CN104035262A - 基于铁电体微畴结构的2m×n×n型片状集成电光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，包括2m组n×n(m，n为大于1的整数)的电光开关，主要由集成特殊形状铁电体微畴结构的“回”字型晶体平板构成，“回”字型的晶片上制作2m组对称的非矩形几何形状(包括梯形、抛物线形和喇叭形状)的铁电体微畴结构电光偏转器，每个微型电光偏转器由光轴相邻相反的三角形畴体级联构成，利用相邻相反畴结构的电光效应导致的感应折射率变化实现光的偏折，通过施加电场的控制实现2m组n路光的n×n光开关的功能，本发明电光开关仅由一片具有特殊形状畴结构的晶片构成，一块晶片上同时集成2m组n×n电光开关，具有响应速度快，调制速率高，结构简单和易于小型集成的优点。应用于光通信和光信息处理领域。

Description

基于铁电体微畴结构的2m×n×n型片状集成电光开关

技术领域

本发明涉及光开关领域，具体是一种基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，主体为一块“回”字形电光晶体，中间为空气，其上制作2m组两两对称的非矩形几何形状畴反转结构微型电光偏转器组，每个电光偏转器组包含n个非矩形几何形状微型电光偏转器，非矩形几何形状微型电光偏转器由光轴相邻相反的三角形畴体级联组成，不加电场时，光通过非矩形几何形状微型电光偏转器时，相邻畴反转体的折射率不发生变化，光束直接通过，当给非矩形几何形状微型电光偏转器的加上电场后，相邻畴反转体的折射率发生变化，光束发生偏转，进入其他通道，施加电场大光束偏转大，施加电场小光束偏转小，这样通过控制电场的开关和大小实现n×n开关的互连导通功能。适用于光通信、光互连、光信息处理和激光技术领域。

背景技术

光开关在激光技术、光信息学、光计算和光通信等领域有广泛应用，是重要的光学元器件之一，光开关有许多，大致可分为以下几大类：机械光开关、热光开关、声光开关和电光开关。传统机械光开关技术成熟，但体积大，开关时间长，热光开关通常需要进行温度控制，工艺和结构较复杂，并且对波长敏感，声光开关易发生窜扰问题，近年来，随着高速光互联和全光通信网的快速发展，高调制速率和高响应速度的光开光需求日益迫切，现有的机械光开关、MEMS(micro-electro-mechanical-systems)光开关等产品开关时间慢不能满足高调制速率的性能要求，需要新型的高性能光开关。电光开关是所有开关类型中响应速度最快的光开关，电光开关响应频率达10¹¹Hz，理论极限调制速率达100GHz，是高速光交换系统中最有应用潜力的开关类型，现有电光开关产品大多基于电光效应使光的偏振态旋转90度的原理制成，采用电光晶体和偏振器实现，体积大，且多为1×2的开关，不易实现n×n开关，也不易进行微型化集成，为满足高速光传输网和高速光信息处理的发展需求，本发明提供一种高度集成的高响应速度的电光开关，可在一片晶片上同时实现2m组n×n的电光开关。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，在一片电光晶体平板上同时实现2m组n×n的电光开关，具体为在一块“回”字型的电光晶体平板上两两对称制作m对(即2m组)非矩形几何形状的电光偏转器组，每个电光偏转器组包含n个具有铁电体微畴结构的非矩形几何形状微型电光偏转器，非矩形几何形状微型电光偏转器由三角形的光轴两两相反的畴体级联构成。当微型电光偏转器不加电场时，光轴相反的畴体折射率相同，整个微型电光偏转器无折射率变化，光束直接通过，当给畴反转结构的微型电光偏转器加上电场后，由于相邻光轴相反的畴体的感应折射率变化刚好相反，使得相邻两个三角形畴体的折射率不同，光束通过三角形的斜边界面时将发生偏折，经过级联三角形畴体的一系列排列偏折，光束射出微型电光偏转器后将发生偏转，合理设计下进入另一个微型电光偏转器，此时对该偏转器施加相同电场，光束将从这个偏转器水平射出，施加电场大光束偏转大，施加电场小光束偏转小，这样通过控制电场的开关和大小实现2m组n×n的光开关功能。本发明2m×n×n片状集成周期性畴反转结构电光开关仅由一块具有周期性畴反转结构的“回”字型晶片构成，通过控制所加电场实现光的开关互连功能，具有开关数量大，结构简单，响应速度快和易于系统集成的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，包含2m组n×n的电光开关，特点是其构成为单块“回”字型电光晶体平板，中间为空气，其上两两对称制作2m组非矩形几何结构的电光偏转器组，每个电光偏转器组包含n个非矩形几何形状微型电光偏转器，每个非矩形几何形状微型电光偏转器由三角形的光轴相反的畴反转体级联构成。所述的电光偏转器组两两结构相同，两两对称位于“回”字型电光晶体平板中。所述的非矩形几何结构微型电光偏转器包括梯形、抛物线形，半抛物线形，半喇叭形和喇叭形形状的几何结构。

