近几年研究国内外研究光开关的团队很多， 他们也用了不同的结构作为其中的 光开关单元， 其中比较典型有以下几种。 中科院半导体研究所的 Ruiqiang Ji等人 在 OPTICS EXPRESS (Vol. 19, No. 21) 上发表的论文 "Five-port optical router for photonic networks-on-chip" 中利用微环谐振腔与两条平行波导或者两条垂 直 波导耦合形成 1x2开关单元， 拓扑来实现 5端口的光开关， 器件一共有 16个微环， 总尺寸只有 50X400 m ¹ , 3-dB 的光谱带宽为 38 GHz ₀ IBM 公司的 Joris Van

Campenhout等人在 OPTICS EXPRESS (Vol. 17, No. 26)上发表的论文 "Low power,

2X2 silicon electro-optic switch with 110 - nm bandwidth for broadband reconfigurable optical networks" 中提出用马赫 曾德尔干涉结构实现 2 X 2光开 关， 通过设计耦合器使得光开关的谱宽覆盖 110 nm, 开关串扰低于 -17 dB， 但是器 件尺寸只有 50X400 μπι ² 。美国康奈尔大学的 Hugo L. R. Lira等人在 OPTICS EXPRESS

(Vol. 17， No. 25) 上发表的论文 "Broadband hit less silicon electro-optic switch for on-chip optical networks" 中利用相互耦合的双环来实现开关单元， 实验证明光谱带宽为 60 GHz， 单元尺寸为 20 X 40 μ ηι。 美国麻省理工的 Mi chael R. Watts等人在 OPTICS EXPRESS ( Vol. 19, No. 22 )上发表的论文 " Vert i cal junction s i l icon mi crodi sk modu l ators and sw i tches " 中提出用微盘谐振腔来实现丌关单 元， 微盘的直径只有 3. 5 μ ηι。 综合比较已报道的方法， 基于马赫 曾德尔干涉结构的光开关光谱带宽最宽， 但 是器件尺寸较大， 而且在开关操作时需要调节 π的相位差， 功耗较大。 基于单个微 环或者微盘结构的光丌关， 器件尺寸小， 但 ώ于单个谐振结构的光谱带宽比较窄， 光谱响应不平坦， 增大带宽就会使得功耗变大。 基于双环结构的光开关， 可以实现 较大带宽的平顶开关响应， 但 ώ于需要精确控制两个环之间的耦合系数， 工艺容差 比较小。 因此， 提出一种器件尺寸较小， 光谱响应宽而平坦， 功耗较低， 工艺容差 较大的光开关十分重要。 发明内容 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足， 结合马赫-曾德尔干涉器和谐振腔 各自的优点， 提出一种尺寸小、 工作带宽大、 调节功耗低的基于双谐振腔耦合马赫- 曾德尔光开关结构。

为达到上述目的， 本发明的技术解决方案如下：

一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结� �， 包括：

一对输入波导， 用以将光波引导入马赫-曾德尔干涉仪中；

一前置耦合器， 该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接 ， 用以将一路光 分为两路光， 并分别进入到上千涉臂和下干涉臂中；

一后置耦合器， 将两路光合并为一路光， 并耦合到一对输出波导的某一条光波 导中；

一对输出波导， 该一对输出波导的一端与后置耦合器的输出端 连接， 用以将光 从马赫-曾德尔干涉仪输出；

上干涉臂， 该上干涉臂的两端分别与前置耦合器和后霄:� �合器连接， 提供构成 马赫-曾德尔干涉仪所需要的一条光路 ·'

下干涉臂， 该下干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦 合器连接， 提供构成 马赫-曾德尔千

涉仪所需要的另一条光路； 其特点在于，

一对光谐振腔， 该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下千涉臂耦 合。

所述的前置耦合器和后置耦合器是多模干涉耦 合器、 Y 分支分束器或定向耦合 器， 实现任意输入口进入， 均勾分光输出。 所述的上、 下干涉臂完全相等， 长度不影响丌关特性， 尽量减少臂长以减少器 件尺寸和工艺误差带来的臂不对称。

