波分复用光学开关制造技术

本发明专利技术提供一种消耗更少功率，高速响应性极好，并且具有适合于小型化和多通道切换的结构的光学开关。该光学开关将多个输入信号切换到多个输出位置，其中一具有层叠有与输入部分数量相同的非线性光学层和缓冲层的叠层结构，与输入部分和输出部分之间的光路相交。通过提供使用非线性光学薄膜的叠层结构，本发明专利技术可获得高速响应性极好，并且适用于对大量信息进行切换的小矩阵光学开关。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种光学开关，尤其是一种对输入光的输出进行控制的光学开关。信息社会的进一步发展，涉及到建立一套光通信系统，该系统能实现大容量信息的高速传输。目前，已经开发了波分复用(WDM)通信系统，以进一步提高网络的传输速度。更快的光通信系统所必需的一种设备是光信息切换装置。在每个中继点，传统的光信息开关系统需要一将光信息转变成电信息的光电变换器，和一将电信息反过来转变成光信息的电光变换器。随着中继点数量的增多，光电变换器和电光变换器的总能量消耗增加，而且切换速度降低。因此，最好使用能直接进行光信息切换的光学开关，以构建更快的光通信系统。在2000年1月29日出版的“Nikkei Electronics”，No.8中披露了这种类型的光学开关，迄今为止已经研究过机械型光学开关、平面光波导光学开关、反射镜型光学开关、气泡型光学开关等。然而，由于传统光学开关的切换时间需要数毫秒，故难于应付未来光通信系统更大的容量和更高的速度。而且，传统光切换系统需要高电力驱动力来进行切换，并且需要消耗更高的能量。如日本专利公开No.平11-337988中所披露的，提出了一种使用非线性光学材料来获得高速响应的光学开关。在日本专利公开No.平11-337988中所披露的光学开关，设置有两个非线性光学元件，并通过两束不同的控制光来控制切换；因而，该装置的总尺寸较大。因此，用于多通道切换的光学开关难于小型化。另外，由于折射率变化范围极小，故要产生约2％的折射率改变，所需的激光能量高达大约5至50MW/cm2，并且整个装置的能量消耗增加。专利技术概述鉴于以上所述做出了本专利技术，本专利技术提供一种光学开关，它消耗更少的功率，具有极好的高速响应，并具有适合于小型化和多通道切换的结构。为了解决上述问题，根据本专利技术提供一种光学开关，其将多个输入信号切换到多个输出位置，其中一层叠有与输入部分的数量相同的非线性光学层和缓冲层的叠层结构与输入部分和输出部分之间的光路相交。附图的简要说明附图说明图1为说明根据本专利技术的光学开关的一个实例的示意图；图2说明根据本专利技术的光学开关的制造方法的一个实例；图3为说明根据本专利技术的面发射激光器一个实例的示意图；图4为说明根据本专利技术的光学开关的一个实例的示意图；图5说明折射率和输出光强度之间的关系，它依赖于TiO2的含量；图6说明用于测量本专利技术光学开关的光学特性的测量系统的一个实例；图7说明当用激发光照射一非线性光学薄膜时，激光功率与折射率之间的关系；图8说明当用激发光照射非线性光学材料时，激光功率与折射率的时效特性(aging characteristics)；图9说明对于每一种非线性光学材料，折射率、折射率改变、切换性和响应速度的实例；图10说明以ZnO含量为依据的成分百分比，平均颗粒直径，折射率改变和切换特性；图11是根据本专利技术使用电场作为外场的第二实施例的示意图。最佳实施例的详细描述将参照图1至图11描述本专利技术的光学开关的最佳实施例。图1是说明一多通道光学开关的结构的透视图。第一实施例的多通道光学开关包括一叠层结构，一支撑基板3和一面发射激光器4，其叠层结构中缓冲层或基底1和非线性光学层或非线性光学薄膜2交替层叠到16层。面发射激光器4可以设置在叠层结构与支撑基板之间的任何一个位置，或者设置在叠层结构的两侧和每个支撑基板之间。面发射激光器中发射点的位置可以规则或不规则地排列。在面发射激光器设置在叠层结构的两侧的情形中，发射位置可以处在同一位置，或者呈网筛状分布而不相互重叠。层数不必限制为16层，可由开关装置的设计条件或切换装置所使用的电路来决定，例如输入信号光的数目或输出信号光的数目。数字符号5表示光纤，它可以预先设置成哪根光纤作为输入信号光的输入部分，或者哪根光纤作为输出信号光的输出部分。