CN212322019U - 超大带宽的铌酸锂电光开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超大带宽的铌酸锂电光开关。超大带宽的铌酸锂电光开关包括多个级联的等臂马赫‑曾德干涉仪。所述的等臂马赫‑曾德干涉仪从输入到输出依次包括渐变输入波导、3dB分束器、分开弯曲波导、移相器、靠近弯曲波导、3dB合束器、渐变输出波导。本实用新型可以通过设置级联结构中多个等臂马赫‑曾德干涉仪的移相器长度，实现单电压控制的超大带宽范围内超高消光比的光开关，也可用作紧凑集成型的“斩光器”或超大带宽调制器。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成光电子器件领域，具体涉及一种超大带宽的铌酸锂电光开关。
背景技术
集成光子学是一种强大的平台。与自由空间光学系统相比，它可以在提高光学系统的性能和稳定性的同时实现低成本、小尺寸、可替代等诸多优点。过去的十几年来，在开发通信波段低损耗的集成光子平台方面取得了非常显著的成就，其中最为代表性的就是硅基光子学。
而可见光波段的集成光子器件则受到的关注较少。可见光波段涉及许多应用领域，包括光学成像、生物传感、生物医学、光遗传学等等。例如，碱金属和碱土金属，如铯、钙和钠，是现代精密光学频率计量、磁测定和量子计算的关键元素，它们的原子跃迁谱线在可见光谱和近可见光谱范围内。
在这些应用的驱动下，人们研究了许多可用于可见光光子平台的材料，包括二氧化硅、氮化硅、氮化铝、铌酸锂等等。铌酸锂是一种负单轴晶体，其透明窗口非常大，覆盖400~5000nm波段，且铌酸锂的具有很大的电光系数以及强的光学非线性，非常适用于调制器、开关的制作以及波长转换等非线性过程的产生。早些年的铌酸锂光器件中的光波导是基于钛扩散或退火质子交换形成，其折射率差非常小，因此整体器件的尺寸通常非常大，不利于大规模密集集成的需要。然而近几年来，铌酸锂薄膜快速发展。基于铌酸锂薄膜的波导结构具有折射率差大、波导尺寸小、与CMOS兼容等诸多优点，因而受到了广泛的关注。由于铌酸锂的透明窗口覆盖了整个可见光波段，因此铌酸锂薄膜是可见光波段集成光子平台的一个非常好的选择。
光开关是集成光子领域的一个关键器件，其被用于控制光信号的有无，以实现特定的目的。实现光开关的原理主要有热光效应、电光效应、声光效应等等。在过去的十几年，研究人员们的研究重心主要放在通信波段的光开关，并提出了多种结构。然后，在可见光波段，关于光开关的工作可谓少之又少。其主要原因可能有两点，一是适用于可见光波段且能制作高性能光开关的集成光子平台并不多；二是可见光波段波长太小，色散太大，想在可见光波段实现超大带宽和超高消光比的光开关相比于通信波段更加困难。
在气体检测中，可以使用斩光器将光源发出的光线调制为具有一定频率的光线，配合锁相放大器使用，可以降低其他频率的噪声对系统的影响，从而提高检测结果的信噪比。其中所用的斩光器通常为机械装置，一般由旋转式斩波片及其控制装置组成，其通过斩波片不断旋转来对光线进行周期性地遮断，从而将连续光调制为具有一定频率的光。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型的目是提供一种超大带宽的铌酸锂电光开关，可以在整个400~900nm波段内实现消光比小于-20dB。
