CN111736372A - 一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导及其应用，基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导包括自上而下依次设置的上限制层、铌酸锂薄膜层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极；上电极沿着上限制层的长度方向设置；上电极的形状为条形电极或Y分叉型电极或点阵式电极。本发明基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，巧妙利用铌酸锂薄膜的电光效应，实现波导结构的电控可擦写。本发明基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，可实现多种光器件的现场可定制，进一步提高光网络的灵活性和工作效率。

Description

一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导及其应用

技术领域

本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导及其应用，属于可擦写光器件的技术领域。

背景技术

随着社会的进步，科技的不断发展，人们对信息的需求与日俱增，网络规模的不断扩大与各种新业务的不断部署，对光网络提出了更高的要求。然而传统光网络显现出数据业务带宽分配不灵活与传送效率低等弱点。可擦写技术以其灵活性、现场可定制性、可重构性、对多业务的可选择性等优势，日渐得到广泛关注。

现有技术中的光波导都是采用衬底层、包层、芯层的结构进行工艺制作，利用芯层材料折射率高于包层材料折射率的特点，实现波导功能。中国专利文献CN110989076A公开了一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法，该波导结构包括：衬底层、上包层、下包层和波导芯层。其在所选取的衬底上，沉积并生长二氧化硅层，作为下包层；在下包层上，生长薄膜铌酸锂脊形波导芯层，利用干法刻蚀工艺，制备出具有槽形区域的波导芯层形状；在下包层和波导芯层上，生长二氧化硅层，作为上包层。但这类光学波导元件一旦制备成型，便无法擦除修正。现有技术中的铌酸锂光波导仍存在着传送效率低、灵活性差的问题，无法满足应用到数据业务带宽可灵活分配、传送效率高的光通信网络中的要求。

铌酸锂薄膜属于无机晶体材料是目前比较成熟的电光材料，具有可观的电光效应，物理化学性能稳定，而且基于铌酸锂晶体的光波导性能良好，制备工艺也相对成熟，己经被广泛用于制备光学波导等光学器件。现有技术中铌酸锂波导的常见制备方法有光刻法和腐蚀法,如中国专利文献CN1312479A公开了一种镜面全反射型弯曲波导器件结构及制作方法，该方法就是通过氧化、光刻、腐蚀等微机械加工技术，制作出位置精确、镜面平整度高且与波导平面绝对垂直的全反射镜，并将此结构应用于无源光器件(如光耦合器、阵列波导光栅等等)中以实现结构紧凑、集成度高、性能好、工艺简单、可以批量生产的光通信器件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导巧妙利用铌酸锂材料的电光特性，通过电光效应改变材料折射率，从而提高材料特定区域单元的折射率，实现材料的波导功能。

本发明还将基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导应用在Y分叉型电控光开关和基于阵列波导光栅的多波长可选择滤波器中。

本发明的技术方案为：

一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，包括自上而下依次设置的上限制层、铌酸锂薄膜层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极；所述上电极沿着上限制层的长度方向设置；

所述上电极的形状为条形电极或Y分叉型电极或点阵式电极；

在铌酸锂薄膜层中，上电极和下电极的重合区域对应的区域为折射率控制单元；通过对上电极施加电压，改变折射率控制单元相应位置处铌酸锂薄膜层的折射率，从而使铌酸锂薄膜层形成波导结构；停止施加电压，相应位置处铌酸锂薄膜层的波导结构消失，实现对光波导的电控擦写。

根据本发明优选的，所述上限制层的上表面平行设置有X个条形电极；所述X的取值范围为1～1000。设置不同个数的条形电极目的是为了在铌酸锂薄膜层实现多通道的光波导结构，此多通道光波导结构可根据光网络中数据业务的不同需求，通过电控的方式实现灵活可调控的功能。

根据本发明优选的，所述条形电极的宽度和相邻条形电极之间的距离均为1～2μm；优选的，所述条形电极的宽度和相邻条形电极之间的距离均为1μm。

根据本发明优选的，Y分叉型电极包括左分支电极、右分支电极和下分支电极，所述左分支电极与下分支电极之间的距离为10nm～10μm，所述右分支电极与下分支电极之间的距离为10nm～10μm；

优选的，所述左分支电极与下分支电极之间的距离为10nm，所述右分支电极与下分支电极之间的距离为10nm。各分支之间设置距离是为了实现电控光开关各分支间电路的灵活切换，进而实现薄膜材料层各个光路的灵活导通与关断。而且，此种结构设计无需外加电路转换接口，降低了器件工艺难度以及制作成本。

