CN110286540A - 一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关 - Google Patents

一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，可应用于光通信、光互连、光计算等，属于光电子技术领域。本发明有一个光波输入端口，四个光波输出端口。本发明由两级3个1×2的MZI结构的开关单元阵列组合而成。在第一级光开关单元中有一个1×2的MZI，光经过Y型波导分束器分别进入上下两个干涉臂，随后通过2×2的定向耦合器干涉输出。第二级并行的两个MZI光开关单元中Y型波导分束器的输入端分别与第一级定向耦合器的两个输出端口平行连接。MZI中当干涉臂相位差达到π/2时，可以实现光路在两个输出端口间的切换，对于两级MZI而言，便可以实现四路选通的功能，为制作大规模光开关阵列提供了更大的灵活性。

Description

一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关
技术领域
本发明涉及光学元器件，尤其是涉及一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，可应用于光通信、光互连、光计算等，属于光电子技术领域。
背景技术
光开关是光交换的核心器件，也是影响光网络性能的主要因素之一。光开关作为新一代全光联网网络的关键器件，主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接和自愈保护等功能。在全光网中，光分插复用器件(OADM)和光交叉连接(OXC)是不可缺少的网络节点设备，而光开关和光开关阵列则是这些设备中的核心器件。随着信息社会对通信容量日益增长的不断需求，光纤通信网的传输带宽飞速增大。相应地，高速通信网对光开关的开关速率也提出了越来越高的要求。微机电***(MEMS)光开关的开关速率为毫秒量级，热光型光波导开关经结构优化设计后开关速率可以达到几十个微秒，但仍然不能满足超高速光交换的要求。电光开关可以在纳秒量级快速改变开关的状态。LiNbO3具有很大的电光系数(30.8×10-12V/m)并且电光响应极快(t＝10-19s)，由LiNbO3制成的光波导器件是构成现代超高速、大容量、长距离光纤通信和光交换***的关键器件。
采用马赫-曾德尔干涉结构(Mach-Zehnder-Interferometer，MZI)的光开关具备高消光比，低串扰，低损耗等的优良特性，引起了广泛关注。通过增加两个干涉臂的长度差可以降低开关功率，但是这样又不利于器件的小型化和集成化。因此设计合理的波导结构对于降低开关功率、提高开关速度具有重要意义。此外，为满足大数据量的光学计算、通信以及光网络的需要，增加单个开关元件的路数也是必要的。目前商用的铌酸锂波导光开关体积较大，集成度不高，多应用于1×2，2×2的低端口切换***，只能实现光在两个出射端口之间的光路切换，集成度和芯片的利用率都不高。因此，很有必要开发新的器件结构以提高其集成度，在不增加芯片尺寸和工艺难度的情况下实现光在尽可能多的端口之间的切换。
发明内容
一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，由一路输入光纤(1)，铌酸锂波导芯片(3)，四路输出光纤(12)构成，其特征在于：其中铌酸锂波导芯片(3)包括由一个1×2的MZI构成的第一级光开关单元(Ⅰ)和由两个并行的1×2的MZI构成的第二级光开关单元(Ⅱ)，所述1×2的MZI包括铌酸锂基底(13)以及形成于其表面的缓冲层(14)、行波电极(4)和光波导(5)，所述行波电极(4)由中心电极(9)和其两侧的地电极(10)组成，所述光波导(5)依次构成了Y型波导分束器(6)、上下平行的波导干涉臂(7)、3dB定向耦合器(8)；所述第一级光开关单元(Ⅰ)中的1×2的MZI的Y型波导分束器(6)将由输入光纤(1)输入的一路光等分为两路，分别进入波导干涉臂(7)的上下两个臂，波导干涉臂(7)的输出端与3dB定向耦合器(8)连接，两路在波导干涉臂(7)的上下两个臂的光在行波电极(4)的作用下产生相位差，当相位差达到π/2时，从3dB定向耦合器(8)下输出端口干涉输出，当相位差达到-π/2时，从3dB定向耦合器(8)上输出端口干涉输出，便实现了光路在1×2的MZI的两个输出端口间的切换,即二路选通的功能；所述第二级光开关单元(Ⅱ)中的两个1×2的MZI的Y型波导分束器(6)与上一级3dB定向耦合器(8)的输出端口平行连接，从上一级3dB定向耦合器(8)的某一输出端口输出的光进入第二级光开关单元(Ⅱ)中的某一1×2的MZI光开关单元的Y型波导分束器(6)中，同样在行波电极(4)的作用下，从3dB定向耦合器(8)其中一个输出端口干涉输出；通过分别控制所述三个1×2的MZI中的行波电极(4)，便实现了四路选通的功能；四个输出端口分别连接四路输出光纤(12)。