另外，可以不对光纤进行预先设置。光学开关接收任何方向的信号光，将其输出到相对一侧，或者将它折射输出，从而完成切换操作。将参照图2解释该结构的制造方法。(A)通过RF溅射方法，在10mm×10mm×0.3mm(厚)的硅基片上形成50nm的氧化物薄膜。(B)在下面的条件下形成该氧化物薄膜(1)氧化物薄膜的成分用95∶3∶2重量百分比的Co3O4，SiO2，TiO2制成复合氧化物。(2)溅射气体Ar+20％O2，5毫托。(3)靶子6英寸大小。(C)准备16片由工艺(A)制成的硅基片。以薄膜各自层叠在基片上面的方式层叠基板和薄膜，并将不带薄膜的硅基片叠放在该叠层的基片最上面的表面上。(D)对该叠层的基片的两侧进行处理，以形成图中所示的角度(例如50°)。(E)将粘合剂涂覆在处理后的叠层的基片的两侧面上，并将熔融石英基板粘结在叠层的基片的两侧，作为该叠层的基片的支撑基板。选择环氧树脂作为粘合剂。将熔融石英基板加成5mm×5mm×3mm大小，在粘结之后，通过抛光，使垂直厚度为0.1mm。(F)利用粘合剂将光纤连接到薄膜面上，一16芯光纤阵列可与基板的每一层相连。与上面一样，使用环氧树脂作为粘合剂；不过，可以使用光学粘合剂，然后用UV进行固化。(G)将面发射激光器安装在垂直于该叠层结构的信号光所通过的表面的位置，即，使激光束能够照射在叠层结构非线性光学层的特定位置上的位置。面发射激光器采用1200nm的波长。图3说明由面发射激光器发射激发光的方法。在图3中，符号22表示面发射激光器。利用从面发射激光器输出的光照射信号光的支化点。面发射激光器发光，使光朝向待支化的方向传播。根据写入信号光中的开关信息，控制面发射激光器的发光时间。使输入光从a入射在由上述方法制成的光学开关上。该输入光的波长设置为1550nm，它是通信光波长。现在将用图4，即图1的简化说明解释照射机制。当没有被面发射激光器照射的区域时，输出光离开原来射到b。当用强度为0.3MW/cm2的面发射激光器照射图4中的点A时，输出光从点a变换到点b，证明实现了切换。此时测量的响应速度为11纳秒那样快。当面发射激光器的强度增加到0.5MW/cm2时，也观察到切换现象，响应速度增加到1.2皮秒，证明是非常快的。可能是因为激发光的强度增大了折射率的改变，而产生这种现象。然后，将面发射激光器照射的位置从点A改变到点B。结果，输出光从点b变到点c。此时的响应速度与上面的情形相同，为1.1皮秒那样快。这证明改变照射位置能实现到不同方向的切换。此处所使用的支撑基板是折射率为1.5的熔融石英基板。另一方面，将TiO2加到这种基板的成分中，从而将折射率从1.5改变到1.7。图5表示出结果。从左边的列开始，该表格表示出TiO2的含量，支撑基板的折射率和输出光强度。可以发现，当TiO2的含量超过30％重量百分比时，输出光强急剧降低到10％或更低。这种现象的发生可能是由于支撑基板的折射率超过1.6这一事实，使得部分光泄漏到支撑基板中，从而减小了输出光强。下面，将叠层的基片的处理角度变为60°，这是一种可以想到的处理。结果，在用50°或更大角度处理的基片中检测到输出光。这一结果表明，除非用50°或更大的角度处理叠层的基片，否则不能制造反射一透射型开关。还研究了当改变非线性光学薄膜的材料时，其特性的改变。在图6中表示出测量系统。此处，为了检测每种材料的折射率和其响应，制备其中仅将非线性光学薄膜2形成在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学开关：其中，在输入的光信号被输出期间，一具有非线性光学层和缓冲层交替层叠的叠层结构设置在与输入的光信号通过的光路相交；从垂直于光路的方向将一外场施加给非线性光学层的特定区域，从而对施加有外场的非线性光学层的特定区域处的输入光信号 产生折射；输入光信号沿光信号被折射的方向输出；并且在没有施加外场时输入的信号光直线传播，输出和输出光信号；从而进行光学切换。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：本田光利，沢井裕一，石川敬郎，内藤孝，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]