低串扰有机聚合物波导光开关的制作方法

专利名称：低串扰有机聚合物波导光开关的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及低串扰热光型波导光开关，涉及有机聚合物波导光开关制造的技术领域。
背景技术：
光开关是光交换的核心器件，也是影响光网络性能的主要因素之一。集成波导结构光开关作为新一代全光光网络的关键器件，主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接和自愈保护等功能，因而被广泛应用于光通信的光交换系统、光路监控与维护系统、数据网络、光纤传感器系统以及光纤测量系统等。有机聚合物集成波导光开关是一类新型的集成波导光开关。由于运用了有机聚合物材料，而使得器件设计和制作有了较大的灵活性，而且有利于降低器件成本。特别值得一提的是，由于有机聚合物材料的热光效应非常显著，比无机材料的热光系数大一个数量级，因此非常适合于制备低功耗的聚合物热光型光开关。
目前常见的有机聚合物热光开关单元类型包括全反射型(TIR)、 X结与Y结数字型(DOS)、定向耦合器型(DC)以及马赫-曾德尔干涉型(MZI)等。这些类型的波导光开关都具有易于与其他光器件直接集成，功耗低的优点。但是采用以上结构的光开关，往往存在着串扰相对较大的问题。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种利用聚合物热光效应来研制的低串扰有机聚合物波导光开关，可以通过给输出通道的金属薄膜热电极施加电流的方式，大大改善有机聚合物光波导开关的串扰特性。
技术方案本发明的低串扰有机聚合物波导光开关包括输入波导、马赫-曾德尔干涉型波导结构、第一输出波导、第二输出波导、第一金属薄膜热电极、第二金属薄膜热电极、第三金属薄膜热电极和聚合物包层结构；其中所有的波导结构都掩埋在包层内，马赫-曾德尔干涉型波导结构的输入端与输入波导的输出端连接，马赫-曾德尔干涉型波导结构的两个输出端分别连接输出波导的输入端以及输出波导的输入端；在马赫-曾德尔干涉型波导结构的顶部设有第一金属薄膜热电极，在输出波 导的顶部设有第二金属薄膜热电极，在输出波导的顶部设有第三金属薄膜热电极； 该器件通过电流分别控制第一金属薄膜热电极与第二金属薄膜热电极，或者电流分 别控制第一金属薄膜热电极与第三金属薄膜热电极，实现低串扰光开光的功能。
所述的输入波导、马赫-曾德尔干涉型波导结构、第一输出波导、第二输出波导 材料的热光系数与包层材料热光系数差别要大；其中输入波导、马赫-曾德尔干涉型 波导结构、第一输出波导、第二输出波导的热光系数为负且绝对值大；包层材料的
热光系数为正或虽为负，但绝对值较小；在温度升高到一定值时，可以实现波导材 料的折射率小于包层材料的折射率。
在马赫-曾德尔干涉型波导结构的顶部设有第一金属薄膜热电极，随着电流的输 入，电极下的波导相位发生改变从而可以使大部分光信号从指定的第一输出波导或 第二输出波导中输出。
当希望指定的第一输出波导或第二输出波导处于关状态时，就对该输出通道上 的金属薄膜热电极通以较大的电流，可以有效抑制残存的光信号能量，从而大大提 高光开关的串扰特性。
普通的马赫-曾德尔干涉(MZI)结构光开关，理论上由于MZI结构完全对称， 在没有给电极通电的情况下，两输出端接收到的光能量均等。通过对马赫-曾德尔干 涉(MZI)波导结构上的金属薄膜热电极通电流，可以改变电极正下方波导的折射 率，造成两输出通路的光信号出现相位差。当相位差达到一定值时，两束光干涉的 结果将导致输出波导中一个输出能量最大时，另一个输出能量为零，即实现光开关 的功能。在实验中，由于输入光信号有一定带宽，无法保证两束光干涉时，对应各 输入光波长所获得的相位差都相等，因此当输出端中一端输出最大时，另一端输出 并不为零，这样便引入了串扰。同时由于受到工艺限制，两臂无法做到完全对称， 也不可避免的会引入新的串扰。因此对于普通结构的马赫-曾德尔千涉(MZI)型光 开关，串扰大一直是该器件发展的制约因素。在本发明中也采用了马赫一泽德干涉 (MZI)光开关的基本结构，实验和理论研究表明，由于有机聚合物材料具有较大 的热光系数，只需要很小的外加电流便可实现光开关的功能，只是输出端存在串扰。
