1.4 Y分叉型电光开关

MZI型电光开关和定向耦合器电光开关是利用光波的干涉和耦合等性质来实现开关功能的，属于模拟光开关。模拟光开关的显著特点是开关特性随着外加电压呈周期变化，所以要求精确控制开关电压。与模拟光开关不同，数字光开关对外加电压呈阶跃式响应，具有对波长、偏振态和温度等一些影响开关特性的物理参数不敏感的优点。由于数字光开关属于双稳态光开关，当开关电压达到一定值时，开关达到稳定状态；随着开关电压的继续增加，光也只从一个端口输出，而不会像干涉型器件那样周期性地在两个端口交替输出。这种开关特性有利于器件驱动电路的设计，不需要精确的驱动电压控制电路，易于大规模集成。总之，数字光开关具有串扰小、消光比大、插入损耗低、驱动电压小、偏振无关性和无周期性等优点，是未来光开关器件的选择之一。用于制作数字光开关的材料有LiNbO3、InP、氧化硅和聚合物等。

平面波导的数字电光开关同样利用电光效应来改变材料的有效折射率，实现开关的功能。其结构形式也多种多样，如对称Y分叉结构、非对称Y分叉结构，对称X结构、非对称X结构等。在阐述Y分叉型电光开关的工作原理前，首先简要介绍Y分叉平面波导的传输特性。

Y分叉波导的一般结构如图1-9所示，它具有一个输入波导和两个输出波导。理论分析表明，Y分叉波导结构具有将其中传输的光波模式分离或功率分离的作用。当一个光波模式入射到Y分叉波导中，分叉输出波导中将有模式输出，输出的模式将选择有效折射率与输入波导的有效折射率相近的一个分支输出波导传输，遵循“传播常数最接近”原则。当两个输出分叉波导完全对称时，两输出分支的同一阶导模具有完全相同的传播常数，输入分支波导中的导模将其功率平均分给两个输出分支波导的同一阶模。这时，相互转换的输入分支和两输出分支的导模阶数之间有如下的关系：

其中，Nin，N1和N2分别为输入和两个输出分支中导模的模阶数。

当两个分支波导在结构上不对称时，分支波导中的导模转换和分离也遵循传播常数最接近原则，输入波导中的导模只能转换到传播常数与之最接近的那个输出波导，由此可以确定转换后的模式阶数。

理论分析指出，Y分叉波导工作状态与其模式转换因子相关（MCF）：

其中，θ为Y分叉的半角，Δβ=β1−β2为分叉两端波导的传播常数之差。

当MCF≪0.43时，发生模式转换，Y分叉器件表现为功分器，输入光功率平均分配到每个分叉，如图1-10（a）所示。

当MCF≫0.43时，模式转换不发生，Y分叉表现为一个模式分离器，相当于一个光开关。依据传播常数最接近原则，光波模式选择有效折射率与输入波导中有效折射率相近的一个分叉波导输出，如图1-10（b）所示。

Y分叉数字光开关一般都由输入/输出单模波导、线性Y分支波导和开关电极构成。Y分叉数字光开关的工作原理：在MCF≫0.43的情况下，当没有外加开关电压时，分支波导臂在结构上是对称的，在光波导的分叉处，光波被等量地均分到两分支波导臂中，因此其作用就像一个功分器，输入光被均匀地送到两输出端。当有外加电压作用时，由于电光效应的作用，两分支波导臂的等效折射率变得不对称，这时Y分叉波导就像非对称Y分叉模式分离器，输入光波基模能量耦合到等效折射率明显增加的波导臂中，一次模耦合到等效折射率减小的波导臂中。若波导折射率改变量进一步增加，由这种模式演变引起的光波导向作用就会更加明显。如图1-11所示。

串扰是大规模光互联网络中的关键问题。在这种器件中，产生串扰的因素有两个，一个是模式耦合；另一个是波导末端基模的场分布。在波导的末端，波导间距大，相对于基模，一次模的绝大部分能量在折射率变小的波导中。因此假如模式耦合效应将基模的能量转移给一次模并输出能量，则产生串扰。模式耦合效应可能发生在以下两个区域：一个在靠近分支波分叉点的电极边缘，在该处折射率突然变的不均匀；一个在沿传输方向的分叉波导区域中，由于波导的形状改变而引起模式耦合。因此，在Y分叉数字光开关中，开关电极的位置对于Y分叉数字光开关有着重要影响。

Y分叉光开关分支波导的弧度和分支角对光开关影响较大，有两种弯曲波导，如图1-12所示，其中类型Ⅰ是介于直线型与对数形状之间的一种形状；类型Ⅱ是由直线与对数形状组合的一种形状。曲波导Y分叉光开关相对于直波导Y分叉光开关，在开关电压、串扰和分叉角等方面有很大的改善，当达到−15 dB串扰时，类型Ⅰ和类型Ⅱ的开关电压比直波导型降低了20%。

为了进一步的减小串扰和开关电压，提出一种Y分叉Dilated Shaped DOS结构，如图1-13所示。它是由3个Shaped Y分叉数字光开关组成，由Ti:LiNbO3波导制成。与传统的Y分叉数字光开关相比，Dilated Shaped DOS大大降低了开关串扰，当开关电压为9 V时，Dilated Shaped DOS开关串扰可达45 dB左右，是传统Y分叉DOS的3倍以上。但此器件的缺点也是显然的，制作结构复杂，长度长约为60mm。但考虑到性能的提高，这些条件是可以接受的，毕竟开关的性能是最重要。

在数字光开关中，开关特性主要由沿传播方向的两分支波导间的耦合决定。通常两波导的耦合关系用耦合方程K[z]表示：

其中，d[z]为两分支波导间距，r3是波导衰减值，K0是耦合常数。由式（1-36）可见，在d[z]很小时，即在靠近分叉点处，两波导间耦合很强，为强耦合区。如果在强耦合区对光波进行控制会有效地提高开关的性能，因此，在制作开关电极时，希望电极距分叉点越近越好。但传统的Z切LiNbO3波导Y分叉数字光开关如图1-14（a）所示，两对电极的长度和宽度是对称的。由于制作工艺的限制，电极E2和E3的边缘间距（h）不可能做得很小，一般电极最小间距约为1.5～2 μm之间，这样电极距分叉点就较远，理论分析表明，传统结构的这种器件，在Y分叉波导的强耦合区电极不能对波导进行有效调制。

综合以上分析，为了在强耦合区和分叉过渡区加强电极的作用，提出非对称电极设计，如图1-14（b）所示。两对电极不再对称，其中一边电极（E1和E2）延伸到分叉的顶端，在波导的过度区就对Y分叉波导进行作用。

除了利用以上的常规的Y分支结构设计的光开关外，也有人利用两个绝热耦合臂代替传统的分支结构制作成的电光型的聚合物数字光开关，结构形式如图1-15所示，从结构形式上，这种结构组成的光开关，使得电极能够更加靠近分叉起始点，这样就使得开关效果更加明显，降低驱动电压。结果表明，这种器件具有制作简单、开关电压低等优点，当开关电压为5.9～6.4 V时消光比超过20 dB。

X结耦合器由两个背靠背Y分叉组成。我们知道，对称和非对称分别具有功率分离和模式分离的作用。X结耦合器由两个对称与非对称Y分叉构成。对于不同的输入形式，X结耦合器有8种不同的输出结果，X结电光开关可在X结耦合器的基础上，通过加电极控制其输出来实现。