所述的一对光谐振腔， 是微环谐振腔、 微盘谐振腔、 跑道型谐振腔或者光子品 体谐振腔， 谐振腔与干涉臂处于过耦合状态， 增强 干涉臂的耦合可以增加关开关 的光谱带宽。

光信号从任意输入波导进入光开关中， 通过改变其中一个光谐振腔的折射率， 可以实现光信号从不同的输出波导输出； 利用一个输入波导实现 1 x2光开关， 利用 两个输入波导实现 2x2光开关。

光丌关是硅基集成光子器件， 其折射率的改变可以通过热光效应、 载流子色散 效应和非线性效应实现。

光开关是石英基或者氮化硅基集成光子器件， 其折射率的改变可以通过热光效 应实现。

作为开关单元， 通过不同的丌关拓扑结构， 可以实现多端口进， 多端口出的光 开关路由器， 用于光通信、 片上光网络等领域中。 与现有技术相比， 本发明的有益效果是：

改变上、 下两个干涉臂的相位相位差从 0 到 π , 从而实现光信号从不同输出端 口输出。

两个谐振腔分别与干涉臂耦合， 并且处于过耦合状态 （幅度直通系数 τ小于损耗 系数 a)， 光信号在谐振波长附近相位变化剧烈。

通过改变其中一个谐振腔的折射率， 可以用较小的折射率差实现 IT相位的改变， 从而实现光丌关功能。

相对于传统的 1 x2或者 2x2光开关单元， 本发明光丌关功耗较低、 器件尺寸较 小、 光谱响应较宽而平坦。 附图说明

图 1为本发明基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光丌� ��结构示意图。 图 2为实施例 1基于双微环谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结� ��示意图。

图 3为实施例 2基于双微盘谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结� ��示意图。

图 4为实施例 3基于双跑道型谐振耦合马赫-曾德尔光丌关结� ��示意图。

图 5为实施例 4基于双光子品体谐振腔耦合马赫-曾德尔光开� ��结构示意图。 图 6为谐振腔在不同折射率变化下的（a)相位响应 和（b)光谱响应图。

图 7 为基于双跑道耦合马赫 曾德尔光丌关 (a)直通端和（b)交叉端在不同折射 率变化下的光谱响应图。 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一歩阐述 ， 但不应以此限制本发明的保护 范围。

请先参阅图 1， 图 1为本发明基于双谐振腔耦合马赫 -曾德尔光开关的结构示意 图， 如图 1所示， 一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结� �， 包括：

一对输入波导 1， 2 , 用以将光波引导入马赫-曾德尔干涉仪中；

一前置耦合器 3， 该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接 ， 用以将一路 光分为两路光， 并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中；

一后置耦合器 6， 将两路光合并为一路光， 并耦合到一对输出波导的某一条光 波导中；

一对输出波导 7， 8， 该一对输出波导的一端与后置耦合器的输出端 连接， 用以 将光从马赫 曾德尔干涉仪输出；

上干涉臂 4， 该上干涉臂的两端分别与前置耦合器和后置耦 合器连接， 提供构 成马赫 曾德尔干涉仪所需要的一条光路；

下干涉臂 5， 该下干涉臂的两端分别与 '置瑀合器和后置耦合器连接， 提供构 成马赫-曾德尔干

涉仪所需要的另一条光路：

一对光谐振腔 41， 51， 该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下干涉臂耦 合。 前置耦合器 3是多模干涉耦合器、 Y分支分束器或定向耦合器， 实现任意输入口 进入， 均匀分光输出-, 上干涉臂 4和下干涉臂 5的长度一样， 长度不影响丌关特性， 尽量减少臂长以减少 器件尺寸和工艺误差， 一般可以设计 10 μ π! 量级；

