專利名稱：一種新型寬光譜mzi電光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)波光學(xué)、集成光電子學(xué)及光通信技術(shù)，具體涉及一種新型寬光譜MZI 電光開關(guān)。
背景技術(shù)：
近年來，基于化合物半導(dǎo)體材料、聚合物材料和晶體材料的電光開關(guān)及其陣列的設(shè)計(jì)和制作已取得較大進(jìn)展。為了有效降低開關(guān)電壓、放寬波長(zhǎng)漂移和尺寸公差范圍、降低插入損耗和串?dāng)_以及降低器件尺寸，人們研究并報(bào)道了基于載流子注入效應(yīng)、線性電光效應(yīng)和光折變效應(yīng)等不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及電極結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器開關(guān)。在波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)中，具有寬的光譜并可適用于各條通信信道的切換是光開關(guān)的一個(gè)必備特性。然而我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于所報(bào)道的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)定向耦合電光開關(guān)以及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)馬赫一曾德爾(MZI)電光開關(guān)，其串?dāng)_隨著波長(zhǎng)漂移的增大而迅速增大，這將造成器件的輸出光譜較窄，當(dāng)串?dāng)_小于-30 dB時(shí)，理論上該光譜范圍小于60 nm。如果WDM系統(tǒng)的覆蓋波長(zhǎng)范圍大于60 nm，這些電光開關(guān)將不能實(shí)現(xiàn)正常的開關(guān)功能，造成系統(tǒng)性能的惡化。為了最大程度地降低波長(zhǎng)漂移的影響并拓寬光譜范圍，本發(fā)明專利設(shè)計(jì)了一種基于一個(gè)#階相位發(fā)生器和一個(gè)#階相位發(fā)生器的新型寬光譜MZI電光開關(guān)結(jié)構(gòu)，器件可工作于S+C+L波段。當(dāng)# = #時(shí)，構(gòu)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)#幸#時(shí)，構(gòu)成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且# + #彡I。其主要原理是由波長(zhǎng)漂移造成的MZI電光區(qū)相移的漂移可以通過兩個(gè)相位發(fā)生器產(chǎn)生的相移進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而使得器件兩個(gè)波導(dǎo)中光波模式間的相移在任意波長(zhǎng)下都保持恒定，由于器件輸出光功率取決于總相移，因此器件將獲得較寬的輸出光譜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型寬光譜MZI電光開關(guān)，工作于S+C+L波段，用于具有寬光譜、多信道的光通信波分復(fù)用系統(tǒng)，完成任意中心波長(zhǎng)下信道的選擇和切換、信道的自愈和保護(hù)、信道的上、下路復(fù)用，克服傳統(tǒng)定向耦合或者M(jìn)ZI電光開關(guān)輸出光譜較窄、無法適用于多個(gè)信道的缺點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
I.包含如下單元MZI電光區(qū)、#階相位發(fā)生器、#階相位發(fā)生器、波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)；各單元的連接關(guān)系為MZI電光區(qū)的輸入端通過波導(dǎo)連接區(qū)I與#階相位發(fā)生器的輸出端相連，MZI電光區(qū)的輸出端通過波導(dǎo)連接區(qū)2與I階相位發(fā)生器的輸入端相連，#階相位發(fā)生器的輸入端通過輸入波導(dǎo)區(qū)與輸入單模光纖相連，M 階相位發(fā)生器的輸出端通過輸出波導(dǎo)區(qū)與輸出單模光纖相連;MZI電光開關(guān)具有一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口，輸入口為輸入波導(dǎo)區(qū)上分支波導(dǎo)的輸入端，輸出口為輸出波導(dǎo)區(qū)下分支波導(dǎo)的輸出端，二者分別和輸入、輸出單模光纖相連；輸入口的及輸出口的波導(dǎo)截面尺寸與輸入、輸出單模光纖尺寸相仿。