Цифровой оптический переключатель с быстрой временной характеристикой и низким напряжением переключения

Изобретение относится к цифровому оптическому переключателю. Устройство содержит электрооптическую подложку Х-среза и Y-образный оптический волновод, сформированный в подложке. На подложке сформирована электропроводная электродная структура, которая связана с оптическим волноводом для избирательной подачи сигнала на вход волновода, к одному из выходных волноводов. Электродная структура включает в себя внутренний и внешние электроды. Внешние электроды снабжаются сигналом переключения между двумя состояниями. В первом состоянии передача оптической энергии повышается между входной ветвью и первой из выходных ветвей и блокируется во второй ветви. Во втором состоянии передача оптической энергии повышается между входной ветвью и второй выходной ветвью и блокируется в первой ветви. Между электродами и подложкой расположена оптически прозрачная электропроводная пленка, в поперечном направлении частично покрывающая соседнюю выходную ветвь волновода. Промежуток (G₁) между каждой парой соседних пленок меньше, чем промежуток (G₀) между каждой парой соседних электродов. Электропроводные пленки электрически соединены с соответствующими электродами, через отверстия в диэлектрических буферных слоях, расположенных между каждой пленкой и соответствующим электродом. Технический результат - снижение напряжения переключения, прикладываемое к электродам, и исключение эффекта дрейфа постоянного тока. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

В общем, настоящее изобретение относится к цифровому оптическому переключателю (DOS), а более конкретно к цифровому, электрически возбуждаемому оптическому (электрооптическому) переключателю с низким напряжением переключения, быстрой временной характеристикой.

Уровень техники

Как известно, с ранней поры телефона и телеграфа связные сигналы традиционно передают по медным проводам и кабелям. Однако в последние годы связные сигналы в возрастающем объеме передают в виде световых лучей по оптическим волноводам и волокнам. На основе оптических волноводов разработано периферийное оборудование различных видов, такое как соединительные устройства и переключатели. В частности, технология, известная как интегральная оптика, широко используется в управлении оптическими сигналами связи. Используя эту технологию, сигналы связи в виде световых лучей передают по оптическим волноводам, сформированным в подложках, изготовленных из электрооптических материалов, таких как ниобат лития (LiNbO₃).

Хотя в настоящее время интегральную оптику широко используют при передаче сигналов, использование этой технологии, для выполнения функций переключения и маршрутизации, все еще ограничено трудностью изготовления оптических переключающих приборов с характеристиками и параметрами, соответствующими требованиями. В цифровом оптическом переключателе оптический сигнал принимается на входе и избирательно подается на один или несколько из множества выходов. До настоящего времени разработаны цифровые оптические переключатели, основанные на различных технологиях, в частности, микроэлектромеханические системы (MEMS), магнитооптические и электрооптические переключатели, последние имеют более быстрые временные характеристики, чем предшествующие.

На фиг.1 показано стандартное представление цифрового электрооптического переключателя 1×2, имеющего оптический вход, куда подают входной оптический сигнал, электрический вход, куда электрический сигнал возбуждения в виде напряжения переключения подают для электрического возбуждения цифрового электрооптического переключателя, и два оптических выхода, куда избирательно подается входной оптический сигнал в результате электрического сигнала возбуждения. На фиг.1 также показана ступенчатая функция отклика электрооптического переключателя, иллюстрирующая оптическую мощность на оптическом выходе в зависимости от электрического сигнала возбуждения.

Пример известного цифрового электрооптического переключателя раскрыт в ЕР0898197 и показан на фиг.2. Цифровой электрооптический переключатель 1 в основном включает в себя Y-образный оптический волновод 2, сформированный в подложке 3 толщиной 0,2-1 мм из электрооптического материала, например, ниобата лития (ориентированного вдоль Х-среза в показанной конфигурации).