根据本发明优选的，所述点阵式电极包括L×W个点状形电极，所述L为0.5×10⁴～1.5×10⁴；W为0.5×10⁴～1.5×10⁴，所述点状形电极的宽度和间隔均为0.1～5μm。设置多个点状形电极是为了灵活实现铌酸锂薄膜层多个不同折射率控制单元的折射率提高，进而实现建构多个不同结构的光器件。利用该点阵式电极构造的光器件具有现场可定制的特点。

根据本发明优选的，所述下电极为平面电极。当对上电极加电，平面电极接地时，在铌酸锂薄膜层相应位置处的折射率控制单元可以形成上电极形状的波导结构，此波导结构可通过电控的方式实现灵活可擦写的功能，同时上下限制层起到电绝缘的作用。

根据本发明优选的，所述铌酸锂薄膜的厚度为0.5～0.7μm；优选的，铌酸锂薄膜的厚度为0.6μm。

根据本发明优选的，所述铌酸锂薄膜为长方体结构。

根据本发明优选的，所述上限制层和下限制层分别为二氧化硅上限制层和二氧化硅下限制层。

根据本发明优选的，所述下限制层的厚度为0.8～1μm；优选的，所述下限制层的厚度为0.8μm。

根据本发明优选的，所述上限制层的厚度为0.8～1μm；优选的，所述上限制层的厚度为0.8μm。

利用上述基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的Y分叉型电控光开关，通过对Y分叉型电极中左分支电极与下分支电极施加电压值相同的同相电压，从而改变施加电压分支电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料形成波导，从而使Y分叉型光开关上路导通，下路关断；

通过对Y分叉型电极中右分支电极与下分支电极之间施加电压值相同的同相电压，从而改变施加电压分支电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料形成波导，从而使Y分叉型光开关下路导通，上路关断。

该Y分叉型电控光开关主要应用于光传输网络中的光信号切换，动态配置分插复用器OADM、交叉连接器OXC系统,以及光网络中光路的保护/恢复。1×2光开关具有保护倒换功能，通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。

与传统电控光开关相比，此种光开关通过对不同分支的条形电极加电，实现材料内不同光路的导通，降低了光开关的插入损耗，提高了光开关的消光比。

利用上述基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的多波长可选择滤波器，所述滤波器包括依次连接的输入信道、阵列波导、输出信道和所述基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，

含有若干个波长的复用信号光经过输入信道的输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导，阵列波导的输入端面位于输入凹面光栅的圆周上，阵列波导传输出的衍射光以相同的相位到达阵列波导的输出端面上；经阵列波导传输后，相邻的阵列波导保持有相同的长度差ΔL，在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差；对于不同波长的光此相位差不同，不同波长的光在输出信道中发生衍射并聚焦到输出凹面光栅圆圆周上的不同位置；不同位置的光信号经过耦合进入电控可擦写光波导中，通过对电控可擦写光波导中不同的上电极加电，使得加电上电极对应铌酸锂薄膜层位置的光路导通，从而实现对不同波长信号光的选择性输出。

此种滤波器可以根据光网络数据业务的不同需求，实现光通信器件的现场可定制性。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，巧妙利用铌酸锂材料的电光特性，基于电光效应改变材料折射率，从而提高材料特定区域单元的折射率，实现材料的波导功能。

2、本发明提供的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，通过选择在不同的上条形电极或点状形电极加适当电压来提高铌酸锂薄膜材料不同区域的折射率，当停止施加电压时，铌酸锂薄膜的光波导结构消失，实现光波导的可擦除，进而实现光器件的现场可定制功能，在物理层面解决光网络数据业务带宽分配不灵活与传送效率低等问题。

3、本发明提供的高消光比的Y分叉型电控光开关，基于电光效应通过在电极加适当电压改变晶体折射率从而改变光的传输路径，实现不同光路之间的切换功能。同时与传统光开关相比，该光开关器件集成于铌酸锂材料平台上通过半导体平面工艺制作，具有稳定性度高、损耗低、消光比高的特点，片上损耗在＜0.5dB,消光比＞30dB。

4、本发明提供的基于阵列波导光栅的多波长可选择滤波器，通过在滤波器输出端口耦合上电控可擦写光波导，对多输出波长进行灵活调控分配，实现单输入多输出型光滤波器的现场可定制功能。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的截面图；

图2为本发明实施例3提供的高消光比的Y分叉型电控光开关的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例5提供的基于阵列波导光栅的多波长可选择滤波器的俯视图；

