400 μ m2。美國康奈爾大學的Hugo L.R.Lira等人在 OPTICS EXPRESS (Vol.17，N0.25)上發表的論文 “fcoadband hitless siliconelectro-optic switch for on-chip optical networks” 中利用相互稱合的雙環來實現開關單元，實驗證明光譜帶寬為60GHz，單元尺寸為20X40 μ m2。美國麻省理工的MichaelR-Watts 等人在 OPTICS EXPRESS (Vol.19，N0.22)上發表的論文 “Vertical junctionsilicon microdisk modulators and switches”中提出用微盤諧振腔來實現開關單元,微盤的直徑只有3.5 μ m。
[0004]綜合比較已報道的方法，基于馬赫-曾德爾干涉結構的光開關光譜帶寬最寬，但是器件尺寸較大，而且在開關操作時需要調節η的相位差，功耗較大。基于單個微環或者微盤結構的光開關，器件尺寸小，但由于單個諧振結構的光譜帶寬比較窄，光譜響應不平坦，增大帶寬就會使得功耗變大。基于雙環結構的光開關，可以實現較大帶寬的平頂開關響應，但由于需要精確控制兩個環之間的耦合系數，工藝容差比較小。因此，提出一種器件尺寸較小，光譜響應寬而平坦，功耗較低，工藝容差較大的光開關十分重要。
【發明內容】

[0005]本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，結合馬赫-曾德爾干涉器和諧振腔各自的優點，提出一種尺寸小、工作帶寬大、調節功耗低的基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構。
[0006]為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下:
[0007]—種基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，包括:
[0008]一對輸入波導，用以將光波引導入馬赫-曾德爾干涉儀中；
[0009]一前置耦合器，該前置耦合器的輸入端與一對輸入波導相連接，用以將一路光分為兩路光，并分別進入到上干涉臂和下干涉臂中；
[0010]—后置稱合器，將兩路光合并為一路光，并稱合到一對輸出波導的某一條光波導中；
[0011]—對輸出波導，該一對輸出波導的一端與后置I禹合器的輸出端連接，用以將光從馬赫-曾德爾干涉儀輸出；
[0012]上干涉臂，該上干涉臂的兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接，提供構成馬赫-曾德爾干涉儀所需要的一條光路；
[0013]下干涉臂，該下干涉臂的兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接，提供構成馬赫-曾德爾干涉儀所需要的另一條光路；
[0014]其特點在于，
[0015]一對光諧振腔，該一對光諧振腔分別與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，實現任意輸入口進入，均勻分光輸出。
[0017]所述的上、下干涉臂完全相等，長度不影響開關特性，盡量減少臂長以減少器件尺寸和工藝誤差帶來的臂不對稱。
[0018]所述的一對光諧振腔，是微環諧振腔、微盤諧振腔、跑道型諧振腔或者光子晶體諧振腔，諧振腔與干涉臂處于過耦合狀態，增強與干涉臂的耦合可以增加關開關的光譜帶寬。
[0019]光信號從任意輸入波導進入光開關中，通過改變其中一個光諧振腔的折射率，可以實現光信號從不同的輸出波導輸出；利用一個輸入波導實現1X2光開關,利用兩個輸入波導實現2X2光開關。
[0020]光開關是硅基集成光子器件，其折射率的改變可以通過熱光效應、載流子色散效應和非線性效應實現。
[0021]光開關是石英基或者氮化硅基集成光子器件，其折射率的改變可以通過熱光效應實現。
[0022]作為開關單元，通過不同的開關拓撲結構，可以實現多端口進，多端口出的光開關路由器，用于光通信、片上光網絡等領域中。
[0023]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0024]改變上、下兩個干涉臂的相位相位差從O到π，從而實現光信號從不同輸出端口輸出。
[0025]兩個諧振腔分別與干涉臂耦合，并且處于過耦合狀態(幅度直通系數τ小于損耗系數a)，光信號在諧振波長附近相位變化劇烈。
[0026]通過改變其中一個諧振腔的折射率，可以用較小的折射率差實現相位的改變，從而實現光開關功能。
[0027]相對于傳統的1X2或者2X2光開關單元，本發明光開關功耗較低、器件尺寸較小、光譜響應較寬而平坦。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發明基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖。
[0029]圖2為實施例1基于雙微環諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖。
[0030]圖3為實施例2基于雙微盤諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖。
[0031]圖4為實施例3基于雙跑道型諧振耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖。
[0032]圖5為實施例4基于雙光子晶體諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖。
[0033]圖6為諧振腔在不同折射率變化下的(a)相位響應和(b)光譜響應圖。
[0034]圖7為基于雙跑道耦合馬赫-曾德爾光開關(a)直通端和(b)交叉端在不同折射率變化下的光譜響應圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步闡述，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0036]請先參閱圖1，圖1為本發明基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關的結構示意圖，如圖1所示，一種基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，包括:
[0037]一對輸入波導I，2，用以將光波引導入馬赫-曾德爾干涉儀中；
