CN111221153B - 基于plzst反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳光电子器件技术领域，公开了一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法，基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关设置有空气柱型光子晶体；光子晶体的空气柱直径为420nm，空气柱间距为200nm；可调光开关进一步包括光子晶体波导A、光子晶体波导B、波导A和B的耦合器、开关电极、调控电极；光子晶体波导A和B的长度约为50μm，波导A和B的耦合长度约为5μm。本发明利用光子晶体波导之间的耦合特性设计光子晶体光开关，通过电场调控作用调节光波的中心波长，实现中心波长范围宽可调的电光开关，响应速度小于1纳秒，中心波长的调节范围为1100nm～1750nm。

Description

基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法
技术领域
本发明属于微纳光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：光开关是一种具有一个或多个可选传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器、LAN、多光源、探测器和保护以太网的转换。在光纤系统中，用于光纤测试、光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测等。
光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取，在光时分复用系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接的关键器件，也是波长变换的重要器件。
依据不同的光开关原理，光开关的实现方法有多种，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。其中传统机械光开关、微机械光开关、热光开关因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。
近几年发展最快的是微电子机械光开关，它是半导体微纳加工技术与微光学和微机械技术相结合，产生的一个新型微机-电-光一体化的新型开关，是大容量交换光网络开关发展的主流方向。
MEMS(微电子机械)光开关是在硅晶体上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使可以活动的微镜片产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在ms数量级；使用了IC制造技术，体积小、集成度高；工作方式与光信号的格式、协议、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信号；同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。
日本光器件开发者EpiPhotonics公司开发出8*8PLZT(锆钛酸铅镧)光开关，开关速度为20纳秒。纳秒光开关的应用包括数据中心和互连所需低延迟光交换、按需ROADM和光交叉连接、SDN光网络、光分组交换、光突发交换和量子光学。
综上所述，现有技术存在的问题是：采用MEMS技术制备的光开关原理简单，并且与现有的半导体工艺完全兼容，但主要缺点是开关响应速度慢，控制信号复杂，体积和功耗较大；采用PLZT和半导体材料制备波导光开关速度快、体积小、易于大规模集成，但是主要针对固定波长，不能传输非特征频率的光波。
解决上述技术问题的难度：采用MEMS技术制备以半导体材料为基础的光开关，主要依靠静电力或电磁力作用于微镜片来改变光路，由于惯性，从控制力作用到微镜片响应，需要较长的时间，要提高响应速度，必须从原理上进行突破。光子晶体波导型光开关主要利用光子晶体的缺陷对特定波长光波的局限性来导光，因此只能针对特定频率的光波，要实现中心波长宽可调，只能改变光子晶体基材的介电常数，而常见的硅材料是间接带隙半导体，通过外加电场或磁场不能显著调节介电常数，因此硅基光子晶体波导型光开关只能适用于特定频率的光波。
