一种偏振无关的电光开关

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种偏振无关的电光开关。

背景技术：

2.近年来，随着通讯网络日新月异的发展，互联网通信数据量每年以50％-60％的速度迅速增长，用户对带宽、传输速率的要求不断提高，在数据交换网络中，电开关的发展渐渐遇到瓶颈：5g网络的回传时延指标对交换节点的性能提出了更严格的要求；网络节点的电交换设备功耗高达万瓦,耗电量接近了许可极限，耗电量的80％源于光电/电光转换和电交换开关，因此光交换技术大带宽、低功耗、低延时等优势日益凸显，将为满足日益增长的通信需求提供新的途径与方案。
3.光开关作为光通信网络中的一个关键器件，主要应用于大型数据交换中心与超级计算机，通常要求光开关具有大带宽、低损耗与偏振无关等特性。除此之外，在数据包交换类型中，要求光开关的切换速度需要达到纳秒级才不至于导致数据丢包。但是传统的硅基等离子散效应pin结构的硅基光开关很难同时实现偏振无关与低损耗高切换速度的性能。一是载流子注入引入了额外的光吸收损耗，实际使用时，损耗偏大。二是薄膜硅材料偏振无关波导条件苛刻，工艺难以实现。
4.因此，同时实现大带宽、低损耗、高切换速度与偏振无关是目前光开关亟需解决的问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种大带宽、低损耗、高速切换、偏振不敏感电光开关，基于mach-zehnder干涉仪(mzi)结构通过电光调制在c波段内同时对横电模(te)和横磁模(tm)信号实现开关效果，解决了硅波导或者其他材料难实现的偏振无关特性的技术问题，同时解决了电光调制时引入额外损耗大的技术问题。
6.本发明采用的具体技术方案是：
7.一种偏振无关的光开关，包括：
8.用于接受光纤、激光器或其他光电子器件等包括te偏振和tm偏振分量或其中一种偏振分量的光的输入波导；
9.与所述输入波导连接的输入端包括多模干涉耦合器等器件的功率分配器件；
10.与所述功率分束器连接的调制区单元；
11.与所述调制区单元的输出端连接的输出端包括多模干涉耦合器等器件的功率合束器件；
12.以及用于施加电压实现相位控制等调制的电场；
13.所述的调制区单元包括：
14.tm波导支路，所述的tm波导支路设置在所述电场上；
15.与所述tm波导支路并联的te波导支路，所述的te波导支路设置在所述电场上。
16.所述的调制区单元还包括：
17.与所述输入端功率分束器的连接的调制区波导主路；
18.与所述调制区波导主路连接的偏振分束器，所述的偏振分束器的输出端与所述tm波导支路和te波导支路连接；
19.连接所述tm波导支路和te波导支路的偏振合束器，所述的偏振合束器的输出端与输出端功率合束器连接。
20.所述的调制区波导主路、tm波导支路、te波导支路均采用铌酸锂或其他波导中对te偏振光和tm偏振光调制效率不同的材料。
21.所述的电场包括：多个相间隔的金属电极，所述的调制区波导主路设置在相邻的金属电极之间，所述的tm波导支路也设置在相邻的金属电极之间。
22.所述的输入波导包括第一输入波导、第二输入波导。
23.所述的输入端多模干涉耦合器为偏振不敏感功率分束器(如多模干涉耦合器mmi)。
24.所述的调制区单元为两个。
25.所述的输出端功率合束器为偏振不敏感功率合束器(如多模干涉耦合器mmi)。
26.本发明包括第一输入波导、第二输入波导、偏振不敏感功率分束器(如2
×
2多模干涉耦合器mmi)、偏振分束器、te波导、偏振合束器、金属电极、调制区波导主路、第一输出波导和第二输出波导。外部偏振光输入光通过第一输入波导或者第二输入波导)输入器件，经过偏振不敏感功率分束器(如2
×
2mmi)将功率等分到两个调制臂(即两个调制区单元)上，这两个调制臂上都存在一个偏振分束器和一个偏振合束器，含有te偏振分量和tm偏振分量或其中一种偏振分量的光在将te或tm光分离出来经过一段不调制的te或tm波导支路再合束回调制区波导主路上，实现不同偏振态的调制区长度不同。合束之后两个调制臂的光场在偏振不敏感功率合束器(如2
×
2mmi)上进行干涉输出，通过在金属电极上施加电压控制两个调制臂的相位差，可以选择从第一输出波导或者第二输出波导输出光信号。
27.所述输入输出波导具有偏振不敏感的特性，可以同时传输te、tm偏振的光。
28.所述功率分束器具有偏振不敏感的特性，对于te或者tm偏振的光都能实现将输入光等分至两个调制臂中。