一种超大带宽的铌酸锂电光开关，所述光开关包括多个依次首尾相连形成级联的等臂马赫-曾德干涉仪，所述的等臂马赫-曾德干涉仪中的波导结构基于铌酸锂薄膜平台；所述的等臂马赫-曾德干涉仪从输入到输出依次包括渐变输入波导、3dB分束器、分开弯曲波导、移相器、靠近弯曲波导、3dB合束器、渐变输出波导；所述的3dB分束器包括分束中间波导、分束上波导、分束下波导；其中，渐变输入波导与分束中间波导相连；所述的分开弯曲波导包括上分开弯曲波导、下分开弯曲波导；其中，上分开弯曲波导的一端和分束上波导相连，下分开弯曲波导的一端和分束下波导相连；所述的移相器包括上移相器和下移相器，上移相器包括上直波导、信号电极、上接地电极，下移相器包括下直波导、信号电极、下接地电极；所述的靠近弯曲波导包括上靠近弯曲波导、下靠近弯曲波导；所述的3dB合束器包括合束中间波导、合束上波导、合束下波导；其中，上移相器的上直波导的一端和上靠近弯曲波导相连，下直波导的一端和下靠近弯曲波导相连；上靠近弯曲波导的一端和3dB合束器的合束上波导相连，下靠近弯曲波导的一端和3dB合束器的合束下波导相连；合束中间波导与渐变输出波导相连。
所述光开关中形成级联的多个等臂马赫-曾德干涉仪，所述光开关中形成级联的多个等臂马赫-曾德干涉仪，通过选择级联的马赫-曾德干涉仪的个数以及对应的移相器的长度，在所需的超大带宽范围内实现超高的消光比。
所述的铌酸锂薄膜平台的基底为铌酸锂，掩埋氧化物层为二氧化硅，覆盖层为二氧化硅，波导结构层为x切的薄膜铌酸锂；波导侧壁存在一个倾斜角θ；波导中使用的工作模式为TE基模。
所述的分束中间波导的宽度由宽渐变至窄，分束上波导、分束下波导的宽度由窄渐变至宽，且整个渐变过程中分束中间波导与分束上波导、分束下波导的间隙保持不变。
所述的上直波导、下直波导用于连接光场的输入与输出；信号电极、上接地电极放置于上直波导的左右两侧，用于与信号源相连接；信号电极、下接地电极放置于下直波导的左右两侧，用于与信号源相连接；在推挽结构（GSG）下，信号电极接入信号源的正端，上接地电极、下接地电极共同接入信号源的负端；当信号源电压为零时，在上移相器和下移相器中，上直波导、下直波导中的TE基模的有效折射率不发生变化，上直波导、下直波导最后输出的光场相位差为0；当信号源电压不为零时，上直波导、下直波导最后输出的光场存在一个相位差。
当信号源电压为半波电压时，上直波导、下直波导最后输出的光场的相位差为π，TE基模的有效折射率变化量等大反号，半波电压降低一半。
所述的合束中间波导的宽度由窄渐变至宽，合束上波导、合束下波导的宽度由宽渐变至窄，且整个渐变过程中合束中间波导与合束上波导、合束下波导的间隙保持不变；当输入合束上波导、合束下波导的光场的相位差为0时，经过渐变后光场合束进入合束中间波导的TE基模；当输入合束上波导、合束下波导的光场的相位差为π时，经过渐变后光场合束进入合束中间波导的TE高阶模，若控制输出波导的宽度渐变至单模宽度，TE高阶模将变成辐射模而损耗。
本实用新型的有益效果：
（1）本实用新型采用薄膜铌酸锂平台，最小部分尺寸为100nm，现有工艺可以加工，制作起来相对简单；
（2）本实用新型在等臂马赫-曾德干涉仪中利用三根渐变波导形成3dB分束器与3dB合束器，该3dB分束器与3dB合束器可以在超大带宽内实现超低损耗的分束与合束；
（3）本实用新型中波导氧化物掩埋层和覆盖层较厚，电极与波导距离较远，弯曲波导曲率半径较大，由它们导致的损耗理论上可忽略不计；
（4）本实用新型利用多个级联的等臂马赫-曾德干涉仪，并将多个等臂马赫-曾德干涉仪移相器部分的接地电极共同接入控制信号的负端，信号电极共同接入控制信号的正端，因此单个电压即可控制整个结构。
（5）本实用新型利用多个级联的等臂马赫-曾德干涉仪，整个结构的光谱透过率为对应多个等臂马赫-曾德干涉仪光谱透过率的乘积，因而可在超大带宽范围内超高消光。
附图说明
图1是等臂马赫-曾德干涉仪的结构俯视图。
图2是等臂马赫-曾德干涉仪中波导的横截面图。
图3是等臂马赫-曾德干涉仪中上移相器的横截面图。
图4是等臂马赫-曾德干涉仪中3dB分束器的单端输出图。
图5是等臂马赫-曾德干涉仪MZI1移相器部分长度为L1=3mm时的光谱透过率图。
图6是等臂马赫-曾德干涉仪MZI2移相器部分长度为L2=5mm时的光谱透过率图。
图7是等臂马赫-曾德干涉仪MZI3移相器部分长度为L3=8mm时的光谱透过率图。
图8是等臂马赫-曾德干涉仪MZI4移相器部分长度为L4=12mm时的光谱透过率图。