解决上述技术问题的意义：本发明采用PLZST反铁电光子晶体为基材，制备可调光开关，从工艺的角度来说兼容了现有的硅半导体工艺，因此有利于大规模集成，和现有的光源和探测设备都可以无缝连接，应用广泛；通过纵向电场作用调节PLZST反铁电材料的介电常数，可以改变PLZST光子晶体波导的中心波长，因此可以用于对不同频率的光波进行开关状态切换，在频分复用通讯领域具有独特的参数优势。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法。
本发明是这样实现的，一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关设置有PLZST反铁电光子晶体、PLZST反铁电光子晶体耦合器、开关电极、调控电极；所述PLZST反铁电光子晶体以Si为衬底；
所述开关电极设置在与PLZST反铁电光子晶体耦合器平行的区域，宽度为7μm；
所述调控电极为石英玻璃上的Pt薄膜和氧化铝陶瓷层，分别安装在二维的PLZST反铁电光子晶体的上下两面，所述开关电极和调控电极采用探针台与控制电路相连。
所述PLZST反铁电光子晶体波导为空气柱型，空气柱直径为420nm，空气柱间距为200nm。
所述PLZST反铁电光子晶体包括光子晶体波导A、光子晶体波导B；
所述光子晶体波导A和光子晶体波导B的长度为50μm；
反铁电光子晶体耦合器为光子晶体波导A和光子晶体波导B的耦合器，长度为5μm。
若光子晶体波导A接入射光耦合器，则光子晶体波导B接出射光耦合器；若光子晶体波导B接入射光耦合器，则光子晶体波导A接出射光耦合器。
进一步，所述开关电极为金属Pt，采用磁控溅射方式制备，具体包括以下步骤：
(1)设计电极版图；
(2)旋涂光刻机；
(3)采用电子束曝光；
(4)显影脱膜；
(5)采用耦合等离子体刻蚀；
(6)采用磁控溅射仪沉积Pt电极；
(7)去胶。
进一步，所述调控电极制备方法包括：
(1)清洗石英玻璃样片；
(2)采用磁控溅射方法在石英玻璃样品上制备厚度50-80nm的Pt，作为电极，并采用磁控溅射方法在Pt电极表面制备厚度40-50nm的氧化铝陶瓷，作为绝缘层；
(3)将一片镀有金属Pt和氧化铝陶瓷的石英玻璃片通过热压键合方式贴于PLZST反铁电光子晶体的上表面，氧化铝陶瓷绝缘层直接紧贴光子晶体表面；
(4)基于SSO模板法制备的二维PLZST反铁电光子晶体附着在Si衬底上，采用化学方法腐蚀掉衬底Si；
(5)将一片镀有金属Pt和氧化铝陶瓷的石英玻璃片通过热压键合方式贴于PLZST反铁电光子晶体的下表面，氧化铝陶瓷绝缘层直接紧贴光子晶体表面；
(6)连接光路和电路；
(7)调控电路加载正向或者反向偏置电压，PLZST反铁电材料的介电常数变化，PLZST反铁电光子晶体、PLZST反铁电光子晶体耦合器的折射率随着变化，进而调节PLZST反铁电光子晶体的中心波长。
进一步，步骤(6)中所述光路与电路的连接方法包括：
光纤通过光栅与PLZST光子晶体波导连接，形成光路；所述光路上表面连接有调控电路正电极，所述光路下表面连接有调控电路负电极；入射光一侧接开关电极的正电极，出射光一侧接开关电极的负电极。
所述调控电路和开关电路均采用探针台连接到PLZST反铁电光子晶体可调光开关；
所述光路连接激光发生器和光强探测器；
所述入射光和出射光通过光栅耦合器连接到光纤；
所述光开关的导通与断开状态转换通过光子晶体波导A和光子晶体波导B的耦合器加载的电场强度大小和方向来控制。
本发明另一目的在于提供一种光子晶体波导的中心波长调控方法包括：
(1)光子晶体波导A接入射光耦合器，光子晶体波导B接出射光耦合器，第一开关电极接开关控制电路的正电极、第二开关电极接开关控制电路的负电极；PLZST反铁电光子晶体的顶电极接调控电路的正电极，PLZST反铁电光子晶体的底电极接调控电路的负电极；
(2)开关电极和调控电极加零电压时，光子晶体波导中心波长的默认值为1550nm，99％红外光通过光开关，开关导通；
(3)当开关电极加上3V的电压时，从PLZST反铁电光子晶体的光子晶体波导B出射的光不足1％，开关关断；
(4)在调控电路上加载正偏电压，即顶电极加正电压，底电极加负电压，则PLZST反铁电光子晶体的中心波长从1550nm向高频方向移动，当电场强度为50kV/cm时，PLZST反铁电光子晶体的中心波长为1100nm；
(5)当在调控电路上加载负偏电压，即顶电极加负电压，底电极加正电压，则PLZST反铁电光子晶体的中心波长从1550nm向低频方向移动，当电场强度为-50kV/cm时，PLZST反铁电光子晶体的中心波长为1750nm。