本发明基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关利用三角形相反畴结构的相反电光效应产生不同的感应折射率变化，使两个三角介质内的折射率不同，光从一个三角形畴体进入另一个三角畴体时，在界面发生折射，经过非矩形几何形状内所有三角形畴体的折射，光射出晶体时将发生偏转，偏转角随施加电场的增大而增加，这样通过控制施加电场来实现2m组n路光的n×n开关互连功能，具有响应速度快，调制速率高，开关数量多，结构简单，易于系统集成等优点。

附图说明

图1是本发明基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关结构示意图。

图2是本发明单个非矩形几何结构微型电光偏转器结构示意图(图中a1为直角梯形，a2为等边梯形，b1为半抛物形，b2为抛物形，c1为半喇叭形，c2为喇叭形，⊙表示垂直纸面朝外的光轴方向，表示垂直纸面朝里的光轴方向，x方向为入射光传播方向，yz为垂直光传播方向的平面)。

图3是实施例基于铁电体微畴结构的4×4×4片状集成电光开关结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明2m×n×n片状集成周期性畴反转结构电光开关结构如图1所示，包括单块“回”字型晶体平板(01)，电光偏转器组1(02)，电光偏转器组2(03)，电光偏转器组3(04)，电光偏转器组4(05)。其中每个电光偏转器组包含n个非矩形几何结构微型电光偏转器，4组电光偏转器组共包含4n个非矩形几何结构微型电光偏转器(11，12，13，……，1n；21，22，23，……，2n；31，32，33，……，3n；41，42，43，……，4n)。每个非矩形几何结构微型电光偏转器由光轴相邻相反的三角形畴反转体级联组成，其几何结构包括梯形，抛物线形，喇叭形半抛物线形，半喇叭型的几何结构，如图2所示。

非矩形几何结构微型电光偏转器的原理基于相邻反转畴的电光效应，对于光轴方向相反的三角畴体，沿平行光轴方向施加电场，光轴相反畴壁两侧的折射率发生变化，当非常光e光通过不同折射率的三角区域时，在交界面发生折射，使光线产生偏转，偏转特性和施加电场、级联数目、偏转器几何结构密切相关。对于e偏振光，相邻三角畴反转区域的折射率差Δn为

$\mathrm{\Δn}=n_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}\frac{U}{d}---\left(1\right)$

其中n_e是e光的折射率，γ₃₃是晶体的电光系数，U是施加在极化方向上的电压，d是晶体的厚度。

当三角畴体数目足够多(大于20)时，光线在周期性畴反转电光偏转器的传输轨迹方程和偏转角可表示为

$\frac{d^{2}y}{d{x}^2}=\frac{1}{n_0}\frac{\mathrm{\Δn}}{W\left(x\right)}---\left(2\right)$

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dx}}=\frac{1}{n_0}\frac{\mathrm{\Δn}}{W\left(x\right)}---\left(3\right)$

其中，x是入射光束的方向，y为偏离入射方向的位置。W(x)是偏转器的宽度函数，只要已知偏转器的宽度函数W(x)，联合(1)，(2)，(3)式可求出光线轨迹和偏转角。宽度函数根据其几何结构如梯形，抛物线形，喇叭形等有不同的函数表达式。

本发明2×n×n片状集成周期性畴反转结构电光开关具体实施方式如下：(1)选定开关数目n，确定非矩形几何结构微型电光偏转器的数目；(2)选定微型电光偏转器的几何形状，根据几何形状写出宽度函数；(3)选定电光偏转器的设计材料，根据使用波长确定该波长下非常偏振光e光的折射率n_e和晶体的电光系数γ₃₃；(4)综合利用方程(1)，(2)，(3)式进行具体设计，确定设计参数，根据设计参数进行加工即可。

本实施例中，m取1，n取4，具体实施一个2×4×4片状集成周期性畴反转结构电光开关，总共需要16个非矩形几何形状的畴反转结构微型电光偏转器，选择半抛物和抛物形几何结构的微型电光偏转器，其宽度函数可统一写为

$W\left(x\right)=W_0+\frac{W_1-W_0}{L^2}{x}^2---\left(4\right)$

(4)式中，W₀为偏转器入口宽度，W₁为偏转器出口宽度，L为偏转器长度， 是抛物形偏转器的曲率系数。根据宽度函数求得光线轨迹方程和偏转角为：

$\mathrm{\θ}\left(x\right)=\frac{\mathrm{\Δn}}{n_0}\frac{L}{\sqrt{W_0(W_1-W_0)}}\arctan \left(\sqrt{\frac{W_1-W_0}{W_0{L}^2}x}\right),---\left(5\right)$

