一种基于具有一对非对称波导的绝热耦合器的宽带光开关，该非对称波导具有曲率可变部，该宽带光开关包括：基于Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的２×２结构的两个这种绝热耦合器；以及１×２或者２×１结构的绝热耦合器和Ｙ分支器。每一个绝热耦合器包括：不同但恒定宽度的两个波导分支，具有变化半径的弯曲部，通过改变这两个波导分支之间的间距使这两个波导分支在耦合长度内相分离，并且在非对称交叉区域中混合；以及两个对称波导分支。在２×２开关中，两个绝热耦合器沿主传播轴以镜像的方式通过其相应的对称分支相互面对，并通过两个相同的臂相连。通过在硅基板上的二氧化硅ＭＺＩ开关中使用可变曲率的绝热耦合器，为开关提供了特别的带宽范围（１．２－１．７μｍ）、非常高的消光比（＞３５ｄＢ）、低的制造敏感性以及与偏振无关的操作。这些开关明显地小于已知的宽带开关，具有明显更小的额外损耗、更快的切换时间以及低的功耗。
【技术实现步骤摘要】
本申请是于2002年2月18日提交的美国专利申请No.10/098,391的部分延续申请，该申请要求于2001年12月20日提交的美国临时申请No.60/341,240的优选权。
技术介绍
现代电信的迅速发展使得对于在多个用户之间传递(rout)信息的快速、有效方式的需求日益增加。随着光纤替代老式铜线，对低成本的定向(direct)光开关的需求日益增长。这种光开关元件应该在支持用于各种应用(例如光插分复用(OADM)、光交叉连接(OXC)、保护、恢复等)的密集波分复用(DWDM)的现代通信网络系统中进行操作。为了实现更高的容量，需要更多的通信信道。因此，光学元件的更宽带宽是必须的。必须低成本、高可靠性地大量制造这种宽带元件。没有移动元件的可靠固态器件适于批量生产，如在微电子行业所看到的。平面光波电路(PLC)技术是最有前景的固态技术之一，Mach Zehnder干涉仪(MZI)是以这种技术建立的最成功、最有用的结构之一。在一个多世纪以前就已专利技术了MZI。其广泛应用于全光学开关、滤波器、衰减器等的设计中。然而，由于标准MZI的耦合器具有较高的波长依赖性，并且还由于在某些结构中，其两个支路之间存在长度差，而导致标准MZI不是宽带的。在过去，对制造宽带MZI光开关进行了很少的尝试。一种用于基于热光(thermo-optical)硅的开关的方法提出了用波长不敏感耦合器(WINC)来替代定向耦合器，其中各个WINC本身实际上是一个完整的MZI(Kitoh T.et al.“Novel broad-band optical switch usingsilica-based planar circuit”，IEEE Photon.Technol.Lett.4，pp.735-737，1992)。该器件非常长并使用三个电子驱动器和三个有源电极，因此具有复杂的控制并耗费较高的电力。此外，该器件的消光比(ER)性能不足—在1.25-1.65μm的谱范围内为17dB。在美国专利No.5418868中，Cohen等人在他们提出的MZI开关中采用了宽带绝热耦合器(由Henry C.H.等，在“Analysis of modepropagation in optical waveguide devices by Fourier expansion”，IEEE J.Quantum Electron.27 pp.523-530，1991中第一次描述)。耦合器的核心是宽度逐渐变化的两个紧邻的波导，将这两个波导布置为使得二者之间的间隔恒定。这些耦合器和MZI开关具有以下几个缺点为了进行绝热，它们必须非常长，并且在耦合器的波导之间的小(几微米)间隙的耦合效应对制造(例如对过蚀刻、材料应力等)非常敏感，从而导致较低的消光比，或者导致较窄的工作波长窗口。在通常的制造条件下，1.25-1.6μm的谱范围内的ER仅为15dB，这对于大多数的当前应用也是不足的。在美国专利No.4775207中，Silberberg介绍了一种通过电光效应实现的2×2数字光开关(DOS)，并且由诸如具有大电光系数的铌酸锂(LiNbO3)的材料来制造。所提出的DOS对于切换电压具有光阶状(optical step-like)响应。该DOS基于非对称的波导结构造(由宽度不相等的两个输入波导、宽中心区域和对称输出支路构成)。与MZI相反，DOS在电场的控制下仅具有两种功能性状态。这使得能够将输入光信号路由给这两个端口中的任何一个(即，“数字”响应而不是MZI开关的有用模拟响应)。Hwang等人在论文“Polymeric 2×2 electrooptic switch consistingof asymmetric Y-junctions and Mach-Zehnder interferometer”，Photonics Letters，vol.9，No.6，June 1997中描述了一种由一对耦合器构成的2×2开关，每一个耦合器都具有两个不同的但是宽度恒定的直分支(branch)，通过改变这两个分支之间的间隔使它们在耦合长度上相分离。这些分支在对称的交叉区域中混合。因为这些分支是直的，所以开关必须较大。Hwang等人没有提及消光比，并且未揭示该响应在大范围内与波长无关。因此，广泛地意识到需要一种不受以前开关的缺点(如以上所列)困扰的高容限宽带MZI，这具有很大优势，特别地，该开关具有与波长无关的响应和较高的ER。