本发明另一目的在于提供一种安装所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关的多重监视器、LAN、多光源或探测器。
本发明另一目的在于提供一种所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关的在光纤测试、光纤设备测试、网络测试或光纤传感多点监测上的应用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用PLZST反铁电光子晶体为基础，利用光子晶体缺陷对光子的局域特性设计光子晶体，利用光子晶体之间的耦合特性设计光子晶体开关，通过电场作用调节光子晶体的中心波长，实现中心波长宽可调的电光开关，开关电压小于3V，响应速度小于1纳秒，中心波长的调节范围为1100nm～1750nm。
本发明的PLZST反铁电光子晶体可调光开关，入射光通过光栅耦合后，入射到光子晶体波导A，利用波导耦合作用，从光子晶体波导B射出，耦合效率达到99％以上。
本发明利用PLZST反铁电光子晶体波导对光子的局域特性，以及PLZST反铁电材料在电场激励作用下具有介电常数激变和晶格常数突变两方面的显著变化，设计了一种可调光开关，相比传统光开关而言，控制电压更低，小于3V。通过加载不同方向的电场既可以实现光开关的导通和关断，也可以通过加载调控电场实现光子晶体波导中心波长的调控，调节范围为1100nm～1750nm，在光纤环路、自动测量、光纤网络远程监控、光路切换、系统监测、实验室研发、动态配置、频分复用、光路监控系统、光环路保护切换试验、光纤传感系统、光器件测试系统中有广泛应用。
与现有技术比较：
比较项目 现有 本发明技术
超快速切换时间 10ns 1ns
开关驱动电压 5V-10V 1V-3V
工作波长 1550nm 1100nm～1750nm
可调性 不可 可调
消光比 40dB 60dB
电流 230mA <1mA
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关结构示意图。
图中：1、空气柱型PLZST反铁电光子晶体；2、氧化铝陶瓷层；3、入射光；4、出射光；5、第一开关电极；6、第二开关电极。
图2是本发明实施例提供的基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关调控电极制备方法流程图。
图3是本发明实施例提供的基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关调控方法示意图。
图4是本发明实施例提供的调控电场分别为-50kV/cm、0kV/cm和50kV/cm，所对应PLZST反铁电光子晶体可调光开关随着开关电场强度的增加，从导通到关断过程的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有波导型光开关的中心波长不可调，且响应速度慢。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关包括：空气柱型PLZST反铁电光子晶体1、氧化铝陶瓷层2、入射光3、出射光4、第一开关电极5、第二开关电极6。
设置有PLZST反铁电光子晶体1、PLZST反铁电光子晶体耦合器、开关电极、调控电极；所述PLZST反铁电光子晶体以Si为衬底。
所述开关电极设置在与PLZST反铁电光子晶体耦合器平行的区域，宽度为7μm。开关电极包括第一开关电极5、第二开关电极6。
所述调控电极为石英玻璃上的Pt薄膜和氧化铝陶瓷层2，分别安装在二维的PLZST反铁电光子晶体的上下两面，所述开关电极和调控电极采用探针台与控制电路相连。
所述PLZST反铁电光子晶体波导为空气柱型，空气柱直径为420nm，空气柱间距为200nm。
所述PLZST反铁电光子晶体包括光子晶体波导A、光子晶体波导B。
所述光子晶体波导A和光子晶体波导B的长度为50μm。
反铁电光子晶体耦合器为光子晶体波导A和光子晶体波导B的耦合器，长度为5μm。
若光子晶体波导A接入射光耦合器，则光子晶体波导B接出射光耦合器；若光子晶体波导B接入射光耦合器，则光子晶体波导A接出射光耦合器。
所述开关电极为金属Pt，采用磁控溅射方式制备，具体包括以下步骤：
(1)设计电极版图。
(2)旋涂光刻机。
(3)采用电子束曝光。
(4)显影脱膜。
(5)采用耦合等离子体刻蚀。
(6)采用磁控溅射仪沉积Pt电极。