图9是本实用新型提出的由多个级联等臂马赫-曾德干涉仪组成的超大带宽的铌酸锂电光开关的结构俯视图（图中等臂马赫-曾德干涉仪数为四个）。
图10是由四个级联等臂马赫-曾德干涉仪组成的超大带宽的铌酸锂电光开关的损耗图。
图11是由四个级联等臂马赫-曾德干涉仪组成的超大带宽的铌酸锂电光开关的消光比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。
图1是等臂马赫-曾德干涉仪的结构俯视图。等臂马赫-曾德干涉仪从输入到输出依次包括渐变输入波导1、3dB分束器、分开弯曲波导、移相器、靠近弯曲波导、3dB合束器、渐变输出波导17；所述的3dB分束器包括分束中间波导2、分束上波导4、分束下波导3；其中，渐变输入波导1与分束中间波导2相连；所述的分开弯曲波导包括上分开弯曲波导6、下分开弯曲波导5；其中，上分开弯曲波导6的一端和分束上波导4相连，下分开弯曲波导5的一端和分束下波导3相连；所述的移相器包括上移相器和下移相器，上移相器包括上直波导8、信号电极10、上接地电极11，下移相器包括下直波导7、信号电极10、下接地电极9；所述的靠近弯曲波导包括上靠近弯曲波导13、下靠近弯曲波导12；所述的3dB合束器包括合束中间波导16、合束上波导15、合束下波导14；其中，上移相器的上直波导8的一端和上靠近弯曲波导13相连，下直波导7的一端和下靠近弯曲波导12相连；上靠近弯曲波导13的一端和3dB合束器的合束上波导15相连，下靠近弯曲波导12的一端和3dB合束器的合束下波导14相连；合束中间波导16与渐变输出波导17相连。
渐变输入波导1的宽度从200nm渐变至800nm，渐变长度为100μm，其用于等臂马赫-曾德干涉仪光场的输入以及波导单模工作的控制；分束中间波导2的波导宽度从800nm渐变至100nm，分束上波导4、分束下波导3的波导宽度从100nm渐变至800nm，渐变长度为300μm，且渐变过程中分束中间波导2与分束上波导4、分束下波导3的间隙Gap=110nm保持不变；上分开弯曲波导6、下分开弯曲波导5的波导宽度为800nm，纵向跨度为Lx=160μm，横向跨度为Ly=10μm；上直波导8、下直波导7的宽度为800nm；电极结构采用了推挽结构，即GSG，其中G代表接地电极，S代表信号电极，移相器部分长度为L；上靠近弯曲波导13、下靠近弯曲波导12的波导宽度为800nm，纵向跨度为Lx=160μm，横向跨度为Ly=10μm；合束中间波导16的波导宽度从100nm渐变至800nm，合束上波导15、合束下波导14的波导宽度从800nm渐变至100nm，渐变长度为300μm，且渐变过程中合束中间波导16与合束上波导15、合束下波导14的间隙Gap=110nm保持不变；渐变输出波导17的宽度从800nm渐变至200nm，渐变长度为100μm，其用于TE高阶模的损耗和滤除。
图2为等臂马赫-曾德干涉仪中波导的横截面图，波导基于铌酸锂薄膜平台，波导结构为脊型波导。其中基底18为铌酸锂，厚度为400μm；掩埋氧化物层19为二氧化硅，厚度为2μm；波导结构层20为x切的铌酸锂薄膜，其总厚度为H=130nm，未刻蚀厚度为Hslab=90nm；波导的侧壁存在倾斜角θ，该角通常为60°左右，波导宽度为W；覆盖层21为二氧化硅，厚度为2μm。图3为等臂马赫-曾德干涉仪中上移相器的横截面图，与图2相比，增加的部分为信号电极11、上接地电极10，电极材料为金，电极厚度和宽度分别为600nm和10.16μm，电极与波导的距离为G=7μm。下移相器的横截面图与此类似。
图4是等臂马赫-曾德干涉仪中3dB分束器的单端输出图，在整个400~900nm波段内单端输出非常接近50%。由此可见，该3dB分束器可在超大带宽内实现超低损耗的50:50的分光。