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，由一路输入光纤，铌酸锂波导芯片，四路输出光纤构成，其中铌酸锂波导芯片包括由一个1×2的MZI构成的第一级光开关单元和由两个并行的1×2的MZI构成的第二级光开关单元，所述1×2的MZI包括铌酸锂基底以及形成于其表面的缓冲层、行波电极和光波导，所述行波电极由中心电极和其两侧的地电极组成，所述光波导依次构成了Y型波导分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB定向耦合器；所述第一级光开关单元中的1×2的MZI的Y型波导分束器将由输入光纤输入的一路光等分为两路，分别进入波导干涉臂的上下两个臂，波导干涉臂的输出端与3dB定向耦合器连接，两路在波导干涉臂的上下两个臂的光在行波电极的作用下产生相位差，当相位差达到π/2时，从3dB定向耦合器下输出端口干涉输出，当相位差达到-π/2时，从3dB定向耦合器上输出端口干涉输出，便实现了光路在1×2的MZI的两个输出端口间的切换,即二路选通的功能；所述第二级光开关单元中的两个1×2的MZI的Y型波导分束器与上一级3dB定向耦合器的输出端口平行连接，从上一级3dB定向耦合器的某一输出端口输出的光进入第二级光开关单元中的某一1×2的MZI光开关单元的Y型波导分束器中，同样在行波电极的作用下，从3dB定向耦合器其中一个输出端口干涉输出；通过分别控制所述三个1×2的MZI中的行波电极，对整个光开关器件而言，便实现了四路选通的功能；四个输出端口分别连接四路输出光纤(12)。
所述铌酸锂基底采用X切Y传型。
所述Y型波导分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB定向耦合器皆由光波导构成，所述光波导宽度相同，采用退火质子交换铌酸锂单模波导，经过清洗衬底片、制备掩模、光刻、质子交换、退火、端面抛光、波导调整与检查步骤制成。
所述Y型波导分束器及3dB定向耦合器的波导弯曲部分采用上升余弦曲线弯曲。
所述输入光纤采用U型槽对准，所述输出光纤采用等间距排列的V型槽阵列对准。
本发明的有益效果为：(1)本发明为1×4光开关，即有一个光波输入端口以及四个光波输出端口，能实现光开关的四路选通功能，本发明结构简单、体积较小，为制作大规模光开关阵列提供了更大的灵活性；(2)利用铌酸锂材料优良电光特性，工艺上采用退火质子交换铌酸锂光波导，制作工艺成熟，成本较小，具有潜在经济与应用价值，能够在光通信领域中得到广泛的应用。
附图说明
图1为本发明基于马赫增德尔干涉结构的新型1×4铌酸锂波导光开关的结构示意图；
图2为本发明所述铌酸锂波导芯片剖面结构示意图；
图3为本发明基于马赫增德尔干涉结构的新型1×4铌酸锂波导光开关四路选通的仿真模拟结果图。
图中：1.输入光纤，2.U型槽光纤固定装置，3.铌酸锂波导芯片，4.行波电极，5.光波导，6.Y型波导分束器，7.波导干涉臂，8.3dB定向耦合器，9.中心电极，10.地电极，11.V型槽光纤固定装置，12.输出光纤，13.铌酸锂基底，14.缓冲层，Ⅰ.第一级光开关单元，Ⅱ.第二级光开关单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于此实施例。
本实施例的一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关结构示意图如图1所示。
本实施例包括沿光束传输方向依次排列的输入光纤1，U型槽光纤固定装置2，由一个1×2的MZI构成的第一级光开关单元Ⅰ和由两个并行的1×2的MZI构成的第二级光开关单元Ⅱ，V型槽光纤固定装置11，输出光纤12。在输入光纤1与第一级光开关单元Ⅰ耦合对接时，考虑到输入光纤只有一根，因此采用U型槽对准；输出光纤为等间距排列的四根光纤，采用V型槽阵列对准。1×2的MZI包括如图2所示的铌酸锂基底13以及形成于其表面的缓冲层14、行波电极4和光波导5，所述行波电极4包括中心电极9和地电极10，光波导5包括一个Y型波导分束器6、波导干涉臂7、3dB定向耦合器8。Y型波导分束器及3dB定向耦合器的波导弯曲部分采用上升余弦曲线弯曲可以减小波导的弯曲损耗。由输入光纤1输入的一路光经Y型波导分束器6等分为两路，分别进入波导干涉臂7的上下两干涉臂，两路光在行波电极4的作用下产生相位差，从而决定从定向耦合器哪一输出端口干涉输出，便可以实现光路在第一级光开关单元Ⅰ两个输出端口间的切换即光开关功能。第一级光开关单元Ⅰ的两路输出分别进入第二级光开关单元Ⅱ的两个1×2的MZI，经过第二级光开关单元Ⅱ后，对整个光开关器件而言，便可以实现四路选通的功能。
本发明的制作工艺简单，所述铌酸锂基底13采用X切Y传型，所述光波导5采用退火质子交换铌酸锂单模波导，本实例中1×4铌酸锂波导光开关器件的总长度为3.7cm。Y型波导分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB定向耦合器的波导宽度相同为6.5μm。采用推挽式的电极结构，这种结构能在MZI光开关的两干涉臂上同时加电场，实现相位调制。推挽式的电极结构相比于单臂调制能获得更小的开关电压，提高了开关器件的工作稳定性，本实例中电极厚度为15μm，电极宽度为8μm，电极间距为12μm，为了减小器件的长度又保证器件具有较低的开关电压，需合理设置干涉臂长度，本实例中干涉臂长度为1cm。第一级1×2的MZI光开关单元中3dB定向耦合器的耦合间距为10μm，耦合长度261.5μm，第二级3dB定向耦合器的耦合间距为10μm，耦合长度设置为432.5μm。考虑到输出端口的光由光纤输出，本实例中四个铌酸锂波导输出端口等间距排列，间距为127μm。
图3为本发明基于马赫增德尔干涉结构的新型1×4铌酸锂波导光开关四路选通的仿真模拟结果图，对于1550nm波长的输入光,最大消光比可达48dB，能够很好地实现四路选通的功能。
综上所述，本发明提出了基于马赫增德尔干涉结构的新型1×4铌酸锂波导光开关，能够很好地实现光路在四个输出端口的任意切换，具有潜在经济与应用价值，有望在光通信领域中得到广泛的应用。