(7)去胶。
如图2本发明实施例提供的基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关的调控电极制备方法包括：
S101，清洗石英玻璃样片。
S102，采用磁控溅射方法在石英玻璃样品上制备厚度50-80nm的Pt，作为电极；并采用磁控溅射方法在Pt电极表面制备厚度40-50nm的氧化铝陶瓷，作为绝缘层。
S103，将一片镀有金属Pt和氧化铝薄膜的石英玻璃片通过热压键合方式贴于PLZST反铁电光子晶体的上表面。
S104，采用化学方法腐蚀掉衬底Si。
S105，将一片镀有金属Pt的石英玻璃片通过热压键合方式贴于PLZST反铁电光子晶体的下表面。
S106，连接光路和电路。
步骤S103中氧化铝薄膜为氧化铝陶瓷层。
步骤S106后，还需进行：调控电路加载正向或者反向偏置电压，PLZST反铁电材料的介电常数变化，PLZST反铁电光子晶体、PLZST反铁电光子晶体耦合器的折射率随着变化，进而调节PLZST反铁电光子晶体的中心波长。
步骤S106中所述光路与电路的连接方法包括：
光纤通过光栅与PLZST光子晶体波导连接，形成光路；所述光路上表面连接有调控电路正电极，所述光路下表面连接有调控电路负电极；入射光3一侧接开关电极的正电极，出射光4一侧接开关电极的负电极。
所述调控电路和开关电路均采用探针台连接到PLZST反铁电光子晶体可调光开关。
所述光路连接激光发生器和光强探测器。
所述入射光和出射光通过光栅耦合器连接到光纤。
所述光开关的导通与断开状态转换通过光子晶体波导A和光子晶体波导B的耦合器加载的电场强度大小和方向来控制。
图3是本发明实施例提供的基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关调控方法示意图。
假设光子晶体波导A接入射光耦合器，光子晶体波导B接出射光耦合器，则第一开关电极5接开关控制电路的正电极、第二开关电极6接开关控制电路的负电极；PLZST反铁电光子晶体的顶电极接调控电路的正电极，PLZST反铁电光子晶体的底电极接调控电路的负电极。第一开关电极5、第二开关电极6和光子晶体在同一平面内。
当开关电极和调控电极不加电压时，光子晶体波导中心波长的默认值为1550nm，99％以上红外光可以通过光开关，从光子晶体波导A入射，从光子晶体波导B出射；当开关电极加上3V左右的电压时，从光子晶体波导B出射的光不足1％，认为光开关已经关断。
当在调控电路上加载正偏电压，即顶电极加正电压，底电极加负电压，则光子晶体波导的中心波长从1550nm向高频方向移动，当电场强度约为50kV/cm时，PLZST反铁电光子晶体的中心波长约为1100nm。
当在调控电路上加载负偏电压，即顶电极加负电压，底电极加正电压，则光子晶体的中心波长从1550nm向低频方向移动，当电场强度约为-50kV/cm时，PLZST反铁电光子晶体的中心波长约为1750nm。
如图4所示，调控电场分别为-50kV/cm、0kV/cm和50kV/cm，所对应PLZST反铁电光子晶体的中心波长分别为1100nm、1550nm和1750nm，在开关电场作用下，分别在电场强度为3.6kV/cm、4.2kV/cm、4.8kV/cm时关断。开关响应时间均小于1nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关设置有PLZST反铁电光子晶体、PLZST反铁电光子晶体耦合器、开关电极、调控电极；
所述开关电极设置在与PLZST反铁电光子晶体耦合器平行的区域；
所述调控电极为石英玻璃上的Pt薄膜和氧化铝陶瓷层，分别安装在二维的PLZST反铁电光子晶体的上下两面，所述开关电极和调控电极采用探针台分别与开关控制电路和调控电路相连。
2.如权利要求1所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，所述PLZST反铁电光子晶体波导为空气柱型，空气柱直径为420nm，空气柱间距为200nm；所述开关电极宽度为7μm。
3.如权利要求1所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，所述PLZST反铁电光子晶体包括光子晶体波导A、光子晶体波导B；
所述光子晶体波导A和光子晶体波导B 的长度为50μm；
反铁电光子晶体耦合器为光子晶体波导 A和光子晶体波导B相互靠近的部分组成的耦合器，长度为5μm。
