Abstract

We report on an experimental 3×3 thermo-optical switch on silicon on insulator. By controlling a single combined phase shifter, light from any input waveguide can be directed to any output waveguide, showing a simple control method and highly integrated structure as compared to the conventional multiway optical switches. Furthermore, the proposed optical switch can be generalized to be a 1×N and N×N optical switch without an extra phase shifter. The switch is fabricated by complementary metal oxide semiconductor technology. By experiment, full 3×3 switching functionality is demonstrated at a wavelength of 1.55 μm, with an average cross talk of 11.1dB and a power consumption of 97.5 mW.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
    [CrossRef]
  2. T. Barwicz, H. Byun, F. Gan, C. W. Holzwarth, M. A. Popovic, P. T. Rakich, M. R. Watts, E. P. Ippen, F. X. Kärtner, H. I. Smith, J. S. Orcutt, R. J. Ram, V. Stojanovic, O. O. Olubuyide, J. L. Hoyt, S. Spector, M. Geis, M. Grein, T. Lyszczarz, and J. U. Yoon, J. Opt. Netw. 6, 63 (2007).
    [CrossRef]
  3. M. Lipson, Nanotechnology 15, S622 (2004).
    [CrossRef]
  4. R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
    [CrossRef]
  5. T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
    [CrossRef]
  6. I. M. Soganci, T. Tanemura, and Y. Nakano, IEEE Photon. J. 1, 80 (2009).
    [CrossRef]
  7. S. Tomofuji, S. Matsuo, T. Kakitsuka, and K. Kitayama, Opt. Express 17, 23380 (2009).
    [CrossRef]
  8. I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
    [CrossRef]
  9. K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
    [CrossRef]
  10. T. Chu, H. Yamada, S. Ishida, and Y. Arakawa, Opt. Express 13, 10109 (2005).
    [CrossRef]
  11. M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, Appl. Opt. 33, 3905 (1994).
    [CrossRef]
  12. M. R. Paiam and R. I. Macdonald, Appl. Opt. 36, 5097 (1997).
    [CrossRef]
  13. H. F. Zhou, W. J. Wang, J. Y. Yang, M. H. Wang, and X. Q. Jiang, Appl. Opt. 50, 2299 (2011).
    [CrossRef]
  14. L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, J. Lightwave Techn. 13, 615 (1995).
    [CrossRef]
  15. P. Dong, W. Qian, H. Liang, R. Shafiiha, D. Feng, G. Li, J. E. Cunningham, A. V. Krishnamoorthy, and M. Asghari, Opt. Express 18, 20298 (2010).
    [CrossRef]
  16. M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
    [CrossRef]
  17. R. Ding, T. Baehr-Jones, Y. Liu, R. Bojko, J. Witzens, S. Huang, J. Luo, S. Benight, P. Sullivan, J.-M. Fedeli, M. Fournier, L. Dalton, A. Jen, and M. Hochberg, Opt. Express 18, 15618 (2010).
    [CrossRef]
  18. M. Yang, W. M. J. Green, S. Assefa, J. V. Campenhout, B. G. Lee, C. V. Jahnes, F. E. Doany, C. L. Schow, J. A. Kash, and Y. A. Vlasov, Opt. Express 19, 47 (2011).
    [CrossRef]

2011

2010

2009

I. M. Soganci, T. Tanemura, and Y. Nakano, IEEE Photon. J. 1, 80 (2009).
[CrossRef]

S. Tomofuji, S. Matsuo, T. Kakitsuka, and K. Kitayama, Opt. Express 17, 23380 (2009).
[CrossRef]

2008

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

2007

2005

T. Chu, H. Yamada, S. Ishida, and Y. Arakawa, Opt. Express 13, 10109 (2005).
[CrossRef]

A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
[CrossRef]

2004

M. Lipson, Nanotechnology 15, S622 (2004).
[CrossRef]

M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
[CrossRef]

1997

1995

L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, J. Lightwave Techn. 13, 615 (1995).
[CrossRef]

1994

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, Appl. Opt. 33, 3905 (1994).
[CrossRef]

Aalto, T.

M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
[CrossRef]

Amin, A. A.

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Arakawa, Y.

Asghari, M.

Assefa, S.

Bachmann, M.

Baehr-Jones, T.

Barwicz, T.

Benight, S.

Benner, A. F.

A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
[CrossRef]

Besse, P. A.

Birbeck, J. C. H.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Bojko, R.

Byun, H.

Calabretta, N.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

Campenhout, J. V.

Chu, T.

Cunningham, J. E.

Dalton, L.

Ding, R.

Doany, F. E.

Dong, P.

Dorren, H. J. S.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

Fedeli, J.-M.

Feng, D.

Fournier, M.

Gan, F.

Geis, M.

Green, W. M. J.

Grein, M.

Harjanne, M.

M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
[CrossRef]

Heaton, J. M.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Heimala, P.

M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
[CrossRef]

Hilton, K. P.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Hochberg, M.

Holzwarth, C. W.

Hoyt, J. L.

Huang, S.

Ignatowski, M.

A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
[CrossRef]

Ippen, E. P.

Ishida, S.

Ishii, M.

K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
[CrossRef]

Jahnes, C. V.

Jen, A.

Jenkins, R. M.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Jiang, X. Q.

Kakitsuka, T.

Kapulainen, M.

M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
[CrossRef]

Kärtner, F. X.

Kash, J. A.

Kitayama, K.

Krishnamoorthy, A. V.