MZI電光區(qū)的長(zhǎng)度為Zro,兩波導(dǎo)間距為￠/;包括波導(dǎo)和電極兩部分,波導(dǎo)為雙金屬包層型單模波導(dǎo)，襯底為娃(Si),上、下緩沖層均為非電光聚合物材料，芯層為電光聚合物材料，上限制層為空氣，地電極置于襯底和下緩沖層之間，兩表面電極置于上緩沖層上并被上限制層覆蓋階相位發(fā)生器包含標(biāo)注為DC IUDC 12、…、DC IOV + I)共#+ I個(gè)定向耦合器單元，以及標(biāo)注為ODL ll、ODL12、…、ODL 共#個(gè)光延遲線單元;#階相位發(fā)生器由 DC IUODL IUDC 12、ODL 12、-,DC W、ODL W、DCl 0V+1)級(jí)聯(lián)而成，# 階相位發(fā)生器的輸入端Al、BI與DCll的上、下波導(dǎo)的輸入端通過彎曲波導(dǎo)相連，#階相位發(fā)生器的輸出端C1、D1與DC 10V+1)的上、下波導(dǎo)的輸出端通過彎曲波導(dǎo)相連；各定向耦合器單元具有獨(dú)立的耦合間距和耦合區(qū)長(zhǎng)度，各光延遲線單元具有獨(dú)立的路徑差；
#階相位發(fā)生器包含標(biāo)注為DC IiM + I)、DC 2M、…、DC 21共# + I個(gè)定向耦合器單元，以及標(biāo)注為ODL 2M、…、ODL 22,ODL 21共#個(gè)光延遲線單元;#階相位發(fā)生器由DC 2 (M+l) > ODL 2#、DC 2M、…、ODL 22、DC 22、ODL 21、DC 21 級(jí)聯(lián)而成，# 階相位發(fā)生器的輸入端C2、D2與DC 2(M+l)的上、下波導(dǎo)的輸入端通過彎曲波導(dǎo)相連，#階相位發(fā)生器的輸出端A2、B2與DC 21的上、下波導(dǎo)的輸出端通過彎曲波導(dǎo)相連；各定向耦合器單元具有獨(dú)立的耦合間距和耦合區(qū)長(zhǎng)度，各光延遲線單元具有獨(dú)立的路徑差階、#階相位發(fā)生器、波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)的波導(dǎo)為單金屬包層型單模波導(dǎo)，襯底為硅(Si)，上、下緩沖層均為非電光聚合物材料，芯層為電光聚合物材料，上限制層為空氣，地電極置于襯底和下緩沖層之間。2. #階或I階相位發(fā)生器的各光延遲線單元的上分支波導(dǎo)長(zhǎng)度大于下分支波導(dǎo)長(zhǎng)度時(shí)，光延遲線單元的路徑差大于0 ;相位發(fā)生器的各光延遲線單元的上分支波導(dǎo)長(zhǎng)度小于下分支波導(dǎo)長(zhǎng)度時(shí)，光延遲線單元的路徑差小于0 ;兩個(gè)相位發(fā)生器的階數(shù)#和#的數(shù)值滿足# + M > 0，且均為整數(shù);#和#相等時(shí)，器件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，#和#不相等時(shí)，器件為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。3.采用一種新型非線性最小均方優(yōu)化算法對(duì)#階、#階相位發(fā)生器做結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 具體過程是給定器件工作波長(zhǎng)的范圍，并在該范圍內(nèi)計(jì)算MZI電光區(qū)相移漂移的范圍；推導(dǎo)#階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器的振幅傳遞函數(shù)，并計(jì)算二者產(chǎn)生的總相移表達(dá)式；利用擬合方法，將總相移表達(dá)式中的非結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔话l(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作波長(zhǎng)的函數(shù)；給定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的初值、遞變步長(zhǎng)和精度值，利用非線性最小均方優(yōu)化算法，搜索使# 階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器總相移和MZI相移漂移均方誤差最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)值；判斷參數(shù)值的有效性和均方誤差的精度；如不滿足要求，則改變參數(shù)初始值，重新搜索，否則，退出優(yōu)化循環(huán)過程，得到#階、#階相位發(fā)生器優(yōu)化參數(shù)值。4.波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)的波導(dǎo)形狀為彎曲波導(dǎo)；輸入波導(dǎo)區(qū)、輸出波導(dǎo)區(qū)中兩波導(dǎo)輸出端的間距大于單模光纖直徑。