29.所述的偏振分束器能够将输入光中的te或tm分量分离出来，并且两个调制臂中都存在此偏振分束器，偏振分束后的te光或tm光经过波导支路再通过偏振合束器回到调制区波导主路上，而另一没有进入波导支路的偏振光则始终在调制区波导主路和调制区波导支路中传输。合束后的光再次经过功率合束器，通过te或tm分量调制臂长度的区别，可以减少或消除调制区对te和tm调制效果的差别，实现输出光谱的偏振不敏感。
30.现有的偏振不敏感光开关技术基于马赫曾德干涉仪式光开关的发明、偏振旋转器的结构、对分束后的偏振光在开关调制臂中分别处理开关路径选择。
31.所述的调制区波导主路、tm波导支路(即调制区波导支路)、te波导支路均采用铌酸锂材料等te及tm调制效率不同的材料，本发明如基于薄膜铌酸锂平台，可以实现亚纳秒级的切换速度。基于特殊的波导结构设计实现偏振无关波导及功率分束器及功率合束器。利用了调制效率偏振相关的特点，将两个偏振态的光引入不同的调制路径，实现不同偏振态的调制区长度不同。
32.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
33.1.本发明器件可以处理任意偏振态的输入光信号，并且可以同时输入处理不同波长具有不同偏振态的输入光信号，而器件不需要做结构改变。相对于基于事先探知输入光偏振态、使用偏振分离旋转器分离旋转偏振光、再干涉合束将所有输入光转换成单一偏振态的主动偏振控制器件只能处理单一输入偏振态的方案，本方案使用更加灵活自由。
34.2.易于集成的光路设计：本设计在单个光开关中，仅需要一个电信号就能够实现光开关功能。相比于偏振分集方案中先进行偏振分束旋转、在两个光开关中分别处理后再偏振旋转合束的结构，大幅简化了光路设计，更加紧凑利于集成。
35.3.超高切换速度偏振无关光开关：硅波导热光开关切换速度在微秒(μs)量级，而在数据包交换类型中，要求光开关的切换速度需要达到纳秒级才不至于导致数据丢包。本发明对于实现偏振无关光开关，可以采用铌酸锂或其他波导中对te偏振光和tm偏振光调制效率不同的材料高速器件平台，可以实现亚纳秒级的切换速度。
36.4.低损耗偏振无关光开关：现有的电光开关技术基于硅基等离子散效应pin结构或者相变材料，会引入额外的光吸收损耗，实际使用时损耗偏大。本发明对于实现偏振无关光开关，可以基于薄膜铌酸锂采用铌酸锂或其他波导中对te偏振光和tm偏振光调制效率不同的材料低损耗器件平台，可以实现损耗低于0.1db/cm的片上超低损耗波导，并在调制时不引入额外的光吸收损耗。
附图说明
37.图1为本发明偏振无关电光开关的结构示意图；
38.附图标记：第一输入波导-1、第二输入波导-2、偏振不敏感功率分束器(例为2
×
2多模干涉耦合器mmi)-3、偏振分束器-4、te或tm波导支路-5、偏振合束器-6、金属电极-7、调制区波导主路-8、第一输出波导-9和第二输出波导-10；
39.图2为本发明的偏振不敏感功率分束器(例为2
×
2多模干涉耦合器mmi)结构示意图；
40.图3为本发明的偏振不敏感功率分束器(例为2
×
2多模干涉耦合器mmi)在两种偏振态下的仿真传输谱线；
41.图4为本发明的偏振分束器结构示意图。
具体实施方式
42.目前常见的高速光开关，通常采用硅基等离子散效应实现。在硅波导中引入离子掺杂，通过施加电信号，改变波导模式的有效折射率达到移相的目的。载流子的注入，在引起额外相移的同时，也带来额外的损耗，同时薄膜硅材料波导偏振无关条件苛刻，利用硅基等离子散效应实现的高速光开关难以实现偏振无关是目前硅基高速光开关存在的技术问题。
43.除硅基等离子散效应外，常见有利用相变材料实现高速光开关，也存在高损耗、偏振相关与难异质集成的问题。本发明的实施例提出一种具有低损耗高切换速度的偏振无关的光开关结构，解决了硅波导或者其他材料难以实现的偏振无关特性的技术问题，同时解决了电光调制时引入额外损耗大的技术问题。
44.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的偏振无关不敏感的光开关。
