CN101950092A

CN101950092A - 一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法

Info

Publication number: CN101950092A
Application number: CN2010102761386A
Authority: CN
Inventors: 胡明; 陈涛; 梁继然; 吕志军; 后顺保
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2011-01-19

Abstract

本发明公开了一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法，涉及光通讯技术领域，氧化钒光开关由氧化钒薄膜构成，所述氧化钒光开关装载在太赫兹时域频谱系统或调制解调器中。该方法包括以下步骤：利用反应磁控溅射方法在硅衬底材料上制备氧化钒薄膜；利用太赫兹时域频谱系统产生THz波，当THz波传输时，激光激发所述氧化钒薄膜，使得THz波不能通过所述氧化钒薄膜，实现了所述氧化钒光开关的关闭；利用所述太赫兹时域频谱系统产生THz波，当THz波传输时，撤掉激光，使得THz波通过氧化钒薄膜，实现了所述氧化钒光开关的开启。通过本发明提供的THz波段氧化钒光开关及其光开关的制作方法，实现了开关速度快、插入损耗低、消光比高等。

Description

一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法

技术领域

本发明涉及光通讯技术领域，特别涉及一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法。

背景技术

近年来正在发展的全光网络技术对新型光开关器件提出了更高的要求：开关速度快、插入损耗小、消光比大、寿命长、结构微型化易于集成、功耗低和价格低廉。目前广范应用的光开关器件主要包括以下两种：一种是机械式光开关，如微机械光开关，微机械光开关应用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微型电子机械系统)技术制作，具有插入损耗小、集成度高等优点，却存在由于物理位移的运行方式导致开关速度慢等缺点；另一类为非机械式波导光开关，利用固体材料的物理效应(如电光、热光、磁光和声光效应)实现光路转换，但非机械式波导光开关均具有插入损耗大的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，提高光开关的开关速度、降低插入损耗，本发明提供了一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法，

一种THz波段氧化钒光开关，所述氧化钒光开关由氧化钒薄膜构成，所述氧化钒薄膜装载在太赫兹时域频谱系统或调制解调器中。

一种THz波段氧化钒光开关的制作方法，所述方法包括以下步骤：

(1)利用反应磁控溅射方法在硅衬底材料上制备氧化钒薄膜；

(2)利用太赫兹时域频谱系统产生THz波，当THz波传输时，激光激发所述氧化钒薄膜，使得THz波不能通过所述氧化钒薄膜，实现了所述氧化钒光开关的关闭；

(3)利用所述太赫兹时域频谱系统产生THz波，当THz波传输时，撤掉激光，使得THz波通过氧化钒薄膜，实现了所述氧化钒光开关的开启。

步骤(1)中所述利用反应磁控溅射方法在硅衬底材料上制备氧化钒薄膜，具体包括：

将硅片切割成1×2cm的衬底，制备硅衬底；

使用超声波清洗机，将制备的所述硅衬底依次放置于丙酮、无水乙醇中进行清洗；

将清洗后的硅衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，抽真空至本体真空达到1～2×10^-4Pa；

在所述超高真空对靶磁控溅射设备的真空室内，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，将质量纯度为99.99％的氩气和质量纯度为99.99％的氧气作为工作气体，溅射工作气压为1～2.0Pa，氩气流量48sccm，氧气流量0.5～1.0sccm，溅射功率为200W，溅射时间为30～120min，制得氧化钒薄膜。

所述方法还包括：

通过控制所述氧化钒薄膜的厚度来控制所述氧化钒光开关的开关速度。

所述通过控制所述氧化钒薄膜的厚度来控制所述氧化钒光开关的开关速度，具体为：

所述氧化钒薄膜的厚度与所述氧化钒光开关的开关速度成反比。

所述本体真空为2×10^-4Pa，所述溅射工作气压为2.0Pa，所述氩气流量为48sccm，所述氧气流量为0.8sccm，所述溅射功率为200W，所述溅射时间为30min。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过本发明提供的THz波段氧化钒光开关及其光开关的制作方法，实现了开关速度快、插入损耗低、消光比高等。

附图说明

图1为本发明提供的THz波段氧化钒光开关的制作方法的流程图；

图2为本发明提供的THz时域频谱系统的结构图；

图3为本发明提供的THz波段氧化钒光开关的测试结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决上述问题，提高光开关的开关速度、降低插入损耗，本发明实施例提供了一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法，参见图1，详见下文描述：

氧化钒是一种典型的过渡金属氧化物，1959年Morin首次发现氧化钒具有热致相变特性，在340K热力学温度左右发生一级结构相变。低于340K时，氧化钒具有单斜金红石结构(半导体相)，高于340K时则氧化钒转变为四方金红石结构(金属相)。在相变过程中，氧化钒的电阻率、磁化率、光折射率、透射率和反射率发生了可逆突变。氧化钒的这种突变特性在光电开关、热敏电阻、强激光防护装置和节能窗玻璃等众多的领域具有良好的应用前景，在国防建设，航天技术以及改善人类生活质量都有十分重要的意义。

