CN1135426C - 垂直耦合波导结构的光学交叉点开关及其控制方法和阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学交叉点开关。该开关允许光信号从任意数量的输入端口转向到任意数量的输出端口中的任一个端口或几个端口。该开关由形成在平面基片上的两组截断光波导组成，这两组光波导分别为输入和输出波导。在每个交叉上，另一个波导形成在该输入和输出波导之上。通过电或光信号控制在这个上部波导和输入/输出波导之间的光学耦合。上部波导在所述交叉上具有隅角反射镜。当控制信号允许时，光从输入波导耦合到上部波导。在由该隅角反射镜反射之后，光从上部波导耦合到输出波导。上部波导并入了有源开关元件允许高调制深度和低串扰电平。

Description

垂直耦合波导结构的光学交叉点开关及其控制方法和阵列
本发明公开了一种光学交叉点开关。该开关允许光信号从任意数量的输入端口转向到任意数量的输出端口中的任一个端口或几个端口。该开关由形成在平面基片上的两组截断光波导组成，这两组光波导分别为输入和输出波导。在每个交叉上，另一个波导形成在该输入和输出波导之上。通过电或光信号控制在这个上部波导和输入/输出波导之间的光学耦合。上部波导在该交叉上具有隅角反射镜。当控制信号允许时，光从输入波导耦合到上部波导。在由该隅角反射镜反射之后，光从上部波导耦合到输出波导。上部波导并入有源开关元件，允许较高的调制深度和较低的串扰电平。
发明领域
本发明涉及光学部件，具体地说涉及一种光学交叉点开关阵列结构。
已有技术描述
在光学通信***/网络中应用光学交叉点开关来确定光信号传输路由。它允许以下述方式对光进行转向：(1)从任一输入端口到任意一个或多个输出端口(确定路由)，(2)以任意顺序从几个端口到相等数量或更少数量的输出端口(混合或组合)以及(3)从任一输入端口到几个输出端口(广播)。该开关可以具有任意数量的输入和输出端口并容易扩大。在光学通信网络中实现这些功能具有重要的应用。
人们已经提出了三种主要的常规结构的光学交叉点开关。第一种将所有的光学输入分为许多分支，如Kato，T等人在IEICE Trans.OnElectronics Vol.E82C，No.2 pp.305-312，1999中所描述。分支的数量等于输出的数量。然后它需要重新分组和重新组合这些分支。在重新组合之前通过阻塞这些分支执行开关。第二种应用在平面基片上的两组垂直的波导分别作为输入和输出。通过在相同的平面上构造耦合器实现开关，如Fish G.A.等人在IEEE Photonics TechnologyLetters Vol.10，No.2 pp.230-232，1998中所描述。第三种也应用在平面基片上的两组垂直的波导分别作为输入和输出。通过仅应用折射率的变化构造在垂直方向上的方向耦合器作为开关机构来实现开关，如R.Maciejko，A.Champagne，B.Reid和H Mani在IEEE Journalof Quantum Electronics 1994，Vol.30，No.9 pp.2106-2113的“analysis of an InGaAsP/InP twin-overlayed-waveguideswitch”中所描述。
然而，第一种结构的缺点在于它具有与输出数量成比例的较高的***损耗，而且它应用大的的基片面积。第二种结构的缺点在于它应用大的的基片面积。第三种结构的缺点在于很难实现较高的调制深度和较低的串扰电平。
发明概述
本发明的目的在于提供一种在通道之间具有最小的串扰电平和较高的调制深度的利用垂直光学耦合的光学交叉点开关方案。
