[发明专利]低开关电压、快速响应数字光开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字光开关(DOS)，尤其是低开关电压、快速响应数字电力驱动光(电光)开关。

背景技术

众所周知，自电话和电报的发展初期以来，通讯信号通常是通过铜线和电缆传输的。但是近年来，越来越多的通讯信号以光束的形式通过光波导与光纤传输。多种外围设备已经开发出来，例如基于光波导的连接器和转换器。尤其是被称为集成光路的技术已广泛用于处理光通讯信号。采用这种技术，通讯信号以光束形式通过光波导传输，光波导形成于由电光材料(例如铌酸锂(LiNbO₃))制成的基质中。

尽管集成光路如今已广泛用于传输信号，但是这种技术对于转换与路线选择功能的使用仍然受到制造具有充足特性与性能的光开关装置的困难程度的限制。在数字光开关中，在输入端接收光信号，并且将其选择地供应至一个或多个输出端。直至现在，已经发展了基于不同技术的数字光开关，尤其是微型机电系统(MEMS)、磁光及电光开关，后者的响应速度要比前者的快。

图1示出1×2数字电光开关的标准示例，示出光输入，输入光信号被提供至光输入；电输入，电力驱动信号以开关电压形式被提供至电输入以电力地驱动数字电光开关；以及两个光输出，输入光信号作为电力驱动信号的结果被选择地供应。图1还示出电光开关的阶跃响应功能，示出在光输出端光能与电力驱动信号相反。

EP0898197公开了已知的数字电光开关的一个例子并且在图2示出。数字电光开关1大致包括Y形光波导2，其形成于电光材料(例如铌酸锂)的0.2-1mm厚的基质3(所示构造中沿X切定向)。

Y形光波导2包括在使用中构造为连接至输入光波导(未示出)的输入分支4、以及两个输出分支5，所述输出分支5在使用中构造为连接至相应的输出光波导(未示出)。输入光波导、输出波导、及Y形光波导2优选地为以常规方式(例如对于铌酸锂基质，选择性地扩散钛至基质本身)形成的单峰(monomodal)光波导。

数字电光开关1还包括电极结构，所述电极结构包括多个1-30μm厚的由金或类似金属以常规方式形成于基质3的表面上的导电电极，并且由此设置为可操作地结合至Y形光波导2以促使在输入分支4接收的光信号被选择地供应至两个输出分支5中的仅一个。特别地，电极结构被电力地驱动以使得数字电光开关1工作在两种开关状态之间：在第一开关状态，光能的传输在输入波导和第一输出波导之间是增强的，并且在第二输出波导中是大致抑制的，在第二开关状态，光能的传输在输入波导和第二输出波导之间是增强的，并且在第一输出波导中是大致抑制的。

更具体地说，所述电极结构被设置于光波导2的分支区域，并且包括设置于输出分支5之间的内电极7，以及两个外电极6，所述外电极6被设置于输出分支5外侧、对称于内电极7的相对两侧。

通常，电极间间距G₀(相邻电极6、7之间的距离)的范围在4至20μm之间，每个电极6、7与光波导2的相邻的输出分支5之间的间距D₀的范围在3至10μm之间，并且互作用长度L₀(内电极7在外电极6之间的部分的长度)的范围在1至30mm之间。

内电极7通常接地，而在外电极6上交叉地加载开关电压以形成外电极6与内电极7之间的电场，所述电场穿过设置于所述电极之间的输出分支5，并且其方向横切于光信号在输出分支5中传播的方向，在参考的实施例(X切LiNbO₃基质)中以平行于Z晶轴线的方向。

基质3的电光特性允许开关电压以相反方式改变输出分支5的折射率，即增加一个输出分支5中的折射率并且减小另一个输出分支5中的折射率。当达到阈值电场时，输入光信号仅供应至具有较高折射率的输出分支5。

当流经数字电光开关1的光能并非完全地限制在光波导2中时，为了防止或最小化由于电极6、7对流出光波导2的剩余光能的吸收所造成的光损失，电极6、7是与光波导2相隔离的。通常，如图3所示，所述隔离通过0.1至1.0μm厚的连续电介质(SiO₂)过渡层8得到保证，所述过渡层8形成于光波导2的分支区域、基质3的表面与电极6、7之间，并且延伸至电极6与7的整个长度。另外，在那些电介质过渡层8不会贡献于数字电光开关1的射频(RF)性能的应用中，没有电介质过渡层8形成于基质3的表面与电极6、7之间，并且确保隔离如图4所示，即将电极6、7比图3所示实施例更进一步远离光波导2设置，以减小光发散吸收。在该实施例中，电极间间距G₀通常范围在4至20μm，并且每个电极6、7与光波导2的相邻的输出分支5之间的间距D₀范围在3至10μm。