Kuchta, D. M.

A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
[CrossRef]

Lee, B. G.

Li, G.

Liang, H.

Lipson, M.

M. Lipson, Nanotechnology 15, S622 (2004).
[CrossRef]

Liu, Y.

Luo, J.

Lyszczarz, T.

Macdonald, R. I.

Matsuo, S.

Melchior, H.

Mino, S.

K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
[CrossRef]

Nakano, Y.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

I. M. Soganci, T. Tanemura, and Y. Nakano, IEEE Photon. J. 1, 80 (2009).
[CrossRef]

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Olubuyide, O. O.

Orcutt, J. S.

Paiam, M. R.

Parker, J. T.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Pennings, E. C. M.

L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, J. Lightwave Techn. 13, 615 (1995).
[CrossRef]

Popovic, M. A.

Qian, W.

Rakich, P. T.

Ram, R. J.

Ritter, M. B.

A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
[CrossRef]

Schow, C. L.

Shafiiha, R.

Shibata, T.

K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
[CrossRef]

Shioda, T.

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Smalbrugge, E.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

Smit, M. K.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

Smith, G. W.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Smith, H. I.

Soganci, I. M.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

I. M. Soganci, T. Tanemura, and Y. Nakano, IEEE Photon. J. 1, 80 (2009).
[CrossRef]

Soldano, L. B.

L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, J. Lightwave Techn. 13, 615 (1995).
[CrossRef]

Spector, S.

Stojanovic, V.

Sugiyama, M.

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Sullivan, P.

Suzuki, K.

K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
[CrossRef]

Takeda, K.

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Takenaka, M.

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Tanemura, T.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

I. M. Soganci, T. Tanemura, and Y. Nakano, IEEE Photon. J. 1, 80 (2009).
[CrossRef]

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

Tomofuji, S.

Vlasov, Y. A.

Vries, T. D.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

Wang, M. H.

Wang, W. J.

Watts, M. R.

Wight, D. R.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

Williams, K. A.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

Witzens, J.

Yamada, H.

Yamada, T.

K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
[CrossRef]

Yang, J. Y.

Yang, M.

Yoon, J. U.

Zhou, H. F.

Appl. Opt.

Appl. Phys. Lett.

R. M. Jenkins, J. M. Heaton, D. R. Wight, J. T. Parker, J. C. H. Birbeck, G. W. Smith, and K. P. Hilton, Appl. Phys. Lett. 64, 684 (1994).
[CrossRef]

IBM J. Res. & Dev.

A. F. Benner, M. Ignatowski, J. A. Kash, D. M. Kuchta, and M. B. Ritter, IBM J. Res. & Dev. 49, 755 (2005).
[CrossRef]

IEEE Photon. J.

I. M. Soganci, T. Tanemura, and Y. Nakano, IEEE Photon. J. 1, 80 (2009).
[CrossRef]

IEEE Photon. Tech. Lett.

I. M. Soganci, T. Tanemura, K. A. Williams, N. Calabretta, T. D. Vries, E. Smalbrugge, M. K. Smit, H. J. S. Dorren, and Y. Nakano, IEEE Photon. Tech. Lett. 22, 143 (2010).
[CrossRef]

K. Suzuki, T. Yamada, M. Ishii, T. Shibata, and S. Mino, IEEE Photon. Tech. Lett. 19, 674 (2007).
[CrossRef]

IEEE Photon. Techn. Lett.

M. Harjanne, M. Kapulainen, T. Aalto, and P. Heimala, IEEE Photon. Techn. Lett. 16, 2039 (2004).
[CrossRef]

IEEE Photon. Technol. Lett.

T. Tanemura, M. Takenaka, A. A. Amin, K. Takeda, T. Shioda, M. Sugiyama, and Y. Nakano, IEEE Photon. Technol. Lett. 20, 1063 (2008).
[CrossRef]

J. Lightwave Techn.

L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, J. Lightwave Techn. 13, 615 (1995).
[CrossRef]

J. Opt. Netw.

Nanotechnology

M. Lipson, Nanotechnology 15, S622 (2004).
[CrossRef]

Opt. Express

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

Schematic diagram of conventional optical switches: (a) N×N and (b) 1×N optical switch using arrayed phase shifters; (c) 1×N optical switch based on the cascaded arrangements of 1×2 optical switches; and (d) novel N×N optical switches using a single combined phase shifter. Note that the lengths of phase shifters do not correspond to the real proportion, which are determined by the number of ports; (e) 3×3 thermo-optical switch in this work.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Microscope image of the 3×3 optical switch; (b) microscope image of the single combined phase shifter; (c) cross section of a single-mode waveguide; (d) scanning electron microscope image of the top view of inverse-taper-mode converter.

Fig. 3.
Fig. 3.

Static characteristics of the 3×3 optical switch when light is launched from (a) port 1, (b) port 2, and (c) port 3. (d) Four-port optical router based on 1×3 optical switch with four 1×3 switching elements (blue boxes labeled as M1M4) and only one waveguide crossing (yellow ellipsoid).

Tables (1)

Tables Icon

Table 1. Operating Method of Proposed Thermo-optical Switch with a Single Combined Phase Shifter

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

ϕmn=ϕ0π2(1)(m+n+N)π4N×[(1)m(m12)(1)N+n(n12)]2,
φnk=(ϕk,Nϕ1,N)(ϕk,lϕ1,k).
φnk+2πAklφnk+2πAkl=φnk+2πAklφnk+2πAkl,

Metrics