Y-образный оптический волновод 2 содержит входную ветвь 4, выполненную с возможностью присоединения, при использовании, к входному оптическому волноводу (непоказанному), и две выходные ветви 5, выполненные с возможностью присоединения, при использовании, к соответствующим выходным оптическим волноводам (непоказанным). Предпочтительно, чтобы входной оптический волновод, выходные оптические волноводы и Y-образный оптический волновод 2 представляли собой одномодовые оптические волноводы, сформированные известным способом, например, в случае подложки из ниобата лития, избирательной диффузией титана в саму подложку.

Цифровой электрооптический переключатель 1 также содержит электродную структуру, включающую в себя множество электропроводных электродов толщиной 1-30 мкм, сформированных известным способом из золота или аналогичных металлов на поверхности подложки 3 и расположенных с возможностью связи в рабочем состоянии с Y-образным оптическим волноводом 2 для избирательной подачи к только одной из двух выходных ветвей 5 оптического сигнала, принимаемого во входной ветви 4. В частности, электродная структура электрически управляется так, что работа цифрового электрооптического переключателя 1 осуществляется между двумя состояниями переключения: первым состоянием переключения, в котором передача оптической энергии повышается между входным волноводом и первым выходным волноводом, в то время как по существу блокируется во втором выходном волноводе, и вторым состоянием переключения, в котором передача оптической энергии повышается между входным волноводом и вторым выходным волноводом, в то время как по существу блокируется в первом выходном волноводе.

Более подробно, электродная структура расположена на участке разветвления оптического волновода 2 и включает в себя внутренний электрод 7, расположенный между выходными ветвями 5, и два внешних электрода 6, расположенных с внешней стороны выходных ветвей 5, по противоположным сторонам и симметрично внутреннему электроду 7.

Обычно межэлектродный промежуток G₀ (расстояние между соседними электродами 6, 7) находится в пределах от 4 до 20 мкм, промежуток D₀ между каждым электродом 6, 7 и соседней выходной ветвью 5 оптического волновода 2 находится в пределах от 3 до 10 мкм, а длина L₀ взаимодействия (длина участка внутреннего электрода 7 между внешними электродами 6) находится в пределах от 1 до 30 мм.

Внутренний электрод 7 обычно заземляют, тогда как на внешние электроды 6 подают напряжение переключения для создания электрического поля между внешними электродами 6 и внутренним электродом 7, проходящего сквозь выходные ветви 5, расположенные между ними, и имеющего направление, поперечное к направлению распространения оптического сигнала в выходной ветви 5, в рассматриваемом примере (LiNbO₃ подложка Х-среза) в направлении, параллельном оси Z кристалла.

Электрооптические свойства подложки 3 позволяют при приложении напряжения переключения изменять показатели преломления выходных ветвей 5 противоположным образом, а именно, повышать показатель преломления в одной выходной ветви 5 и снижать показатель преломления в другой выходной ветви 5. В тех случаях, когда достигается пороговое электрическое поле, входной оптический сигнал подводится только к выходной ветви 5 с более высоким показателем преломления.

Поскольку оптическая энергия, протекающая через цифровой оптический переключатель 1, не полностью локализуется в оптическом волноводе 2, то для предотвращения или минимизации оптических потерь вследствие поглощения электродами 6, 7 остаточной оптической энергии, протекающей вне оптического волновода 2, электроды должны быть изолированы от оптического волновода 2. Как показано на фиг.3, обычно изоляцию обеспечивают непрерывным диэлектрическим (SiO₂) буферным слоем 8 толщиной 0,1-1,0 мкм, который формируют на участке ответвления оптического волновода 2 между поверхностью подложки 3 и электродами 6, 7 и продолжают по всей длине электродов 6 и 7. Вместо этого, в тех вариантах применения, где диэлектрический буферный слой 8 не содействует радиочастотной характеристике цифрового оптического переключателя 1, диэлектрический буферный слой 8 между поверхностью подложки 3 и электродами 6, 7 не формируют, а изоляцию обеспечивают так, как показано на фиг.4, а именно, располагая электроды 6, 7 на большем расстоянии от оптического волновода 2, чем в варианте осуществления, показанном на фиг.3, чтобы уменьшить поглощение оптического излучения. В этом варианте осуществления межэлектродный промежуток G₀ обычно находится в пределах от 4 до 20 мкм, а расстояние D₀ между каждым электродом 6, 7 и соседней выходной ветвью 5 оптического волновода 2 находится в пределах от 3 до 10 мкм.

