CN111736373A - 一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，该光开关包括自上而下依次设置的铌酸锂薄膜层、光限制层和基底，铌酸锂薄膜层上设置有若干个电极组，电极组沿着铌酸锂薄膜层的长度方向设置，每个电极组包含两个电极；电极组的形状为直条形电极组或弯曲形电极组或Y分叉型电极组。本发明提供了一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关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，形成材料的波导结构，从而实现材料层光路的导通；未加电区域，材料层光路关断，进而实现高消光比光开关的功能。

Description

一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关
技术领域
本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，属于光通信器件的技术领域。
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，对光纤传输系统提出了更高的要求。然而传统光纤传输系统显现出光信号传输损耗高与传送效率低等弱点。一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关以其灵活性、光路转换损耗低、传送效率高等优势，日渐得到广泛关注。
现有技术中的光开关都是采用特定的光路转换装置对光信号进行物理切换或逻辑操作。中国专利文献CN203219269U公开了一种电控全息光开关系统，该系统包括：四端口开关、四个高压高速脉冲信号发生器、四个晶体、光源、光电探测器、译码器和光电转换器。但这类光开关系统需要特定的开关转换接口实现光信号的物理切换或逻辑操作。现有技术中的光开关仍存在着传输损耗高、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高消光比光开关，基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关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，形成材料的波导结构，从而实现材料层光路的导通；未加电区域，材料层光路关断，进而实现高消光比光开关的功能。
本发明的技术方案为：
一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，包括自下而上依次设置的基底、光限制层和铌酸锂薄膜层，所述铌酸锂薄膜层上设置有若干个电极组，所述电极组沿着铌酸锂薄膜层的长度方向设置，每个电极组包含两个电极；
所述电极组的形状为直条形电极组或弯曲形电极组或Y分叉型电极组；
在铌酸锂薄膜层中，相邻两个电极之间下方所对应的区域为折射率控制单元；通过对相邻两个电极施加相同值反向电压，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，实现铌酸锂薄膜层光路的导通；停止施加电压，相应位置处铌酸锂薄膜层的波导结构消失，从而实现铌酸锂薄膜层光路的关断，进而在铌酸锂薄膜层中，实现光开关的功能。
区别于常规的在上限制层和下限制层分别设置上电极和下电极，本发明在铌酸锂薄膜层上设置若干个电极组，通过对电极组中两个电极施加相同值反向电压，从而使铌酸锂薄膜层形成波导结构，省去下电极以及上限制层的材料设置；简化了光器件的制备流程，降低了工艺成本；与常规的上下电极设计形成的波导结构相比，降低了波导的传输损耗，提高了所制备光器件的消光比。
根据本发明优选的，所述铌酸锂薄膜层的上表面平行设置有X个电极组；所述X的取值范围为1～1000。设置不同个数的电极组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，弯曲形电极组的形状为波浪形。电极组形状设置成波浪形的好处是在铌酸锂薄膜层可以形成波浪形的波导结构，该波导结构用作光开关时可以提高消光比，减少光波的片上损耗。
根据本发明优选的，Y分叉型电极组包括左分支电极组、右分支电极组和下分支电极组，左分支电极组、右分支电极组和下分支电极组均包括两个平行设置的电极；
通过对Y分叉型电极组中左分支电极组与下分支电极组分别施加相同值反向的电压，从而改变施加电压分支电极组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分叉型光开关左支路导通，右支路关断；
通过对Y分叉型电极中右分支电极组与下分支电极组之间分别施加相同值反向的电压，从而改变施加电压分支电极组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分叉型光开关右支路导通，左支路关断。
该Y分叉型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分支电极组加电，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。
根据本发明优选的，所述左分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm～10μm，所述右分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm～10μm；
优选的，所述左分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm，所述右分支电极组与下分支电极组之间的距离为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，所述电极组中电极的宽度和相邻电极之间的距离均为0.2～20μm；优选的，所述电极组中电极的宽度和相邻电极之间的距离均为5μm。
