專利名稱：具有平衡光程的聲光可調(diào)波導(dǎo)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲光可調(diào)波導(dǎo)開關(guān)，它具有平衡的光路徑。
在波分復(fù)用式通信網(wǎng)路中，多個光傳輸信號或多個信道相互獨立地在同一線路上傳輸，這是采用波長復(fù)用實現(xiàn)的，這種線路通常由光纖構(gòu)成，也就是說，以不同的波長采用頻分法實現(xiàn)多信號的同時傳送。所傳送的信號或信道可以是數(shù)字的，也可以是模擬的，可以將它們區(qū)分識別出來，因為它們各自具有特定的波長。在這類網(wǎng)路中，帶有多個節(jié)點，信號從匯集在一個光纖線節(jié)點上的光纖線路變換到那些從該節(jié)點分支的光纖線路。為了實現(xiàn)在節(jié)點內(nèi)的信號的尋址，簡化其尋址結(jié)構(gòu)，可采用波長選擇光轉(zhuǎn)接開關(guān)。在網(wǎng)路的輸出端處，為了再次分離各信號，需采用濾波器，它能傳送集中于某信號波長的波帶，并且足夠窄，以便阻隔開相鄰的信號。
已有的集成的聲光器件的工作是依據(jù)光信號之間的交互作用，光信號在一雙折射和光彈性材料的基片上得到的波導(dǎo)中傳播，聲波在該基片的表面?zhèn)鞑ィ墙?jīng)合適的變換器產(chǎn)生的。在偏振的光信號和聲波之間的交互作用產(chǎn)生了該信號的偏振變換，也就是說，信號的TE(橫向電場)分量和TM(橫向磁場)分量出現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)。
在這種聲光器件中，通過控制光波的頻率，可以調(diào)諧該器件的頻譜響應(yīng)曲線，使它們適合于作為開關(guān)，以及作為信號的光濾波器，用于具有波分復(fù)用的光通信網(wǎng)。這些可調(diào)開關(guān)和濾波器允許改變信號的選擇，因此，當(dāng)重新配置一個網(wǎng)路時，無需改變組件的電纜敷設(shè)。
這些聲光器件也允許轉(zhuǎn)換和同時選擇不同的信號或信道，其中在基片表面上傳播的聲波是不同聲波的重疊。實際上，這些開關(guān)對具有相應(yīng)于同時作用的頻率的波長的信號執(zhí)行混合轉(zhuǎn)換，并且濾波器具有相應(yīng)于這組不同波長間隔的頻帶，這些間隔由聲波頻率所決定。
Pohlmann等人在IEEE量子電子學(xué)月刊(總第27卷，1991年3月第3期，第602-607頁)上描述了一種聲光波導(dǎo)器件，它具有波長選擇功能，聲音可調(diào)，具有偏振獨立的響應(yīng)，它可用作(2×2)開關(guān)，即包括兩個輸入和兩個輸出，并且可用作濾波器。
如該文章中圖4所示，這種開關(guān)包括一個由X切割(X-cut)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體構(gòu)成的基片，并且具有y傳播(y-propagation)，兩個并行的光波導(dǎo)，兩個無源偏振分離器，一個電聲變換器，一個聲波導(dǎo)和吸聲器。光波導(dǎo)和電聲變換器構(gòu)成一個聲光模式轉(zhuǎn)換級。電聲變換器由叉指式電極構(gòu)成，能夠產(chǎn)生180MHz中心頻率的射頻(RF)表面聲波。聲波導(dǎo)的寬度為150微米，并且包含兩個光波導(dǎo)。吸聲器用于消除反射的聲波，及自由傳播波。
光波導(dǎo)和偏振分離器是通過在基片內(nèi)擴散鈦而形成的，聲波導(dǎo)的信道也是在周圍的區(qū)域內(nèi)通過擴散鈦而形成。電聲變換器的叉指式電極則通過氧化錫和氧化銦的反射(catodic)噴涂后沉積而形成。
D.A.Smith等人在應(yīng)用物理通訊(第56卷，1990年1月第3期，第209-211頁)上介紹了一種可調(diào)聲音的濾光器，具有偏振獨立響應(yīng)，與前述的Pohlmann等人的器件同屬一個類型。D.A.Smith等人的濾光器是由X切割的鈮酸鋰晶體制成，具有y擴展，5厘米長，并包括兩個間隔開270微米的光波導(dǎo)，由叉指式電極構(gòu)成的一個電聲變換器，和由定向耦合器構(gòu)成的兩個偏振分離器。
D’Alessandro等人在IEEE光子學(xué)技術(shù)通訊(第6卷，1994年3月第3期，第390-393頁)上公開了一種與plhlmann等人的器件同樣類型的聲光開關(guān)。D’Alessandro等人的這種開關(guān)由一種鈮酸鋰XY晶體制成，長度為5厘米，并包括兩個光波導(dǎo)，一個電聲變換器，一個聲波導(dǎo)(其中包含光波導(dǎo))以及兩個無源偏振分離器，它們通過質(zhì)子變換/鈦擴散和退火處理而形成。開關(guān)可采用4個信號進行操作，這些信號在1546nm和1558nm之間具有4nm間隔的波長，并且該開關(guān)在四個領(lǐng)示(pilot)射頻下工作，選擇出四個光波波長，這四個頻率值為175.89MHZ，175.38MHZ，174.86MHZ和174.42MHZ。
