專利名稱：：?jiǎn)我徽{(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光學(xué)開關(guān)器件，尤其涉及一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)。
背景技術(shù)：
：光學(xué)開關(guān)(Opticalswitches)是利用材料本身特性或外部調(diào)制，在一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口之間，對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行切換或邏輯操作的器件。它廣泛的應(yīng)用于光纖通信，光互連與光網(wǎng)絡(luò)，光學(xué)測(cè)量或傳感等系統(tǒng)中，扮演信道切換的角色。集成光學(xué)光開關(guān)相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、高能量利用率、速度快等特點(diǎn)。傳統(tǒng)集成空分型光開關(guān)常采用方向耦合型、MZ干涉型和全內(nèi)反射型，由它們?cè)O(shè)計(jì)的開關(guān)數(shù)大于2的單個(gè)元件通常采用級(jí)聯(lián)的方式獲得。對(duì)于形成N×N開關(guān)矩陣來(lái)說(shuō)，當(dāng)增加開關(guān)規(guī)模時(shí)，常見單元開關(guān)2×2開關(guān)數(shù)與N的平方成正比而增加，由級(jí)聯(lián)帶來(lái)的彎曲、損耗問(wèn)題也就隨之而來(lái)，而且控制的電極數(shù)也大大增加。為滿足大數(shù)據(jù)量的光學(xué)計(jì)算和通信的需要，增加開關(guān)陣列中單個(gè)開關(guān)元件的路數(shù)，提高開關(guān)性能尤為重要。3×3開關(guān)的引入不僅可以提高單個(gè)開關(guān)元件的路數(shù)，而且可以與2×2開關(guān)自由組合成豐富的矩陣開關(guān)。然而實(shí)現(xiàn)3×3開關(guān)或更多路數(shù)的常見方法以增加調(diào)制區(qū)個(gè)數(shù)和提高工藝難度為代價(jià)，附加工藝和調(diào)制區(qū)的引入勢(shì)必增大開關(guān)損耗和串?dāng)_，降低消光比，延長(zhǎng)開關(guān)時(shí)間，從而大大影響整體開關(guān)效果。此外，基于多模干涉原理的器件具備良好的級(jí)聯(lián)重建和組合功能，能保持穩(wěn)定的輸出功率分配和空間輸出狀態(tài)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰，設(shè)計(jì)方便，由它來(lái)構(gòu)成光學(xué)開關(guān)具有很好的前景。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)。它利用多模波導(dǎo)的多模干涉產(chǎn)生重疊成像的原理，僅通過(guò)對(duì)單一單一調(diào)制區(qū)的相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)多模干涉型3×3光學(xué)開關(guān)器件。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是方案一一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，包括襯底基片、下限制層和芯層；所述的芯層是由三根輸入波導(dǎo)、多模波導(dǎo)區(qū)和三根輸出波導(dǎo)串聯(lián)構(gòu)成；單一調(diào)制區(qū)位于多模波導(dǎo)區(qū)上。所述的單一調(diào)制區(qū)位于多模波導(dǎo)區(qū)1/3或2/3縱向長(zhǎng)度處，覆蓋相鄰重疊成像像點(diǎn)，且單一調(diào)制區(qū)對(duì)這兩個(gè)像點(diǎn)調(diào)制的相位呈二倍關(guān)系。所述的單一調(diào)制區(qū)采用材料的多種物理效應(yīng)調(diào)制相位，為光注入效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)，不同的調(diào)制方法與物理效應(yīng)和在像點(diǎn)處出現(xiàn)明顯像差的長(zhǎng)度決定單一調(diào)制區(qū)的內(nèi)置。