[發明專利]一種高效緊湊的馬赫-曾德爾光開關結構

有效

• 申請號: 201310173317.0
• 申請日: 2013-05-10
• 公開（公告）號: CN103293713A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 劉克;牟思璇;黃暉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明涉及光開關器件，特別是涉及一種高效緊湊的馬赫-曾德爾光開關結構，屬于集成光學領域。

背景技術

光開關是實現光傳輸路徑變換的關鍵器件，被廣泛應用于光鏈路層的路由/波長選擇、光交叉連接器、光分插復用器、光網絡監控以及片上光互連等方面。新一代器件的特征是它們在光域性能的提高和多功能的集成。大規模基于光子集成技術的開關陣列是光網絡節點實現光交叉連接和光上下路復用器的核心部件，通常由2×2光開關單元按一定的拓補結構級聯而成。同時光開關器件也在光信息處理、光計算、光傳感以及光存儲等領域有很大的用途。

目前光通信網絡中實用化的光開關主要有機械式光開關、微機電光開關和波導型光開關。基于集成波導技術的光開關在響應速度、器件體積和性能穩定性等方面顯示了極高的應用前景，對構成高密度光子集成回路或者片上光互連系統而言具有獨特的優勢。典型的波導型光開關有定向耦合器型、馬赫-曾德爾干涉型、多模干涉型和X結/Y分支全內反射型等。這些結構的光開關呈現了各自的特點。其中馬赫-曾德爾干涉型是最為廣泛應用的開關結構，由一個3dB分光器，兩條波導相移臂和一個3dB合光器構成。3dB分光器/合光器通常由定向耦合器、多模干涉耦合器或者Y分支耦合器構成，且相移臂大多由一段長度的直條光波導構成。但是上述結構的光開關普遍存在占據的單片尺寸較大或者一維方向上尺度仍然較長的問題，至少都是在毫米量級，不利于提高光子回路芯片或者片上光互連系統內分立元件的集成數量。同時功耗和響應時間相互制約，不利于集成二維光開關陣列。因此在技術上需要實現一種二維方向上占據面積更小的高速低功耗2×2光開關器件。

發明內容

本發明針對目前馬赫-曾德爾型光開關器件本身占據的單片尺寸較大或者在一維方向上尺度較長的缺點，提供了一種高效緊湊的馬赫-曾德爾光開關結構，可以在二維方向上高度集成，極大地減小了器件尺寸。

本發明所采用的技術方案是：一種高效緊湊的馬赫-曾德爾光開關結構，其包括輸入波導I1和輸入波導II2，互相垂直交匯成十字型結構，在交匯處刻蝕分光微納溝槽3，所述的十字型結構中相鄰的波導的兩端作為光開關的輸入端I1a和輸入端II2a，十字型結構的另外兩端作為輸出端分別與L型參考臂5和L型相移臂6的一端相連；所述的L型參考臂5和L型相移臂6分別構成馬赫-曾德爾干涉結構中所需的一條光路；輸出波導I9和輸出波導II10，互相垂直交匯成十字型結構，在所述的交匯處刻蝕合光微納溝槽8，所述的十字型結構中相鄰的波導的兩端作為光開關的輸出端I9b和輸出端II10b，另外兩端作為輸入端分別與L型參考臂5和L型相移臂6的另一端相連。

分光微納溝槽3和合光微納溝槽8中填充溝槽填充介質材料4；所述的分光微納溝槽3與輸入波導I1和輸入波導II2的角度大于輸入波導I1和輸入波導II2所用的波導材料和分光微納溝槽3中填充的溝槽填充介質材料4所構成的介質界面的全反射角度；所述的合光微納溝槽8與輸出波導I9和輸出波導II10的角度大于輸出波導I9和輸出波導II10所用的波導材料和合光微納溝槽8中填充的溝槽填充介質材料4所構成的介質界面的全反射角度。

所述的L型參考臂5和L型相移臂6分別在拐角位置刻蝕與光波傳播方向成45°角的切面構成全反射鏡7。

所述的光路的輸入端為輸入端I1a和輸入端II2a兩條或者僅僅為輸入端I1a和輸入端II2a中其中的一條，分別構成2×2和1×2光開關結構。

一種高效緊湊的馬赫-曾德爾光開關結構制作在硅、絕緣體上硅（Silicon?on?insulator，SOI）、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半導體襯底材料的一種基底材料上。

本發明的積極進步效果在于：一、本發明采用基于受抑全內反射原理的溝槽型微納光子耦合器替代馬赫-曾德爾干涉結構中的分光器/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等。由于溝槽型微納光子耦合器的平面尺寸和交叉波導的面積相當，極大地減小了馬赫-曾德爾光開關結構在一維方向上的尺寸，使開關結構更加高效緊湊。二、本發明的馬赫-曾德爾型光開關的參考臂和相移臂是采用了嵌入全反射鏡的L型結構。在拐角位置利用刻蝕波導層形成的反射鏡面，借助全內反射現象可以在小區域范圍內低損耗地實現光場傳輸方向的90°改變。跟傳統參考臂或者相移臂長度只能在一維方向級聯比較，L型結構便于器件布局配置易于向二維方向擴展集成，有利于推動最小面積的N×N級單片波導型光開關的發展。

附圖說明