我们希望处于关状态的输出通道中输出的光能量尽量少，即串扰尽量小。就为 该输出通道上的金属薄膜热电极施加较大的电流。在外加电流作用下，由于选定的 波导芯层的热光系数为负，且取值较大，则其折射率值迅速降低；而包层的热光系 数为正，或者包层热光系数虽然为负但绝对值相对较小，则包层折射率值有所增加，或缓慢降低。当外加电流达到一定值时，将出现波导芯层的折射率小于包层的情况, 那么该通道将无法有效的束缚光信号，残存的光能量将被全部辐射到包层中去，从 而使该通道输出的光能量为零，串扰大大减小。
有益效果采用本发明的低串扰有机聚合物波导光开关，通过适当选择有机聚 合物波导芯层和包层材料的热光系数，以及采用在光开关的输出通道上方添加金属 薄膜热电极的结构，可以通过给输出通道的金属薄膜热电极施加电流的方式，大大 改善有机聚合物光波导开关的串扰特性。


图1为本发明结构的低串扰有机聚合物波导光开关结构顶视示意图。 图2为图1中输出波导处的纵向剖面示意图。
以上的图中有输入波导11、马赫-曾德尔干涉型波导结构12、第一输出波导
13、第二输出波导14、第一金属薄膜热电极15、第二金属薄膜热电极16、第三金属 薄膜热电极17、聚合物包层结构18。
具体实施例方式
图1是根据本发明的低串扰有机聚合物波导光开关具体实施例的示意图。该装 置包括输入波导11、马赫-曾德尔干涉型波导结构12、第一输出波导13、第二输出 波导14、第一金属薄膜热电极15、第二金属薄膜热电极16、第三金属薄膜热电极 17、聚合物包层结构18。我们所设计的低串扰有机聚合物热光型光开关的结构，选 择了热光系数差别比较大的材料作为波导的芯层和包层材料。其中芯层材料热光系 数为负且绝对值较大，包层材料的热光系数为正或包层材料热光系数虽然为负，但 绝对值较小。光信号从输入波导11中输入，经由马赫-曾德尔干涉型(MZI)波导结 构12，后进入第一输出波导13和第二输出波导14中。在马赫-曾德尔干涉型(MZI) 波导结构的一臂上加第一金属薄膜热电极15，随着电流的改变，电极正下方的波导 臂温度升高时，该臂的长度和折射率随之发生变化。经过此臂的光束由于受热而产 生一定的相位延迟(相位延迟大小与外加电流大小，加热电极的形状，波导芯层、 包层的热光系数有关)，该光束与马赫-曾德尔干涉型(MZI)波导结构12中另一臂 的输出光束发生干涉相消，从而可以使大部分光能量从第一输出波导13中输出，极 小部分光能量从第二输出波导14中输出。继续改变电流，还可以使大部分光能量从 第二输出波导14中输出，极少部分光能量从第一输出波导13中输出，从而可以实现基本的光开关功能。实验和理论计算表明，由于热光材料较大的热光特性，只需 要很小的外加电流即对材料提升较小的温度便可成功实现光开关的功能。
假定我们希望第二输出波导14处于关状态，就对第二输出波导14上的金属薄 膜热电极施加较大的电流。在外加电流作用下，通过热传导的方式使得波导芯层和 包层同时升温。由于波导芯层的热光系数为负，且取值较大，则其折射率值迅速降 低；而包层的热光系数为正，或者包层热光系数虽然为负但是绝对值相对较小，则 包层折射率值有所增加，或缓慢降低。当外加电流达到一定值时，将出现波导芯层 的折射率小于包层的情况，那么该通道将无法有效的束缚光信号，残存的光能量将 被全部辐射到包层中去，从而使该通道输出的光能量几乎为零，串扰大大减小。
假如使用美国Norland公司的紫外固化光学胶NOA73作为波导芯层，在室温下 (20摄氏度)入射波长为1550nm时，其折射率为1.535,该材料的热光(TO)系
数";^7^-3.0xl0"4 (/K);包层材料选择氟化聚酰亚胺(FPI)，在室温下入射波长 为1550nm时，其折射率为1.526，材料的热光(TO)系数^^^-1.0xl0"4 (/K)。