方案二另一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，包括襯底基片、下限制層和芯層；所述的芯層是由三根輸入波導(dǎo)、兩個(gè)多模波導(dǎo)區(qū)、三根連接波導(dǎo)、錐形過(guò)渡波導(dǎo)，三根輸出波導(dǎo)和單一調(diào)制區(qū)構(gòu)成；第一個(gè)多模波導(dǎo)的輸入端通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)接三根輸入波導(dǎo)，三根連接波導(dǎo)分別通過(guò)兩端錐形波導(dǎo)連接第一個(gè)多模波導(dǎo)的輸出端與第二個(gè)多模波導(dǎo)的輸入端，第二個(gè)多模波導(dǎo)的輸出端的三根輸出波導(dǎo)通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)連接，在三根連接波導(dǎo)中相鄰的其中兩根波導(dǎo)處組成一個(gè)單一調(diào)制區(qū)。所述的單一調(diào)制區(qū)位于相鄰重疊成像像點(diǎn)延伸出的連接波導(dǎo)上，且單一調(diào)制區(qū)對(duì)這兩個(gè)連接波導(dǎo)調(diào)制的相位呈二倍關(guān)系。所述的單一調(diào)制區(qū)采用材料的多種物理效應(yīng)調(diào)制相位，為光注入效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)，不同的調(diào)制方法與物理效應(yīng)和在像點(diǎn)處出現(xiàn)明顯像差的長(zhǎng)度決定單一調(diào)制區(qū)外置。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明根據(jù)多模干涉器件的特性和像點(diǎn)間特殊的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制簡(jiǎn)單、控制電極數(shù)少、結(jié)構(gòu)緊湊，損耗較小，信道數(shù)多，消光比高，制作容差大、寬頻帶的光學(xué)開關(guān)器件，在三維空間光互連、光網(wǎng)絡(luò)、光計(jì)算、光信息處理等方面有廣泛的應(yīng)用前景，為設(shè)計(jì)密集的光開關(guān)陣列和光網(wǎng)絡(luò)開辟了新的道路，具有重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。圖1是由單一單一調(diào)制區(qū)調(diào)制像點(diǎn)實(shí)現(xiàn)3×3多模干涉光開關(guān)的基本原理圖；圖2是把圖1所示開關(guān)的像點(diǎn)外延至連接波導(dǎo)后組成單一調(diào)制區(qū)的拓展圖；圖3是對(duì)應(yīng)于圖1的脊型截面的3×3多模干涉光開關(guān)的立體實(shí)施圖；圖4是對(duì)應(yīng)于圖2的脊型截面的3×3多模干涉光開關(guān)的立體實(shí)施圖。圖中a、b、c，為x＝Wmmi/3，0，-Wmmi/3處的輸入輸出端口和像點(diǎn)的編號(hào)；1，輸入波導(dǎo)；2，多模波導(dǎo)；3，輸出波導(dǎo)；4，單一調(diào)制區(qū)；5，第二個(gè)多模波導(dǎo)；6，連接波導(dǎo)；7，錐形波導(dǎo)；8，脊型截面；9，下限制層；10，襯底基片。具體實(shí)施例方式根據(jù)多模波導(dǎo)的自映像原理，圖1中輸入波導(dǎo)和所有的連接波導(dǎo)位置分別在WMMI/3，0和-WMMI/3處。文中用LMMI和WMMI分別標(biāo)記多模波導(dǎo)的總長(zhǎng)度和寬度。從任一輸入端口激勵(lì)起光強(qiáng)為單位1的光束，通過(guò)第一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)MMI/3＝Lπ＝4nrWeff2/3λ0的多模波導(dǎo)后在波導(dǎo)末端對(duì)應(yīng)位置呈現(xiàn)三個(gè)像點(diǎn)，其中nr為多模區(qū)有效折射率，Weff為多模區(qū)有效寬度，λ0為工作波長(zhǎng)。去除常數(shù)相位后，輸入端口與像點(diǎn)之間的振幅與相位關(guān)系可以表示為矩陣乘法EaoutEboutEcoutz=Lπ=M(Lπ)EainEbinEcinandM(Lπ)=13exp0jπj4/3jπj4π/3jπj4π/3jπ0]]>Eain從a端口輸入的場(chǎng)強(qiáng)，其它輸入情況依次類推；M(Lπ)為振幅和相位的傳遞矩陣。在多模波導(dǎo)末端對(duì)三個(gè)像點(diǎn)進(jìn)行相位調(diào)制后，再通過(guò)另一個(gè)長(zhǎng)為2Lmmi/3的多模波導(dǎo)傳輸，整個(gè)級(jí)聯(lián)MMI系統(tǒng)的傳輸特性可以表示為其中對(duì)角矩陣MMR表示對(duì)像點(diǎn)或連接波導(dǎo)調(diào)制的相位。