Другой пример известного цифрового электрооптического переключателя раскрыт в документе JP 61198133. В частности, в нем раскрыт оптический переключатель волноводного типа, включающий в себя Х-образный титановый оптический волновод, сформированный в LiNbO₃ электрооптической подложке; два L-образных электрода, сформированных на подложке вблизи волновода; и два буферных слоя, каждый из которых сформирован из материала, образованного объединением электропроводного материала (SnO₂), в пределах которого поглощение света не возрастает, и диэлектрического материала (SiO₂), и соответственно расположенного между подложкой и одним из электродов и между подложкой и другим электродом, таким образом подавляя образование дрейфа постоянного тока без повышения потери света.

Другой пример известного цифрового электрооптического переключателя раскрыт в JP 91198133 А. В частности, раскрыт оптический переключатель волноводного типа, включающий в себя крестообразный титановый оптический волновод, сформированный на электрооптической подложке из LiNbO₃, два L-образных электрода, сформированных на подложке вблизи волновода, и два буферных слоя, сформированных из материала, составленного посредством синтезирования проводящего материала (SnO₂) в пределах диапазона, в котором поглощение света не увеличивается, и изолирующего материала (SiO₂), и соответственно размещенных между упомянутой подложкой и одним из упомянутых электродов и между упомянутой подложкой и другим электродом, таким образом, подавляя образование дрифта постоянного тока без увеличения потерь света.

Дополнительный пример известного электрооптического переключателя раскрыт в US 2006/198581 A1. В частности, раскрыто электрооптическое устройство, имеющее оптический волновод, который включает в себя две оптических траектории пути, при этом оптический волновод вмещен в подложку. Слой электрода смещения сформирован на поверхности упомянутой подложки. Буферный слой сформирован на по меньшей мере участке слоя электрода смещения и поверхности упомянутой подложки. Слой RF-электрода сформирован на буферном слое. Тройник смещения соединяет слой электрода смещения и слой RF-электрода.

Раскрытие изобретения

Заявитель отмечает, что хотя цифровые электрооптические переключатели типа описанных выше имеют более быструю временную характеристику, чем цифровые оптические переключатели, основанные на других технологиях, однако для них требуются более высокие напряжения переключения. На самом деле, изоляция оптического волновода от электродов ограничивает эффективное электрическое поле, прикладываемое к оптическому волноводу, и вследствие этого так называемую электрооптическую эффективность цифрового электрооптического переключателя, и это ограничение обычно компенсируют путем соответствующего повышения напряжения переключения.

Кроме того, в цифровых электрооптических переключателях с диэлектрическим буферным слоем электрооптическая эффективность дополнительно ограничивается эффектом экранирования вследствие существования емкостной связи между электродами и оптическим волноводом. Фактически, при формировании оптического волновода (которое включает в себя осаждение и диффузию Ti) обычно создаются дефекты в кристалле подложки и генерируются свободные электрические заряды. Когда между электродами прикладывают напряжение постоянного тока, свободные электрические заряды движутся на поверхность соседней выходной ветви оптического волновода на границе раздела с диэлектрическим буферным слоем, который действует как конденсатор, обозначенный С_В на фиг.3. Этот конденсатор блокирует свободные электрические заряды, тем самым приводя к эффекту экранирования прикладываемого напряжения переключения. Поэтому для поддержания стабильной электрооптической связи (измененного состояния переключателя) необходимо непрерывно корректировать (последствия эффекта дрейфа постоянного тока) напряжение переключения, прикладываемое между электродами, компенсируя таким образом эффект экранирования.