5. MZI電光區(qū)兩表面電極的外加電壓分別為U1和％，在工作狀態(tài)下，MZI電光區(qū)的兩表面電極電壓U1和U2為外加驅(qū)動(dòng)電壓且極性相反，形成推挽驅(qū)動(dòng)；在極化狀態(tài)下，MZI 電光區(qū)的兩表面電極電壓U'和U2均為為極化電壓，形成同相極化。6.施加在MZI電光區(qū)兩表面電極上的電壓為ON狀態(tài)電壓時(shí)，輸出口的光功率達(dá)到最大值；施加在MZI電光區(qū)兩表面電極上的電壓為OFF狀態(tài)電壓時(shí)，輸出口的光功率達(dá)到最小值。7.輸入到MZI電光開關(guān)輸入口的光波波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為140(Tl700 nm，可覆蓋S、C、L全部波段；在輸入光波長(zhǎng)為140(Tl700 nm的調(diào)諧范圍內(nèi)，在ON或OFF狀態(tài)下，MZI電光區(qū)、#階相位發(fā)生器、#階相位發(fā)生器產(chǎn)生的相移都是波長(zhǎng)相關(guān)的，且三者的總相移恒定。本發(fā)明的工作過程是
I.來自輸入單模光纖的光信號(hào)，通過輸入波導(dǎo)區(qū)的上分支波導(dǎo)進(jìn)入#階相位發(fā)生器， 在#階相位發(fā)生器的#+1個(gè)定向耦合器單元和#個(gè)光束延遲線單元作用下，#階相位發(fā)生器兩波導(dǎo)中兩波導(dǎo)中光波模式的相位和幅值均產(chǎn)生與工作波長(zhǎng)相關(guān)的變化。#階相位發(fā)生器的輸出光信號(hào)通過波導(dǎo)連接區(qū)I進(jìn)入MZI電光區(qū)，當(dāng)MZI電光區(qū)兩表面工作電極上的外加電壓為0 V時(shí)，電光區(qū)兩波導(dǎo)中光波模式的傳播常數(shù)相等、相位差為0,兩波導(dǎo)間的模式相位差不發(fā)生變化。然后，光波模式經(jīng)由波導(dǎo)連接區(qū)2進(jìn)入#階相位發(fā)生器，在#階相位發(fā)生器的#+1個(gè)定向耦合器單元和#個(gè)光束延遲線單元作用下，#階相位發(fā)生器兩波導(dǎo)中光信號(hào)也將經(jīng)歷與工作波長(zhǎng)相關(guān)的幅值和相位的變化。最后，從#階相位發(fā)生器的下分支波導(dǎo)中輸出的光功率達(dá)到最大，并經(jīng)輸出波導(dǎo)區(qū)通過輸出單模光纖輸出。該工作狀態(tài)定義為 ON狀態(tài)。2.來自輸入單模光纖的光信號(hào)，通過輸入波導(dǎo)區(qū)的上分支波導(dǎo)進(jìn)入#階相位發(fā)生器，在#階相位發(fā)生器的#+1個(gè)定向耦合器單元和#個(gè)光束延遲線單元作用下，#階相位發(fā)生器兩波導(dǎo)中光波模式的相位和幅值均發(fā)生與工作波長(zhǎng)相關(guān)的變化。#階相位發(fā)生器的輸出光信號(hào)通過波導(dǎo)連接區(qū)I輸入至MZI電光區(qū)，當(dāng)MZI電光區(qū)兩表面電極上的外加工作電壓為開關(guān)電壓時(shí)，電光區(qū)兩波導(dǎo)中光波模式的傳播常數(shù)發(fā)生失配，二者的相位差不為0， 兩波導(dǎo)間的模式相位差發(fā)生與工作波長(zhǎng)相關(guān)的變化。然后，光波模式經(jīng)由波導(dǎo)連接區(qū)2進(jìn)入#階相位發(fā)生器，在#階相位發(fā)生器的#+1個(gè)定向耦合器單元和#個(gè)光束延遲線單元作用下，#階相位發(fā)生器兩波導(dǎo)中的光信號(hào)也將經(jīng)歷與工作波長(zhǎng)相關(guān)的幅值和相位的變化。最后，從#階相位發(fā)生器的下分支波導(dǎo)中輸出的光功率為0，并經(jīng)由輸出波導(dǎo)區(qū)通過輸出單模光纖輸出。該工作狀態(tài)定義為OFF狀態(tài)。3.在中心工作波長(zhǎng)下，當(dāng)MZI電光區(qū)兩表面電極的施加電壓為0時(shí)，按照I所描述的工作過程，輸出光功率將達(dá)到最大，且由于波導(dǎo)模式存在傳輸損耗，該輸出光功率不等于輸入光功率；iMZI電光區(qū)兩表面電極的施加電壓為開關(guān)電壓時(shí)，按照2所描述的工作過程，輸出光功率將達(dá)到最小，且由于相位補(bǔ)償和串?dāng)_補(bǔ)償不能嚴(yán)格達(dá)到理想的程度，該最小光功率不為O。4.在非中心工作波長(zhǎng)下，通過優(yōu)化，#階、#階相位發(fā)生器的總相移能夠補(bǔ)償MZI 電光區(qū)的相移漂移，#階、#階相位發(fā)生器耦合系數(shù)的幅值滿足串?dāng)_補(bǔ)償條件。