專利名稱：一種全光控制光開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電子器件，具體涉及一種全光控制光開關，應用于光分叉復用 (0ADM)系統(tǒng)和光交叉互連(OXC)系統(tǒng)，解決超高速全光網(wǎng)絡的全光開關控制以及光開關切 換等問題。
背景技術：
目前，按照不同開關原理，光開關可以分為機械光開關、微機電系統(tǒng)(MEMS)光開 關、熱光開關、液晶光開關等。這些光開關的開關速率最高處于ms量級。其中，微機電系統(tǒng) (MEMS)光開關由于集成度高，損耗小，串擾低及高消光比等優(yōu)點，被廣泛的應用于各種骨干 網(wǎng)與大型交換網(wǎng)的解決方案中。但是按照下一代網(wǎng)絡光分組交換的標準，這種開關無法實 現(xiàn)其開關時間達到ns量級的要求，而通信網(wǎng)絡的全光處理進程勢在必行，這是通信承載業(yè) 務的多樣性與數(shù)據(jù)量的海量性決定的。網(wǎng)絡的IP化與光分組交換就對傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡節(jié)點 處的交換單元提出了挑戰(zhàn)。同時，光波分復用、時分復用技術的引入，Tbit/s量級的通信容 量都對交換時間在ms量級的傳統(tǒng)光開關有了新的要求。研究新的工作機理以提高交換速 率的全光開關成為相關領域研究的熱點問題。 近年來，一維光子晶體(1DPC)結構下的全光開關得到了廣泛的研究，尤其集中 在以量子阱為有源區(qū)的一維光子晶體。如2002年美國Iowa大學的John P. Prineas教 授，在論文《Ultrafast ac stark effect switching of the active photonic band gap fromBragg-periodic semiconductor quantum wells》(Applied Physics Letters, 81 (23) :4332 4334)中，根據(jù)布拉格間隔的量子阱與光耦合的超輻射理論，利用泵浦_探 測技術，研究了銦鎵砷(InGaAs)/砷化鎵(GaAs)多量子阱形成的有源光子帶隙的動態(tài)變 化，提出了基于光學斯塔克效應的快速光開關，這種光開關具有ps量級的開關時間。2005 年，Iowa大學的W. J. Johnston等人在文獻《All-optical spin-dependent polarization switchingin Bragg-spaced quantum well structures》(Applied Physics Letters, 87(10) :101113-l 101113-3)中，提到利用In。.。4Ga。.9AS/GaAS生長出了多量子阱布拉格結 構，在80K溫度下，得到光學帶寬0. 6THz，對比度30dB，開關泵浦功率密度8 y J/cm1， lps響 應時間。極大的降低了泵浦功率，提高了對比度。但室溫下該光開關工作所依賴的阱內激 子較大概率地被電離且激子輻射效應大幅減弱，使得室溫下無法實現(xiàn)開關工作。
在共振光子晶體中，砷化鎵(GaAs)材料為襯底生長的砷化銦(InAs)量子點材料 是現(xiàn)在普遍研究并具有一定技術成熟性。利用高溫退火、改變浸潤層組分等方法，產(chǎn)生限制 層與量子點間的不匹配，可以實現(xiàn)砷化銦(InAs)量子點的1.3iim、1.4iim禾P 1.5iim的激 子發(fā)光。而以磷化銦(InP)材料為襯底的砷化銦(InAs)量子點層材料，在1.55ym通信波 段具有寬帶放大、高飽和輸出功率和超快的響應，也引起了研究者極大的興趣。
量子點材料用作光開關，由于對載流子的限制作用較量子阱更加明顯，具有較低 的飽和能量密度，非線性光學特性顯著增強；同時，光子晶體對其中傳輸光具有特殊限制 作用，并且其材料、結構、體積等方面具有優(yōu)越性；2004年由日本學者H. Nakamura等人在
3文獻《Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonicnetworks》(Optical Express, 12 (26) :6606 6614)中，將現(xiàn)有的光子晶體與量子 點材料在馬赫澤德結構中相結合，利用光控光技術，實現(xiàn)了基于光子晶體的馬赫澤德結構 全光開關。這種光開關利用載流子濃度的變化引起馬赫澤德兩臂上折射率的改變以及兩臂 光場相位改變從而實現(xiàn)開關功能。這種開關的速率可以達到40Gbit/s，但是這種開關兩臂 上的載流子恢復時間無法再次縮短，并且在二維光子晶體中，工藝等問題仍然無法達到完 全可靠的程度，與光纖的耦合存在較大損耗，因此，這種全光開關使用到光通信上，仍具有 一定的局限性。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種全光控制光開關，解決現(xiàn)有光無源器件響應速度不夠和工作溫度 受限的問題，以直接在光層實現(xiàn)巨大流量信號的傳輸與路由，并且能在室溫下實現(xiàn)高速開 關工作。 本發(fā)明的一種全光控制光開關，包括位于底座平臺上的多量子點層光學元件、控 制光光纖準直器、起偏器、信號光光纖準直器和檢偏器，其特征在于 所述的核心半導體光學元件為多量子點層光學元件，所述多量子點層光學元件包