本发明的另一目的是提供一种每个交叉点(输入/输出对)占用小的面积的光学交叉点开关。
本发明的进一步目的是提供(并不限于)该方案的一种特定的实施例，这种实施例同时利用在上部波导中的折射率和光学增益的变化。
本发明的进一步目的是提供(并不限于)该方案的一种特定的实施例，这种实施例同时利用波导中的折射率和光学吸收的变化。
为实现本发明的目的，如在附图1中一般性地示出，在合适的材料的平面基片上形成两组截断波导，即输入波导01和输出波导02。在每个交叉点的附近，在输入和输出波导之上形成了另一层波导，形成了垂直耦合波导结构[VCWS 03]。通过电或光信号控制在这种上部波导和下部输入/输出波导之间的垂直光学耦合。上部波导在交叉点上具有全内部反射[TIR 04]隅角反射镜。当控制信号选择一个特定的开关时，光全部地或部分地从输入波导耦合到上部波导。通过隅角反射镜的反射，光被调整成一个角度，然后从上部波导耦合进输出波导中。通过与开关动作同步地改变在波导中的光学吸收和/或增益来实现较高的调制深度和较低串扰电平。
为实现本发明的另一目的，设计在下部波导层、上部波导层和在其之间的间隔层的折射率和厚度以使将耦合长度降低到这样的程度：输入/输出光纤耦合所需的间隔决定在相邻的端口之间的距离。
为实现本发明的一种特定实施例，在适合于信号波长的半导体基片上顺序地形成下部波导、间隔层和上部波导层，以形成晶片。下部波导的带隙是这样的它对于信号波长透明。上部波导的带隙为这样的：当没有载流子注入时它提供较高的光学吸收而当存在载流子注入时它提供光学增益。这样设计两个波导的传播常数以使当没有载流子注入时下部波导具有比上部波导更小的传播常数。这些层的掺杂分布能够确保注入的大多数载流子限制在上部波导中。
为实现本发明的另一特定的实施例，在适合于信号波长的III-V半导体基片上顺序地形成下部波导、间隔层和上部波导层，以形成晶片。下部波导的带隙是这样的使它在该信号波长上它具有较低的光学损耗。上部波导的带隙为这样的：当施加电场时它提供较高的光学吸收而当没有施加电场时它具有较低的光学损耗。这样设计两个波导的传播常数以使在没有施加电场时两个波导具有相等的传播常数。这些层的掺杂分布能够确保电场大部分施加在上部波导上。
本发明的目的和优点部分在下文中阐述，部分从上文的描述中可以清楚地看出或通过本发明的实践可以得知。尤其是通过在附加的权利要求中所指出的元件及其组合可以实现本发明的目的和优点。
附图概述
附图连同相应的描述说明了本发明的实施例并解释了本发明的原理。
附图1所示为具有2个输入和2个输出的光学交叉点开关阵列的配置，输入和输出的数量可以扩展到任意数量。
附图2所示为在控制信号分别为“接通”和“切断”状态下光信号在每个交叉点上传播的示意图。包括在每个状态中的平面视图(顶视图)和透视图。
附图3A和3B所示为在“接通”和“切断”两种状态下具有光折射率(n)和吸收分布的本发明的第一特定实施例的光信号的传播示意图。
附图4A和4B所示为在“接通”和“切断”两种状态下具有光折射率(n)和吸收分布的本发明的第二特定实施例的光信号的传播示意图。
附图5所示为在其上制造了阵列的晶片的层结构。
附图6所示为4×4开关阵列的设计。
附图7所示为开关单元元件。
附图8所示为开关单元元件的开关特性。
优选实施例的详细描述
现在详细地参考本发明的优选实施例，在附图中示出本发明的两个实例。
下文参考附图解释本发明的一种优选实施例。