Также, более слабый эффект дрейфа постоянного тока наблюдается в цифровых электрооптических переключателях без диэлектрического буферного слоя между электродами и подложкой вследствие наличия естественной поверхности кристалла подложки между электродами и соседней выходной ветвью оптического волновода. Вследствие неидеальных диэлектрических свойств эта естественная поверхность действует как параллельное соединение между конденсатором и резистором, обозначенных C_S и R_S на фиг.4, тем самым приводя к более слабому эффекту экранирования прикладываемого напряжения переключения.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить усовершенствованный цифровой электрооптический переключатель, который позволяет значительно снизить напряжение переключения, прикладываемое к электродам, и полностью исключить эффект дрейфа постоянного тока.

Эта задача решается настоящим изобретением, поскольку оно относится к цифровому электрооптическому переключателю, определенному в прилагаемой формуле изобретения.

В настоящем изобретении упомянутая выше задача решается удалением буферного слоя из структуры, показанной на фиг.3, и формированием между каждым электродом и поверхностью подложки, находящейся ниже, тонкой пленки, выполненной из оптически прозрачного и с небольшой электропроводностью материала, такого как оксид индия и олова, при этом каждая тонкая пленка является более широкой, чем электрод, находящийся выше, так что она также частично продолжается на соседнюю выходную ветвь оптического волновода. Кроме того, если требуется диапазон частот работы цифрового электрооптического переключателя, буферный слой может быть повторно введен между электродами и оптически прозрачной электропроводной тонкой пленкой для снижения скорости распространения электрического сигнала и получения ее равной скорости распространения оптического сигнала. В этом случае электроды соединяют с оптически прозрачной электропроводной тонкой пленкой через отверстия, образованные в буферном слое.

Расположение такой тонкой пленки между подложкой и электродами позволяет значительно снизить напряжение переключения, подаваемое между внешними электродами при том же самом эффективном электрическом поле, прикладываемом к оптическому волноводу, вследствие чего повышается электрооптическая эффективность цифрового электрооптического переключателя. Кроме того, расположение такой тонкой пленки между подложкой и электродами позволяет полностью исключить эффект экранирования и, следовательно, эффект дрейфа постоянного тока.

Краткое описание чертежей

Теперь для лучшего понимания настоящего изобретения предпочтительные варианты осуществления, которые предназначены только для примера и не должны толковаться как ограничивающие, будут описаны со ссылкой к сопровождающим чертежам (все не в масштабе), на которых:

фиг.1 - стандартное представление цифрового электрооптического переключателя 1×2 наряду с его функцией отклика;

фиг.2 - схематичный вид известного цифрового электрооптического переключателя;

фиг.3 - сечение участка цифрового электрооптического переключателя из фиг.1 наряду с его электрической динамической моделью;

фиг.4 - сечение известного цифрового электрооптического переключателя без буферного слоя под электродами наряду с его электрической динамической моделью;

фиг.5 - сечение участка цифрового электрооптического переключателя согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения;

фиг.6 и 7 - сечения участка цифрового электрооптического переключателя согласно другим осуществлениям настоящего изобретения; и

фиг.8 - таблица с перечнем рабочих параметров цифрового электрооптического переключателя согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Нижеследующее рассмотрение представлено, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники изготовить и использовать изобретение. Различные модификации к вариантам осуществления без отступления от заявленного объема настоящего изобретения будут полностью очевидными для специалистов в данной области техники. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается показанными вариантами осуществления, а в соответствии с самым широким объемом должно быть согласованным с принципами и признаками, раскрытыми в этой заявке и определенными в прилагаемой формуле изобретения.

На фиг.5 показано сечение области цифрового электрооптического переключателя согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, при этом теми же самыми позициями и знаками, что и позиции, и знаки на фиг.3 и 4, обозначены аналогичные элементы, которые не будут описываться повторно.

Как показано на фиг.5, диэлектрический буферный слой 8 не сформирован, а тонкий слой или пленка 9, выполненная из оптически прозрачного и с небольшой электропроводностью материала, такого как оксид индия и олова, сформирована между каждым электродом 6, 7 и поверхностью подложки 3, находящейся ниже. Каждая тонкая пленка 9 имеет толщину 0,05-0,3 мкм, и ей приданы такие размеры, что межпленочный промежуток G₁ (расстояние между соседними тонкими пленками 9) меньше, чем межэлектродный промежуток G₀, и в частности, в зависимости от рабочей длины волны находится в пределах от 4 до 8 мкм. Более подробно, каждая тонкая пленка 9 в поперечном направлении за соответствующий электрод 6, 7, находящийся выше, и частично покрывает прилегающую выходную ветвь 5 оптического волновода 2.