John J.Johnson等人在其專利說明書US-5218653中公開了一種類似于上述D’Alessandro。等人的器件的聲光器件(圖2)。
上述聲光器件屬于2×2可調(diào)開關(guān)，具有偏振獨立的響應(yīng)。
如果選定了一個確定波長的信道，該波長上的光信號通過一輸入端輸入后按址訪問相應(yīng)的交互狀態(tài)(cross-state)輸出，并且那些由其他輸入端進入的信號尋址訪問其他的對應(yīng)交互狀態(tài)輸出(開關(guān)處于交互狀態(tài))；未選中的信號則從一輸入端按址訪問相應(yīng)的直接輸出端(開關(guān)處于直接傳輸或并行狀態(tài)，條信號狀態(tài)(bar-state))。
這些器件起到可調(diào)的通帶聲光濾波器作用，在交互開關(guān)條件下具有偏振獨立的響應(yīng)，其中僅一個輸入端與對應(yīng)的交互狀態(tài)輸出端一起使用。
上述器件存在某些缺陷。
這些器件采用單級聲光變換制；在這種單級制中，偏振變換通過在光信號和兩個光波導(dǎo)中的聲控波之間的交互作用實現(xiàn)，伴隨著產(chǎn)生一個頻移，頻移量等于聲波的頻率。在前述結(jié)構(gòu)中，這種頻移具有取決于光信號的偏振的反向符號，因此，這兩個分離的正交偏振分量分別具有正向和負向偏移。
光信號從聲變換頻率的頻移可能給通信網(wǎng)路帶來拍頻問題(beat)。
為了限制在兩個光波導(dǎo)中兩個偏振的頻移量，應(yīng)使這種聲光器件中的每個光波導(dǎo)有各自相關(guān)的聲波導(dǎo)。
H.Herrmmann等人在集成光學(xué)第六次歐洲會議會刊(1993年4月，第10.1-10.3頁)上介紹了一種2×2聲光開關(guān)(

圖10)，它包括兩個光波導(dǎo)和兩個并列的聲波導(dǎo)，其中每一個包括一光波導(dǎo)，并且其中表面聲波沿反向傳播。
John J.Johnson等人在US-5218653中所描述的聲光器件類似于H.Herrmann等人的器件(圖3)。
本申請人也已制造出由H.Herrmann等人所描述的這種聲光器件。在該器件中，兩個光波導(dǎo)連接到兩個與偏振模式匹配的偏振分離器上，后者連接到部分彎曲成“S”形的波導(dǎo)上，兩個聲波導(dǎo)每個均包含一相應(yīng)的光波導(dǎo)。每一聲波導(dǎo)與一電聲變換器相關(guān)聯(lián)，后者由叉指式電極制成。這兩個光波導(dǎo)大約為18毫米長，間隔270微米，偏振分離器大約5毫米長，彎曲成“S”形的部分大約為8毫米長，曲率半徑約為160毫米。該器件的總長度大約為60毫米。
采用這種器件，在停止?fàn)顟B(tài)(直接傳輸)下，TM輸入的總損耗經(jīng)檢測大約為2分貝，TE輸入的總損耗大約為5分貝，由于與各偏振分離器的連接所產(chǎn)生的四個彎曲成“S”形的部分的存在，導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗(PDL)為3分貝。與完全交互狀態(tài)有關(guān)的串音干擾范圍從-18分貝到-20分貝，該值與偏振分離器的分隔比有關(guān)。
在接通狀態(tài)(交互狀態(tài))，經(jīng)檢測，TM輸入的總損耗約為2分貝，TE輸入的損耗為3分貝。偏振相關(guān)損耗較小，因為轉(zhuǎn)換損失分布在兩個偏振上。
開關(guān)特性的帶寬為2.0nm，首側(cè)波瓣為-18分貝。變換效率大于99％(對兩個光波導(dǎo)分別考慮)。輸入信號相對于垂直于基片表面的法向45°偏振，該器件的消光比則限定到大約-16分貝，作為耦合聲音功率的-17分貝級的聲波交叉耦合的效應(yīng)和作為平均(總)變換效率均下降到大約80％，原因是變換波長的失配率從0.2nm-0.5nm。
特別地，在聲波導(dǎo)中傳播的聲波的某些分量與在并列的光波導(dǎo)中傳播的光信號相互干涉。這使在直接傳輸狀態(tài)下的端口串音干擾增大，大約為-18分貝。
此外，光信號的頻移或失配可以具有在兩個光波導(dǎo)中不同的絕對值，原因在于該基片缺少均勻性。實際上，基片的材料和構(gòu)成光波導(dǎo)的材料的雙折射特性可以是并非完全均一的，而且由于制造過程中存在非理想誤差，例如厚薄不均和/或鈦的淀積層寬度非理想值，或鈦層的擴散溫度存在梯度等。雙折射的小的局部變化會在兩個光波導(dǎo)之間變換的尖峰波長上引起差別，它隨在同樣的波導(dǎo)之間的距離的增大而增大。