在“接通”状态下，注入载流子并限制在附图3的上部波导中。上部波导可以包括体积或量子井III-V半导体材料比如InGaAsP，在信号光波长上这种材料能够提供具有适合的非均衡的载流子浓度的光学增益，但当没有这种载流子浓度时具有高的吸收性。由于这些载流子的存在降低了在信号波长上的上部波导的折射率，使得上部波导的传播常数降低到接近下部波导的传播常数的值。结果，在两个波导之间发生较强的光耦合，使光从下部输入波导传输到上部波导，在通过隅角反射镜反射之后，它从上部波导传输到下部输出波导。在“切断状态”下，没有注入的载流子，两个波导层的不相等的传播常数将光耦合降低到弱的耦合程度。在没有注入载流子的情况下，在上部波导中高的光学吸收确保吸收了耦合进上部波导的弱的信号光而不耦合进输出波导。由此实现了高的调制深度和低串扰电平。本发明的这个实施例还进一步具有提供光学增益以补偿在交叉点开关或光学传输链路的其它的部件中可能产生的损耗的优点。
相邻于下输入波导的上波导的部分可称为“第一上波导部分”而相邻于下输出波导的上波导的部分称为“第二上波导部分”。
下文参考附图解释本发明的另一优选实施例。
在“接通”状态下，在附图4的上部波导上没有施加电场。结果，由于它们相等的光学传播常数造成在两个波导之间发生了较强的光耦合，这使得信号从下部输入波导传输到上部波导，在通过隅角反射镜反射之后，它从上部波导传输到下部输出波导。在“切断”状态下，在上部波导上施加电场，增加它的折射率(由此增加它的光学传播常数)和它的吸收。两个波导层的不相等的传播常数将光耦合降低到弱的程度。在上部波导中高的光吸收确保吸收了耦合进上部波导中的弱的信号光而不耦合进输出波导中。由此实现了高的调制深度和低的串扰电平。
对于在本领域熟练的人员来说通过在此所公开的本发明的实施例和详细描述本发明的其它实施例是清楚的。在此的详细描述和实例仅是实例性的，本发明的真正范围由权利要求确定。
在所有的高速光学网络中都非常需要一种具有紧凑、高速和低串扰电平的特征的光学交叉点开关阵列。所展示的基于如今的各种波导部件的装置不能同时实现这些质量特性。一种交叉点开关应用MMI耦合器以将所有的光输入分解成许多分支。然后寻求对这些分支重新分组并进行重新组合。在进行重新组合之前使这些分支阻塞来执行开关。这种交叉点开关具有与输出数量成比例的较高的***损耗并且应用大的基片面积。第二种开关应用在平面基片上的两组垂直波波导分别作为输入和输出。如在此所述通过在相同的平面中构造定向耦合器实现开关。这种开关也应用大的基片面积。本开关结构利用在垂直方向上的光耦合(垂直于基片平面，见附图7)将任意输入信号正交地切换到任意输出上。通过使耦合器同时具有弱的耦合和高的吸收状态来实现在“切断”状态下的超低串扰水平，由此充分地衰减任何寄生信号。通过仔细设计使耦合器较短，并使开关紧凑，但容忍制造偏差。部件开关机构应该允许以纳秒时标进行切换。器件设计和制造
在InGaAsP/InP晶片上制造在此所提出的交叉点开关阵列，InGaAsP/InP晶片的层结构如附图5所示。它包含了两个波导层，这些波导层通过在InP基片的MOVPE生长。包含了具有Q1.26壁垒的5个无应变的65InGaAs量子井的未掺杂的上部波导芯作为在1550纳米的波长下的活性层。为控制在两个波导层之间的光学耦合，通过并入适当数量的37厚度的量子井将无源下部波导芯的有效折射率调节到低于有源波导的折射率的合适的值。对于1500纳米及其以上的波长，无源波导具有较低的吸收。两个波导芯层的厚度为0.3毫米，由1.2毫米厚的InP间隔层分隔。将间隔层和无源波导芯n-掺杂为3×1017/厘米3，下面的InP包层也一样。这种结构设计使得在～50纳米的活性层的整个增益带宽上可以实现有效的开关。在晶片上形成两个垂直组的脊形波导管分别作为输入和输出波导。