与目前普遍使用的MOEMS(Micro Optical Electro Mechanical Systems，微型光电子机械系统)自由空间光开关和波导型非机械式光开关相比，以氧化钒为基础的相变型光开关没有活动部件，开关时间理论上在ns级，对偏振不灵敏，且采用标准IC(Integrated Circuit，集成电路)工艺制造，结构简单、功耗低、无可动控件、成本低和易于集成。因而氧化钒光开关具有极大的发展前景。光开关主要有三项指标：开关速度、插入损耗和消光比，对于光开关速度的研究在氧化钒光开关的研究课题中占有极其重要的地位。目前国内外对氧化钒薄膜的研究多集中在热致相变及其应用，包括热致相变薄膜的制备、热致相变的机理、热致相变特性的改善等。而关于氧化钒光薄膜在光机理条件下的相变特性研究并不多见。

一种THz波段氧化钒光开关，氧化钒光开关由氧化钒薄膜构成，氧化钒薄膜装载在太赫兹时域频谱系统或调制解调器中。

综上所述，本发明实施例提供了一种THz波段氧化钒光开关，通过本发明实施例提供的THz波段氧化钒光开关，实现了开关速度快、插入损耗低、消光比高等。

一种THz波段氧化钒光开关的制作方法，该方法包括以下步骤：

101：利用反应磁控溅射方法在硅衬底材料上制备氧化钒薄膜；

该反应磁控溅射方法采用现有技术中的普通方法，具体实现时，本发明实施例对此不作限制。

102：利用太赫兹时域频谱系统产生THz波，当THz波传输时，激光激发氧化钒薄膜，使得THz波不能通过氧化钒薄膜，实现了氧化钒光开关的关闭；

参见图2，太赫兹时域频谱系统(THz-TDS)主要包括：钛宝石飞秒激光器、探测系统、样品为氧化钒薄膜、激光、非线性晶体，以钛宝石飞秒激光器为抽运源，测试波为THz波，THz波的工作中心波长800nm，重复频率为100MHz，脉宽50f s，平均功率520mW。THz波的产生和探测方法分别为光学整流和电光采样，非线性晶体均采用由碲化锌(ZnTe)。太赫兹时域频谱系统产生的太赫兹波的的有效频谱范围为0.3～2.5THz。太赫兹时域频谱系统的优点在于太赫兹波传输路径上具有一个与频率无关的束腰焦点(直径约1.5mm)，可以进行小尺寸氧化钒薄膜的测量。这里氧化钒薄膜置于太赫兹波焦点位置，另外一束激光照射氧化钒薄膜使之发生相变。

其中，上述激发氧化钒薄膜的光源为连续激光，连续激光为抽运绿光，抽运绿光来自于钛宝石飞秒激光器产生的激光，激光波长为532nm，照射在氧化钒薄膜表面的功率为400mW。

103：利用太赫兹时域频谱系统产生THz波，当THz波传输时，撤掉激光，使得THz波通过氧化钒薄膜，实现了氧化钒光开关的开启。

进一步地，本发明实施例还可以通过控制步骤101中氧化钒薄膜的厚度来控制氧化钒光开关的开关速度，经过实验分析，得到以下几组实验数据，氧化钒薄膜厚度为600nm时，氧化钒薄膜光开关的开关时间为8μs；氧化钒薄膜厚度为450nm时，氧化钒薄膜光开关的开关时间为5μs；氧化钒薄膜厚度为300nm时，氧化钒薄膜光开关的开关时间为1.5μs；氧化钒薄膜厚度为200nm时，氧化钒薄膜光开关的开关时间为50ns；氧化钒薄膜厚度为150nm时，氧化钒薄膜光开关的开关时间为20ns。经过试验分析得知，氧化钒薄膜的厚度薄，氧化钒光开关的开关时间短，即氧化钒光开关的开关速度快；反之，氧化钒薄膜的厚度厚，氧化钒光开关的开关时间长，氧化钒光开关的开关速度慢，即，氧化钒薄膜的厚度和氧化钒光开关的开关速度成反比。

其中，步骤101制备氧化钒薄膜步骤为：将硅片切割成1×2cm的衬底，制备硅衬底；使用超声波清洗机，将制备的硅衬底依次放置于丙酮、无水乙醇中进行清洗；将清洗后的硅衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，抽真空至本体真空达到2×10^-4Pa；在超高真空对靶磁控溅射设备的真空室内，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，将质量纯度为99.99％的氩气和质量纯度为99.99％的氧气作为工作气体；溅射工作气压为2.0Pa，氩气流量为48sccm，氧气流量为0.8sccm，溅射功率为200W；溅射时间为30min时，制得氧化钒薄膜，经过步骤102和103实现了氧化钒光开关，采用上述条件时测得的消光比为8dB，开关时间20ns，插入损耗2.5dB。