括襯底、襯底上外延生長的量子點層和壘層，所述量子點層和壘層相互連續(xù)排列，相鄰的單
個量子點層和壘層的厚度之和為一個布拉格周期厚度；所述量子點層和壘層的總厚度滿足
使得入射信號光經(jīng)過所述多量子點層光學元件在通訊波段形成高反射率光譜帶。 所述起偏器和所述控制光光纖準直器依次位于控制光路上，控制光路與多量子點
層光學元件輸入面垂直；入射的信號光以一定夾角入射至核心半導體光學元件表面，并且
信號光路與控制光路相交，所述檢偏器位于信號光關于多量子點層光學元件的反射光路
上，且檢偏器偏振方向與起偏器偏振方向平行。 所述多量子點層光學元件的量子點層為在磷化銦(InP)材料上生長砷化銦 (InAs)量子點，或者在砷化鎵(GaAs)材料上生長砷化銦(InAs)量子點，量子點層厚度和壘 層厚度之和為一個布拉格周期厚度，一個布拉格周期厚度等于量子點層內量子點重空穴激 子共振波長的一半。 本發(fā)明的核心光學元件為多量子點層光學元件，是一維光子晶體結構，通過超輻 射模的快速輻射衰減及非共振泵浦激發(fā)下光學斯塔克效應對有源光子能帶結構的作用，產(chǎn) 生量子點內激子的"虛激發(fā)"，能級躍遷由泵浦光脈沖時間決定，因此可以實現(xiàn)超快的開關 動作。同時具有室溫下的響應特性，性能可靠，工作壽命長，可應用于光分叉復用(0ADM)系 統(tǒng)和光交叉互連(0XC)系統(tǒng)，直接在光層實現(xiàn)巨大流量信號的傳輸與路由，滿足交換節(jié)點 對網(wǎng)間光信號的上載與下載。


圖1為本發(fā)明結構示意圖。 圖2為本發(fā)明中多量子點層光學元件結構示意圖。 圖3為多量子點層光學元件中單個周期的砷化銦(InAs)/磷化銦(InP)量子點層 側面示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明進一步說明。 如圖1所示，本發(fā)明包括位于底座平臺上的多量子點層光學元件、控制光光纖準 直器、起偏器、信號光光纖準直器和檢偏器。 圖1中，1為多量子點層光學元件，2為信號光光纖準直器，3為控制光光纖準直器， 4為起偏器，5為檢偏器，6為信號光路，7為控制光路，8為輸出光路。 多量子點層光學元件自身對入射信號光的兩個圓偏振分量具有相同的吸收系數(shù)，
因此兩束圓偏振光通過多量子點層光學元件后具有相同的光程以及相同的光場振幅，反射
出多量子點層光學元件時，合并后的偏振光仍為線偏振，且與入射時的偏振方向保持一致。
由于檢偏器方向平行于此偏振方向，則探測器可全部檢測到反射出來的信號光，此時開關
處于開狀態(tài)；當右旋圓偏振的控制光照射在多量子點層光學元件上時，由于光學斯塔克效
應，激子共振峰出現(xiàn)藍移，致使量子點層的一維光子晶體禁帶塌陷，而信號光中的左旋圓偏
振分量在多量子點層光學元件中幾乎不受影響，因此，信號光中兩個圓偏振態(tài)經(jīng)過多量子
點層光學元件反射后，由于吸收系數(shù)的不同，導致出射光中兩分量的光場振幅不同，同時折
射率的差異產(chǎn)生相位差(Kramers-Kronig關系)，所以出射的信號光出現(xiàn)偏振態(tài)的瞬態(tài)旋
轉與橢圓化。另外，控制光使得多量子點層光學元件的布拉格周期結構遭到破壞，增反特性
失效，反射的光強很小，且檢偏器方向與出射光偏振方向不一致，二者共同導致信號光通過
檢偏器后光強十分微弱，這時可以判定為開關處于關狀態(tài)。由于開關動作的機理是光學斯
塔克效應引起的激子虛激發(fā)，因此開關的響應時間存在于控制光的時延展寬范圍之內，具
有ps量級開關時間。 如圖2所示，為發(fā)明中多量子點層光學元件結構示意圖。其中，若多量子點層光學 元件材料為砷化銦(InAs)/磷化銦(InP)，則9為磷化銦(InP)襯底，10為砷化銦(InAs)/ 磷化銦(InP)量子點層，ll為磷化銦(InP)壘層；若多量子點層光學元件材料為砷化銦 (InAs) /砷化鎵(GaAs)，則9為砷化鎵(GaAs)襯底，10為砷化銦(InAs) /砷化鎵(GaAs)量 子點層，ll為砷化鎵(GaAs)壘層；12中點線表示由量子點層與壘層的復合層結構為多層， 13表示量子點層厚度，14表示壘層厚度，量子點層厚度和壘層厚度之和為一個布拉格周期 厚度，一個布拉格周期厚度等于量子點層內量子點重空穴激子波長的一半。