[0038]一前置耦合器3，該前置耦合器的輸入端與一對輸入波導相連接，用以將一路光分為兩路光，并分別進入到上干涉臂和下干涉臂中；
[0039]—后置稱合器6,將兩路光合并為一路光,并稱合到一對輸出波導的某一條光波導中；
[0040]—對輸出波導7, 8,該一對輸出波導的一端與后置f禹合器的輸出端連接,用以將光從馬赫-曾德爾干涉儀輸出；
[0041]上干涉臂4，該上干涉臂的兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接，提供構成馬赫-曾德爾干涉儀所需要的一條光路；
[0042]下干涉臂5，該下干涉臂的兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接，提供構成馬赫-曾德爾干涉儀所需要的另一條光路；
[0043]一對光諧振腔41，51，該一對光諧振腔分別與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，實現任意輸入口進入，均勻分光輸出；上干涉臂4和下干涉臂5的長度一樣，長度不影響開關特性，盡量減少臂長以減少器件尺寸和工藝誤差，一般可以設計IOym量級；
[0045]一對光諧振腔41，51，該上光諧振腔41與上干涉臂4耦合，下光諧振腔51與下干涉臂耦合，光諧振腔41和51是微環諧振腔、微盤諧振腔、跑道型諧振腔或光子晶體諧振腔，兩個諧振腔的尺寸完全一致；[0046]圖2為實施例1基于雙微環諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖，圖3為實施例2基于雙微盤諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖，圖4為實施例3基于雙跑道型諧振耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖，圖5為實施例4基于雙光子晶體諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構示意圖。本發明光開關可以通過硅基、石英基或者氮化硅基材料實現，通過熱光效應或者硅基中的載流子色散效應、非線性效應來調節其中一個諧振腔的折射率，或者同時朝不同方向調節兩個諧振腔的折射率。在開關關閉狀態，上、下兩干涉臂的相位差為0，光信號進入光開關后從交叉端輸出，直通端的光強為O。當改變一個諧振腔的折射率，其光譜的相位響應發生移動，如圖6(a)所不,光在1551.34nm波長附近相位變化劇烈，通過較小的折射率改變，則可以實現相位差η的變化，兩個臂干涉相減，實現了開關反轉，光信號就從直通端輸出。圖6(b)為諧振腔在不同折射率變化下的光譜響應，當發生開關反轉時，光信號在上、下兩個諧振腔的幅度相等。圖7(a)和(b)為光開關直通端和交叉端在改變不同折射率下的光譜響應，當信號加載到1551.34nm波長上，本發明光開關處于關閉狀態，折射率變化為0，直通端的響應為0，交叉端的響應接近I ;當開關開啟后，直通端的輸出接近1，而交叉端的響應為O
實施例
[0047]以圖2基于雙微環耦合馬赫-曾德爾光開關為實施例，硅基為器件材料，前置耦合器3和后置耦合器6為多模干涉耦合器。圖2中微環諧振腔41和51的半徑都為10 μ m，在41上制作金屬熱電阻，利用熱光效應改變該環的折射率實現開關作用。考慮到實際工藝會帶來損耗，假定總損耗為3dB/cm,轉化為微環41、51的損耗因子a為0.9978。微環41、51與干涉臂的幅度直通系數τ都為0.94，對應幅度耦合系數K為0.3412。對微環41進行加熱升溫，改變折射率。圖5(a)和(b)所示為微環41在不同折射率改變下的相位響應圖和光譜響應圖。假定信號加載在1551.34nm,當折射率變化為4.85X 10_4時，相位改變π，幅度則和初始狀態一樣。對于馬赫-曾德爾干涉結構，即為干涉相減，就實現了開關反轉。圖7(a)和(b)分別為本發明基于雙微環耦合馬赫-曾德爾光開關直通端和交叉端在微環41不同折射率改變下的光譜響應。初始狀態光信號從交叉端輸出，直通端的輸出為0，直通端輸出不為I是由于微環損耗造成。改變微環41的折射率，直通端的輸出光強逐漸增加，交叉端的輸出光強則減少。當折射率變化為4.85X10_4時，交叉端的輸出為0，光信號全部從直通端輸出，實現了開關反轉。從圖中可以看到，開關的3-dB帶寬為?53GHz (0.425nm)，光譜響應也較為平坦。實現更大的3-dB帶寬，只需要增加諧振腔41和51與干涉臂的耦合強度。
[0048]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】和實施例，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，包括: 一對輸入波導(1，2)，用以將光波引導入馬赫-曾德爾干涉儀中； 一前置耦合器(3)，該前置耦合器的輸入端與一對輸入波導相連接，用以將一路光分為兩路光，并分別進入到上干涉臂和下干涉臂中； 一后置稱合器(6),將兩路光合并為一路光，并稱合到一對輸出波導的某一條光波導中； 一對輸出波導(7, 8),該一對輸出波導的一端與后置I禹合器的輸出端連接,用以將光從馬赫-曾德爾干涉儀輸出； 上干涉臂(4)，該上干涉臂的兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接，提供構成馬赫-曾德爾干涉儀所需要的一條光路； 下干涉臂(5)，該下干涉臂的兩端分別與前置耦合器和后置耦合器連接，提供構成馬赫-曾德爾干涉儀所需要的另一條光路； 其特征在于， 一對光諧振腔(41，51)，該一對光諧振腔分別與上干涉臂和下干涉臂耦合。
2.根據權利要求1所述的基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，其特征在于，所述的一對光諧振腔是微環諧振腔、微盤諧振腔、跑道型諧振腔或者光子晶體諧振腔，諧振腔與干涉臂處于過耦合狀態。
3.根據權利要求1所述的基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，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.根據權利要求1所述的基于雙諧振腔耦合馬赫-曾德爾光開關結構，其特征在于，所述的上干涉臂和下干涉臂的結構相同。
【文檔編號】G02B6/28GK103487889SQ201310347974
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】陸梁軍, 周林杰, 李新碗, 陳建平 申請人:上海交通大學