45.图1为本发明偏振无关电光开关的结构示意图。一种偏振无关的电光开关，包括：用于接受外部输入包括te偏振和tm偏振分量或其中一种偏振分量的光的输入波导(第一输入波导1、第二输入波导2)；与输入波导连接的输入端多模干涉耦合器；与输入端多模干涉耦合器连接的调制区单元；与调制区单元的输出端连接的输出端多模干涉耦合器；以及用于施加电压控制相位差的电场；调制区单元为两个，每个调制区单元包括：tm波导支路(即调制区波导支路)，tm波导支路设置在电场上；与tm波导支路并联的te单模波导支路5(即te单模波导)。调制区单元还包括：与输入端多模干涉耦合器的连接的调制区波导主路8；与调制区波导主路8连接的偏振分束器4，偏振分束器4的输出端与tm波导支路和te单模波导支路5连接；连接tm波导支路和te单模波导支路5的偏振合束器6，偏振合束器6的输出端与输出端多模干涉耦合器3连接。电场包括：多个相间隔的金属电极7，调制区波导主路8设置在相邻的金属电极7之间，tm波导支路也设置在相邻的金属电极7之间。
46.本发明包括第一输入波导1、第二输入波导2、偏振不敏感2
×
2多模干涉耦合器(mmi)3(输入端多模干涉耦合器、输出端多模干涉耦合器)、偏振分束器4、te单模波导支路5、偏振合束器6、金属电极7、调制区波导主路8、第一输出波导9和第二输出波导10。
47.激光器将te或tm偏振的光通过第一输入波导1或者第二输入波导2输入器件，经过偏振不敏感2
×
2mmi3将功率等分到两个调制臂(即两个调制区单元)上，这两个调制臂上都存在一个偏振分束器4和一个偏振合束器6，在将te光分离出来经过一段te单模波导支路5再合束回调制区波导主路8上，实现不同偏振态的调制区长度不同。合束之后两个调制臂的光场在偏振不敏感2
×
2mmi3上进行干涉输出，通过在金属电极7上施加电压控制两个调制臂的相位差，可以选择从第一输出波导9或者第二输出波导10输出光信号。
48.输入输出波导(第一输入波导1、第二输入波导2、第一输出波导9和第二输出波导10)，可以同时传输te、tm偏振的光。图2为本发明的偏振不敏感2
×
2多模干涉耦合器结构示意图，并且如图3所示偏振不敏感2
×
2多模干涉耦合器(mmi)3具有偏振不敏感的特性，在两种偏振态下的仿真传输谱线相近，对于te或者tm偏振的光都能实现将输入光等分至两个调制臂(8)中。图4为本发明的偏振分束器结构示意图，偏振分束器4能够将输入光中的te分量分离出来，并且两个调制臂中都存在此偏振分束器，偏振分束后的te光经过te单模波导支路5再通过偏振合束器6回到调制区波导主路8上，而tm光则始终在调制区波导主路8和调制区波导支路(即tm波导支路)中传输。合束后的光再次经过2
×
2mmi，可以实现输出光谱的偏振不敏感。
49.本发明中，调制区波导主路、tm波导支路(即调制区波导支路)、te单模波导支路均采用铌酸锂，由于铌酸锂是一种各向异性介质，其折射率可写为张量形式：
[0050][0051]
其中，no为铌酸锂材料x与y方向折射率，ne为铌酸锂材料z方向折射率。
[0052]
又因为铌酸锂是一种3m点晶体，具有二次旋转轴和镜面对称的特点，它的电光张量矩阵可以写为：
[0053][0054]
式中，γ为电光张量矩阵，矩阵元γ
ij
为晶体的线性电光系数。
[0055]
所以在z方向的电场作用下，te与tm两个偏振态具有不同的折射率变化，可以写成：
[0056][0057]
铌酸锂晶体的线性电光系数的测量值为：γ
13
≈9.6pm/v，γ
33
≈30.9pm/v，可以得到te与tm的调制效率之比为1:3.19，即在相同的光程内、相同的电压下te偏振光的相位改变为3.19φ，而tm偏振光相位改变为φ。φ为相位改变量。
[0058]
本发明通过偏振分束器4在将te光分离出来经过一段te单模波导支路5再合束回调制区波导主路8上，实现不同偏振态的调制区长度不同。通过对几段调制区波导长度的调节，实现te、tm相位改变近乎1:1，从而达到偏振不敏感的目的。
[0059]
相比于现有先进行偏振分束再在两个光开关中分别处理的结构，需要1个偏振分束器、1个偏振合束器、4个多模干涉器、2组电极，本发明创新性地将偏振分束部分放在调制区域，仅需要1个偏振分束器、1个偏振合束器、2个多模干涉器、1组电极，相当于将光路减少至原来的一半，大幅降低了器件尺寸与损耗。并且本发明在单个光开关中，仅需要一个电信号就能够实现路径选择，避免了两组电信号所需要的隔离与同步电路等，大幅降低了电路部分的复杂性与功耗。
[0060]
而相比于现有基于偏振旋转器的结构，需要预先知道输入的光模式是te或者tm，如果对于模式不清楚的光，无法准确的控制两个模式相位差。本发明中使用偏振分束器，可以处理混合偏振的光信号，应用面更广一些。