根据本发明优选的，所述基底的材料为硅。
根据本发明优选的，所述基底的厚度为100μm～10mm；优选的，所述基底的厚度为100μm。
根据本发明优选的，所述光限制层的材料为二氧化硅、氮化硅和磷硅玻璃中任一种；优选的，所述光限制层的材料为二氧化硅。
根据本发明优选的，所述光限制层的厚度为0.1～50μm；优选的，所述光限制层的厚度为0.8μm。
根据本发明优选的，所述铌酸锂薄膜的厚度为0.1～20μm；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。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，区别于常规的在上限制层和下限制层分别设置上电极和下电极，本发明在铌酸锂薄膜层上设置若干个电极组，通过对电极组中两个电极施加相同值反向电压，从而使铌酸锂薄膜层形成波导结构，该结构设计的主要优点在于省去下电极以及上限制层的材料设置，简化光器件的制备流程，降低器件的工艺成本。本发明中，通过对电极组加电在铌酸锂薄膜层形成的波导结构，与常规的上下电极设计形成的波导结构相比，进一步降低波导的传输损耗，提高所制备光开关的消光比。
2、本发明提供的基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，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。
3、本发明提供的基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，通过选择对不同的直条形或弯曲形电极组加电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，实现材料层光路的导通与关断，进而实现光开关的功能，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。
4、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，片上损耗在小于0.5dB，消光比大于30dB。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的设置有直条形电极组的基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关的截面图；
图2为本发明实施例1提供的设置有直条形电极组的基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关的俯视图；
图3为本发明实施例3提供的设置有弯曲形电极组基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关的俯视图；
图4为本发明实施例4提供的设置有Y分叉型电极组的基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关的俯视图；
1、电极组，2、下分支电极组，3、铌酸锂薄膜层，4、光限制层，5、基底，6、折射率控制单元，7、左直条形电极，8、右直条形电极，9、左波浪形电极，10、右波浪形电极，11、左分支电极组，12、右分支电极组。
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高消光比光开关，如图1所示，包括自下而上依次设置的基底5、光限制层4和铌酸锂薄膜层3，铌酸锂薄膜层3上设置有若干个电极组1，电极组1沿着铌酸锂薄膜层3的长度方向设置，每个电极组1包含两个电极；
如图2所示，本实施例中，电极组1为直条形电极组；每个直条形电极组包括左直条形电极7和右直条形电极8；
在铌酸锂薄膜层3中，相邻两个电极之间下方所对应的区域为折射率控制单元6；通过对相邻两个电极施加相同值反向电压，改变折射率控制单元6相应位置处铌酸锂薄膜层3的折射率，从而使铌酸锂薄膜层3形成波导结构，实现铌酸锂薄膜层3光路的导通；停止施加电压，相应位置处铌酸锂薄膜层3的波导结构消失，从而实现铌酸锂薄膜层3光路的关断，进而在铌酸锂薄膜层3中，实现光开关的功能。
区别于常规的在上限制层和下限制层分别设置上电极和下电极，本发明在铌酸锂薄膜层3上设置若干个电极组1，通过对电极组1中两个电极施加相同值反向电压，从而使铌酸锂薄膜层3形成波导结构，省去下电极以及上限制层的材料设置；简化了光器件的制备流程，降低了工艺成本；与常规的上下电极设计形成的波导结构相比，降低了波导的传输损耗，提高了所制备光器件的消光比。
铌酸锂薄膜层3为具有电光效应的材料；
当对左直条形电极7加正电，右直条形电极8加负电时，在铌酸锂薄膜层3相应位置处的折射率控制单元6可以形成直条形波导结构，此波导结构可通过电控的方式实现灵活可控的功能，同时光限制层4起到光隔离的作用。
铌酸锂薄膜层3的上表面平行设置有X个电极组1；本实施例中，X为1。另外可以设置不同个数的直条形电极目的是为了在铌酸锂薄膜层3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。
左直条形电极7和右直条形电极8的宽度和相邻直条形电极之间的距离均为5μm。
铌酸锂薄膜的厚度为0.6μm，铌酸锂薄膜为长方体结构。
光限制层4的材料为二氧化硅，光限制层4的厚度为0.8μm。
基底5为硅基底5，基底5的厚度为100μm。
实施例2
根据实施例1提供的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，所不同的是，如图2所示，左直条形电极7和右直条形电极8采用电子束光刻的方法在铌酸锂薄膜层3上加工实现。
由于铌酸锂薄膜层3为具有电光效应的材料，通过对左直条形电极7和右直条形电极8施加电压，改变电极下方相应位置处材料的折射率，折射率控制单元6的折射率能够提高10-3量级，从而形成直条形波导，停止加电，材料中波导结构消失，由此达到材料层光路的导通和关断。