4.如权利要求3所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，若光子晶体波导A接入射光耦合器，则光子晶体波导B接出射光耦合器；若光子晶体波导B接入射光耦合器，则光子晶体波导A接出射光耦合器。
5.如权利要求1所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，所述开关电极为金属Pt，采用磁控溅射方式制备，具体包括以下步骤：
（1）设计电极版图；
（2）旋涂光刻机；
（3）采用电子束曝光；
（4）显影脱膜；
（5）采用耦合等离子体刻蚀；
（6）采用磁控溅射仪沉积Pt电极；
（7）去胶。
6.如权利要求1所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，制备所述调控电极的方法包括：
（1）清洗石英玻璃样片；
（2）采用磁控溅射方法在石英玻璃样片上制备厚度50-80nm的Pt，作为电极，并采用磁控溅射方法在Pt电极表面制备厚度40-50nm的氧化铝陶瓷，作为绝缘层；
（3）将一片镀有金属Pt和氧化铝陶瓷层的石英玻璃片通过热压键合方式贴于PLZST反铁电光子晶体的上表面，氧化铝陶瓷绝缘层直接紧贴光子晶体表面；
（4）基于SSO模板法制备的二维PLZST反铁电光子晶体附着在Si衬底上，采用化学方法腐蚀掉衬底Si；
（5）将一片镀有金属Pt和氧化铝陶瓷层的石英玻璃片通过热压键合方式贴于PLZST反铁电光子晶体的下表面，氧化铝陶瓷绝缘层直接紧贴光子晶体表面；
（6）连接光路和电路；
（7）调控电路加载正向或者反向偏置电压，PLZST反铁电材料的介电常数变化，PLZST反铁电光子晶体、PLZST反铁电光子晶体耦合器的折射率随着变化，进而调节PLZST反铁电光子晶体的中心波长。
7.如权利要求6所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关，其特征在于，步骤（6）中所述光路与电路的连接方法包括：
光纤通过光栅与PLZST光子晶体波导连接，形成光路；所述光路上表面连接有调控电路正电极，所述光路下表面连接有调控电路负电极；入射光一侧接开关电极的正电极，出射光一侧接开关电极的负电极；
所述调控电路和开关控制电路均采用探针台连接到PLZST反铁电光子晶体可调光开关；
所述光路连接激光发生器和光强探测器；
所述入射光和出射光通过光栅耦合器连接到光纤；
所述光开关的导通与断开状态转换通过光子晶体波导A和光子晶体波导B相互靠近的部分组成的耦合器加载的电场强度大小和方向控制。
8.一种如权利要求1~7任意一项所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关的光子晶体波导的中心波长调控方法，其特征在于，所述光子晶体波导的中心波长调控方法包括：
（1）光子晶体波导A接入射光耦合器，光子晶体波导B接出射光耦合器，第一开关电极接开关控制电路的正电极、第二开关电极接开关控制电路的负电极；PLZST反铁电光子晶体的调控电极的顶电极接调控电路的正电极，PLZST反铁电光子晶体的调控电极的底电极接调控电路的负电极；
（2）开关电极和调控电极加零电压时，光子晶体波导中心波长的默认值为1550nm，99%红外光通过光开关，开关导通；
（3）当开关电极加上3V的电压时，从PLZST反铁电光子晶体的光子晶体波导B出射的光不足1%，开关关断；
（4）在调控电路上加载正偏电压，即顶电极加正电压，底电极加负电压，则PLZST反铁电光子晶体的中心波长从1550nm向高频方向移动，当电场强度为50kV/cm时，PLZST反铁电光子晶体的中心波长为1100nm；
（5）当在调控电路上加载负偏电压，即顶电极加负电压，底电极加正电压，则PLZST反铁电光子晶体的中心波长从1550nm向低频方向移动，当电场强度为-50kV/cm时，PLZST反铁电光子晶体的中心波长为1750nm。
9.一种安装权利要求1~7任意一项所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关的多重监视器、LAN、多光源或探测器。
10.一种如权利要求1~7任意一项所述基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关的在光纤测试、光纤设备测试、网络测试或光纤传感多点监测上的应用。
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