當(dāng)MZI電光區(qū)兩表面電極的施加電壓為0時(shí)，按照I所描述的工作過程，輸出光功率將達(dá)到最大，且由于波導(dǎo)模式存在傳輸損耗，該輸出光功率不等于輸入光功率；iMZI電光區(qū)兩表面電極的施加電壓為開關(guān)電壓時(shí)，按照2所描述的工作過程，輸出光功率也將達(dá)到最小，且由于相位補(bǔ)償和串?dāng)_補(bǔ)償不能嚴(yán)格達(dá)到理想的程度，該最小光功率不為O。5.在不同的輸入光波長(zhǎng)下，#階、I階相位發(fā)生器所能補(bǔ)償?shù)南嘁扑脚c所需要的相移水平的逼近程度存在差異，且波導(dǎo)中光波模式的傳輸損耗不同。按照I和2所描述的工作過程，當(dāng)MZI電光區(qū)兩表面電極的施加電壓為0時(shí),不同工作波長(zhǎng)下的最大輸出光功率也不嚴(yán)格相同；iMZI電光區(qū)兩表面電極的施加電壓為開關(guān)電壓時(shí)，不同工作波長(zhǎng)下的最小輸出光功率也不嚴(yán)格相同。在較寬的光譜范圍內(nèi)，器件在ON狀態(tài)與OFF狀態(tài)下的輸出光功率維持在一定的水平，器件具有較寬的輸出光譜范圍。本發(fā)明的有益效果是
由于在結(jié)構(gòu)上采用了 #階和#階相位發(fā)生器，并應(yīng)用提出的非線性最小均方逼近算法對(duì)二者的結(jié)構(gòu)參數(shù)做了優(yōu)化，在任意波長(zhǎng)下，二者所產(chǎn)生的總相移都能補(bǔ)償MZI電光區(qū)的相移漂移，從而保持器件總相移基本不變，使得器件在較寬的光譜范圍內(nèi)，損耗和消光比能分別保持在一定的水平上，大大拓寬了器件的輸出光譜范圍，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)定向耦合電光開關(guān)、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)MZI電光開關(guān)輸出光譜窄的缺點(diǎn),可進(jìn)一步降低波分復(fù)用系統(tǒng)中電光開關(guān)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，改善光通信系統(tǒng)的性能。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖2為#階相位發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖3為I階相位發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖4為#階相位發(fā)生器中光延遲線結(jié)構(gòu)圖5為I階相位發(fā)生器中光延遲線結(jié)構(gòu)圖6為MZI電光區(qū)波導(dǎo)截面圖7為非MZI電光區(qū)波導(dǎo)截面圖8為本發(fā)明的光譜拓展原理圖9為基于非線性最小均方優(yōu)化算法的相位發(fā)生器優(yōu)化流程圖10為器件的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖11為器件的工藝制備流程圖12為器件開關(guān)電壓與光譜范圍的測(cè)試和確定流程。
具體實(shí)施例方式參閱圖I，所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。采用MZI結(jié)構(gòu)，MZI區(qū)為電光區(qū)，在MZI電光區(qū)的兩側(cè)各使用一個(gè)#階相位發(fā)生器和一個(gè)#階相位發(fā)生器。包含如下單元MZI電光區(qū)、# 階相位發(fā)生器、#階相位發(fā)生器、波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)、輸出波導(dǎo)區(qū)。各單元之間的連接關(guān)系為MZI電光區(qū)的輸入端與#階相位發(fā)生器的輸出端通過波導(dǎo)連接區(qū)I 相連，MZI電光區(qū)的輸出端與I階相位發(fā)生器的輸入端通過波導(dǎo)連接區(qū)2相連，#階相位發(fā)生器的輸入端通過輸入波導(dǎo)區(qū)與輸入光纖相連，#階相位發(fā)生器的輸出端通過輸出波導(dǎo)區(qū)與輸出單模光纖相連。器件具有一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口，輸入口為輸入波導(dǎo)區(qū)上分支波導(dǎo)的輸入端，器件的輸出口為輸出波導(dǎo)區(qū)下分支波導(dǎo)的輸出端，二者分別與輸入單模光纖和輸出單模光纖相連。參閱圖2，所示為#階相位發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖。它包含標(biāo)注為DC IU DC 12、…、 DC IOV +1)共#+1個(gè)定向耦合器單元，以及標(biāo)注為ODL 11、0DL12、…、ODL W共 #個(gè)光延遲線單元階相位發(fā)生器由DC IU ODL IU DC 12、ODL 12、…、DC W、 ODLW, DC I認(rèn)+1)級(jí)聯(lián)而成，#階相位發(fā)生器的輸入端Al、BI與DC 11的上、下波導(dǎo)的輸入端通過彎曲波導(dǎo)相連，#階相位發(fā)生器的輸出端C1、D1與DC 10V+1)的上、下波導(dǎo)的輸出端通過彎曲波導(dǎo)相連；各定向耦合器單元兩波導(dǎo)間的耦合間距為