在將兩個偏振分離器連接到偏振變換狀態(tài)的光波導(dǎo)時，在制造過程中會存在誤差，如果器件處于停止?fàn)顟B(tài)(直接傳輸)，被引向直接傳輸輸出的輸入信號Si降低，下降的量取決于偏振分離器的串音a，偏振分離器的分隔系數(shù)SR＝α/(1-α)，其中α大約等于0.3％。在這種情況下，兩個偏振分離器具有同樣的特性，來自第一偏振分離器的寄生的或殘留的信號成分的密度與來自第二偏振分離器的寄生的或殘留的成分的密度具有相同的數(shù)量級。在直接傳輸輸出端存在信號Sb＝(1-4α)Si，它忽略了傳播損耗。信號Si的寄生分量引到交互狀態(tài)輸出端上，在那里存在殘留信號Sc＝4αSi。在(并行)直送狀態(tài)輸出端上，存在一個破壞性干涉，它發(fā)生在該信號Si的寄生分量之間，同時在交互狀態(tài)輸出端上，存在一個相長干涉，它發(fā)生在信號Si的兩個寄生分量之間。
在輸出端處殘留信號的存在使總的消光比(對應(yīng)于衰減的偏振分量的器件輸出的功率和輸出總功率之間的比)或端口串音特性劣化。在本申請人制造的器件中，經(jīng)檢測，該器件與單個偏振分離器的消光比相比，總消光比增加5-6分貝。實際上，單個偏振分離器的消光比等于-25分貝，而包括兩個分離器的完整的器件的消光比只有-19分貝。
類似地，在前面所述的聲光器件中會產(chǎn)生噪聲，該器件具有一個變換級，包括一個用于兩個光波導(dǎo)的公共的電聲變換器和一個用于同樣的光波導(dǎo)的公共的聲波導(dǎo)。
根據(jù)本發(fā)明，波長選擇聲光波導(dǎo)器件包括以雙折射的和光彈性的材料制成的基片，在基片上具有a)至少一個以預(yù)選的波長范圍的光信號形成的偏振模式變換級，包括a1)第一和第二光波導(dǎo)路徑，a2)至少一個第一聲波導(dǎo)，包含所述第一和第二光波導(dǎo)路徑中至少一個的一部分，以及a3)第一表面聲波發(fā)生器，與所述第一聲波導(dǎo)相關(guān)聯(lián)，b)所述變換級的分別處于上游和下游的第一和第二偏振選擇元件光連接到所述第一和第二光波導(dǎo)路徑上，能夠?qū)⑺龅谝缓偷诙饴窂椒蛛x成所述光信號的兩個偏振分量；其特征在于，
所述第一和第二光波導(dǎo)路徑具有不同的光程長，這個差值等于由下式表示的預(yù)選值d＝±λ(K+m)其中d是兩個光波導(dǎo)的光路徑之間的差值，λ是所述光信號的波長，K是大于0但小于1的數(shù)，m是零或一整數(shù)；為在從所述第二偏振選擇元件輸出的所述光信號的至少第一和第二寄生成分之間產(chǎn)生一個相移，所述寄生成分經(jīng)受相消干涉。
在本發(fā)明的聲光器件中，在兩個波導(dǎo)的光路徑之間產(chǎn)生的差d等于預(yù)選的波長的幾分之一，或單數(shù)倍，它們滿足關(guān)系式d＝±λ(K+m)，最好m＝0，這樣可以減小光路徑在波長上的平衡依賴性到最小值。光路徑之間的平衡允許在信號的兩個預(yù)選的寄生成分之間得到相移，所述信號取自該器件的交互傳輸輸出端。這個相移的值應(yīng)使該信號的兩個寄生成分之間產(chǎn)生相消干涉而相互抵消。光路徑的這種平衡可以明顯減少處于完全交互狀態(tài)的器件的消光比或端口串音干擾。
本發(fā)明的聲光器件的其他優(yōu)點是降低了不同于中心(調(diào)諧)波長的其他各波長的背景噪聲，并且展寬了調(diào)諧帶寬本發(fā)明的聲光器件可用作具有偏振獨立響應(yīng)的可調(diào)的2×2，1×2和2×1開關(guān)，或用作偏振獨立響應(yīng)可調(diào)濾波器。
本發(fā)明的特性和優(yōu)點下面將結(jié)合附圖所示的本發(fā)明的實施例進一步說明，這些實施例并非具有限定本發(fā)明的含義。附圖為圖1是本發(fā)明的可調(diào)式2×2聲光開關(guān)的示意圖，具有偏振獨立響應(yīng)；圖2是圖1的開關(guān)的波導(dǎo)的放大的部分；圖3，4，5和6表示圖1開關(guān)的改型實例；圖7是圖1的聲光開關(guān)的濾波器特性曲線圖；圖8是傳統(tǒng)的聲光開關(guān)的濾波器特性曲線圖。
圖1中示出了本發(fā)明的可調(diào)式2×2聲光波導(dǎo)開關(guān)，它具有偏振獨立的響應(yīng)。這個開關(guān)的基片1是由雙折射的和光彈性的鈮酸鋰材料制成(LiNbO3)。
在基片1上形成兩個偏振選擇元件2和3以及一個變換級4。
兩個偏振選擇元件2和3由在一個光波導(dǎo)內(nèi)的偏振分離器構(gòu)成，每個分離器包括相應(yīng)的中心光控波導(dǎo)區(qū)5和6以及光控波導(dǎo)輸入和輸出分支，它們分別是分離器2的分支7，8，9，10和分離器3的分支11，12，13和14。
