CN1320400C - 低串扰数字光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低串扰数字光开关。由一个Y分叉波导数字光开关和分别与Y分叉波导数字光开关两端相连的S弯曲波导型可变光衰减器集成构成。利用材料的负折射率效应,在不增加器件长度和复杂结构的前提下,大大提高开关光的开关特性。并可扩大Y分叉的角度,同时对Y分叉区域进行结构修正,降低了工艺难度。根据BPM法(光束传输法)模拟分析,本发明的数字光开关具有低串扰、***损耗小,偏振相关性小,波谱平坦性好,易于集成等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元器件,特别是涉及一种低串扰数字光开关。
背景技术
随着光纤通信技术和密集波分复用(DWDM)***的飞速发展,数字光开关(DOS)作为重要的光波导器件,得到了越来越广泛的应用。常见的光开关有马赫一增德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型、方向耦合器型、X结型、Y分叉型等,其中Y分叉型数字光开关更为人们关注,然而通常Y分叉角度设计的非常小,一般控制在在0.05°至0.15°之间,这给波导制作增加了工艺难度。因此人们不断从开关的结构入手,设计出具有某些优良性能参数的开关器件,如采用与可变光衰减器(VOA)集成为一种有效的方法,可大大提高开关的消光比。
普通Y分叉型1×2DOS的输出波导末端一般有一段S型弯曲的过渡波导,将输出光引出并便于同标准光纤阵列耦合。根据弯曲波导理论,波导弯曲区域的切面上折射率不是成阶跃型,而可以等效为向外倾斜的分布,当距离向外侧增大时,包层的折射率不断增加,甚至比核芯区的更大,电磁场分布也会向折射率增大的方向平移,所以产生辐射损耗。另外,常规的Y分叉数字型光开关,由于是利用模式耦合分离的原理来实现开关功能,从而分叉角α需要非常小,一般在0.05°至0.15°之间,因此该分叉波导制作工艺难度大。
发明内容
根据弯曲波导易产生辐射损耗,并利用材料的负折射率效应可制作成弯曲型光可变衰减器的特点,本发明的目的是提供一种低串扰数字光开关。直接利用Y分叉DOS型开关输出波导的S形弯曲过渡波导,并将其弯曲波导设计成S形弯曲波导可变光衰减器(VOA),形成与该Y分叉1×2DOS的集成。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:由一个Y分叉波导数字光开关和分别与一个Y分叉波导数字光开关两端相连的、由有机聚合物材料制成的S弯曲波导型可变光衰减器集成构成,S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极分别位于S形弯曲的曲率半径小的一侧。
S弯曲波导型可变光衰减器依次由连接波导经锥形过渡波导、S弯曲波导、另一锥形过渡波导与另一连接波导连接,在S弯曲波导边缘一侧的电极边缘距S形弯曲波导边缘距离为±1微米,两侧的S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极分别同Y分叉波导数字光开关部分电极相串联。
Y分叉波导数字光开关的分叉角α在0.3-1.0°,并在分叉处填去分叉角填充部分,其顶部宽度d为1.5-2μm。
本发明与背景技术相比具有的有益的效果是:
本发明在不增加器件长度和复杂结构的前提下,大大提高开关光的串扰特性。并可扩大Y分叉的角度,同时采用过对分叉区域进行结构修正,降低了工艺难度。根据BPM法(光束传输法)模拟分析,这种新型的数字光开关具有低串扰、***损耗小,偏振相关性小,波谱平坦性好,易于集成等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是该开关光用BPM法模拟的效果图;
图2是本发明的数字光开关结构示意图;
图3是本发明的数字开关光Y分叉部分结构示意图;
图4是本发明的数字开关光中S弯曲波导可变光衰减器部分结构示意图;
图5是图2的C-C剖面示意图;
图6是图2的D-D剖面示意图。
图中:1、Y分叉波导数字光开关,2、S弯曲波导型可变光衰减器,3、输入波导,4、分叉角填充部分,5、Y分叉波导数字光开关部分电极,6、Y分叉部分波导,7、连接波导,8、锥形过渡波导,9、S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极,10、S弯曲波导,11、硅或玻璃衬底,12、波导包层(即包括上下限制层)。
具体实施方式