，長(zhǎng)度為iW 0' = 1,2, -N +1);各光延遲單元兩波導(dǎo)的橫向長(zhǎng)度為％，光延遲線單元的路徑差為坪￠- U = 1，2，…奶。相位發(fā)生器的輸入端為Al和BI，輸出端為Cl和D1。相位發(fā)生器的兩波導(dǎo)均為單模波導(dǎo)。參閱圖3，所示為#階相位發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖。它包含標(biāo)注為DC 2iM + 1)> DC 2M,…、DC 21共# + I個(gè)定向耦合器單元，以及標(biāo)注為ODL 2M、…、ODL 22,ODL 21共#個(gè)光延遲線單元;#階相位發(fā)生器由 DC 2 (M+l) > ODL 2#、DC W、-,ODL 22、DC 22、ODL 21、 DC 21級(jí)聯(lián)而成，#階相位發(fā)生器的輸入端C2、D2與DC 2(M+l)的上、下波導(dǎo)的輸入端通過彎曲波導(dǎo)相連，#階相位發(fā)生器的輸出端A2、B2與DC 21的上、下波導(dǎo)的輸出端通過彎曲波
導(dǎo)相連；各定向耦合器單元兩波導(dǎo)間的耦合間距為^長(zhǎng)度為Q U = 1,2,# +1);各
光延遲單元兩波導(dǎo)的橫向長(zhǎng)度為 ,光延遲線單元的路徑差為& U = 1，2，…i/)。相位
發(fā)生器的輸入端為C2和D2，輸出端為A2和B2。相位發(fā)生器的兩波導(dǎo)均為單模波導(dǎo)。參閱圖4，所示為#階相位發(fā)生器中光延遲線單元的結(jié)構(gòu)圖。延遲線在橫向上的
總長(zhǎng)度為％，在縱向上的總高度力&輸入端(圖示左端)與輸出端(圖示右端)處兩波導(dǎo)的耦合間距分別力~和4_。如圖(a)所示，上分支波導(dǎo)為彎曲波導(dǎo)，其總長(zhǎng)度大于下分支，大于0;如圖(b)所示，下分支波導(dǎo)為彎曲波導(dǎo)，上分支波導(dǎo)的總長(zhǎng)度小于下分支，小于O。參閱圖5，所示為#階相位發(fā)生器中光延遲線單元的結(jié)構(gòu)圖。延遲線在橫向上的總長(zhǎng)度為 ，在縱向上的總高度力^輸入端(圖示左端)與輸出端(圖示右端)處兩波
導(dǎo)的耦合間距分別為和如圖(a)所示，上分支波導(dǎo)為彎曲波導(dǎo)，其總長(zhǎng)度大于
下分支大于0;如圖(b)所示，下分支波導(dǎo)為彎曲波導(dǎo)，上分支波導(dǎo)的總長(zhǎng)度小于下分
支，漢Mj小于O。參閱圖6，以脊型波導(dǎo)為例，所示為本發(fā)明專利的電光區(qū)截面圖。采用硅(Si)襯底結(jié)構(gòu)，上、下緩沖層均為非電光聚合物材料，芯層為電光聚合物材料，覆蓋于表面工作電極的上限制層材料為空氣，驅(qū)動(dòng)電極包含一個(gè)地電極和一對(duì)表面電極，電極材料米用金屬
材料。MZI兩臂之間形成雙驅(qū)動(dòng)推挽結(jié)構(gòu)，芯層的厚度為鳧，下緩沖層的厚度為~，上緩沖
層的厚度力^地電極和兩表面電極的厚度為％。脊型波導(dǎo)的芯寬度為&芯厚度為~,脊
高度為A。兩表面電極的寬度均為W，兩表面電極的間距為G,兩波導(dǎo)間的間距為dlo參閱圖7，以脊型波導(dǎo)為例，所示為本發(fā)明專利的非電光區(qū)截面圖。采用硅(Si) 襯底結(jié)構(gòu)，上、下緩沖層均為非電光聚合物材料，芯層為電光聚合物材料，覆蓋于上緩沖層
之上的上限制層材料為空氣。芯層的厚度為~，下緩沖層的厚度為％，上緩沖層的厚度為~ 。脊型波導(dǎo)的芯寬度為&芯厚度為~,脊高度為A。在非電光區(qū)的脊形波導(dǎo)中，地電極仍存在，其厚度仍為輪。非電光區(qū)的兩波導(dǎo)間距V隨傳輸位置而變。參閱圖8，所示為本發(fā)明專利的光譜拓展原理圖。當(dāng)工作波長(zhǎng)U )發(fā)生變化時(shí)，MZI電光區(qū)的相移也隨著發(fā)生變化，同時(shí)#階和#階相位發(fā)生器總的產(chǎn)生相移也隨之發(fā)生變化。通過對(duì)兩個(gè)相位發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，#階和#階相位發(fā)生器產(chǎn)生的總相移逼近MZI 電光區(qū)的相移漂移，使器件總相移和輸出光功率趨于恒定，實(shí)現(xiàn)了較寬的輸出光譜范圍。參閱圖9，所示為基于非線性最小均方優(yōu)化算法的相位發(fā)生器優(yōu)化流程圖。首先， 給定器件工作波長(zhǎng)的范圍，并在該范圍內(nèi)計(jì)算MZI電光區(qū)相移漂移的范圍。