分離器2的輸入分支7和8經(jīng)過相關(guān)的連接光波導(dǎo)70和80接到開關(guān)的輸入端71和81上。分離器3的輸出分支13和14經(jīng)過相關(guān)的連接光波導(dǎo)130和140接到開關(guān)的輸出端131和141。分離器2的輸出分支9和10連接到光波導(dǎo)90和100，它們每一個包含兩個彎曲的或弧形部分，然后凸向相反方向，形成90a，90b和100a，100b。同樣地，分離器3的輸出分支11和12連接到有關(guān)的連接光波導(dǎo)110和120，它們每個均包括兩個彎曲的或弧形部分110a，110b和120a，120b，各凸向相反方向。這些彎曲部分90a，90b，100a，100b，110a，110b，120a和120b的曲率半徑R例如為100-180毫米。
輸入端71和81以及輸出端131和141適于與通信網(wǎng)絡(luò)的光導(dǎo)纖維連接，或通過圖中未示出的適配的連接器(稱為撓性接頭)連接到其他常規(guī)的光學(xué)器件。考慮到這種連接器件的特性要求，端口71和81以及端口131和141(例如)相互間隔大約為270微米。
變換級4包括兩個直線的并行的光波導(dǎo)分支15和16，兩個聲波導(dǎo)18和19，它們分別包含了分支15和16，以及電聲變換器20和21。
分支15和相關(guān)的光連接波導(dǎo)90和110以及分支16和相關(guān)的光連接波導(dǎo)100和120構(gòu)成兩個光路徑150和160，它們與偏振分離器2和3相連接。
電聲變換器20和21由叉指式電極構(gòu)成，能夠產(chǎn)生兩個反向傳播的射頻表面聲波。這個由變換器20產(chǎn)生的聲波與沿波長分支15傳送的信號共線，由變換器21產(chǎn)生的聲波則與沿波長分支16傳送的信號反向共線。為了使第一和第二聲波具有同樣的頻率，最好將單個電驅(qū)動信號提供給兩個電聲變換器20和21。變換器20和21放置在聲波導(dǎo)22和23中，它們并行布置，分別與聲波導(dǎo)18和19連通，由此構(gòu)成一個聲音耦合器。這個聲音耦合器的作用是使沿波導(dǎo)22和23的表面聲波的密度分布圖在波導(dǎo)的中心區(qū)域具有尖峰，而且在相同的波導(dǎo)的端部具有兩個波谷。沿著分支15和16傳播的光信號與相關(guān)的聲波相互作用，在一個具有預(yù)選的交互作用長度的區(qū)域內(nèi)，密度沿路徑增加上升到半途中，在另一半路徑下降。在聲波導(dǎo)22和23的端部，裝有吸聲器24，它能消除聲波的反射。聲波導(dǎo)18，19，22和23由區(qū)域25所覆蓋，在該區(qū)中聲波的速度高于在波導(dǎo)18，19，22和23內(nèi)的速度。
連接光波導(dǎo)100，120和分支16的總長度大于兩個連接光波導(dǎo)90，110和分支15的總長度，相差流過該開關(guān)的光信號的半個波長(λ/2)或單數(shù)倍，于是光路徑150和160的總長度相差半個波長或奇數(shù)倍。在圖示的實施例中，光信號的波長為1550nm，連接光波導(dǎo)90，110和100，120具有不同的總長度，因為實際上各彎曲部分90a，90b，110a，110b，100a，100b，120a和120b的曲率半徑相同，并且如圖2所示，在中心的張角是不同的。
光路徑160既可比光路徑150大半個波長也可小半個波長。
上述開關(guān)的操作過程將在下面說明。
如果電聲變換器20和21上沒施加電壓，該器件斷開(停止?fàn)顟B(tài))，它處于直接傳輸或并行狀態(tài)(直線調(diào)節(jié)狀態(tài))，在輸入端子71和81及輸出端子131和141之間存在通信一致性。通過端口71和81輸入的光信號到達偏振分離器2，分離后的偏振分量TE(橫向電場)和TM(橫向磁場)進入輸出波導(dǎo)區(qū)9和10，分量TE和TM無變化地通過變換級4的分支15和16，然后由偏振分離器3分離到輸出波導(dǎo)區(qū)13和14，于是從端口71和81輸入的信號無變化地通過端口131和141輸出。
由于偏振分離器2和3并非無缺陷的，當(dāng)光信號S1輸入分離器后，在分離器的分支內(nèi)會出現(xiàn)信號缺少，相當(dāng)于信號的幾分之一(分離器串音)，用值α表示，例如該值為0.3％。如果分離器2包含串音α1，從輸入端71輸入的信號的TM偏振分量的密度為S1，一個并行(直線)通道穿過分離器2，這表示在該分離器的分支10內(nèi)，并非無信號，而是具有一個值為α1S1的部分(fraction)，對應(yīng)地，在分支9中的信號具有密度(1-α1)S1。類似地，分離器3具有串音α2；偏振分量TM輸入分支11，提供給分支13的(即開關(guān)的輸出端131)是密度為(1-α1)S1的信號和分離器3的串音，在分支14上的信號密度Sb1＝(1-α2)(1-α1)S1，而在開關(guān)的交互狀態(tài)輸出端141處的信號密度為Sc1＝α2(1-α1)S1。此外，在分離器3的輸入端，在分支12內(nèi)存在一密度為α1S1的分量；這個分量依次在分支14中產(chǎn)生密度為Sc2＝(1-α2)α1S1的信號和在分支13內(nèi)產(chǎn)生密度為Sb2＝α2α1S1的信號。
