多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關的製作方法

2023-06-17 15:02:51

專利名稱：多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種全光開關，特別是涉及一種多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關。
背景技術：
全光開關(AOS)是全光網絡、光計算機及相關光信息處理中的基本器件。全光開關的一個主要優點是避免了光-電和電-光的轉換，這種轉換不僅限制了系統的多功能性和透明性，也會影響開關速度和開關結構的集成性。事實上，消除這種光-電-光的轉換將導致系統成本的減少。全光開關的參數有超快響應時間、低開關能量、高消光比與低插入損耗等。研究全光開關主要從三個方面提高其性能一是設計出新的器件結構，二是採用載流子超快馳豫的新材料，三是利用半導體量子阱材料的特殊性質來發展超高速光開關。本發
明正是從器件的結構方面來實現更好的開關性能。馬赫-增德爾幹涉(MZI)型裝置是光開關的主要構成元件。多模幹涉(MMI)裝置是基於自成像原理工作的。自成像是多模波導的一種性質，即輸入場的橫向分布在沿著波導的傳播方向會周期性重現一個或多個像。1972年，Marcuse發現在漸變折射率波導可以周期性地產生物體的實像；1973年，Bryngdahl提出了均勻折射率多模平板波導也可以得到自映像。利用MZ-MMI原理的光開關，如2004年，Zhao Yiping等人在美國專利和商標局的專利資料庫(USPTO)報導了一種碳納米管聚合物複合材料的超快全光開關；2008年Abdulaziz等人在Optics Communications中提出了一種改進的MZI-MMI型熱光開關；2011年，Bahrami等人在Optik中提出了基於MZ-MMI非線性耦合型全光開關，這些光開關都是運用載流子注入效應、熱光、電光來改變波導材料的折射率，其結構和製作工藝較為複雜，響應時間也在納秒量級。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關，其結構簡單緊湊，製作成本低。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關，其特徵在於，其包括第一輸入波導埠、第二輸入波導埠、第一輸出波導埠、第二輸出波導埠、控制光波導埠、控制光輸出埠、第一多模波導、馬赫-曾德爾幹涉臂、第二多模波導，第一輸入波導埠、第二輸入波導埠都連接在第一多模波導的一端，第一多模波導的另一端通過馬赫-曾德爾幹涉臂與第二多模波導的一端連接，第一輸出波導埠、第二輸出波導埠、控制光輸出埠都連接在第二多模波導的另一端，控制光波導埠與馬赫-曾德爾幹涉臂連接。本發明的積極進步效果在於一、本發明通過光束控制光強來控制開關的運行，結構相比於熱光、電光開關更加簡單；在幹涉臂上直接接入控制光波導，使開關結構更加簡單緊湊。二、本發明的波導由有機聚合物製作，具有良好的光克爾效應，且成本低廉。三、基於材料的非線性光克爾效應，在強光作用下，折射率改變快，因此開關的響應時間比熱光、電光開關更短。


