一种全光控制光开关
阅读：543发布：2024-01-05
专利汇可以提供一种全光控制光开关专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及光 电子 器件的一种全光控制光 开关 ，用于解决现有光无源器件在全光高速网络光分叉复用系统和光交叉互连系统响应速度不够，或室温下不能正常工作的问题。本发明包括位于底座平台上的多 量子点 层布拉格结构 半导体 光学元件、控制光光纤 准直 器 、起偏器、 信号 光光纤 准直器 和检偏器，多量子点层光学元件由衬底上 外延 生长 的N个布拉格结构复合层构成，每个复合层均由量子点层和垒层组成。本发明可实现超快开关动作，开关 对比度 较大，插入损耗较小，饱和 泵 浦功率低，开关响应 波长 在光通讯波段，具有室温响应特性，性能可靠，工作寿命长，可应用于光分叉复用系统和光交叉互连系统，直接在光层实现巨大流量信号的传输与路由。，下面是一种全光控制光开关专利的具体信息内容。
1.一种全光控制光开关，包括位于底座平台上的核心半导体光学元件、控制光光纤准直器、起偏器、信号光光纤准直器和检偏器；其特征在于，所述的核心半导体光学元件为多量子点层光学元件，所述多量子点层光学元件包括衬底、衬底上外延生长的量子点层和垒层，所述量子点层和垒层相互连续排列，相邻的单个量子点层和垒层的厚度之和为一个布拉格周期厚度；所述量子点层和垒层的总厚度满足使得入射信号光经过所述多量子点层光学元件在通讯波段形成高反射率光谱带。
2.如权利要求1的一种全光控制光开关，其特征在于，所述起偏器和所述控制光光纤准直器依次位于控制光路上，控制光路与多量子点层光学元件输入面垂直；入射的信号光以一定夹角入射至核心半导体光学元件表面，所述检偏器位于所述多量子点层光学元件对于信号光产生的反射光路上，且检偏器偏振方向与起偏器偏振方向平行。
3.如权利要求1或2所述的一种全光控制光开关，其特征在于，所述量子点层为在磷化铟材料上生长砷化铟量子点，垒层由生长的磷化铟构成。
4.如权利要求1或2所述的一种全光控制光开关，其特征在于，所述量子点层为在砷化镓上生长的砷化铟量子点，垒层由生长的砷化镓构成。
一种全光控制光开关
技术领域
背景技术
[0002] 目前，按照不同开关原理，光开关可以分为机械光开关、微机电系统(MEMS)光开关、热光开关、液晶光开关等。这些光开关的开关速率最高处于ms量级。其中，微机电系统(MEMS)光开关由于集成度高，损耗小，串扰低及高消光比等优点，被广泛的应用于各种骨干网与大型交换网的解决方案中。但是按照下一代网络光分组交换的标准，这种开关无法实现其开关时间达到ns量级的要求，而通信网络的全光处理进程势在必行，这是通信承载业务的多样性与数据量的海量性决定的。网络的IP化与光分组交换就对传统的光网络节点处的交换单元提出了挑战。同时，光波分复用、时分复用技术的引入，Tbit/s量级的通信容量都对交换时间在ms量级的传统光开关有了新的要求。研究新的工作机理以提高交换速率的全光开关成为相关领域研究的热点问题。
[0003] 近年来，一维光子晶体(1DPC)结构下的全光开关得到了广泛的研究，尤其集中在以量子阱为有源区的一维光子晶体。如2002年美国Iowa大学的John P.Prineas教授，在论文《Ultrafast ac stark effect switching of the active photonic band gap fromBragg-periodic semiconductor quantum wells》(Applied Physics Letters，81(23)：4332~4334)中，根据布拉格间隔的量子阱与光耦合的超辐射理论，利用泵浦-探测技术，研究了铟镓砷(InGaAs)/砷化镓(GaAs)多量子阱形成的有源光子带隙的动态变化，提出了基于光学斯塔克效应的快速光开关，这种光开关具有ps量级的开关时间。2005年，Iowa大学的W.J.Johnston等人在文献《All-optical spin-dependent polarization switchingin Bragg-spaced quantum well structures》(Applied Physics Letters，
87(10)：101113-1~101113-3)中，提到利用In0.04Ga0.9As/GaAs生长出了多量子阱布拉格结