如果α1和α2相同，而且如果α2可忽略不予考慮，相應(yīng)地在輸出端131上具有信號Sb1＝(1-2α)S1(在并行輸出的損耗忽略不計)，而且在輸出端141上Sc1＝α(1-α)S1(變換器的在分支16內(nèi)的串音分量α1S1直接通過分離器3)，和Sc2＝α(1-α)S1(通過分離器3的分量(1-α1)S1的串音已直接進入變換器的分支15內(nèi))。
在常規(guī)情況下，在開關(guān)的兩個分支內(nèi)的光路徑是相同的，兩個分量Sc1和Sc2的場疊加(相長干涉)，并且理想的信號密度為Sc(TM)＝4αS1。
輸入端的光信號的偏振分量TE的傳輸特性是類似的。
在本發(fā)明的開關(guān)中，選擇兩個光路徑150和160相差半個波長(或奇數(shù)倍)，兩個分量Sc1和Sc2處于全相反位，因此產(chǎn)生相消干涉。實際上，由于光路徑160的長度大于光路徑150一個波長的幾分之一，最好是半個波長，因此存在于連接波導(dǎo)140內(nèi)的光信號的寄生分量移相180°，以破壞性方式干涉，理想化地相互全部抵消。在交互狀態(tài)傳輸輸出端141處存在一個大致等于零的信號Sc，同時在直接傳輸輸出端131處存在一個大致等于S1的信號Sb，由此消除了由于偏振分離器2和3的串音造成的劣化。
通過向變換器20和21的電極提供一個適當(dāng)?shù)拈_關(guān)信號，該器件接通(工作狀態(tài))，并變換到交互狀態(tài)的條件，其中輸入端口71和81分別對應(yīng)于交互狀態(tài)輸出端口141和131。變換器20和21產(chǎn)生有關(guān)的射頻表面聲波，其聲控頻率fac(當(dāng)工作在1550nm時，約174±10MHz，當(dāng)工作在1300nm時，約210±10MHZ)與光諧振波長相應(yīng)時，發(fā)生偏振變化TE→TM或TM→TE。光信號輸入偏振分離器2后分離成偏振分量TE和TM，并通過變換級4的分支15和16，在那里轉(zhuǎn)換成正交偏振狀態(tài)。偏振分量TE和TM送入分離器3中，從輸入端71選定的偏振分量這時可與從端口81未選中的分量共同從輸出端141輸出，從端口81選中的偏振分量可與從端口71未選中的分量共同從輸出端131輸出。在變換級4內(nèi)的信號實現(xiàn)偏振變換，在完全的交互狀態(tài)條件下進行引導(dǎo)，從而實現(xiàn)整個開關(guān)的功能。
出現(xiàn)在波導(dǎo)區(qū)140內(nèi)的兩個光信號的寄生分量移相180°，并以相消方式相干涉，相互抵消。交互狀態(tài)傳輸輸出端141上的信號Sc大致等于在光波導(dǎo)15內(nèi)轉(zhuǎn)換的信號，例如S(TE)。這個信號S(TE)具有頻移，它的符號取決于光信號和聲波二者是共線的還是反向共線的。在直接傳輸輸出端131上的信號Sb，是光信號的兩個寄生分量經(jīng)光波導(dǎo)15和16轉(zhuǎn)換后形成的。這兩個寄生分量的密度等于αS(TE)，其頻移帶有正或負符號，這取決于光信號和聲波是共線的還是反向共線的。信號的這兩個寄生分量產(chǎn)生一個最大密度大約為4αS(TE)的拍頻。采用這種方式可將偏振分離器的平均串音限制到大約-22分貝。
如圖1表示的本發(fā)明人的平衡聲光開關(guān)，如果運行在波長為1550nm的情況下，該開關(guān)的規(guī)格為兩個光波導(dǎo)15和16大約為18毫米長，它們之間間隔為270微米。彎曲部分90a，90b，100a，100b，110a，110b，120a，120b的曲率半徑約為140毫米。其中弦邊90a和110a對著的中心角度約為1.477°，弦邊90b和110b對著的中心角約為1.777°；弦邊100a和120a對著的中心角約為1.564°，弦邊100b和120b對著的中心角約為1.864°，如圖2中所示。光路徑160的總長度比光路徑150的總長度大半個波長。偏振分離器2和3大約5毫米長。該器件的總長度約為60毫米。
圖7所示為處于交互傳輸狀態(tài)的平衡聲光開關(guān)的濾波曲線頻譜圖形。光信號(傳輸)的幅值用分貝表示，它依據(jù)X軸上的以nm表示的光信號(λ)的波長標(biāo)繪出沿y軸的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，背景噪聲低于或等于-30分貝，側(cè)向波瓣低于或等于-22分貝，帶寬是100nm。
