[發明專利]一種全光控制光開關

無效

• 申請號: 201010300549.4
• 申請日: 2010-01-21
• 公開（公告）號: CN101762938A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: 王濤;肖昆輝;胡志強
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 周發軍

技術領域

本發明屬于光電子器件，具體涉及一種全光控制光開關，應用于光分叉復用(OADM)系統和光交叉互連(OXC)系統，解決超高速全光網絡的全光開關控制以及光開關切換等問題。

背景技術

目前，按照不同開關原理，光開關可以分為機械光開關、微機電系統(MEMS)光開關、熱光開關、液晶光開關等。這些光開關的開關速率最高處于ms量級。其中，微機電系統(MEMS)光開關由于集成度高，損耗小，串擾低及高消光比等優點，被廣泛的應用于各種骨干網與大型交換網的解決方案中。但是按照下一代網絡光分組交換的標準，這種開關無法實現其開關時間達到ns量級的要求，而通信網絡的全光處理進程勢在必行，這是通信承載業務的多樣性與數據量的海量性決定的。網絡的IP化與光分組交換就對傳統的光網絡節點處的交換單元提出了挑戰。同時，光波分復用、時分復用技術的引入，Tbit/s量級的通信容量都對交換時間在ms量級的傳統光開關有了新的要求。研究新的工作機理以提高交換速率的全光開關成為相關領域研究的熱點問題。

近年來，一維光子晶體(1DPC)結構下的全光開關得到了廣泛的研究，尤其集中在以量子阱為有源區的一維光子晶體。如2002年美國Iowa大學的John?P.Prineas教授，在論文《Ultrafast?ac?stark?effect?switching?of?the?active?photonic?band?gap?fromBragg-periodic?semiconductor?quantum?wells》(Applied?Physics?Letters，81(23)：4332~4334)中，根據布拉格間隔的量子阱與光耦合的超輻射理論，利用泵浦-探測技術，研究了銦鎵砷(InGaAs)/砷化鎵(GaAs)多量子阱形成的有源光子帶隙的動態變化，提出了基于光學斯塔克效應的快速光開關，這種光開關具有ps量級的開關時間。2005年，Iowa大學的W.J.Johnston等人在文獻《All-optical?spin-dependent?polarization?switchingin?Bragg-spaced?quantum?well?structures》(Applied?Physics?Letters，87(10)：101113-1~101113-3)中，提到利用In_0.04Ga_0.9As/GaAs生長出了多量子阱布拉格結構，在80K溫度下，得到光學帶寬0.6THz，對比度30dB，開關泵浦功率密度8μJ/cm¹，1ps響應時間。極大的降低了泵浦功率，提高了對比度。但室溫下該光開關工作所依賴的阱內激子較大概率地被電離且激子輻射效應大幅減弱，使得室溫下無法實現開關工作。

在共振光子晶體中，砷化鎵(GaAs)材料為襯底生長的砷化銦(InAs)量子點材料是現在普遍研究并具有一定技術成熟性。利用高溫退火、改變浸潤層組分等方法，產生限制層與量子點間的不匹配，可以實現砷化銦(InAs)量子點的1.3μm、1.4μm和1.5μm的激子發光。而以磷化銦(InP)材料為襯底的砷化銦(InAs)量子點層材料，在1.55μm通信波段具有寬帶放大、高飽和輸出功率和超快的響應，也引起了研究者極大的興趣。

量子點材料用作光開關，由于對載流子的限制作用較量子阱更加明顯，具有較低的飽和能量密度，非線性光學特性顯著增強；同時，光子晶體對其中傳輸光具有特殊限制作用，并且其材料、結構、體積等方面具有優越性；2004年由日本學者H.Nakamura等人在文獻《Ultra-fast?photonic?crystal/quantum?dot?all-optical?switch?for?future?photonicnetworks》(Optical?Express，12(26)：6606~6614)中，將現有的光子晶體與量子點材料在馬赫澤德結構中相結合，利用光控光技術，實現了基于光子晶體的馬赫澤德結構全光開關。這種光開關利用載流子濃度的變化引起馬赫澤德兩臂上折射率的改變以及兩臂光場相位改變從而實現開關功能。這種開關的速率可以達到40Gbit/s，但是這種開關兩臂上的載流子恢復時間無法再次縮短，并且在二維光子晶體中，工藝等問題仍然無法達到完全可靠的程度，與光纖的耦合存在較大損耗，因此，這種全光開關使用到光通信上，仍具有一定的局限性。

發明內容

本發明提供一種全光控制光開關，解決現有光無源器件響應速度不夠和工作溫度受限的問題，以直接在光層實現巨大流量信號的傳輸與路由，并且能在室溫下實現高速開關工作。