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构，在80K温度下，得到光学带宽0.6THz，对比度30dB，开关泵浦功率密度8μJ/cm，1ps响应时间。极大的降低了泵浦功率，提高了对比度。但室温下该光开关工作所依赖的阱内激子较大概率地被电离且激子辐射效应大幅减弱，使得室温下无法实现开关工作。
87(10)：101113-1~101113-3)中，提到利用In0.04Ga0.9As/GaAs生长出了多量子阱布拉格结
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构，在80K温度下，得到光学带宽0.6THz，对比度30dB，开关泵浦功率密度8μJ/cm，1ps响应时间。极大的降低了泵浦功率，提高了对比度。但室温下该光开关工作所依赖的阱内激子较大概率地被电离且激子辐射效应大幅减弱，使得室温下无法实现开关工作。
[0004] 在共振光子晶体中，砷化镓(GaAs)材料为衬底生长的砷化铟(InAs)量子点材料是现在普遍研究并具有一定技术成熟性。利用高温退火、改变浸润层组分等方法，产生限制层与量子点间的不匹配，可以实现砷化铟(InAs)量子点的1.3μm、1.4μm和1.5μm的激子发光。而以磷化铟(InP)材料为衬底的砷化铟(InAs)量子点层材料，在1.55μm通信波段具有宽带放大、高饱和输出功率和超快的响应，也引起了研究者极大的兴趣。
[0005] 量子点材料用作光开关，由于对载流子的限制作用较量子阱更加明显，具有较低的饱和能量密度，非线性光学特性显著增强；同时，光子晶体对其中传输光具有特殊限制作用，并且其材料、结构、体积等方面具有优越性；2004年由日本学者H.Nakamura等人在文献《Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonicnetworks》(Optical Express，12(26)：6606~6614)中，将现有的光子晶体与量子点材料在马赫泽德结构中相结合，利用光控光技术，实现了基于光子晶体的马赫泽德结构全光开关。这种光开关利用载流子浓度的变化引起马赫泽德两臂上折射率的改变以及两臂光场相位改变从而实现开关功能。这种开关的速率可以达到40Gbit/s，但是这种开关两臂上的载流子恢复时间无法再次缩短，并且在二维光子晶体中，工艺等问题仍然无法达到完全可靠的程度，与光纤的耦合存在较大损耗，因此，这种全光开关使用到光通信上，仍具有一定的局限性。
发明内容
[0008] 所述的核心半导体光学元件为多量子点层光学元件，所述多量子点层光学元件包括衬底、衬底上外延生长的量子点层和垒层，所述量子点层和垒层相互连续排列，相邻的单个量子点层和垒层的厚度之和为一个布拉格周期厚度；所述量子点层和垒层的总厚度满足使得入射信号光经过所述多量子点层光学元件在通讯波段形成高反射率光谱带。
[0009] 所述起偏器和所述控制光光纤准直器依次位于控制光路上，控制光路与多量子点层光学元件输入面垂直；入射的信号光以一定夹角入射至核心半导体光学元件表面，并且信号光路与控制光路相交，所述检偏器位于信号光关于多量子点层光学元件的反射光路上，且检偏器偏振方向与起偏器偏振方向平行。
[0010] 所述多量子点层光学元件的量子点层为在磷化铟(InP)材料上生长砷化铟(InAs)量子点，或者在砷化镓(GaAs)材料上生长砷化铟(InAs)量子点，量子点层厚度和垒层厚度之和为一个布拉格周期厚度，一个布拉格周期厚度等于量子点层内量子点重空穴激子共振波长的一半。
[0011] 本发明的核心光学元件为多量子点层光学元件，是一维光子晶体结构，通过超辐射模的快速辐射衰减及非共振泵浦激发下光学斯塔克效应对有源光子能带结构的作用，产生量子点内激子的“虚激发”，能级跃迁由泵浦光脉冲时间决定，因此可以实现超快的开关动作。同时具有室温下的响应特性，性能可靠，工作寿命长，可应用于光分叉复用(OADM)系统和光交叉互连(OXC)系统，直接在光层实现巨大流量信号的传输与路由，满足交换节点对网间光信号的上载与下载。附图说明
[0012] 图1为本发明结构示意图。
[0013] 图2为本发明中多量子点层光学元件结构示意图。
[0014] 图3为多量子点层光学元件中单个周期的砷化铟(InAs)/磷化铟(InP)量子点层侧面示意图。
具体实施方式
[0015] 以下结合附图对本发明进一步说明。
[0016] 如图1所示，本发明包括位于底座平台上的多量子点层光学元件、控制光光纤准直器、起偏器、信号光光纤准直器和检偏器。
[0017] 图1中，1为多量子点层光学元件，2为信号光光纤准直器，3为控制光光纤准直器，4为起偏器，5为检偏器，6为信号光路，7为控制光路，8为输出光路。