假定计算表明当由温度提高50度时，芯层波导的折射率变为1.52，包层的折射率为 1.521,包层折射率大于芯层，芯层已经无法有效的束缚光信号了。因此该通道的输 出光能量应为零。
权利要求
1. 一种低串扰有机聚合物波导光开关，其特征在于该波导光开关包括输入波导(11)、马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)、第一金属薄膜热电极(15)、第二金属薄膜热电极(16)、第三金属薄膜热电极(17)和聚合物包层结构(18)；其中所有的波导结构都掩埋在包层(18)内，马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的输入端与输入波导(11)的输出端连接，马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的两个输出端分别连接输出波导(13)的输入端以及输出波导(14)的输入端；在马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的顶部设有第一金属薄膜热电极(15)，在输出波导(13)的顶部设有第二金属薄膜热电极(16)，在输出波导(14)的顶部设有第三金属薄膜热电极(17)；该器件通过电流分别控制第一金属薄膜热电极(15)与第二金属薄膜热电极(16)，或者电流分别控制第一金属薄膜热电极(15)与第三金属薄膜热电极(17)，实现低串扰光开光的功能。
2、 根据权利要求1所述的低串扰有机聚合物波导光开关，其特征在于所述的输 入波导(11)、马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)、第一输出波导(13)、第二输出波 导(14)材料的热光系数与包层材料(18)热光系数差别要大；其中输入波导(11)、 马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)的热 光系数为负且绝对值大；包层材料(18)的热光系数为正或虽为负，但绝对值较小；在温度升高到一定值时，可以实现波导材料的折射率小于包层材料的折射率。
3、 根据权利要求1所述的低串扰有机聚合物波导光开关，其特征在于在马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的顶部设有第一金属薄膜热电极(15)，随着电流的输 入，电极下的波导相位发生改变从而可以使大部分光信号从指定的第一输出波导(13)或第二输出波导(14)中输出。
4. 根据权利要求1所述的低串扰有机聚合物波导光开关，其特征在于当希望指 定的第一输出波导(13)或第二输出波导(14)处于关状态时，就对该输出通道上 的金属薄膜热电极通以较大的电流，可以有效抑制残存的光信号能量，从而大大提 高光开关的串扰特性。
全文摘要
低串扰有机聚合物波导光开关涉及一种低串扰热光型波导光开关器件，所有的波导结构都掩埋在包层(18)内，马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的输入端与输入波导(11)的输出端连接，马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的两个输出端分别连接输出波导(13)的输入端以及输出波导(14)的输入端；在马赫-曾德尔干涉型波导结构(12)的顶部设有第一金属薄膜热电极(15)，在输出波导(13)的顶部设有第二金属薄膜热电极(16)，在输出波导(14)的顶部设有第三金属薄膜热电极(17)；该器件通过电流分别控制第一金属薄膜热电极(15)与第二金属薄膜热电极(16)，或者电流分别控制第一金属薄膜热电极(15)与第三金属薄膜热电极(17)，实现低串扰光开光的功能。
文档编号G02B6/35GK101477228SQ20091002801
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者崔一平, 恽斌峰, 胡国华, 嫄 钟 申请人:东南大学