在每组上的波导为3毫米宽并间隔250毫米。虽然现在制造的是4×4开关阵列(附图2)，但是容易将它扩展到任何输入/输出数。如附图3所示，除了从该交叉朝输入和输出延伸200毫米长度以外，从该波导中除去上部有源波导层。在这些有源波导层和下部无源波导层之间形成垂直光学定向耦合器。在波导交叉上对角地形成全内部反射镜(TIR)，该反射镜的深度进入上部波导。通过在耦合器的有源上部波导中的载流子引起的折射率的变化提供开关机理，其改变了垂直耦合器[3]的耦合长度。在“接通”状态下，通过注入载流子将有源上部波导的有效折射率降低到等于下部波导的折射率，因此输入光学信号强烈地从无源输入波导耦合进上部有源波导中，通过TIR反射，然后从上部波导耦合进输出波导中。所注入的载流子还提供信号的光学增益，由此形成了较高的接通/切断反差。通过将耦合进有源上部波导的非常弱的信号和有源上部波导对任何剩余的耦合信号的高度吸收特性组合实现了在“切断”状态(没有载流子注入)下较低的串扰电平。在切断状态下输入光通过下部无源波导行进到下一单元元件。应用H2/CH4等离子体通过反应离子刻蚀过程形成该结构。应用金属和电介质掩模材料的组合便于两级干蚀刻，并产生TIR要求的光滑的且垂直的侧壁的光洁度。TIR镜的深度大约为在两个波导层之间的间距的一半。应用聚酰亚胺平面化(planitization)和Ti/Au接触完成这种结构。然后从该晶片上切下该阵列(附图3)，使在输入和输出端口上均具有100毫米的无源接入波导。从该阵列上也可以切下单个的开关以便对其进行特征化。结果：
在此给出单个的开关单元元件的初步特征化结果。该开关元件具有100毫米的输入和输出无源波导，输入波导延伸过交叉500毫米。应用HP8168E可调谐激光源来形成在1470-1580纳米的波长范围中的输入信号。通过光纤透镜将该信号耦合进和出该器件。应用光纤偏振控制器来形成TE或TM偏振输入信号。应用光学滤光器来消除输出信号中的大部分自发辐射。
应用TE输入偏振以1＝1548纳米(有源波导的增益峰值波长)实现在附图8中以虚线所示的最佳的开关特性。可以看到，在“切断”状态，即当所注入的电流为零时，对-5毫瓦分贝的入光纤(in-fibre)输入信号功率，所测量的串扰信号电平低至-79毫瓦分贝。考虑到包括输入/输出耦合和滤光器的大约14分贝的总的损耗，片内(on chip)串扰大约为-60分贝，迄今为止这是我们所知最低的值。在70毫安下接通/切断反差高达45分贝而对于160毫安的注入电流可以实现＞50分贝的最大值。结论
在应用有源垂直耦合器的InGaAsP/InP基片上已经制造了紧凑的集成4×4光学交叉点开关阵列以实现紧凑的、较低串扰电平和高的接通/切断反差。初步结果显示该开关能够实现低至-60分贝的片内(onchip)串扰电平和大于50分贝的高的接通/切断反差。正在测量该器件的开关时间，相信该开关时间在由该载流子寿命所决定的纳秒范围内。在该会议中将提供进一步的结果。
已经设计、制造和测试了基于第一优选实施例和第二优选实施例的4×4光学交叉点开关阵列。该器件制造在InP基片上。4×4阵列的面积仅为1.2×1.2毫米，在相邻的输入和输出波导之间的距离为0.25毫米。在1548纳米的输入波长上串扰电平为-60分贝。调制深度(接通/切断反差)为50分贝。在由本发明人授权的附加文件中详细地描述了制造和测试结果。

Claims (16)