实施例3
根据实施例1提供的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，所不同的是，如图3所示，
电极组1为弯曲形电极组，本实施例中，电极组1的形状为波浪形电极组，包括左波浪形电极9和右波浪形电极10。
当对左弯曲形电极加正电，右弯曲形电极加相同值负电时，在铌酸锂薄膜层3相应位置处的折射率控制单元6可以形成弯曲形波导结构，此波导结构可以进一步提高波导的消光比。
实施例4
根据实施例1提供的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，所不同的是，如图4所示，电极组1的形状为Y分叉型电极组。
Y分叉型电极组包括左分支电极组11、右分支电极组12和下分支电极组2，左分支电极组11、右分支电极组12和下分支电极组2均包括两个平行设置的电极；左分支电极组11与下分支电极组2之间的距离为10nm，右分支电极组12与下分支电极组2之间的距离为10nm。在铌酸锂薄膜层3的上能够设置若干个Y分叉型电极组，图4中只显示了设置一个Y分叉型电极组的情况。
其中，左电极组的下端、右电极组的下端以及下电极组的端均为尖端形状，从而方便光路的耦合以及逻辑转换。
通过对Y分叉型电极组中左分支电极组11与下分支电极组2分别施加相同值反向的电压，从而改变施加电压分支电极组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分叉型光开关左支路导通，右支路关断；
通过对Y分叉型电极中右分支电极组12与下分支电极组2之间分别施加相同值反向的电压，从而改变施加电压分支电极组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分叉型光开关右支路导通，左支路关断。
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直条形电极组加电，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，片上损耗在小于0.5dB，消光比大于30dB。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，包括自下而上依次设置的基底、光限制层和铌酸锂薄膜层，所述铌酸锂薄膜层上设置有若干个电极组，所述电极组沿着铌酸锂薄膜层的长度方向设置，每个电极组包含两个电极；
所述电极组的形状为直条形电极组或弯曲形电极组或Y分叉型电极组；
在铌酸锂薄膜层中，相邻两个电极之间下方所对应的区域为折射率控制单元；通过对相邻两个电极施加相同值反向电压，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，实现铌酸锂薄膜层光路的导通；停止施加电压，相应位置处铌酸锂薄膜层的波导结构消失，从而实现铌酸锂薄膜层光路的关断，进而在铌酸锂薄膜层中，实现光开关的功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，所述铌酸锂薄膜层的上表面平行设置有X个电极组；所述X的取值范围为1～1000。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，弯曲形电极组的形状为波浪形。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，Y分叉型电极组包括左分支电极组、右分支电极组和下分支电极组，左分支电极组、右分支电极组和下分支电极组均包括两个平行设置的电极；
通过对Y分叉型电极组中左分支电极组与下分支电极组分别施加相同值反向的电压，从而改变施加电压分支电极组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分叉型光开关左支路导通，右支路关断；
通过对Y分叉型电极中右分支电极组与下分支电极组之间分别施加相同值反向的电压，从而改变施加电压分支电极组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分叉型光开关右支路导通，左支路关断。
5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，所述左分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm～10μm，所述右分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm～10μm；
优选的，所述左分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm，所述右分支电极组与下分支电极组之间的距离为10nm。
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高消光比光开关，其特征在于，所述电极组中电极的宽度和相邻电极之间的距离均为0.2～20μm；优选的，所述电极组中电极的宽度和相邻电极之间的距离均为5μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，所述基底的材料为硅。
8.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，所述基底的厚度为100μm～10mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，所述光限制层的厚度为0.1～50μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的高消光比光开关，其特征在于，所述铌酸锂薄膜的厚度为0.1～20μm。
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