图4为本发明实施例6提供的基于点阵式结构可现场定制的Y分叉型光开关和马赫增德干涉仪的俯视图；

1、上限制层，2、铌酸锂薄膜层，3、下限制层，4、上电极，5、下电极，6、折射率控制单元，7、下分支电极，8、左分支电极，9、右分支电极，10、电控可擦写光波导，11、输入信道，12、阵列波导，13、输出信道，14、不加电点状形电极，15、加电点状形电极。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，如图1所示，包括自上而下依次设置的上限制层1、铌酸锂薄膜层2和下限制层3；上限制层1的上表面设置有上电极4，下限制层3的下表面设置有下电极5；上电极4沿着上限制层1的长度方向设置；上电极4和下电极5的重合区域构成折射率控制单元6；通过对折射率控制单元6施加电压，改变折射率控制单元6相应位置处铌酸锂薄膜层2的折射率，从而使铌酸锂薄膜形成波导结构；停止施加电压，相应位置处铌酸锂薄膜层2的波导结构消失，实现对光波导的电控擦写。

铌酸锂薄膜层2为具有电光效应的材料；

本实施例中，上电极4的形状为条形电极。

下电极5为平面电极。当对上电极4加电，平面电极接地时，在铌酸锂薄膜层2相应位置处的折射率控制单元6可以形成条形波导结构，此波导结构可通过电控的方式实现灵活可擦写的功能，同时上下限制层3起到电绝缘的作用。

上限制层1的上表面平行设置有X个条形电极；本实施例中，X为5。设置不同个数的条形电极目的是为了在铌酸锂薄膜层2实现多通道的光波导结构，此多通道光波导结构可根据光网络中数据业务的不同需求，通过电控的方式实现灵活可调控的功能。

条形电极的宽度和相邻条形电极之间的距离均为1μm。

铌酸锂薄膜的厚度为0.6μm，铌酸锂薄膜为长方体结构。

上限制层1和下限制层3分别为二氧化硅上限制层1和二氧化硅下限制层3。下限制层3的厚度为0.8μm，上限制层1的厚度为0.8μm。

实施例2

根据实施例1提供的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，所不同的是，条形电极和下电极5采用电子束光刻的方法分别在上限制层1和限制层上加工实现。

由于铌酸锂薄膜层2为具有电光效应的材料，通过对上条形电极施加电压，下电极5接地，改变上条形电极下方相应位置处材料的折射率，材料折射率能够提高10^-3量级，从而形成条形波导，停止加电，材料中波导结构消失，由此达到可擦写目的。

实施例3

根据实施例1提供的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，所不同的是，如图2所示，上电极4的形状为Y分叉型电极。

Y分叉型电极包括左分支电极8、右分支电极9和下分支电极7，左分支电极8与下分支电极7之间的距离为10nm，右分支电极9与下分支电极7之间的距离为10nm。在上限制层1的上能够设置若干个Y分叉型电极，图2中只显示了设置一个Y分叉型电极的情况。

实施例4

利用实施例2提供的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的Y分叉型电控光开关，通过对Y分叉型电极中左分支电极8与下分支电极7施加电压值相同的同相电压，下电极5接地，从而改变施加电压分支电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料形成波导，从而使Y分叉型光开关上路导通，下路关断；

通过对Y分叉型电极中右分支电极9与下分支电极7之间施加电压值相同的同相电压，从而改变施加电压分支电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料形成波导，从而使Y分叉型光开关下路导通，上路关断。

该Y分叉型电控光开关主要应用于光传输网络中的光信号切换，动态配置分插复用器OADM、交叉连接器OXC系统，以及光网络中光路的保护/恢复。1×2光开关具有保护倒换功能，通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。

与传统电控光开关相比，此种光开关通过对不同分支的条形电极加电，实现材料内不同光路的导通，降低了光开关的插入损耗，提高了光开关的消光比。

该光开关器件集成于铌酸锂材料平台上通过半导体平面工艺制作，具有稳定性度高、损耗低、消光比高的特点，片上损耗在＜0.5dB，消光比＞30dB。

实施例5

利用实施例1或2提供的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的多波长可选择滤波器，如图3所示，滤波器包括依次连接的输入信道11、阵列波导12、输出信道13和基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导10，

含有若干个波长的复用信号光经过输入信道11的输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导12，阵列波导12的输入端面位于输入凹面光栅的圆周上，阵列波导12传输出的衍射光以相同的相位到达阵列波导12的输出端面上；经阵列波导12传输后，相邻的阵列波导12保持有相同的长度差ΔL，在输出凹面光栅上相邻阵列波导12的某一波长的输出光具有相同的相位差；对于不同波长的光此相位差不同，不同波长的光在输出信道13中发生衍射并聚焦到输出凹面光栅圆圆周上的不同位置；不同位置的光信号经过耦合进入电控可擦写光波导10中，通过对电控可擦写光波导10中不同的条形电极加电，使得加电条形电极对应铌酸锂薄膜层2位置的光路导通，从而实现对不同波长信号光的选择性输出。