其中，步骤101制备氧化钒薄膜步骤为：将硅片切割成1×2cm的衬底，制备硅衬底；使用超声波清洗机，将制备的硅衬底依次放置于丙酮、无水乙醇中进行清洗；将清洗后的硅衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，抽真空至本体真空达到2×10^-4Pa；在超高真空对靶磁控溅射设备的真空室内，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，将质量纯度为99.99％的氩气和质量纯度为99.99％的氧气作为工作气体；溅射工作气压为2.0Pa，氩气流量为48sccm，氧气流量为0.5sccm，溅射功率为200W；溅射时间为50min时，制得氧化钒薄膜，经过步骤102和103实现了氧化钒光开关，采用上述条件时测得的消光比为4.4dB，开关时间70ns，插入损耗3dB。

其中，步骤101制备氧化钒薄膜步骤为：将硅片切割成1×2cm的衬底，制备硅衬底；使用超声波清洗机，将制备的硅衬底依次放置于丙酮、无水乙醇中进行清洗；将清洗后的硅衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，抽真空至本体真空达到1×10^-4Pa；在超高真空对靶磁控溅射设备的真空室内，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，将质量纯度为99.99％的氩气和质量纯度为99.99％的氧气作为工作气体；溅射工作气压为1.0Pa，氩气流量为48sccm，氧气流量为1.0sccm，溅射功率为200W；溅射时间为120min时，制得氧化钒薄膜，经过步骤102和103实现了氧化钒光开关，采用上述条件时测得的消光比为7dB，开关时间8μs，插入损耗3dB。

其中，步骤101制备氧化钒薄膜步骤为：将硅片切割成1×2cm的衬底，制备硅衬底；使用超声波清洗机，将制备的硅衬底依次放置于丙酮、无水乙醇中进行清洗；将清洗后的硅衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，抽真空至本体真空达到1×10^-4Pa；在超高真空对靶磁控溅射设备的真空室内，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，将质量纯度为99.99％的氩气和质量纯度为99.99％的氧气作为工作气体；溅射工作气压为1.0Pa，氩气流量为48sccm，氧气流量为0.8sccm，溅射功率为200W；溅射时间为90min时，制得氧化钒薄膜，经过步骤102和103实现了氧化钒光开关，采用上述条件时测得的消光比为5dB，开关时间5μs，插入损耗3dB。

综上所述，本发明实施例提供了一种THz波段氧化钒光开关的制作方法，通过本发明实施例提供的THz波段氧化钒光开关的制作方法得到的光开关，实现了开关速度快、插入损耗低、消光比高等。

其中，本发明实施例优选本体真空2×10^-4Pa，溅射工作气压为2.0Pa，氩气流量为48sccm，氧气流量为0.8sccm，溅射功率为200W，溅射时间为30min，参见图3，本发明实施例提供了采用优选条件时THz波段氧化钒光开关的测试结果，横坐标为时间皮秒，纵坐标为振幅，其中，图中虚线为氧化钒光开关没有受到激光激励时，THz波的透射信号；图中实线为氧化钒光开关受到激光激励时，THz波的透射信号，由两条曲线的对比可知，氧化钒光开关在受到激光激励的前后，其对THz波的透射率有明显的变化，验证了本发明实施例提供的方法的可行性。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种THz波段氧化钒光开关，其特征在于，所述氧化钒光开关由氧化钒薄膜构成，所述氧化钒薄膜装载在太赫兹时域频谱系统或调制解调器中。

2.一种用于权利要求1所述的THz波段氧化钒光开关的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)利用反应磁控溅射方法在硅衬底材料上制备氧化钒薄膜；

3.根据权利要求2所述的THz波段氧化钒光开关的制作方法，其特征在于，步骤(1)中所述利用反应磁控溅射方法在硅衬底材料上制备氧化钒薄膜，具体包括：

将硅片切割成1×2cm的衬底，制备硅衬底；

4.根据权利要求2所述的THz波段氧化钒光开关的制作方法，其特征在于，所述方法还包括：

5.根据权利要求4所述的THz波段氧化钒光开关的制作方法，其特征在于，所述通过控制所述氧化钒薄膜的厚度来控制所述氧化钒光开关的开关速度，具体为：

6.根据权利要求3所述的THz波段氧化钒光开关的制作方法，其特征在于，所述本体真空为2×10^-4Pa，所述溅射工作气压为2.0Pa，所述氩气流量为48sccm，所述氧气流量为0.8sccm，所述溅射功率为200W，所述溅射时间为30min。