[发明专利]一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构

说明书

技术领域

本发明涉及光开关器件，特别是涉及一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，属于集成光学领域。

背景技术

光开关是实现光传输路径变换的关键器件，被广泛应用于光链路层的路由/波长选择、光交叉连接器、光分插复用器、光网络监控以及片上光互连等方面。新一代器件的特征是它们在光域性能的提高和多功能的集成。大规模基于光子集成技术的开关阵列是光网络节点实现光交叉连接和光上下路复用器的核心部件，通常由2×2光开关单元按一定的拓补结构级联而成。同时光开关器件也在光信息处理、光计算、光传感以及光存储等领域有很大的用途。

目前光通信网络中实用化的光开关主要有机械式光开关、微机电光开关和波导型光开关。基于集成波导技术的光开关在响应速度、器件体积和性能稳定性等方面显示了极高的应用前景，对构成高密度光子集成回路或者片上光互连系统而言具有独特的优势。典型的波导型光开关有定向耦合器型、马赫-曾德尔干涉型、多模干涉型和X结/Y分支全内反射型等。这些结构的光开关呈现了各自的特点。其中马赫-曾德尔干涉型是最为广泛应用的开关结构，由一个3dB分光器，两条波导相移臂和一个3dB合光器构成。3dB分光器/合光器通常由定向耦合器、多模干涉耦合器或者Y分支耦合器构成，且相移臂大多由一段长度的直条光波导构成。但是上述结构的光开关普遍存在占据的单片尺寸较大或者一维方向上尺度仍然较长的问题，至少都是在毫米量级，不利于提高光子回路芯片或者片上光互连系统内分立元件的集成数量。同时功耗和响应时间相互制约，不利于集成二维光开关阵列。因此在技术上需要实现一种二维方向上占据面积更小的高速低功耗2×2光开关器件。

发明内容

本发明针对目前马赫-曾德尔型光开关器件本身占据的单片尺寸较大或者在一维方向上尺度较长的缺点，提供了一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，可以在二维方向上高度集成，极大地减小了器件尺寸。

本发明所采用的技术方案是：一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，其包括输入波导I1和输入波导II2，互相垂直交汇成十字型结构，在交汇处刻蚀分光微纳沟槽3，所述的十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输入端I1a和输入端II2a，十字型结构的另外两端作为输出端分别与L型参考臂5和L型相移臂6的一端相连；所述的L型参考臂5和L型相移臂6分别构成马赫-曾德尔干涉结构中所需的一条光路；输出波导I9和输出波导II10，互相垂直交汇成十字型结构，在所述的交汇处刻蚀合光微纳沟槽8，所述的十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输出端I9b和输出端II10b，另外两端作为输入端分别与L型参考臂5和L型相移臂6的另一端相连。

分光微纳沟槽3和合光微纳沟槽8中填充沟槽填充介质材料4；所述的分光微纳沟槽3与输入波导I1和输入波导II2的角度大于输入波导I1和输入波导II2所用的波导材料和分光微纳沟槽3中填充的沟槽填充介质材料4所构成的介质界面的全反射角度；所述的合光微纳沟槽8与输出波导I9和输出波导II10的角度大于输出波导I9和输出波导II10所用的波导材料和合光微纳沟槽8中填充的沟槽填充介质材料4所构成的介质界面的全反射角度。

所述的L型参考臂5和L型相移臂6分别在拐角位置刻蚀与光波传播方向成45°角的切面构成全反射镜7。

所述的光路的输入端为输入端I1a和输入端II2a两条或者仅仅为输入端I1a和输入端II2a中其中的一条，分别构成2×2和1×2光开关结构。

一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构制作在硅、绝缘体上硅（Silicon on insulator，SOI）、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子耦合器替代马赫-曾德尔干涉结构中的分光器/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等。由于沟槽型微纳光子耦合器的平面尺寸和交叉波导的面积相当，极大地减小了马赫-曾德尔光开关结构在一维方向上的尺寸，使开关结构更加高效紧凑。二、本发明的马赫-曾德尔型光开关的参考臂和相移臂是采用了嵌入全反射镜的L型结构。在拐角位置利用刻蚀波导层形成的反射镜面，借助全内反射现象可以在小区域范围内低损耗地实现光场传输方向的90°改变。跟传统参考臂或者相移臂长度只能在一维方向级联比较，L型结构便于器件布局配置易于向二维方向扩展集成，有利于推动最小面积的N×N级单片波导型光开关的发展。

附图说明