[0018] 多量子点层光学元件自身对入射信号光的两个圆偏振分量具有相同的吸收系数，因此两束圆偏振光通过多量子点层光学元件后具有相同的光程以及相同的光场振幅，反射出多量子点层光学元件时，合并后的偏振光仍为线偏振，且与入射时的偏振方向保持一致。由于检偏器方向平行于此偏振方向，则探测器可全部检测到反射出来的信号光，此时开关处于开状态；当右旋圆偏振的控制光照射在多量子点层光学元件上时，由于光学斯塔克效应，激子共振峰出现蓝移，致使量子点层的一维光子晶体禁带塌陷，而信号光中的左旋圆偏振分量在多量子点层光学元件中几乎不受影响，因此，信号光中两个圆偏振态经过多量子点层光学元件反射后，由于吸收系数的不同，导致出射光中两分量的光场振幅不同，同时折射率的差异产生相位差(Kramers-Kronig关系)，所以出射的信号光出现偏振态的瞬态旋转与椭圆化。另外，控制光使得多量子点层光学元件的布拉格周期结构遭到破坏，增反特性失效，反射的光强很小，且检偏器方向与出射光偏振方向不一致，二者共同导致信号光通过检偏器后光强十分微弱，这时可以判定为开关处于关状态。由于开关动作的机理是光学斯塔克效应引起的激子虚激发，因此开关的响应时间存在于控制光的时延展宽范围之内，具有ps量级开关时间。
[0019] 如图2所示，为发明中多量子点层光学元件结构示意图。其中，若多量子点层光学元件材料为砷化铟(InAs)/磷化铟(InP)，则9为磷化铟(InP)衬底，10为砷化铟(InAs)/磷化铟(InP)量子点层，11为磷化铟(InP)垒层；若多量子点层光学元件材料为砷化铟(InAs)/砷化镓(GaAs)，则9为砷化镓(GaAs)衬底，10为砷化铟(InAs)/砷化镓(GaAs)量子点层，11为砷化镓(GaAs)垒层；12中点线表示由量子点层与垒层的复合层结构为多层，13表示量子点层厚度，14表示垒层厚度，量子点层厚度和垒层厚度之和为一个布拉格周期厚度，一个布拉格周期厚度等于量子点层内量子点重空穴激子波长的一半。按图示实施例中多量子点层光学元件由衬底上外延生长的200个布拉格周期复合层构成，每个复合层的结构完全相同，均由量子点层和垒层组成，量子点层为在磷化铟(InP)材料上生长砷化铟(InAs)量子点，量子点层厚度dd为8nm；垒层材料为磷化铟(InP)，垒层厚度db＝226nm，衬底材料为磷化铟(InP)，衬底厚度200nm。以磷化铟(InP)材料上生长砷化铟(InAs)量子点开关为例，开关的对比度较大，约为32dB；插入损耗较小为21dB，饱和控制光功率低，约
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10MW/cm，开关的响应波长在1.5μm通讯波段。
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10MW/cm，开关的响应波长在1.5μm通讯波段。
[0020] 由于量子点层层间间隔较宽，各量子点层中量子点内的激子之间只能通过激子辐射复合光发生耦合作用而无库伦互作用。布拉格间隔使各量子点层的光耦合呈现相干加强的作用，使量子点层内激子的辐射复合寿命与整体结构的周期数N成反比，周期数N越多，辐射复合时间越短于激子单独存在时的时间，形成超辐射效应。
[0021] 图3是多量子点层光学元件中单个周期的量子点层侧面示意图，按照图2所述实施例，图3依然以砷化铟(InAs)/磷化铟(InP)材料为例说明。其中16为外延生长的磷化铟(InP)衬底，17为在外延生长的磷化铟(InP)层中利用外延工艺自组织生长的砷化铟(InAs)量子点，从而形成多量子点层有源区，18为外延生长的磷化铟(InP)垒层。砷化铟(InAs)/磷化铟(InP)量子点材料层作为光开光的有源层。在量子点层内，入射光场激发点内激子辐射复合发光可以认为是光场与每一单独量子点内激子作用的统计相加，点层整体受激辐射是单一点受激辐射的叠加，所以在布拉格间隔的量子点层之间，层与层的耦合只是各层间受激辐射光的耦合，仍然存在量子点辐射复合光的超辐射效应。量子点群整体辐射复合产生的光，互相耦合，且由于布拉格结构的增反特性，使入射光在频谱带内产生高反区，从光子晶体的角度，认为形成了光子晶体的禁带。这一禁带与结构周期及有源区量子点层的激子频率有关，因此，当改变点层内激子的频率时，光子禁带发生塌陷或漂移，入射光的反射率于是改变，从而可以构成反射式全光开关。
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