按圖示實施例 中多量子點層光學元件由襯底上外延生長的200個布拉格周期復合層構成，每個復合層的 結構完全相同，均由量子點層和壘層組成，量子點層為在磷化銦(InP)材料上生長砷化銦 (InAs)量子點，量子點層厚度dd為8nm ;壘層材料為磷化銦(InP)，壘層厚度db = 226nm，襯 底材料為磷化銦(InP)，襯底厚度200nm。以磷化銦(InP)材料上生長砷化銦(InAs)量子 點開關為例，開關的對比度較大，約為32dB ;插入損耗較小為21dB，飽和控制光功率低，約 10麗/cm1，開關的響應波長在1. 5 ii m通訊波段。 由于量子點層層間間隔較寬，各量子點層中量子點內的激子之間只能通過激子輻 射復合光發(fā)生耦合作用而無庫倫互作用。布拉格間隔使各量子點層的光耦合呈現(xiàn)相干加強 的作用，使量子點層內激子的輻射復合壽命與整體結構的周期數(shù)N成反比，周期數(shù)N越多， 輻射復合時間越短于激子單獨存在時的時間，形成超輻射效應。 圖3是多量子點層光學元件中單個周期的量子點層側面示意圖，按照圖2所述實施例，圖3依然以砷化銦(InAs)/磷化銦(InP)材料為例說明。其中16為外延生長的磷 化銦(InP)襯底，17為在外延生長的磷化銦(InP)層中利用外延工藝自組織生長的砷化銦 (InAs)量子點，從而形成多量子點層有源區(qū)，18為外延生長的磷化銦(InP)壘層。砷化銦 (InAs)/磷化銦(InP)量子點材料層作為光開光的有源層。在量子點層內，入射光場激發(fā)點 內激子輻射復合發(fā)光可以認為是光場與每一單獨量子點內激子作用的統(tǒng)計相加，點層整體 受激輻射是單一點受激輻射的疊加，所以在布拉格間隔的量子點層之間，層與層的耦合只 是各層間受激輻射光的耦合，仍然存在量子點輻射復合光的超輻射效應。量子點群整體輻 射復合產(chǎn)生的光，互相耦合，且由于布拉格結構的增反特性，使入射光在頻譜帶內產(chǎn)生高反 區(qū)，從光子晶體的角度，認為形成了光子晶體的禁帶。這一禁帶與結構周期及有源區(qū)量子點 層的激子頻率有關，因此，當改變點層內激子的頻率時，光子禁帶發(fā)生塌陷或漂移，入射光 的反射率于是改變，從而可以構成反射式全光開關。 最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對 本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均 應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種全光控制光開關，包括位于底座平臺上的核心半導體光學元件、控制光光纖準直器、起偏器、信號光光纖準直器和檢偏器；其特征在于，所述的核心半導體光學元件為多量子點層光學元件，所述多量子點層光學元件包括襯底、襯底上外延生長的量子點層和壘層，所述量子點層和壘層相互連續(xù)排列，相鄰的單個量子點層和壘層的厚度之和為一個布拉格周期厚度；所述量子點層和壘層的總厚度滿足使得入射信號光經(jīng)過所述多量子點層光學元件在通訊波段形成高反射率光譜帶。
2. 如權利要求l的一種全光控制光開關，其特征在于，所述起偏器和所述控制光光纖 準直器依次位于控制光路上，控制光路與多量子點層光學元件輸入面垂直；入射的信號光 以一定夾角入射至核心半導體光學元件表面，所述檢偏器位于所述多量子點層光學元件對 于信號光產(chǎn)生的反射光路上，且檢偏器偏振方向與起偏器偏振方向平行。
3. 如權利要求1或2所述的一種全光控制光開關，其特征在于，所述量子點層為在磷化 銦材料上生長砷化銦量子點，壘層由生長的磷化銦構成。
4. 如權利要求1或2所述的一種全光控制光開關，其特征在于，所述量子點層為在砷化 鎵上生長的砷化銦量子點，壘層由生長的砷化鎵構成。
全文摘要
本發(fā)明涉及光電子器件的一種全光控制光開關，用于解決現(xiàn)有光無源器件在全光高速網(wǎng)絡光分叉復用系統(tǒng)和光交叉互連系統(tǒng)響應速度不夠，或室溫下不能正常工作的問題。本發(fā)明包括位于底座平臺上的多量子點層布拉格結構半導體光學元件、控制光光纖準直器、起偏器、信號光光纖準直器和檢偏器，多量子點層光學元件由襯底上外延生長的N個布拉格結構復合層構成，每個復合層均由量子點層和壘層組成。本發(fā)明可實現(xiàn)超快開關動作，開關對比度較大，插入損耗較小，飽和泵浦功率低，開關響應波長在光通訊波段，具有室溫響應特性，性能可靠，工作壽命長，可應用于光分叉復用系統(tǒng)和光交叉互連系統(tǒng)，直接在光層實現(xiàn)巨大流量信號的傳輸與路由。
文檔編號G02F1/35GK101762938SQ201010300549
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權日2010年1月21日
發(fā)明者王濤, 肖昆輝, 胡志強 申請人:華中科技大學