[实用新型]一种高性能聚合物全光开关

说明书

技术领域

本实用新型属于全光开关技术领域，具体涉及一种高性能聚合物全光开关。

背景技术

半个世纪以来，信息技术领域中的光子技术与电子技术展开了激烈的竞赛。结果证明，电子技术与光子技术各有所长。电子技术擅长信息处理，特别是数字化信息的处理。至于光子技术，则擅长信息传输，并具有宽带、大容量和并行处理等优点，光通讯取代电通讯是现代通讯的发展趋势。现在信息的有线传输，信息存储和传感等电子技术领域已经被光子技术占领，甚至电子计算机外部设备阵地(存储、显示、输入/输出等)也已经被光子技术占领。但是计算机的芯片仍被电子技术垄断，这是因为电子开关(或晶体管)还不能被光子开关(或光晶体管)取代，就是说电子技术的最后堡垒——数字化信息处理还没有被光子技术攻占。光开关作为未来全光网的核心器件,它对高速、智能全光通信系统实现光互联、光交换、增强网络适应性方面起着关键的作用。光子技术最后胜利的标志就是攻下电子技术的最后堡垒，即用全光开关代替现有的电子开关，实现真正的光子集成芯片和高速、海量的光子数字信息处理。光开关是指具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关主要用于光交换系统和主备倒换，即用以实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接、逻辑运算、网络监视以及自愈保护等。传统的电控光开关有微电子机械系统(MEMS)光开关、移动光纤式光开关，波导开关、热光开关、液晶光开关、声光光开关，喷墨气泡光开关等等，以及由以上电控光开关构成的电开关矩阵。其中液晶光开关是利用液晶材料的电光效应，线偏振光经过未加电压的液晶后，其偏振态发生90°改变，给液晶盒施加一定电压时，线偏振光的偏振态不发生改变。优点是没有可移动部分，可靠性高，寿命长，切换速度可达1ms以下。

传统的光开关技术大都需要机械或电的辅助支持，不利于器件的集成，并且电光开关的这种光-电-光转换处理技术大大限制了波分复用技术的优越性，使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成“电子瓶颈”。

因此全光网络(AON)成为未来通讯网络的发展方向，以适应带宽和通信容量的急剧增大，而全光开关(即光控光开关，AOS)是解决“电子瓶颈”问题，实现全光网络的关键元件。在光开关的技术指标上，根据不同的用途有不同的要求，但一般都希望开关器件具有更低的开关功率(微瓦以下)，更高的工作速度(微秒以下)、更高的开关调制深度(90％以上)(或更高的消光比)、更高的集成度和更长的工作寿命。虽然目前已从理论上提出了许多全光开关的方案，如基于半导体光放大器光开关，非线性级联定向耦台器全光开关，非线性光学环路镜，Mach-Zehnder干涉仪型光开关等，但还没有上市的实用的全光开关。最关键的问题是光功率上很难达到微瓦量级的全光开关，其次是开关速度，低功率的光开关很难达到微秒量级的开关时间。

近来有一种新的全光开关即有机聚合物全光开关引起了人们的注意。有机聚合物光学材料因其如下优异的光学性能而备受关注：开关功率极低，毫瓦，微瓦甚至纳瓦量级的控制光功率都可以引起理想的开关效应；相对无机晶体和玻璃，有机聚合物材料更容易制作，而且可以通过分子工程对聚合物分子进行剪裁，获得具有所需性质的材料；加工工艺和器件制备方面相对容易且价格低廉，能够在半导体上成膜，与半导体为基底的微电子器件集成，有利于大规模集成；响应速度较快，信息容量大；DC介电常数低；较好的抗电磁干扰性能。有机聚合物材料的全光开关效应主要是基于光化学机制——在分子层次发生结构的改变,如光致顺反异构化(材料有偶氮苯及其衍生物、二芳基乙烯及其衍生物、酮-烯醇)、光环化(材料有螺吡喃及吡喃类衍生物、俘精酸酐及其衍生物、二苯乙烯衍生物)、光诱导电子转移机制、光致分子荧光机制、手性分子左右旋的互变机制等等。光致异构能引起极强的非线性效应——光致折射率改变，还能使掺杂于聚合物基体的生色团分子产生光致重取向，进而使材料表现光致双折射(或光致各向异性)。光致双折射可用于全光开关。中山大学的罗锻斌等人提出了异构化光开关，他们用线偏振绿光泵浦分散红-1薄膜材料，能获得几十毫秒的开关速度及60％的调制深度，后来罗洋城等人对开关进行了改进，使开关时间减少到几个毫秒，同时使调制深度增加到80％。但这些技术指标没有达到全光开关的实用化要求。

实用新型内容