如图2所示,由一个Y分叉波导数字光开关1和分别与一个Y分叉波导数字光开关1两端相连的S弯曲波导型可变光衰减器2集成构成。
如图4所示,S弯曲波导型可变光衰减器2依次由连接波导7经锥形过渡波导8、S弯曲波导10、另一锥形过渡波导8与另一连接波导7连接,S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极9分别位于S形弯曲的曲率半径小的一侧;在波导边缘一侧的电极边缘距S形弯曲波导边缘距离为±1微米,两侧的S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极9分别同Y分叉波导数字光开关部分电极5相串联。
如图3所示,Y分叉波导数字光开关1的分叉角α在0.3-1.0°,并在分叉处填去分叉角填充部分4,其顶部宽度d为1.5-2μm。
图5是图2中C-C’处波导结构的剖示图,在硅或玻璃基底11上,分别制作波导包层12(含上下限制层),S弯曲波导10的芯层和S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极9。
图6是图2中D-D’处波导结构的剖示图,在硅或玻璃基底11上,分别制作波导包层12(含上下限制层),Y分叉部分波导6的芯层和Y分叉波导数字光开关部分的电极5。
以采用有机聚合物材料,利用其热光效应来开关光功能实现为例。
按照图2、5、6的器件和结构设计,在硅或玻璃基底上,利用常规的有机聚合物波导旋涂成膜的制作工艺完成该器件制作。对于波长为1.55μm的光波,波导的折射率为n=1.529/1.521(TE/TM模),芯层、覆盖层折射率差为Δn=0.005,热光系数为-2.5×10-4/K-1,下限制层厚10μm,芯层厚度为7μm,芯层与覆盖层总厚19μm。在Y分叉后紧接一个S弯曲波导,Y分叉区波导和输入、连接波导宽度选取7μm,S形弯曲部分的波导宽度选取5μm,Y分叉区波导与S形弯曲部分的波导通过1000μm的锥形波导过渡,S形弯曲部分的曲率半径大于600μm。Y分叉角为α=0.4°Y分叉尖角部分填补修正d=1.5μm,Y分叉的末端间隔L=20μm;电极可采用铬一金双层金属电极,厚度约200-300nm,Y分叉部分的电极分为两部分,宽度与波导相同,A区的电极与波导的夹角为α,B区的电极与波导平行,其中各电极的长度和具***置与器件所用材料性质和α角度有关。S弯曲波导的弯曲的内侧各设计串联电极,电极外侧边缘同波导的内侧基本重合,并同Y分叉部分电极串联一起。
S弯曲波导部分有二个作用,一是将输出端分开到能与光纤阵列耦合的距离,另一作用就是起到可变光衰减器的功能。当右侧电极作用时,首先利用Y分叉的模式分离原理,将绝大部分光能量耦合到左侧的波导,剩余的极少部分光能量进入S形弯曲波导,此时再利用S弯曲波导的电极作用,在波导的垂直方向产生温度梯度,由于聚合物材料的负热光系数,形成相应的垂直方向的折射率梯度,使得折射率分布向外倾斜更厉害,水平方向上的光能量发生严重的泄漏,剩余的这极少部分光能量通过S弯曲波导结构的可变光衰减器衰减掉,这样便可以大大提高光开关的消光比性能。图1为采用BPM法模拟的光开关效果图。
Y分叉的作用主要完成能量的分配,高消光比的性能主要通过可变光衰减器来实现,故它Y分叉角度可以放大一些,同时考虑到工艺制作的问题,在分叉处填去尖角部分,使其顶部宽度在一般波导制作光刻工艺易实现的宽度,如1.5μm,利用BPM(光束传输法)模拟分析表明,这一修正引起的***损耗的增加仅仅0.15dB左右。Y分叉的末端间隔(L)设计在20μm,此时分叉两端产生相互耦合很小,这样可缩短Y分叉波导长度。
Claims (2)
1.一种低串扰数字光开关,其特征在于:由一个Y分叉波导数字光开关(1)和分别与一个Y分叉波导数字光开关(1)两端相连的、由有机聚合物材料制成的S弯曲波导型可变光衰减器(2)集成构成,S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极(9)分别位于S形弯曲的曲率半径小的一侧。
2.根据权利要求1所述的低串扰数字光开关,其特征在于:S弯曲波导型可变光衰减器(2)依次由连接波导(7)经锥形过渡波导(8)、S弯曲波导(10)、另一锥形过渡波导(8)与另一连接波导(7)连接,在S弯曲波导边缘一侧的电极边缘距S形弯曲波导边缘距离为±1微米,两侧的S弯曲波导型可变光衰减器部分的电极(9)分别同Y分叉波导数字光开关部分电极(5)相串联。
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