[发明专利]一种全光控制光开关

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件，具体涉及一种全光控制光开关，应用于光分叉复用(OADM)系统和光交叉互连(OXC)系统，解决超高速全光网络的全光开关控制以及光开关切换等问题。

背景技术

目前，按照不同开关原理，光开关可以分为机械光开关、微机电系统(MEMS)光开关、热光开关、液晶光开关等。这些光开关的开关速率最高处于ms量级。其中，微机电系统(MEMS)光开关由于集成度高，损耗小，串扰低及高消光比等优点，被广泛的应用于各种骨干网与大型交换网的解决方案中。但是按照下一代网络光分组交换的标准，这种开关无法实现其开关时间达到ns量级的要求，而通信网络的全光处理进程势在必行，这是通信承载业务的多样性与数据量的海量性决定的。网络的IP化与光分组交换就对传统的光网络节点处的交换单元提出了挑战。同时，光波分复用、时分复用技术的引入，Tbit/s量级的通信容量都对交换时间在ms量级的传统光开关有了新的要求。研究新的工作机理以提高交换速率的全光开关成为相关领域研究的热点问题。

近年来，一维光子晶体(1DPC)结构下的全光开关得到了广泛的研究，尤其集中在以量子阱为有源区的一维光子晶体。如2002年美国Iowa大学的John P.Prineas教授，在论文《Ultrafast ac stark effect switching of the active photonic band gap fromBragg-periodic semiconductor quantum wells》(Applied Physics Letters，81(23)：4332~4334)中，根据布拉格间隔的量子阱与光耦合的超辐射理论，利用泵浦-探测技术，研究了铟镓砷(InGaAs)/砷化镓(GaAs)多量子阱形成的有源光子带隙的动态变化，提出了基于光学斯塔克效应的快速光开关，这种光开关具有ps量级的开关时间。2005年，Iowa大学的W.J.Johnston等人在文献《All-optical spin-dependent polarization switchingin Bragg-spaced quantum well structures》(Applied Physics Letters，87(10)：101113-1~101113-3)中，提到利用In_0.04Ga_0.9As/GaAs生长出了多量子阱布拉格结构，在80K温度下，得到光学带宽0.6THz，对比度30dB，开关泵浦功率密度8μJ/cm¹，1ps响应时间。极大的降低了泵浦功率，提高了对比度。但室温下该光开关工作所依赖的阱内激子较大概率地被电离且激子辐射效应大幅减弱，使得室温下无法实现开关工作。

在共振光子晶体中，砷化镓(GaAs)材料为衬底生长的砷化铟(InAs)量子点材料是现在普遍研究并具有一定技术成熟性。利用高温退火、改变浸润层组分等方法，产生限制层与量子点间的不匹配，可以实现砷化铟(InAs)量子点的1.3μm、1.4μm和1.5μm的激子发光。而以磷化铟(InP)材料为衬底的砷化铟(InAs)量子点层材料，在1.55μm通信波段具有宽带放大、高饱和输出功率和超快的响应，也引起了研究者极大的兴趣。

量子点材料用作光开关，由于对载流子的限制作用较量子阱更加明显，具有较低的饱和能量密度，非线性光学特性显著增强；同时，光子晶体对其中传输光具有特殊限制作用，并且其材料、结构、体积等方面具有优越性；2004年由日本学者H.Nakamura等人在文献《Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonicnetworks》(Optical Express，12(26)：6606~6614)中，将现有的光子晶体与量子点材料在马赫泽德结构中相结合，利用光控光技术，实现了基于光子晶体的马赫泽德结构全光开关。这种光开关利用载流子浓度的变化引起马赫泽德两臂上折射率的改变以及两臂光场相位改变从而实现开关功能。这种开关的速率可以达到40Gbit/s，但是这种开关两臂上的载流子恢复时间无法再次缩短，并且在二维光子晶体中，工艺等问题仍然无法达到完全可靠的程度，与光纤的耦合存在较大损耗，因此，这种全光开关使用到光通信上，仍具有一定的局限性。

发明内容

本发明提供一种全光控制光开关，解决现有光无源器件响应速度不够和工作温度受限的问题，以直接在光层实现巨大流量信号的传输与路由，并且能在室温下实现高速开关工作。