與圖8的波形曲線相比，本發(fā)明的平衡聲光開關(guān)顯然在性能上獲得很大改善，圖8所示的聲光開關(guān)結(jié)構(gòu)類似于圖1所示的開關(guān)，但這種傳統(tǒng)的開關(guān)的光路徑是同樣長的，圖8中的曲線表示處于交互傳輸狀態(tài)的開關(guān)的濾波曲線的頻譜圖形。圖7的X軸和y軸的尺寸設(shè)置與圖8的曲線的座標(biāo)尺寸完全一致，因此這兩個曲線也可相重疊后進行比較。經(jīng)比較后可看出，傳統(tǒng)的開關(guān)的性能顯然比圖1的開關(guān)的性能差，它的背景噪聲低于或等于-21分貝，側(cè)向波瓣約為-18分貝，帶寬為2nm。
顯然，所需的光路徑的長度差可根據(jù)該開關(guān)的特殊設(shè)計需要而設(shè)計，既可以調(diào)節(jié)光波導(dǎo)的彎曲部分的弧度的大小，也可以調(diào)節(jié)該彎曲部分的曲率半徑以及線性分支15和16的長度，從而獲得所要求的光路徑長度差。
圖3展示了不同于圖1的聲光開關(guān)的實施例，其中與圖1相同的部件采用相同標(biāo)號描述。在圖3的開關(guān)中，變換級4的光波導(dǎo)15和16的分支被布置在一個共同的聲波導(dǎo)30內(nèi)。唯一的一個電聲變換器31安裝在一個并行的波導(dǎo)32內(nèi)，它產(chǎn)生與兩個光波導(dǎo)15和16交互作用的表面聲波。這個聲波是與沿波導(dǎo)15和16傳播的信號共線的。聲波導(dǎo)30的寬度約為110微米，兩個光波導(dǎo)分支15和16的安裝間隔大約為40微米。
在這種情況下，光路徑160最好具有大于(或小于)光路徑150的長度，差值為四分之一個波長(λ/4)，以便在連接波導(dǎo)140內(nèi)的光信號的寄生分量之間產(chǎn)生部分破壞性干涉。
當(dāng)此器件接通時，在兩個光路徑150和160內(nèi)分離開的兩個偏振分量作為聲信號沿相同方向傳播，因此產(chǎn)生相同符號的頻移。在交互狀態(tài)傳輸輸出端141上的信號Sc大致等于在光波導(dǎo)15中變換的信號例如S(TE)。這個信號S(TE)具有頻移，符號為負，原因在于光信號和聲波是共線的。由此本開關(guān)在交互傳輸狀態(tài)下得到光路徑的一種平衡。在直接傳輸輸出端131上的信號Sb包括經(jīng)光波導(dǎo)15和16轉(zhuǎn)換后的兩個光信號的寄生分量。光信號的這些寄生分量的密度等于αS(TE)，相移90°(λ/4)，其結(jié)果是出現(xiàn)部分地相消干涉現(xiàn)象，從而將整個器件的平均串音干擾限制到約-22分貝。
如果圖3的開關(guān)的光路徑150和160的長度相差半個波長(或其奇數(shù)倍)，這些寄生分量在開關(guān)的直接(并行)輸出端相長地疊加，其結(jié)果是開關(guān)本身的消光比得到顯著的限制(大約在-19分貝數(shù)量級上)。
圖4中給出了不同于圖1的聲光開關(guān)的又一實施例，其中的光控波導(dǎo)分支15和16與兩個正電極40和41以及一個公共負電極42相關(guān)聯(lián)。電極40-42由條形導(dǎo)體材料制成，例如將鈦、金，鋁通過蒸發(fā)或電鍍生長(galVanic growth)或濺射沉積形成。電極40，41和42連接到合適的電源上。電極對40，42和41，42產(chǎn)生兩個強度可調(diào)節(jié)的電場，以便改善基片1的材料的折射率，從而提供一種在分支15和16內(nèi)的光路徑的精細調(diào)節(jié)。
圖5是不同于圖1的聲光開關(guān)的又一實施例。其中電極50，51，52和60，61，62與波導(dǎo)區(qū)90，100，110，120相關(guān)聯(lián)。電極50-52和60-62由長條形導(dǎo)體材料構(gòu)成，例如鈦，金，鋁，這些電極連接到合適的電源上。在這種情況下，電極對50和52，51和52，60和62，61和62與圖4的電極對起相同作用，它們位于光連接波導(dǎo)90，100，110，120之處，使光路徑沿著這些連接得到所要求的變化，而無需增加基片1的長度。
圖4開關(guān)的電極40，41，42和圖5開關(guān)的電極50，51，52尤其適于補償在兩個偏振量TM和TE之間產(chǎn)生的任何特性差異，由電極所產(chǎn)生的電場還對兩個偏振分量TE和TM的不同靈敏度產(chǎn)生作用。
在圖6所示的開關(guān)的又一實施例中，電極170，171，172和180，181，182與帶有一單個聲波導(dǎo)的開關(guān)相關(guān)聯(lián)，這種類型的開關(guān)已在圖3的說明中介紹過。這些電極可方便地在該器件啟動時受到激勵。在這種情況下，可以使光路徑150和160的長度差取為λ/2，以便在停止?fàn)顟B(tài)時實現(xiàn)寄生分量的完全消光作用，并且通過電極僅當(dāng)該器件啟動時改變光路徑的長度，從而甚至當(dāng)該器件處于工作條件下時，能重新建立完全對寄生分量進行相消干涉的條件，而不會對退出運行條件下的特性帶來不利影響。