其次，推導(dǎo)#階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器的振幅傳遞函數(shù)，并計(jì)算二者產(chǎn)生的總相移表達(dá)式。第三，利用擬合方法，將總相移表達(dá)式中的非結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔话l(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作波長(zhǎng)的函數(shù)。第四，給定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的初值、遞變步長(zhǎng)和精度值，利用非線性最小均方逼近算法，在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)，搜索使得#階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器總相移和MZI相移漂移均方誤差最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。最后，判斷該參數(shù)值的有效性和最終均方誤差的精度。如不滿足要求，則改變參數(shù)初始值，重新搜索，否則，退出優(yōu)化循環(huán)過程。參閱圖10，所示為器件的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。優(yōu)化主要包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化、相位發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化三部分。優(yōu)化時(shí)選擇器件的中心波長(zhǎng)為1550 nm。波導(dǎo)結(jié)
構(gòu)優(yōu)化首先，針對(duì)選擇的各層材料，在上、下緩沖層即*2、h足夠厚時(shí)，確定單模波導(dǎo)尺寸即芯寬度為&芯厚度為~ ,脊高度為A。其次，在表面電極和地電極的厚度即~足夠大時(shí)， 確定上、下緩沖層厚度即~、憨。接著，在已確定的上述參數(shù)即《 h么&^^下，確定表面
電極和地電極的厚度即％。電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先，優(yōu)化電極寬度F、電極間距G和波導(dǎo)間距
d,以獲得最大的電光調(diào)制效率。其次，優(yōu)化MZI電光區(qū)長(zhǎng)度，以獲得較低的開關(guān)電壓和插入損耗。相位發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算MZI電光區(qū)的相移漂移，并按照?qǐng)D9所示流程對(duì)#階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參閱圖11，所示為器件的工藝制備流程圖。首先，在清洗好的Si襯底(圖(a)所示)上蒸鍍一層設(shè)計(jì)厚度的金屬電極作為地電極(圖(b))，然后懸涂下緩沖層(圖(C))， 接著懸涂電光芯層，使用波導(dǎo)掩膜板對(duì)版并做氧氣反應(yīng)離子刻蝕后，形成設(shè)計(jì)形狀的波導(dǎo) (圖(d))。接著懸涂上緩沖層(圖(e))。最后在制作好波導(dǎo)的Si片上蒸鍍金屬膜并懸涂一層光刻膠，然后使用電極掩膜板對(duì)版做曝光處理并使用顯影液顯影，即可獲得設(shè)計(jì)的表面電極形狀(圖(f))。參閱圖12，所示為器件開關(guān)電壓與光譜范圍的測(cè)試和確定流程。設(shè)定激光器的工作波長(zhǎng)為1550 nm，粗調(diào)和微調(diào)工作電壓，使輸出光功率達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)的外加電壓即為器件的ON狀態(tài)電壓。在兩表面電極上施加ON狀態(tài)電壓，并調(diào)節(jié)激光器的工作波長(zhǎng)，記錄各波長(zhǎng)下的輸出光功率值并做歸一化處理后用分貝表示，得到器件的損耗。重新設(shè)定激光器的工作波長(zhǎng)為1550 nm，粗調(diào)和微調(diào)工作電壓，使得輸出光功率達(dá)到最小，該電壓即為器件的 OFF狀態(tài)電壓。在兩表面電極上施加OFF狀態(tài)電壓，并調(diào)節(jié)激光器的工作波長(zhǎng)，記錄各波長(zhǎng)下的輸出光功率值并做歸一化處理后用分貝表示，得到器件的串?dāng)_。最后，在所調(diào)諧光譜范圍內(nèi)，計(jì)算各工作波長(zhǎng)下的消光比數(shù)值。并根據(jù)設(shè)定的消光比和損耗水平，確定器件的輸出光譜范圍。
權(quán)利要求