图3中，不同的衍射光到达光栅圆圆周上的不同位置，特定波长信号光对应指定的光栅圆圆周位置，在相应位置处连接条形电极，下电极5接地，通过对不同位置处的条形电极加电，实现滤波器选择性输出波长。

此种滤波器可以根据光网络数据业务的不同需求，实现光通信器件的现场可定制性。

实施例6

利用实施例1或2提供的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导构建的可现场定制的Y分叉型光开关和马赫增德干涉仪，如图4所示，所不同的是，上电极形状为点阵式结构。图4中灰色的点为加电点状形电极15，白色为不加电点状形电极14。

根据光网络承载的不同业务需求，可现场灵活设计、定制多种不同结构的光器件。根据所需光器件的结构和形状，对不同的点状形上电极加电，实现铌酸锂薄膜层不同折射率控制单元的控制。本实施例中，利用点状形电极来构建的光器件为Y分叉型光开关和马赫增德干涉仪，在上限制层1上，通过对所需的点状形电极加电，下电极5接地，从而改变施加电压的点状形电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料相应路径形成波导，构建成特定结构的光器件。其余不加电点状形电极14下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率不变，未形成光波导结构。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，包括自上而下依次设置的上限制层、铌酸锂薄膜层和下限制层；上限制层的上表面设置有上电极，下限制层的下表面设置有下电极；所述上电极沿着上限制层的长度方向设置；

所述上电极的形状为条形电极或Y分叉型电极或点阵式电极；

在铌酸锂薄膜层中，上电极和下电极的重合区域对应的区域为折射率控制单元；通过对上电极施加电压，改变折射率控制单元相应位置处铌酸锂薄膜层的折射率，从而使铌酸锂薄膜层形成波导结构；停止施加电压，相应位置处铌酸锂薄膜层的波导结构消失，实现对光波导的电控擦写。

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，所述上限制层的上表面平行设置有X个条形电极；所述X的取值范围为1～1000。

3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，所述条形电极的宽度和相邻条形电极之间的距离均为1～2μm；优选的，所述条形电极的宽度和相邻条形电极之间的距离均为1μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，Y分叉型电极包括左分支电极、右分支电极和下分支电极，所述左分支电极与下分支电极之间的距离为10nm～10μm，所述右分支电极与下分支电极之间的距离为10nm～10μm；

优选的，所述左分支电极与下分支电极之间的距离为10nm，所述右分支电极与下分支电极之间的距离为10nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，所述点阵式电极包括L×W个点状形电极，所述L为0.5×10⁴～1.5×10⁴；W为0.5×10⁴～1.5×10⁴，所述点状形电极的宽度和间隔均为0.1～5μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，所述下电极为平面电极。

7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，所述铌酸锂薄膜的厚度为0.5～0.7μm；所述铌酸锂薄膜为长方体结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，其特征在于，所述上限制层和下限制层分别为二氧化硅上限制层和二氧化硅下限制层。

9.利用权利要求4或5所述的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的Y分叉型电控光开关，其特征在于，通过对Y分叉型电极中左分支电极与下分支电极施加电压值相同的同相电压，从而改变施加电压分支电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料形成波导，从而使Y分叉型光开关上路导通，下路关断；

通过对Y分叉型电极中右分支电极与下分支电极之间施加电压值相同的同相电压，从而改变施加电压分支电极下方相应位置处铌酸锂薄膜材料的折射率，铌酸锂薄膜材料形成波导，从而使Y分叉型光开关下路导通，上路关断。

10.利用权利要求2或3所述的基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导的多波长可选择滤波器，其特征在于，所述滤波器包括依次连接的输入信道、阵列波导、输出信道和所述基于铌酸锂薄膜的电控可擦写光波导，

含有若干个波长的复用信号光经过输入信道的输入凹面光栅上进行功率分配，并耦合进入阵列波导，阵列波导的输入端面位于输入凹面光栅的圆周上，阵列波导传输出的衍射光以相同的相位到达阵列波导的输出端面上；经阵列波导传输后，相邻的阵列波导保持有相同的长度差ΔL，在输出凹面光栅上相邻阵列波导的某一波长的输出光具有相同的相位差；对于不同波长的光此相位差不同，不同波长的光在输出信道中发生衍射并聚焦到输出凹面光栅圆圆周上的不同位置；不同位置的光信号经过耦合进入电控可擦写光波导中，通过对电控可擦写光波导中不同的上电极加电，使得加电上电极对应铌酸锂薄膜层位置的光路导通，从而实现对不同波长信号光的选择性输出。

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