圖1，3，4，5和6的開關(guān)，其輸入端71和81以及輸出端131和141是可互換的，當(dāng)前者作為輸出端，后者作為輸入端使用時，這些開關(guān)仍能正常工作。
圖1，3，4，5和6的開關(guān)能夠在室溫下工作，中心波長1550nm或1300nm波長時，光波長的范圍至少在100nm寬范圍上，也就是說，該開關(guān)特別適用于光通信。
基片1由垂直于X軸切割的LiNbO3晶體制成；波導(dǎo)分支15和16沿晶體的y軸定向排列。如果不用LiNbO3，也可以在LiTaO3，TeO2，CaMoO4組中選擇其他雙折射的、光彈性的和壓電性的材料作晶體。器件的總長度約為40-60毫米。
聲波導(dǎo)18，19，22，23，30，32可利用光刻掩模限定的基片1的條25制成。在掩模界定的表面內(nèi)，淀積鈦層，其厚度為160nm，接著在基片內(nèi)進行鈦擴散，在爐溫1060℃的條件下持續(xù)31小時。由于擴散效應(yīng)，聲波速度大約增加0.3％，于是區(qū)域25限定聲波沿著波導(dǎo)18，19和30傳播。
光波導(dǎo)和偏振分離器可以在基片上進行擴散而形成，這種基片具有提高折射率的特性。采用光刻掩膜技術(shù)，形成鈦淀積層，其厚度約為120nm，然后在1030℃溫度條件下擴散9小時。與光波導(dǎo)相應(yīng)，該掩膜的孔徑寬度約為7微米。
光和聲波導(dǎo)對于所用的光波和聲波最好是單模的。
電聲變換器20，21和31的叉指式電極安裝在(壓電)基片1上，相對于y軸具有約5°的傾角。變換器最好包括15-20對或更多對叉指式電極，它們具有約20.8微米的周波。這些電極最好具有變化的間隔(“線性調(diào)頻脈沖”)以展寬響應(yīng)帶。周波值由頻率約為173.5MHZ的表面聲波的LiNbO3中的波長的值導(dǎo)出，該值是當(dāng)光波長約為1550nm時進行TE←→TM轉(zhuǎn)換所需的值。通過調(diào)節(jié)電極的周期(periodicity)，可以使變換器適合于聲光器件在其他波長帶上的工作。這些電極可在基片上淀積金屬層而制成，例如，一層厚度為500nm的鋁。
可以調(diào)節(jié)聲光開關(guān)工作在波長1500nm或1600nm，相應(yīng)于主波長1550nm可偏差50nm，為此向叉指式電極提供的功率約為100毫瓦，與之相比較，在主波長上的運行所需功率為50毫瓦。
雖然上面以2×2型開關(guān)為例對本發(fā)明進行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員采用上面介紹的調(diào)節(jié)方法完全能夠發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可應(yīng)用于更復(fù)雜的器件中，其中光路徑存在于偏振分離器之間。
權(quán)利要求
1.一種聲光波導(dǎo)器件，波長可選擇，包括用雙折射的和光彈性的材料制成的基片(1)，在其上具有a)至少一個具有預(yù)選的波長范圍的光信號的偏振方式變換級(4)，包括a1)在一個光波導(dǎo)(90，15，110；100，16，120)中的第一和第二光路徑(150，160)，a2)至少一個第一聲波導(dǎo)(18；19；30)，包含光波導(dǎo)(90，15，110；100，16，120)中的所述第一和第二光路徑(150，160)中至少一個的一部分，和a3)第一表面聲波發(fā)生裝置(20；21；31)，與所述的第一聲波導(dǎo)(18；19；30)相關(guān)聯(lián)，b)第一和第二偏振選擇元件(2，3)，分別處于所述變換級(4)的上游和下游，并且光連接到光波導(dǎo)(90，15，110；100，16，120)中的所述第一和第二光路徑(150，160)，能夠在所述第一和第二光路徑(150，160)中分離成所述光信號的兩個偏振分量；其特征在于光波導(dǎo)(90，15，110；100，16，120)中的所述第一和第二光路徑(150，160)的光程長度不同，其差值等于由下式表示的預(yù)選值d＝±λ(k+m)其中d是兩個光波導(dǎo)(90，15，110；100，16，120)的光路徑(150，160)之間的差值，λ是所述光信號的波長，k是大于0但小于1的數(shù)，m是0或一個整數(shù)，為在從所述第二偏振選擇元件(3)輸出的所述光信號的至少第一和第二寄生分量之間產(chǎn)生一個相移，使所述寄生分量經(jīng)受相消干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光器件，其特征在于，所述第一和第二光路徑(150，160)包括光波導(dǎo)各自的第一和第二直線性和并行分支(15，16)以及相應(yīng)的連接光波導(dǎo)(90