一对光谐振腔 41， 51， 该上光谐振腔 41与上干涉臂 4耦合， 下光谐振腔 51与 下干涉臂耦合， 光谐振腔 41和 51是微环谐振腔、 微盘谐振腔、 跑道型谐振腔或光 子晶体谐振腔， 两个谐振腔的尺寸完全一致；

图 2为实施例 1基于双微环谐振腔耦合马赫-曾德尔光幵关结� ��示意图， 图 3为 实施例 2基于双微盘谐振腔耦合马赫-曾德尔光丌关结� ��小意图， 图 4为实施例 3基 于双跑道型谐振耦合马赫-曾德尔光开关结构� �意图， 图 5为实施例 4基于双光子晶 体谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构示意图� � 本发明光丌关可以通过硅基、石英基 或者氮化硅基材料实现， 通过热光效应或者硅基中的载流子色散效应、 非线性效应 来调节其中一个谐振腔的折射率， 或者同时朝不同方向调节两个谐振腔的折射率 。 在丌关关闭状态， 上、 下两干涉臂的相位差为 0， 光信号进入光丌关后从交叉端输 出， 直通端的光强为 0。 当改变一个谐振腔的折射率， 其光谱的相位响应发生移动， 如图 6 (a)所示， 光在 1551. 34 nm波长附近相位变化剧烈, 通过较小的折射率改变， 则可以实现相位差 I的变化， 两个臂干涉相减， 实现了丌关反转， 光信号就从直通 端输出。 图 6 (b)为谐振腔在不同折射率变化下的光谱响应， 当发生开关反转时， 光 信号在上、 下两个谐振腔的幅度相等。 图 7 (a)和（b)为光丌关直通端和交叉端在改 变不同折射率下的光谱响应， 信号加载到 1551. :M nm波！^上， 本发明光丌关处于 关闭状态， 折射率变化为 0， 直通端的响应为 0， 交叉端的响应接近 1 ; 当开关开启 后， 直通端的输出接近 1， 而交叉端的响应为 0 实施例

以图 2基于双微环耦合马赫 曾德尔光丌关为实施例， 硅基为器件材料， 前置耦 合器 3和后置耦合器 6为多模千涉耦合器。 图 2中微环谐振腔 41和 51的半径都为 10 u rn, 在 41上制作金属热电阻， 利用热光效应改变该环的折射率实现开关作用 。 考虑到实际工艺会带来损耗， 假定总损耗为 3 dB/cm, 转化为微环 41、 51的损耗因 子 a为 0. 9978。 微环 41、 51与干涉臂的幅度直通系数 τ都为 0. 94 , 对应幅度耦合系 数 为 0. 3412。 对微环 41 进行加热升温， 改变折射率。 图 5 (a)和（b)所示为微环 41在不同折射率改变下的相位响应图和光谱响� ��图。 假定信号加载在 1551. 34 nm， 当折射率变化为 4. 85x 10— '时， 相位改变 π， 幅度则和初始状态一样。 对于马赫-曾 德尔干涉结构， 即为干涉相减， 就实现了开关反转。 图 7 (a)和（b)分别为本发明基 于双微环耦合马赫-曾德尔光丌关直通端和交� �端在微环 41 不同折射率改变下的光 谱响应。 初始状态光信号从交叉端输出， 直通端的输出为 0， 直通端输出不为 1 是 由于微环损耗造成。 改变微环 41的折射率， 直通端的输出光强逐渐增加， 交叉端的 输出光强则减少。 折射率变化为 4. 85x 10—'时， 交叉端的输出为 0， 光信号全部从 直通端输出，实现了丌关反转。从图中 以看到， 丌关的 3 dB带宽为 3 GHz (0. 425 nm) ,光谱响应也较为平坦。 实现更大的 3-dB带宽， 只需要增加谐振腔 41和 51与干 涉臂的耦合强度。

以上所述， 仅为本发明中的具体实施方式和实施例， 但本发明的保护范围并不 局限于此， 任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范 1 内， 可轻易想到的变换 或替换， 都应涵盖在本发明的包含范围之内。 因此， 本发明的保护范围应该以权力 要求书的保护范围为准。