На фиг.6 показан другой вариант осуществления цифрового электрооптического переключателя 1 согласно настоящему изобретению, в котором ширина каждой тонкой пленки 9 меньше, чем ширина на фиг.5, так что тонкие пленки 9 не выступают частично поверх соседних выходных ветвей 5 оптического волновода 2, и образуется промежуток D₁ между каждой тонкой пленкой 9 и соседней выходной ветвью 5 оптического волновода 2, который находится в пределах от 0 до 10 мкм. В этом варианте осуществления межпленочный промежуток G₁ в зависимости от рабочей длины волны находится в пределах от 8 до 20 мкм.

На фиг.7 показано дальнейшее осуществление цифрового электрооптического переключателя 1 согласно настоящему изобретению, в котором, поскольку требуется диапазон рабочих частот цифрового электрооптического переключателя 1, диэлектрический (SiO₂) буферный слой 8 предусмотрен между каждым электродом 6, 7 и оптически прозрачной электропроводной тонкой пленкой 9, находящейся ниже, для снижения скорости распространения электрического сигнала и уравнивание его скорости распространения оптического сигнала. В этом случае электроды 6, 7 соединены с оптически прозрачными электропроводными тонкими пленками 9, находящимися ниже, через отверстия, образованные в буферных слоях 8. В отличие от буферного слоя 8 в варианте осуществления, показанном на фиг.2 и 3, где непрерывный диэлектрический буферный слой 8 предусмотрен выступающим на поверхности подложки 3 поверх оптического волновода 2, в этом ином варианте осуществления диэлектрический буферный слой 8 расположен только между каждым электродом 6, 7 и тонкой пленкой 9, находящейся ниже, и следовательно, не выступает поверх оптического волновода 2. Как показано на фиг.7, каждый буферный слой 8 выступает в поперечном направлении за соответствующий электрод 6, 7 к соседней выходной ветви 5 оптического волновода 2, так что образуется промежуток D₂ между каждым буферным слоем 8 и соседней выходной ветвью 5 оптического волновода 2, который находится в пределах от 0 до 10 мкм.

На фиг.8 показана таблица с перечнем различных рабочих параметров цифрового электрооптического переключателя 1 согласно настоящему изобретению.

На основании изложенного выше можно сразу же понять, что электрооптические свойства тонких пленок 9 под электродами 6, 7 позволяют значительно снизить напряжение переключения, подаваемое между внешними электродами 6, при том же самом эффективном электрическом поле, прикладываемом к выходным ветвям 5 оптического волновода 2, вследствие чего повышается электрооптическая эффективность цифрового электрооптического переключателя 1. На самом деле, электропроводность тонких пленок 9 и тот факт, что межпленочный промежуток G₁ меньше, чем межэлектродный промежуток G₀ в цифровом электрооптическом переключателе 1 из фиг.2, 3 и 4, являются причиной прохождения линий электрического поля между соседними тонкими пленками 9, а не между соседними электродами 6, 7, и это приводит к повышенному интегралу перекрытия между оптическим полем в волноводах 2 и приложенным электрическим полем по сравнению с интегралом перекрытия в цифровых электрооптических переключателях 1 из предшествующего уровня техники, показанных на фиг.2-4. Кроме того, благодаря оптической прозрачности (свойству, позволяющему проходить свету) тонких пленок 9 ими не поглощается остаточная оптическая энергия, протекающая по выходным ветвям 5 оптического волновода 2, поэтому изоляция оптического волновода 2 от электродов 6, 7 не сказывается неблагоприятно.