1.一種新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是包含如下單元=MZI電光區(qū)、#階相位發(fā)生器、#階相位發(fā)生器、波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)；各單元的連接關(guān)系為MZI電光區(qū)的輸入端通過波導(dǎo)連接區(qū)I與#階相位發(fā)生器的輸出端相連，MZI電光區(qū)的輸出端通過波導(dǎo)連接區(qū)2與I階相位發(fā)生器的輸入端相連，#階相位發(fā)生器的輸入端通過輸入波導(dǎo)區(qū)與輸入單模光纖相連，#階相位發(fā)生器的輸出端通過輸出波導(dǎo)區(qū)與輸出單模光纖相連；MZI電光開關(guān)具有一個(gè)輸入口和一個(gè)輸出口，輸入口為輸入波導(dǎo)區(qū)上分支波導(dǎo)的輸入端，輸出口為輸出波導(dǎo)區(qū)下分支波導(dǎo)的輸出端，二者分別和輸入、輸出單模光纖相連，輸入口的及輸出口的波導(dǎo)截面尺寸與輸入、輸出單模光纖尺寸相仿；MZI電光區(qū)的長(zhǎng)度為Zro,兩波導(dǎo)間距為￠/ ;包括波導(dǎo)和電極兩部分,波導(dǎo)為雙金屬包層型單模波導(dǎo)，襯底為硅(Si)，上、下緩沖層均為非電光聚合物材料，芯層為電光聚合物材料， 上限制層為空氣，地電極置于襯底和下緩沖層之間，兩表面電極置于上緩沖層上并被上限制層覆蓋；#階相位發(fā)生器包含標(biāo)注為DC IUDC 12、…、DC IOV + I)共#+ I個(gè)定向耦合器單元，以及標(biāo)注為ODL ll、ODL12、…、ODL LV共#個(gè)光延遲線單元;#階相位發(fā)生器由DC 11、 ODL IU DC 12、ODL 12、...、DC W、ODL W、DC I 0V+1)級(jí)聯(lián)而成，#階相位發(fā)生器的輸入端A1、B1與DC 11的上、下波導(dǎo)的輸入端通過彎曲波導(dǎo)相連，#階相位發(fā)生器的輸出端Cl、 Dl與DC 10V+1)的上、下波導(dǎo)的輸出端通過彎曲波導(dǎo)相連；各定向耦合器單元具有獨(dú)立的耦合間距和耦合區(qū)長(zhǎng)度，各光延遲線單元具有獨(dú)立的路徑差；#階相位發(fā)生器包含標(biāo)注為DC IiM + I)、DC 2M、…、DC 21共# + I個(gè)定向耦合器單元，以及標(biāo)注為ODL 2M、…、ODL 22,ODL 21共#個(gè)光延遲線單元;#階相位發(fā)生器由DC 2 (M+l) > ODL 2#、DC 2M、…、ODL 22、DC 22、ODL 21、DC 21 級(jí)聯(lián)而成，# 階相位發(fā)生器的輸入端C2、D2與DC 2(M+l)的上、下波導(dǎo)的輸入端通過彎曲波導(dǎo)相連，#階相位發(fā)生器的輸出端A2、B2與DC 21的上、下波導(dǎo)的輸出端通過彎曲波導(dǎo)相連；各定向耦合器單元具有獨(dú)立的耦合間距和耦合區(qū)長(zhǎng)度，各光延遲線單元具有獨(dú)立的路徑差；#階、#階相位發(fā)生器、波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)的波導(dǎo)為單金屬包層型單模波導(dǎo)，襯底為硅(Si)，上、下緩沖層均為非電光聚合物材料，芯層為電光聚合物材料，上限制層為空氣，地電極置于襯底和下緩沖層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是#階或#階相位發(fā)生器的各光延遲線單元的上分支波導(dǎo)長(zhǎng)度大于下分支波導(dǎo)長(zhǎng)度時(shí)， 光延遲線單元的路徑差大于0 ;相位發(fā)生器的各光延遲線單元的上分支波導(dǎo)長(zhǎng)度小于下分支波導(dǎo)長(zhǎng)度時(shí)，光延遲線單元的路徑差小于0 ;兩個(gè)相位發(fā)生器的階數(shù)#和#的數(shù)值滿足# + M > 0，且均為整數(shù);#和#相等時(shí)，器件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，#和#不相等時(shí)，器件為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