技术特征：

1.一种偏振无关的光开关，其特征在于，包括：用于接受光纤、激光器或其他光电子器件等包括te偏振和tm偏振分量或其中一种偏振分量的光的输入波导；与所述输入波导连接的输入端包括多模干涉耦合器器件的功率分配器件；与所述功率分束器连接的调制区单元；与所述调制区单元的输出端连接的输出端包括多模干涉耦合器等器件的功率合束器件；以及用于施加电压实现相位控制调制的电场；所述的调制区单元包括：tm波导支路，所述的tm波导支路设置在所述电场上；与所述tm波导支路并联的te波导支路，所述的te波导支路设置在所述电场上。2.根据权利要求1所述的偏振无关的电光开关，其特征在于，所述的调制区单元还包括：与所述输入端功率分束器的连接的调制区波导主路；与所述调制区波导主路连接的偏振分束器，所述的偏振分束器的输出端与所述tm波导支路和te波导支路连接；连接所述tm波导支路和te波导支路的偏振合束器，所述的偏振合束器的输出端与输出端功率合束器连接。3.根据权利要求2所述的偏振无关的电光开关，其特征在于，所述的调制区波导主路、tm波导支路、te波导支路均采用铌酸锂或其他在波导中对te偏振光和tm偏振光调制效率不同的材料。4.根据权利要求2所述的偏振无关的光开关，其特征在于，所述的电场包括：多个相间隔的金属电极，所述的调制区波导主路设置在相邻的金属电极之间，所述的tm波导支路也设置在相邻的金属电极之间。5.根据权利要求1所述的偏振无关的电光开关，其特征在于，所述的输入波导包括第一输入波导、第二输入波导。6.根据权利要求1所述的偏振无关的电光开关，其特征在于，所述的输入端功率分束器为偏振不敏感功率分束器。7.根据权利要求1所述的偏振无关的电光开关，其特征在于，所述的调制区单元为两个。8.根据权利要求1所述的偏振无关的电光开关，其特征在于，所述的输出端功率合束器为偏振不敏感功率合束器。

技术总结

本发明公开了一种大带宽、低损耗、高速切换、偏振不敏感电光开关，包括：用于接受光纤、激光器或其他光电子器件包括TE偏振和TM偏振分量或其中一种分量的光的输入波导；与所述输入波导连接的输入端功率分束器；与所述功率分束器连接的调制区单元；与所述调制区单元的输出端连接的输出端功率合束器；以及用于施加电压控制相位差的电场；所述的调制区单元包括：TM波导支路(即调制区波导支路)，所述的TM波导支路设置在所述电场上；与所述TM波导支路并联的TE波导支路。本发明基于特殊的波导结构设计实现偏振无关波导、功率合束器、功率分束器。利用了调制效率偏振相关的特点，将两个偏振态的光引入不同的调制路径，实现不同偏振态的调制区长度不同。区长度不同。区长度不同。