技术实现思路
我们开发了光学MZI开关的各种实施例，该光学MZI开关可以使用标准PLC技术来制造，并且与其它公知的光开关相比，其具有较宽的工作波段和较好的处理(process)容限。此外，本专利技术的光开关与其它宽带光开关相比，具有更小的尺寸，而不会使其它特性(ER、损耗、依赖于偏振的损耗(PDL)、功耗等)受到任何损害。传统的MZI开关使用定向耦合器。然而，这种耦合器具有依赖于波长的响应。为了实现宽带开关操作，我们已开发出在宽的波长范围内具有基本平坦特性的改进绝热耦合器。其主要组件为宽度不同的两个弯曲的波导(其特征为连续变化的半径)，这两个波导交叉，形成一小角度，并且混合为对称结构，以使得当光信号向交叉点处传播时出现光模式的平滑(绝热)转换。宽/窄波导的模式分别转换为对称/非对称模式。一种选择是，宽的中间波导紧临交叉点之后设置，在这种情况下，两个对称输出分支(例如，S弯曲部分(bend))将两个模式分离为两个输出信号，根据模式的对称性，这两个信号同相或者具有相位差π。本专利技术对具有不同宽度的两个输入波导分支进行了独特的应用，每一个输入波导分支都具有明显的弯曲部，在该明显弯曲部中曲率是变化的(优选地，连续地变化)。即，各个这种分支都具有“可变曲率”部分，优选地该“可变曲率”部分由具有不同局部半径的连续子部分构成。该局部半径可以从非常小的半径(接近于0)变化为非常大的半径(接近于无穷大)。这两个分支的小半径子部分使得我们能够迅速地将输入波导(这些输入波导在其输入接口处或者“近端”处足够远，以在光学上不耦合)彼此靠近，由此显著地减小了设备的尺寸。这些弯曲部的半径随着分支之间的间隙的减小而平稳地增大，直到弯曲部转为分支交叉点附近的直波导部分为止。这种几何形状保持了绝热特性。这种耦合器设计具有高的容限，以处理相关扰动(例如过蚀、介质的折射系数相对于期望值的偏差等)。此外，即使我们的经改善的3dB耦合器远远短于现有技术的耦合器，其性能也优于现有技术设计的绝热耦合器(更宽的带宽、更好的3dB特性以及更高的容限)。特别地，通过使用具有连续可变曲率的两个输入弯曲波导，可以显著减小设备尺寸，同时保持绝热特性。此外，通过在耦合器的输出处使用S弯曲部分，而不是线性绝热分支器(splitter)，使设备进一步缩短，同时保持其性能质量。在一优选实施例中，优选地，将本专利技术的耦合器集成为2×2 MZI开关，与其它宽带光开关相比，该2×2 MZI开关表现出更好的性能(更宽的带宽，更高的消光比以及更高的容限)。在另一优选实施例中，通过使用Y分支器代替多个绝热耦合器之一来获得1×2(或者，如果反过来，则为2×1)光开关。该Y分支器具有非常宽的带宽，该带宽最少涵盖绝热耦合器的带宽。当在1×2(或2×本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有主传播轴的２×２光学开关，其包括：ａ）第一３ｄＢ绝热耦合器，其具有ｉ）第一对恒定宽度、非对称的波导分支，每一个所述分支在近端和远端之间延伸，每一个所述分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变所述分支之间的间距使所述分支在耦 合长度内相分离，并且在所述远端处的对称交叉区域中混合，以及ｉｉ）两个对称分支，在所述远端处与所述交叉区域相连，ｂ）第二３ｄＢ绝热耦合器，其具有ｉｉｉ）第一对恒定宽度、非对称的波导分支，每一个所述分支在近端和远端之间延 伸，每一个所述分支具有曲率可变的弯曲部，通过改变所述分支之间的间距使所述分支在耦合长度内相分离，并且在所述远端处的对称交叉区域中混合，以及ｉｖ）两个对称分支，在所述远端处与所述交叉区域相连，其中所述第一和第二绝热耦合器沿主光学传播轴 以镜像的方式彼此面对，ｃ）两个相同的臂，将所述第一对对称分支和第二对对称分支沿所述主传播轴彼此光学连接，以及ｄ）至少一个有源元件，与所述多个相同的臂耦接，用于动态地改变所述至少一个臂的光学特性，由此该开关在平面光波电路中实现 提供了一种开关，其明显小于现有技术的开关，实际上与偏振无关，并且在特别宽的带宽范围内具有低的损耗和非常高的消光比。...
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：纳胡姆伊萨奇，戴维奥克宁，埃兰布兰德，谢伊卡斯皮，
申请(专利权)人：林克斯光化网络公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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