3.一種新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是采用一種新型非線性最小均方優(yōu)化算法對(duì)#階、#階相位發(fā)生器做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該算法的具體過程是給定器件工作波長(zhǎng)的范圍，并在該范圍內(nèi)計(jì)算MZI電光區(qū)相移漂移的范圍；推導(dǎo)#階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器的振幅傳遞函數(shù)，并計(jì)算二者產(chǎn)生的總相移表達(dá)式；利用擬合方法，將總相移表達(dá)式中的非結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔话l(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作波長(zhǎng)的函數(shù)；給定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的初值、遞變步長(zhǎng)和精度值，利用非線性最小均方優(yōu)化算法，搜索使#階相位發(fā)生器和#階相位發(fā)生器總相移和 MZI相移漂移均方誤差最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)值；判斷參數(shù)值的有效性和均方誤差的精度；如不滿足要求，則改變參數(shù)初始值，重新搜索，否則，退出優(yōu)化循環(huán)過程，得到#階、#階相位發(fā)生器優(yōu)化參數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是波導(dǎo)連接區(qū)I、波導(dǎo)連接區(qū)2、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)的波導(dǎo)形狀為彎曲波導(dǎo)；輸入波導(dǎo)區(qū)、輸出波導(dǎo)區(qū)中兩波導(dǎo)輸出端的間距大于單模光纖直徑；輸入波導(dǎo)區(qū)的輸入端、輸出端處波導(dǎo)截面尺寸不同，輸出端處波導(dǎo)截面尺寸緩慢過渡為輸入端處輸入單模光纖的截面尺寸；輸出波導(dǎo)區(qū)的輸入端、輸出端處波導(dǎo)截面尺寸不同，輸入端處波導(dǎo)截面尺寸緩慢過渡為輸出端處輸出單模光纖的截面尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是MZI電光區(qū)兩表面電極的外加電壓分別為U'和％，在工作狀態(tài)下，MZI電光區(qū)的兩表面電極電壓U'和U2為外加驅(qū)動(dòng)電壓且極性相反，形成推挽驅(qū)動(dòng)；在極化狀態(tài)下，MZI電光區(qū)的兩表面電極電壓M和％均為為極化電壓，形成同相極化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是施加在MZI電光區(qū)兩表面電極上的電壓U1和U2為ON狀態(tài)電壓時(shí)，輸出口的光功率達(dá)到最大值；施加在MZI電光區(qū)兩表面電極上的電壓U1和U2為OFF狀態(tài)電壓時(shí)，輸出口的光功率達(dá)到最小值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I和6所述的新型寬光譜MZI電光開關(guān)，其特征是輸入到MZI電光開關(guān)輸入口的光波波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為140(Tl700 nm，可覆蓋S、C、L全部波段；在工作波長(zhǎng)為 1400^1700 nm的調(diào)諧范圍內(nèi)，在ON或OFF狀態(tài)下，MZI電光區(qū)、#階相位發(fā)生器、#階相位發(fā)生器產(chǎn)生的相移都是波長(zhǎng)相關(guān)的，且三者的總相移恒定。
全文摘要
一種新型寬光譜MZI電光開關(guān)，屬于導(dǎo)波光學(xué)、集成光電子學(xué)及光通信技術(shù)，用于完成任意中心波長(zhǎng)下信道的選擇、切換、自愈、保護(hù)和上、下路復(fù)用，克服傳統(tǒng)電光開關(guān)輸出光譜較窄、無法適用于多個(gè)信道的缺點(diǎn)。包括MZI電光區(qū)、N階和M階相位發(fā)生器、波導(dǎo)連接區(qū)1和2、輸入和輸出波導(dǎo)區(qū)。MZI電光區(qū)通過波導(dǎo)連接區(qū)1和2分別與N階和M階相位發(fā)生器相連，N階和M階相位發(fā)生器分別和輸入、輸出波導(dǎo)區(qū)相連。當(dāng)波長(zhǎng)變化時(shí)，N階和M階相位發(fā)生器產(chǎn)生的總相移能補(bǔ)償MZI電光區(qū)的相移漂移，使總相移和總輸出光功率趨于恒定，降低了波長(zhǎng)依賴性。本發(fā)明可降低波分復(fù)用系統(tǒng)中電光開關(guān)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，改善光通信系統(tǒng)和可重組片上光網(wǎng)絡(luò)的性能。
文檔編號(hào)G02F1/065GK102608776SQ20111002359
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者崔占臣, 張大明, 王菲, 鄭傳濤, 馬春生 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)