圖I為本發明多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。如圖I所示，本發明多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關包括第一輸入波導埠 I、第二輸入波導埠 2、第一輸出波導埠 3、第二輸出波導埠 4、控制光波導埠 5、控制光輸出埠 6、第一多模波導7、馬赫-曾德爾幹涉臂8、第二多模波導9,第一輸入波導埠 I、第二輸入波導埠 2都連接在第一多模波導7的一端，第一多模波導7的另一端通過馬赫-曾德爾幹涉臂8與第二多模波導9的一端連接,第一輸出波導埠 3、第二輸出波導埠 4、控制光輸出埠 6都連接在第二多模波導9的另一端，控制光波導埠 5與馬赫-曾德爾幹 涉臂8連接。控制波導通過控制光波導埠 5直接接入馬赫-曾德爾幹涉臂。當工作波長光束從第一輸入波導埠 I進入，從第二輸出波導埠 4輸出時，即為交叉態，從第一輸出波導埠 3輸出時，即為直通態。當不加控制光束時，工作波長光束從第一輸入波導埠 I輸入，從第二輸出波導埠 4輸出。當在控制光波導埠 5輸入一定強度的控制光時,改變馬赫增德爾一臂的折射率，使之產生相位差，從而使工作波長光束從第一輸出波導埠 3輸出，實現開關功能。控制光束即從控制光輸出埠6輸出。本發明通過輸入控制光改變單模波導的折射率，使馬赫-曾德爾幹涉臂產生相位差來實現光通過與關斷的開關作用。該開關結構簡單緊湊，製作成本低，具有較快的開關響應時間。本發明基於馬赫-曾德爾型幹涉(MZI)結構、多模幹涉(麗I)原理和光學克爾效應，設計了 MMI-MZI型全光開關。控制光的強度既要滿足引起光克爾效應在馬赫-曾德爾幹涉臂上產生η相位差，也要使第二個多模波導由於折射率的變化對二重像位置的影響在容差範圍內。此外，由於控制光的引入，使第二個多模波導的折射率產生微弱改變，這種改變會使輸出光場位置在一定範圍內變化，因此輸出單模波導使用錐形結構，使得輸出光場在系統允許容差範圍內輸出。本發明運用到的多模波導的工作原理是基於多模波導中的自成像效應，當一束光進入多模波導時，會激發出各階導模，各階導模在波導中傳播時，由於傳播常數不一樣，導模間產生相位差，相互之間發生幹涉，在滿足一定關係的特定位置上出現輸入光場的一個或多個映像。由於相位的周期性，這些映像會重複出現。本發明中多模波導相當於起到分束和合束器的作用。當工作光束從第一輸入波導埠進入第一個多模波導時，經過一定長度的傳輸，在成二重像處均勻輸出兩束光，未加控制光束時開關處於交叉態，這兩束光分別經馬赫-曾德爾型幹涉臂傳輸進入第二個多模波導，經過相同長度的傳輸，則在對稱輸出口成單像，即在第二輸出波導埠輸出；當加控制光束時開關處於直通態，即在馬赫-曾德爾幹涉臂的一臂通入控制光，由於材料的光學克爾效應，其折射率發生了改變，使得馬赫-曾德爾幹涉臂傳輸的光束產生一附加的(或的奇數倍)相位差，在進入第二個多模波導後，從第一輸出波導埠輸出，而控制光則從控制光輸出埠輸出。本發明與傳統光開關相t匕，基於麗I-MZI原理和光克爾效應，所謂的光克爾效應就是非線性光學材料受到泵浦光的激發作用，折射率要發生如以下公式的變化η=η(ι+η2|Ε(ω) |2，其中％是線性折射率，η2為非線性折射率係數，η是折射率，Ε(ω)是光振幅，ω入射光的圓頻率。以一定強度的控制光來進行開關的運行，達到了以光控光的目的。本領域的技術人員可以對本發明進行各種改型和改變。因此，本發 明覆蓋了落入所附的權利要求書及其等同物的範圍內的各種改型和改變。
權利要求
1.一種多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關，其特徵在於，其包括第一輸入波導埠、第二輸入波導埠、第一輸出波導埠、第二輸出波導埠、控制光波導埠、控制光輸出埠、第一多模波導、馬赫-曾德爾幹涉臂、第二多模波導，第一輸入波導埠、第二輸入波導埠都連接在第一多模波導的一端，第一多模波導的另一端通過馬赫-曾德爾幹涉臂與第二多模波導的一端連接，第一輸出波導埠、第二輸出波導埠、控制光輸出埠都連接在第二多模波導的另一端，控制光波導埠與馬赫-曾德爾幹涉臂連接。
全文摘要
本發明公開了一種多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關，其包括第一輸入波導埠、第二輸入波導埠、第一輸出波導埠、第二輸出波導埠、控制光波導埠、控制光輸出埠、第一多模波導、馬赫-曾德爾幹涉臂、第二多模波導，第一輸入波導埠、第二輸入波導埠都連接在第一多模波導的一端，第一多模波導的另一端通過馬赫-曾德爾幹涉臂與第二多模波導的一端連接，第一輸出波導埠、第二輸出波導埠、控制光輸出埠都連接在第二多模波導的另一端，控制光波導埠與馬赫-曾德爾幹涉臂連接。本發明多模幹涉馬赫-曾德爾全光開關的結構簡單緊湊，製作成本低。
文檔編號G02F1/065GK102879924SQ20121037247
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者曹國榮, 莊琳, 王正嶺, 邱鳳仙 申請人:江蘇大學