1.一种控制光学交叉点开关的方法，该光学交叉点开关包括形成一个交叉的交叉的输入和输出波导、第一上部波导部分、第二上部波导部分和隅角反射镜，该第一上部波导部分设置在邻近输入波导并沿着输入波导至少部分地延伸到所述交叉，该第二上部波导部分设置在邻近输出波导并沿着输出波导从所述交叉至少部分地延伸，隅角反射镜位于所述交叉上，用于将光信号从该第一上部波导部分耦合到第二上部波导部分，该方法的特征在于如下的步骤；
在该开关的切断状态下，应用电信号改变第一和第二上部波导部分的折射率分布，以阻止在第一上部波导部分和输入波导之间或第二上部波导部分和输出波导之间光的垂直耦合发生；以及
在该开关的切断状态下，应用电信号改变第一和第二上部波导部分的损耗/增益特性，由此分别加强阻止在第一上部波导部分和输入波导之间或第二上部波导部分和输出波导之间的光的垂直耦合的发生。
2.一种控制光学交叉点开关的方法，该光学交叉点开关包括形成一个交叉的交叉的输入和输出波导、第一上部波导部分、第二上部波导部分和隅角反射镜，第一上部波导部分设置在邻近输入波导并沿着输入波导至少部分地延伸到所述交叉，第二上部波导部分设置在邻近输出波导并沿着输出波导从所述交叉至少部分地延伸，隅角反射镜位于所述交叉上，用于将光信号从该第一上部波导部分耦合到第二上部波导部分，该方法的特征在于如下的步骤；
在该开关的接通状态下，将载流子注入第一和第二上部波导部分，从而改变第一和第二上部波导部分的折射率分布，以使在第一上部波导部分和输入波导之间或第二上部波导部分和输出波导之间能够发生光的垂直耦合；以及
在该开关的接通状态下，将载流子注入第一和第二上部波导部分，从而改变第一和第二上部波导部分的损耗/增益特性，以使在第一上部波导部分和输入波导之间或第二上部波导部分和输出波导之间的光的垂直耦合得到提高；以及
3.一种光学交叉开关，包括：
形成一个交叉的交叉的输入和输出波导；
第一上部波导部分，该第一上部波导部分设置在邻近输入波导并沿着输入波导至少部分地延伸到所述交叉；
第二上部波导部分，该第二上部波导部分设置在邻近输出波导并沿着输出波导从所述交叉至少部分地延伸；和
隅角反射镜，位于所述交叉上，用于将光信号从该第一上部波导部分耦合到第二上部波导部分，特征在于输入和输出波导或第一和第二上部波导部分由具有这样的特性的材料制成，使得在其上所施加的电信号会使其损耗/增益特性和折射率分布变化。
4.如权利要求3所述的开关，其***号的增加使输入和输出波导或第一和第二上部波导的损耗增加。
5.如权利要求3所述的开关，其***号的增加使输入和输出波导或第一和第二上部波导的增益增加。
6.如权利要求3、4或5所述的开关，其中输入和输出波导以基本90度的角度交叉。
7.如权利要求3所述的开关，其中第一和第二上部波导分别与输入和输出波导的宽度相同。
8.如权利要求3所述的开关，其中第一和第二上部波导分别与输入和输出波导的厚度不相同。
9.如权利要求3所述的开关结构，其中第一和第二上部波导分别与输入和输出波导的厚度相同。
10.如权利要求3所述的开关，其中第一和第二上部波导的轴分别在输入和输出波导的轴上对中。
11.如权利要求3所述的开关，其中第一和第二上部波导的轴分别不在输入和输出波导的轴上对中。
12.如权利要求3所述的开关，其中第一和第二上部波导和/或输入和输出波导不具有恒定的宽度和/或恒定的厚度。
13.如权利要求3所述的开关，形成在基本为平面的基片材料上。
14.如权利要求3所述的开关，其中波导由端部小平面终结，该端部小平面不垂直于波导轴。
15.一种开关阵列，每个开关为如权利要求3所述的开关。
16.如权利要求15所述的开关阵列，其中输入和输出波导具有锥形端部以增强在该阵列和光纤之间的耦合。
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