[发明专利]基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，属于集成光电子学领域。 

背景技术

集成光电子技术由于其体积小、功耗低的优势，近几年成为研究热点。调制器、滤波器、激光器等分立元件发展迅速；将多个功能器件单片集成也得到了不断发展，单片集成度和数据通信量也在快速增长。集成光电子器件成为未来全光网络和片上光互联不断发展的基础与动力。光开关作为其中一个重要的器件，在光网络中广泛用于光分叉复用系统和光交叉结点中；在片上光互联中被用于多核处理器之间的数据通信。光开关的功能是光信号从N个输入口进，可以以任意的路由组合从N个输出口输出，即N×N光开关。对于N大于2的光开关，都是有1×2或者2×2光开关单元通过不同的拓扑结构形成。1×2或者2×2的光开关单元的开关性能，影响了N×N光开关的性能，所以发展1×2和2×2的光开关单元至关重要。 

近几年研究国内外研究光开关的团队很多，他们也用了不同的结构作为其中的光开关单元，其中比较典型有以下几种。中科院半导体研究所的Ruiqiang Ji等人在OPTICS EXPRESS（Vol.19,No.21）上发表的论文“Five-port optical router for photonic networks-on-chip”中利用微环谐振腔与两条平行波导或者两条垂直波导耦合形成1×2开关单元，拓扑来实现5端口的光开关，器件一共有16个微环，总尺寸只有50×400μm²，3-dB的光谱带宽为38GHz。IBM公司的Joris Van Campenhout等人在OPTICS EXPRESS（Vol.17,No.26）上发表的论文“Low-power,2×2silicon electro-optic switch with110-nm bandwidth for broadband reconfigurable optical networks”中提出用马赫-曾德尔干涉结构实现2×2光开关，通过设计耦合器使得光开关的谱宽覆盖110nm，开关串扰低于-17dB，但是器件尺寸只有50×400μm²。美国康奈尔大学的Hugo L.R.Lira等人在OPTICS EXPRESS（Vol.17,No.25）上发表的论文“Broadband hitless silicon electro-optic switch for on-chip optical networks”中利用相互耦合的双环来实现开关单元，实验证明光谱带宽为60GHz，单元尺寸为20×40μm²。美国麻省理工的Michael R.Watts等人在OPTICS EXPRESS（Vol.19,No.22）上发表的论文“Vertical junction silicon microdisk modulators and switches”中提出用微盘谐振腔来实现开关单元，微盘的直径只有3.5μm。 

综合比较已报道的方法，基于马赫-曾德尔干涉结构的光开关光谱带宽最宽，但是器件尺寸较大，而且在开关操作时需要调节π的相位差，功耗较大。基于单个微环或者微盘结构的光开关，器件尺寸小，但由于单个谐振结构的光谱带宽比较窄，光谱响应不平坦，增大带宽就会使得功耗变大。基于双环结构的光开关，可以实现较大带宽的平顶开关响应，但由于需要精确控制两个环之间的耦合系数，工艺容差比较小。 因此，提出一种器件尺寸较小，光谱响应宽而平坦，功耗较低，工艺容差较大的光开关十分重要。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，结合马赫-曾德尔干涉器和谐振腔各自的优点，提出一种尺寸小、工作带宽大、调节功耗低的基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构。 

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下： 

一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，包括： 

一对输入波导，用以将光波引导入马赫-曾德尔干涉仪中； 

一前置耦合器，该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接，用以将一路光分为两路光，并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中； 

一后置耦合器，将两路光合并为一路光，并耦合到一对输出波导的某一条光波导中； 

一对输出波导，该一对输出波导的一端与后置耦合器的输出端连接，用以将光从马赫-曾德尔干涉仪输出； 

上干涉臂，该上干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接，提供构成马赫-曾德尔干涉仪所需要的一条光路；