由于相位調(diào)制的周期性，可以以某一像點(diǎn)的相位參考，比如固定a＝0，也就是不調(diào)制端口a所對(duì)應(yīng)的、橫坐標(biāo)位于Wmmi/3處的像點(diǎn)或說(shuō)是連接波導(dǎo)，而僅對(duì)其它兩個(gè)波導(dǎo)調(diào)制即可，這樣形成調(diào)制區(qū)。研究表明，無(wú)論哪一個(gè)輸入端口被激發(fā)，改變b，c的不同相位組合，可以切換輸出光到三個(gè)不同輸出端口。比如光從端口a輸入的光，通過(guò)第一個(gè)多模波導(dǎo)區(qū)后呈現(xiàn)功率相等的三個(gè)像點(diǎn)，其相對(duì)相位為(0，π，4π/3)，如果再對(duì)三個(gè)連接波導(dǎo)進(jìn)行(0，2π/3，4π/3)的相位調(diào)制，并通過(guò)第二個(gè)多模波導(dǎo)后|Eaout|2∶|Ebout|2∶|Ecout|2＝0∶1∶0，從而把從端口a輸入的光由輸出端口c切換到輸出端口b。同理，改變輸入端口和調(diào)制相位的不同組合，可以得出下表的對(duì)應(yīng)關(guān)系表格.不同相位調(diào)制下，輸入輸出端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="540">相位調(diào)制(MMR)從a輸入從b輸入從c輸入diag(0，0，0)從c輸出從b輸出從a輸出diag(0，2π/3，4π/3)從b輸出從a輸出從c輸出diag(0，4π/3，8π/3)從a輸出從c輸出從b輸出</table></tables>比較表中第三行和第四行可以得出，對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制量呈現(xiàn)二倍關(guān)系。也就是說(shuō)，固定第二個(gè)和第三個(gè)連接波導(dǎo)的相位調(diào)制量呈二倍關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)任何輸入輸出端口的開關(guān)組合。因此，可以對(duì)兩個(gè)像點(diǎn)或調(diào)制波導(dǎo)同時(shí)進(jìn)行調(diào)制，組成單一調(diào)制區(qū)。依據(jù)不同調(diào)制的物理效應(yīng)，通過(guò)改變調(diào)制區(qū)形狀可以獲得波導(dǎo)間調(diào)制相位的二倍關(guān)系，比如當(dāng)單一調(diào)制區(qū)的折射率變化均勻時(shí)，設(shè)計(jì)橫T型的調(diào)制區(qū)使得對(duì)第二個(gè)連接波導(dǎo)的調(diào)制長(zhǎng)度為第三個(gè)連接波導(dǎo)的調(diào)制長(zhǎng)度的二倍。要精確而有效的調(diào)制像點(diǎn)的相位，必須在像點(diǎn)發(fā)散以前完成相位變化。在下列情況下可以采用如圖2所示的拓展結(jié)構(gòu)1)所采用的折射率調(diào)制的物理效應(yīng)較弱，達(dá)到所需相位調(diào)制量，需要相對(duì)較長(zhǎng)的調(diào)制區(qū)；2)過(guò)大的多模區(qū)折射率變化引起多模區(qū)材料很強(qiáng)的反射損耗或散射損耗，嚴(yán)重影響開關(guān)的消光比；3)當(dāng)在單一調(diào)制區(qū)的物理效應(yīng)擴(kuò)散嚴(yán)重時(shí)，等效折射率的方法不適于描述折射率變化梯度等。圖2中引入的錐形波導(dǎo)7有助于提高過(guò)渡區(qū)的耦合效率和減小反射損耗。實(shí)施例1如圖3所示，本發(fā)明包括襯底基片10、下限制層9和芯層；所述的芯層是由三根輸入波導(dǎo)1、多模波導(dǎo)區(qū)2和三根輸出波導(dǎo)3串聯(lián)構(gòu)成；單一調(diào)制區(qū)4位于多模波導(dǎo)區(qū)2上。所述的單一調(diào)制區(qū)4位于多模波導(dǎo)區(qū)21/3或2/3縱向長(zhǎng)度處，覆蓋相鄰重疊成像像點(diǎn)，且單一調(diào)制區(qū)4對(duì)這兩個(gè)像點(diǎn)調(diào)制的相位呈二倍關(guān)系。所述的單一調(diào)制區(qū)4采用材料的多種物理效應(yīng)調(diào)制相位，為光注入效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)，不同的調(diào)制方法與物理效應(yīng)和在像點(diǎn)處出現(xiàn)明顯像差的長(zhǎng)度決定單一調(diào)制區(qū)4的內(nèi)置。