$y\left(x\right)=\frac{\mathrm{\Δn}}{n_0}\frac{L}{\sqrt{W_0(W_1-W_0)}}\·[x\·\arctan \left(\sqrt{\frac{W_1-W_0}{W_0{L}^2}}x\right)-\sqrt{\frac{W_0{L}^2}{4(W_1-W_0)}}\·\ln (\frac{W_0{L}^2}{W_1-W_0}+x^2)+\sqrt{\frac{W_0{L}^2}{4(W_1-W_0)}}\·\ln \left(\frac{W_0{L}^2}{W_1-W_0}\right)]---\left(6\right)$

算出在出口位置的偏转角和出口位置的偏离位移分别为：

$\mathrm{\θ}\left(L\right)=\frac{\mathrm{\Δn}}{n_0}\frac{L}{\sqrt{W_0(W_1-W_0)}}\arctan \left(\sqrt{\frac{W_1-W_0}{W_0}}\right)---\left(7\right)$

$y\left(L\right)=\frac{\mathrm{\Δn}}{n_0}\frac{L}{\sqrt{W_0(W_1-W_0)}}[L\·\arctan \left(\sqrt{\frac{W_1-W_0}{W_0}}\right)-\frac{L}{2}\sqrt{\frac{W_0}{W_1-W_0}}\·\ln \left(\frac{W_1}{W_0}\right)]---\left(8\right)$

鉴于LiTaO₃晶体具有高损伤阈值和高电光系数的优点，选择其作为电光开关的设计材料，设使用的激光波长为1550nm，对于e线偏振光，折射率为 n_e＝2.1224，电光系数γ₃₃＝27.4×10^-9mm/V。整个设计采用对称结构，如图3所示，微型电光偏转器11a，14a，21a，24a，11b，14b，21b和24b结构相同，为半抛物形的畴反转结构，微型电光偏转器12a，13a，12b，13b，22a，23a，22b，23b结构相同，为抛物形的畴反转结构。取偏转器厚度d＝0.5mm，入口宽度为W₀＝0.25mm，长度L＝10mm，最大使用电场为14kV/mm进行设计，计算得16个微型电光偏转器的具体参数为：入口宽度W₀＝0.25mm，出口宽度W₁＝0.55mm，长度L＝10mm，输入偏转器和输出偏转器间距s＝26mm，整体尺寸为46mm×46mm×0.5mm(长×宽×高)，同时计算出各光路交换所需的电压为：

|U_11a-12b|＝|U_12a-11b|＝|U_13a-14b|＝|U_14a-13b|＝1.32kV，

|U_11a-13b|＝|U_13a-11b|＝|U_14a-12b|＝|U_12a-14b|＝2.36kV，

|U_11a-14b|＝|U_14a-11b|＝3.68kV，

|U_12a-13b|＝|U_13a-12b|＝1.04kV，

其他光路交换所需电压可根据对称性写出，具体如表1所示。

表12×4×4电光开关光路交换电压编码表

Claims (6)

1.一种基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，其特征在于，它包括2m组n×n(m，n为大于1的整数)的电光开关，所述的2m×n×n片状集成周期性畴反转结构电光开关，其构成包括一块“回”字型电光晶体平板(01)，其上制作2m对电光偏转器组1a(02)，电光偏转器组1b(03)，电光偏转器组2a(04)，电光偏转器组2b(05)，……，电光偏转器组ma(06)，电光偏转器组mb(07)，电光偏转器组(m+1)a(08)，电光偏转器组(m+1)b(09)，电光偏转器组(m+2)a(10)，电光偏转器组(m+2)b(11)，……，电光偏转器组2ma(12)，电光偏转器组2mb(12)，电光偏转器组2mb(13)。每个电光偏转器组包含n个非矩形几何结构微型电光偏转器，每个非矩形几何结构微型电光偏转器由光轴相反的三角形畴反转体级联构成。

2.根据权利要求1所述的基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，其特征在于所述的“回”字型电光晶体平板(01)，中间为空气。

3.根据权利要求1所述的基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，其特征在于所述的电光偏转器组1a(02)和电光偏转器组1b(03)结构相同，电光偏转器组2a(04)和电光偏转器组2b(05)结构相同，……，电光偏转器组ma(06)，电光偏转器组mb(07)结构相同，两两对称位于“回”字型电光晶体水平方向的两个表面。

4.根据权利要求1所述的基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，其特征在于所述的电光偏转器组(m+1)a(08)和电光偏转器组(m+1)b(09)，电光偏转器组(m+2)a(10)和电光偏转器组(m+2)b(11)，……，电光偏转器组2ma(12)和电光偏转器组2mb(13)结构相同，两两对称位于“回”字型电光晶体垂直方向的两个表面。

5.根据权利要求1所述的基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，其特征在于所述的非矩形几何结构微型电光偏转器包括梯形、抛物线形，半抛物线形，半喇叭形和喇叭形形状的几何结构。

6.根据权利要求1所述的基于铁电体微畴结构的2m×n×n片状集成电光开关，其特征在于所述的非矩形几何结构微型电光偏转器由三角形的铁电体畴反转体级联构成。