Claims (5)

1.一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，由一路输入光纤(1)，铌酸锂波导芯片(3)，四路输出光纤(12)构成，其特征在于：其中铌酸锂波导芯片(3)包括由一个1×2的MZI构成的第一级光开关单元(Ⅰ)和由两个并行的1×2的MZI构成的第二级光开关单元(Ⅱ)，所述1×2的MZI包括铌酸锂基底(13)以及形成于其表面的缓冲层(14)、行波电极(4)和光波导(5)，所述行波电极(4)由中心电极(9)和其两侧的地电极(10)组成，所述光波导(5)依次构成了Y型波导分束器(6)、上下平行的波导干涉臂(7)、3dB定向耦合器(8)；所述第一级光开关单元(Ⅰ)中的1×2的MZI的Y型波导分束器(6)将由输入光纤(1)输入的一路光等分为两路，分别进入波导干涉臂(7)的上下两个臂，波导干涉臂(7)的输出端与3dB定向耦合器(8)连接，两路在波导干涉臂(7)的上下两个臂的光在行波电极(4)的作用下产生相位差，当相位差达到π/2时，从3dB定向耦合器(8)下输出端口干涉输出，当相位差达到-π/2时，从3dB定向耦合器(8)上输出端口干涉输出，便实现了光路在1×2的MZI的两个输出端口间的切换,即二路选通的功能；所述第二级光开关单元(Ⅱ)中的两个1×2的MZI的Y型波导分束器(6)与上一级3dB定向耦合器(8)的输出端口平行连接，从上一级3dB定向耦合器(8)的某一输出端口输出的光进入第二级光开关单元(Ⅱ)中的某一1×2的MZI光开关单元的Y型波导分束器(6)中，同样在行波电极(4)的作用下，从3dB定向耦合器(8)其中一个输出端口干涉输出；通过分别控制所述三个1×2的MZI中的行波电极(4)，便实现了四路选通的功能；四个输出端口分别连接四路输出光纤(12)。
2.如权利要求1所述的一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，其特征在于：所述铌酸锂基底(13)采用X切Y传型。
3.如权利要求1或2所述的一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，其特征在于：所述Y型波导分束器(6)、上下平行的波导干涉臂(7)、3dB定向耦合器(8)皆由光波导(5)构成，所述光波导(5)宽度相同，采用退火质子交换铌酸锂单模波导，经过清洗衬底片、制备掩模、光刻、质子交换、退火、端面抛光、波导调整与检查步骤制成。
4.如权利要求3所述的一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，其特征在于：所述Y型波导分束器(6)及3dB定向耦合器(8)的波导弯曲部分采用上升余弦曲线弯曲。
5.如权利要求1或4所述的一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关，其特征在于：所述输入光纤(1)采用U型槽对准，所述四路输出光纤(12)采用等间距排列的V型槽阵列对准。
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