當(dāng)對(duì)單一調(diào)制區(qū)4調(diào)制時(shí)折射率變化均勻，調(diào)制區(qū)可以呈橫T型，且對(duì)應(yīng)兩個(gè)調(diào)制波導(dǎo)的長(zhǎng)度為二倍關(guān)系。實(shí)施例2如圖4所示，本發(fā)明包括襯底基片10、下限制層9和芯層；所述的芯層是由三根輸入波導(dǎo)1、兩個(gè)多模波導(dǎo)區(qū)2，5、三根連接波導(dǎo)6、錐形過(guò)渡波導(dǎo)7，三根輸出波導(dǎo)3和單一調(diào)制區(qū)4構(gòu)成；第一個(gè)多模波導(dǎo)2的輸入端通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)7接三根輸入波導(dǎo)1，三根連接波導(dǎo)6分別通過(guò)兩端錐形波導(dǎo)7連接第一個(gè)多模波導(dǎo)2的輸出端與第二個(gè)多模波導(dǎo)5的輸入端，第二個(gè)多模波導(dǎo)5的輸出端的三根輸出波導(dǎo)3通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)3連接，在三根連接波導(dǎo)6中相鄰的其中兩根波導(dǎo)處組成一個(gè)單一調(diào)制區(qū)4。所述的單一調(diào)制區(qū)4位于相鄰重疊成像像點(diǎn)延伸出的連接波導(dǎo)6上，且單一調(diào)制區(qū)4對(duì)這兩個(gè)連接波導(dǎo)6調(diào)制的相位呈二倍關(guān)系。所述的單一調(diào)制區(qū)4采用材料的多種物理效應(yīng)調(diào)制相位，為光注入效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)，不同的調(diào)制方法與物理效應(yīng)和在像點(diǎn)處出現(xiàn)明顯像差的長(zhǎng)度決定單一調(diào)制區(qū)外置。當(dāng)對(duì)單一調(diào)制區(qū)4調(diào)制時(shí)折射率變化均勻，調(diào)制區(qū)可以呈橫T型，且對(duì)應(yīng)兩個(gè)被調(diào)制的連接波導(dǎo)的長(zhǎng)度為二倍關(guān)系。所述的多模波導(dǎo)所支持的模式數(shù)目一般在輸入波導(dǎo)所支持的模式數(shù)目的至少三倍以上。所述的開關(guān)的波導(dǎo)截面不局限于脊型8，也可以是通道型，ARROW型，多層型，漸變折射率型等不同折射率分布截面。所述的實(shí)施例采用如下方案如圖3和圖4所示，在i-GaAs(100)襯底基片10上生長(zhǎng)一層2.5μmAl0.07Ga0.93As下限制層9和一層1.5μmGaAs芯層。在GaAs表面刻蝕出0.6μm的脊型截面8。輸入輸出波導(dǎo)、連接波導(dǎo)的寬度均為6μm。多模波導(dǎo)寬度為30μm，兩個(gè)多模波導(dǎo)的寬度分別為3250μm和6500μm。錐形波導(dǎo)寬度變化為1μm，長(zhǎng)度為400微米。然后在芯層GaAs波導(dǎo)表面鍍上一層Al膜作為光注入擋光材料，再在兩個(gè)連接波導(dǎo)處腐蝕出大小分別為6μm×125μm和6μm×250μm的光注入窗口?？偟淖⑷?yún)^(qū)大小為16μm×250μm，這一尺寸足以保證注入有效的聚焦。實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)態(tài)需要注入光所產(chǎn)生的波導(dǎo)折射率變化達(dá)到0.0085，而這一數(shù)值足以用光注入致折射率變化實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的實(shí)施方式很多，只要采用通常制作半導(dǎo)體器件的工藝過(guò)程及條件就可制成。在此以光注入調(diào)制的Al0.07Ga0.93As/GaAs脊型單一調(diào)制區(qū)3×3多模干涉開關(guān)為實(shí)施例，但決非僅限于此實(shí)施例。上述具體實(shí)施方式用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求1.一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，包括襯底基片(10)、下限制層(9)和芯層，其特征在于所述的芯層是由三根輸入波導(dǎo)(1)、多模波導(dǎo)區(qū)(2)和三根輸出波導(dǎo)(3)串聯(lián)構(gòu)成；單一調(diào)制區(qū)(4)位于多模波導(dǎo)區(qū)(2)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，其特征在于所述的單一調(diào)制區(qū)(4)位于多模波導(dǎo)區(qū)(2)1/3或2/3縱向長(zhǎng)度處，覆蓋相鄰重疊成像像點(diǎn)，且單一調(diào)制區(qū)(4)對(duì)這兩個(gè)像點(diǎn)調(diào)制的相位呈二倍關(guān)系。