，110；100，120)，這些連接光波導(dǎo)將所述第一和第二分支(15，16)與所述第一和第二偏振選擇元件(2，3)相連接，所述第一光路徑(150)的連接光波導(dǎo)(90，110)的長度不同于所述第二光路徑(160)的連接光波導(dǎo)(100，120)的長度，其差值與所述的d值相應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲光器件，其特征在于，所述第二光路徑(160)的連接光波導(dǎo)(100，120)的長度大于所述第一光路徑(150)的連接光波導(dǎo)(90，110)的長度，差值與所述的d值相應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲光器件，其特征在于，所述連接光波導(dǎo)(90，110；100，120)包括各自一對彎曲部分(90a，90b；110a，110b；100a，100b；120a，120b)，它們具有預(yù)定的曲率半徑和相反的凸向，所述彎曲部分(90a，90b；110a，110b；100a，100b；120a，120b)在中心的張角具有不同的值，從而使所述第二光路徑比第一光路徑長出所述d值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聲光器件，其特征在于，所述彎曲部分(90a，90b；110a，110b；100a，100b；120a，120b)的曲率半徑范圍為100-180mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光器件，其特征在于，第二表面聲波發(fā)生裝置(21；20)與第二聲波導(dǎo)(19)相關(guān)聯(lián)，所述第一聲波導(dǎo)(18)包含所述第一光路徑(150)的至少一部分，所述第二聲波導(dǎo)(19)包含第二光路徑(160)的至少一部分，在光路徑(150，160)之間的所述長度差等于半個波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光器件，其特征在于，所述第一聲波導(dǎo)(30)包含第一和第二光路徑(150，160)的至少一部分，在所述光路徑(150，160)之間的所述長度差等于四分之一波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲光器件，其特征在于，電極(40，41，42)與所述第一和第二光波導(dǎo)分支(15，16)相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生能夠改善所述基片(1)材料的折射率的電場，并對所述光路徑(150，160)實現(xiàn)精細調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲光器件，其特征在于，電極(50，51，52；60，61，62)與第一和第二光路徑(150，160)的連接光波導(dǎo)(90，110；100，120)相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生能夠改善所述基片(1)材料的折射率的電場，并對所述光路徑(150，160)實現(xiàn)精細調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光器件，其特征在于，所述第一聲波導(dǎo)(30)包含所述第一和第二光路徑(150，160)的至少一部分，在所述光路徑(150，160)之間的長度差等于四分之一波長，電極(170，171，172；180，181，182)與第一和第二光路徑(150，160)的所述連接光波導(dǎo)(90，110；100，120)相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生能夠改善基片(1)的材料的折射率的電場，并且改變所述光路徑(150，160)的長度。
全文摘要
一種波長可選的聲光波導(dǎo)器件，包括第一和第二光路徑(150，160)，在光波導(dǎo)內(nèi)的這兩個光路徑長度不相同，差值與值d＝±λ(k+m)相對應(yīng)，其中d代表兩個波導(dǎo)的光路徑之間的差，λ是光信號的波長，k是大于0和小于1的一個數(shù)，m是0或一整數(shù)，于是在光信號的至少兩個寄生分量之間產(chǎn)生相移，從而在這些寄生分量之間產(chǎn)生相消干涉現(xiàn)象。
文檔編號G02F1/335GK1152715SQ9612105
公開日1997年6月25日 申請日期1996年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月13日
發(fā)明者斯蒂芬·施米德 申請人:皮雷利·卡維有限公司