Кроме того, электрическое свойство тонких пленок 9 позволяет полностью исключить эффект дрейфа постоянного тока. На самом деле, свободные электрические заряды, образующиеся во время формирования оптического волновода 2, удаляются внешним источником напряжения, подключенным к электродам 6, 7, поэтому исключается всякое накопление (C_S=0) электрического заряда на поверхности выходной ветви 5 оптического волновода 2, и следовательно, любой эффект экранирования, который является причиной эффекта дрейфа постоянного тока.

Наконец, ясно, что многочисленные модификации и варианты могут быть сделаны к настоящему изобретению, все попадающие в объем изобретения, определенный в прилагаемой формуле изобретения.

В частности, должно быть понятно, что настоящее изобретение может также быть теоретически применено к цифровым электрооптическим переключателям любого вида, особенно к цифровым электрооптическим переключателям с более чем двумя выходными ветвями и работающим для избирательной подачи входного оптического сигнала, принимаемого во входной ветви, к более чем двум выходным ветвям.

Кроме того, подложка 3 может быть изготовлена из другого электрооптического материала, такого как танталат лития (LiTaO₃) или фосфат калия-титанила.

1. Электрооптический переключатель (1), содержащий:
электрооптическую подложку (3) Х-среза;
Y-образный оптический волновод (2), сформированный в подложке (3) и включающий в себя входную ветвь (4), предназначенную для соединения с входным оптическим волноводом, и выходные ветви (5), предназначенные для соединения с соответствующими выходными оптическими волноводами;
электропроводную электродную структуру (6, 7), сформированную на подложке (3) и расположенную так, чтобы быть функционально связанной с оптическим волноводом (2), чтобы вызывать избирательную подачу оптического сигнала, принимаемого на входном оптическом волноводе, к по меньшей мере одному из выходных оптических волноводов;
при этом электродная структура (6, 7) включает в себя:
внутренний электрод (7), расположенный между выходными ветвями (5), по существу, на участке ответвления оптического волновода (2) и предназначенный быть электрически заземленным в ходе работы; и
внешние электроды (6), расположенные с внешней стороны выходных ветвей (5), по противоположным сторонам внутреннего электрода (7), и предназначенные электрически снабжаться в ходе работы сигналом переключения, чтобы вызывать переключение электрооптического переключателя (1) между первым состоянием переключения, в котором передача оптической энергии повышается между входной ветвью (4) и первой из выходных ветвей (5) и, по существу, блокируется во второй из выходных ветвей (5), и вторым состоянием переключения, в котором передача оптической энергии повышается между входной ветвью (4) и второй выходной ветвью (5) и, по существу, блокируется в первой выходной ветви (5);
отличающийся:
оптически прозрачной электропроводной пленкой (9), расположенной между каждым электродом (6, 7) и подложкой (3) и имеющей такие размеры, что межпленочный промежуток (G₁) между каждой парой соседних оптически прозрачных электропроводных пленок (9) меньше, чем межэлектродный промежуток (G₀) между каждой парой соседних электродов (6, 7);
диэлектрическим буферным слоем (8), расположенным между каждой оптически прозрачной электропроводной пленкой (9) и соответствующим электродом (6, 7), находящимся выше него; и электрическим соединением между каждой оптически прозрачной электропроводной пленкой (9) и соответствующим электродом (6, 7), находящимся выше;
при этом оптически прозрачные электропроводные пленки (9) электрически соединены с соответствующими электродами (6, 7) через отверстия, образованные в диэлектрических буферных слоях (8);
и при этом каждой оптически прозрачной электропроводной пленке (9) приданы такие размеры, чтобы в поперечном направлении частично покрыть соседнюю выходную ветвь (5) оптического волновода (2).

2. Устройство по п.1, при этом каждая оптически прозрачная электропроводная пленка (9) выступает в поперечном направлении за электрод (6, 7), находящийся выше, к соседней выходной ветви (5) оптического волновода (2).

3. Устройство по п.1 или 2, при этом каждый буферный слой (8) выступает в поперечном направлении за соответствующий электрод (6, 7) к соответствующей соседней выходной ветви (5) оптического волновода (2) для образования промежутка между ними.