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，其特征在于所述的單一調(diào)制區(qū)(4)采用材料的多種物理效應(yīng)調(diào)制相位，為光注入效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)，不同的調(diào)制方法與物理效應(yīng)和在像點(diǎn)處出現(xiàn)明顯像差的長(zhǎng)度決定單一調(diào)制區(qū)(4)的內(nèi)置。4.一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，包括襯底基片(10)、下限制層(9)和芯層，其特征在于所述的芯層是由三根輸入波導(dǎo)(1)、兩個(gè)多模波導(dǎo)區(qū)(2，5)、三根連接波導(dǎo)(6)、錐形過(guò)渡波導(dǎo)(7)，三根輸出波導(dǎo)(3)和單一調(diào)制區(qū)(4)構(gòu)成；第一個(gè)多模波導(dǎo)(2)的輸入端通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)(7)接三根輸入波導(dǎo)(1)，三根連接波導(dǎo)(6)分別通過(guò)兩端錐形波導(dǎo)(7)連接第一個(gè)多模波導(dǎo)(2)的輸出端與第二個(gè)多模波導(dǎo)(5)的輸入端，第二個(gè)多模波導(dǎo)(5)的輸出端的三根輸出波導(dǎo)(3)通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)(3)連接，在三根連接波導(dǎo)(6)中相鄰的其中兩根波導(dǎo)處組成一個(gè)單一調(diào)制區(qū)(4)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，其特征在于所述的單一調(diào)制區(qū)(4)位于相鄰重疊成像像點(diǎn)延伸出的連接波導(dǎo)(6)上，且單一調(diào)制區(qū)(4)對(duì)這兩個(gè)連接波導(dǎo)(6)調(diào)制的相位呈二倍關(guān)系。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)，其特征在于所述的單一調(diào)制區(qū)(4)采用材料的多種物理效應(yīng)調(diào)制相位，為光注入效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)或載流子注入效應(yīng)，不同的調(diào)制方法與物理效應(yīng)和在像點(diǎn)處出現(xiàn)明顯像差的長(zhǎng)度決定單一調(diào)制區(qū)外置。全文摘要本發(fā)明公開了一種單一調(diào)制區(qū)控制的3×3多模干涉型光開關(guān)。由三根輸入波導(dǎo)、多模波導(dǎo)區(qū)和三根輸出波導(dǎo)串聯(lián)構(gòu)成；單一調(diào)制區(qū)位于多模波導(dǎo)區(qū)上?；蛴扇斎氩▽?dǎo)、兩個(gè)多模波導(dǎo)區(qū)、三根連接波導(dǎo)、錐形過(guò)渡波導(dǎo)，三根輸出波導(dǎo)和單一調(diào)制區(qū)構(gòu)成；第一個(gè)多模波導(dǎo)的輸入端通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)接三根輸入波導(dǎo)，三根連接波導(dǎo)分別通過(guò)兩端錐形波導(dǎo)連接第一個(gè)多模波導(dǎo)的輸出端與第二個(gè)多模波導(dǎo)的輸入端，第二個(gè)多模波導(dǎo)的輸出端的三根輸出波導(dǎo)通過(guò)各自的錐形波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)連接，在三根連接波導(dǎo)中相鄰的其中兩根波導(dǎo)處組成一個(gè)單一調(diào)制區(qū)。本發(fā)明根據(jù)多模干涉器件的特性和像點(diǎn)間特殊的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制簡(jiǎn)單、信道數(shù)多，消光比高，寬頻帶的光學(xué)開關(guān)器件。文檔編號(hào)G02B6/35GK1851507SQ20061005170公開日2006年10月25日申請(qǐng)日期2006年5月30日優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日發(fā)明者周海峰,江曉清,郝寅雷,楊建義,王明華申請(qǐng)人:浙江大學(xué)