[发明专利]基于光克尔效应的弧形波导全光开关

说明书

本发明涉及一种波导全光开关，尤其涉及一种基于光克尔效应的弧形波导全光开关，是利用输入光的光强来进行开关控制的集成光波导型全光开关，属于光学技术领域。

现代科技中光纤通信越来越引起人们的注意。随着通信容量的剧增，电子器件难以适应高速、大容量的通信需求，只有采用光交换技术才能解决这个问题。光交换的核心就是光开关技术，尤其是不需要进行光电转换的全光开关技术。

基于光学克尔效应的全光开关器件利用光束自身光强进行自开关或者利用外加另一光束进行控制，而且具有超快的开关响应速度的应用潜力。其中集成光波导型的开关可以用传统的集成光学方法生产，可以大批量生产。这类开关工作是基于光学克尔效应，即折射率随光强而改变。通过改变输入光的光强，从而改变波导的折射率，从而使两个波导之间的能量耦合发生变化，进而达到开关的目的。1988年Y.Silberberg和B.GSfez在Optics/vol.13.No.12/December1988 pp1132-1234中提出了一种X结波导型全光开关。后来，金国良，曹俊锋等人在《X型波导全光开关的优化设计》(《光学学报》，1996,16(9):1332-1336)中，在Y.Silberberg等人提出的X结波导型开关的基础上提出了X型系列全光开关。这类开关利用集成光学工艺在具有克尔非线性光学特性的衬底上生产出波导，波导形状近似X形，光束从波导输入端口进入，从波导输出端口输出，通过改变输入端口光的光强，就可以达到控制光开关开或者关的目的。X型系列全光开关具有数值化多次开关的特性。然而就开关特性而言，这一系列开关还存在两个问题，首先是全光开关功率偏高，离弱光全光开关的实用化还有一段距离；其次是器件的开关特性曲线接近于三角函数，离数值化矩形开关特性有较大的差距。这两个问题限制了这些器件的实用化进程。

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种新型结构的波导全光开关，降低开关的开关功率，改善开关工作特性曲线，使开关的工作特性曲线呈数值化矩形特性并且具有多次开关能力，从而使器件适合实用化要求。

为了实现这样的目的，本发明在技术方案中，在开关的两波导耦合区域内，以弧形波导结构代替X型系列波导结构，弧形波导全光开关仍然具有两个输入端和两个输出端，而波导的形状为两个靠近的或交叠的弧形，波导衬底可以是任意具有光学克尔效应的材料，而波导的宽度以及弧形波导的半径可以根据实际需求进行设计。

本发明中两波导的形状发生了变化，为弧形波导，这样的设计使两波导靠的更近，双模干涉区长了，更加有利于非线性相位积累，加上波导间的距离变化从原来的线性函数变为二次函数，工作于非线性状态的全光开关特性曲线的频谱必然更加丰富，适合数值化要求。交叠的弧形波导全光开关根据左右波导的距离不同，又可以分为部分交叉、交叉和过交叉波导开关，其开关特性数值化矩形的特性显著，具有开关次数多，平均开关功率小，截止开关功率大的特性，而其中又以交叉弧形波导全光开关的开关特性为最佳。设计波导时，还可以根据实际的要求改变非线性材料、波导之间的距离、波导的宽度、以及波导的弧形半径，从而方便地调节全光开关的开关特性曲线。

本发明的弧形波导全光开关的实现可以根据给出的波导图形参数，按设备、材料的不同而采取不同的生产方法。以传统的集成光学离子交换方法生产为例，采用掺杂半导体玻璃为衬底材料，根据参数制作掩膜板，清洗半导体掺杂玻璃时，先用酸碱液清洗，再用去离子水清洗，最后用丙酮清洗；将玻璃放入烘箱中烘干；经溅射、甩胶、光刻图形、腐蚀，在370℃下，将玻璃放入KNO₃与NaNO₃的混合粉末(质量比为19∶1)中交换1小时，用去离子水冲洗玻璃后放入丙酮中超声，再用去离子水清洗，烘干，抛光而成。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图。

如图所示，弧形波导全光开关的衬底1中的两波导耦合区域内，两个靠近的弧形波导2具有两个输入端3和两个输出端4。

图2为本发明弧形波导全光开关各种参数示意图。

如图2所示，设计波导的形状时，可以根据实际的要求改变非线性材料，波导之间的距离O₁O₂，波导的宽度W，以及弧形波导的弧形半径R，从而方便地调节全光开关的开关特性曲线。

图3为本发明部分交叉弧形波导全光开关结构示意图。

图4为本发明交叉弧形波导全光开关结构示意图。

图5为本发明过交叉弧形波导全光开关结构示意图。