图5、图6、图7、图8分别为给图1中的等臂马赫-曾德干涉仪加3.3V静态电压时，移相器长度分别为3mm、5mm、8mm、12mm时对应的光谱透过率图。由图5、图6、图7、图8可见，当加在等臂马赫-曾德干涉仪电极上的电压不变，而去改变移相器部分长度L时，对应的输出光谱将随着移相器部分长度L的变化而变化，且只有很小的波段能够满足高消光比要求，无法达到超大带宽内超高消光比的要求。因此，基于单个等臂马赫-曾德干涉仪的光开关在可见光波段无法达到超大带宽内超高消光比的要求。而采用多个级联等臂马赫-曾德干涉仪，整个结构的光谱透过率为对应每个等臂马赫-曾德干涉仪光谱透过率的乘积。通过合理选择级联的马赫-曾德干涉仪的个数以及对应的移相器的长度，可在所需的超大带宽范围内实现超高的消光比。
图9是本实用新型提出的由多个级联等臂马赫-曾德干涉仪组成的超大带宽的铌酸锂电光开关的结构俯视图，本实施例选取等臂马赫-曾德干涉仪数为四个。除了移相器部分长度，四个等臂马赫-曾德干涉仪MZI1、MZI2、MZI3、MZI4具有与图1描述的等臂马赫-曾德干涉仪完全相同的参数。四个等臂马赫-曾德干涉仪的移相器长度分别为L1=3mm，L2=5mm，L3=8mm，L4=12mm。四个等臂马赫-曾德干涉仪移相器部分的接地电极共同接入控制信号的负端，移相器部分的信号电极共同接入控制信号的正端，因此单个电压即可控制整个结构。
由于掩埋氧化物层18与覆盖层21厚度较厚，分开弯曲波导、靠近弯曲波导的弯曲半径较大，电极距离波导较远，波导的传输损耗、弯曲损耗、电极导致的损耗皆忽略不计，仅考虑3dB分束器和3dB合束器的损耗。图10是由四个级联等臂马赫-曾德干涉仪组成的超大带宽的铌酸锂电光开关的损耗图。由图10可见，在整个400~900nm宽波段范围内，理论上损耗小于0.25dB，这归功于3dB分束器和3dB合束器的工作的超大带宽和超低损耗。
图11是由四个级联等臂马赫-曾德干涉仪组成的超大带宽的铌酸锂电光开关的消光比图。由图11可见，在整个400~900nm的超大带宽范围内，都有消光比小于-20dB。该超大带宽覆盖了整个可见光波段以及部分近红外波段。在900nm附近，消光比小于-25dB，因此带宽仍有继续扩展的潜力。
上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：所述光开关包括多个依次首尾相连形成级联的等臂马赫-曾德干涉仪，所述的等臂马赫-曾德干涉仪中的波导结构基于铌酸锂薄膜平台；所述的等臂马赫-曾德干涉仪从输入到输出依次包括渐变输入波导、3dB分束器、分开弯曲波导、移相器、靠近弯曲波导、3dB合束器、渐变输出波导；所述的3dB分束器包括分束中间波导、分束上波导、分束下波导；其中，渐变输入波导与分束中间波导相连；所述的分开弯曲波导包括上分开弯曲波导、下分开弯曲波导；其中，上分开弯曲波导的一端和分束上波导相连，下分开弯曲波导的一端和分束下波导相连；所述的移相器包括上移相器和下移相器，上移相器包括上直波导、信号电极、上接地电极，下移相器包括下直波导、信号电极、下接地电极；所述的靠近弯曲波导包括上靠近弯曲波导、下靠近弯曲波导；所述的3dB合束器包括合束中间波导、合束上波导、合束下波导；其中，上移相器的上直波导的一端和上靠近弯曲波导相连，下直波导的一端和下靠近弯曲波导相连；上靠近弯曲波导的一端和3dB合束器的合束上波导相连，下靠近弯曲波导的一端和3dB合束器的合束下波导相连；合束中间波导与渐变输出波导相连。
2.根据权利要求1所述的超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：所述光开关中形成级联的多个等臂马赫-曾德干涉仪，通过选择级联的马赫-曾德干涉仪的个数以及对应的移相器的长度，在所需的超大带宽范围内实现超高的消光比。
3.根据权利要求1所述的超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：所述的铌酸锂薄膜平台的基底为铌酸锂，掩埋氧化物层为二氧化硅，覆盖层为二氧化硅，波导结构层为x切的薄膜铌酸锂；波导侧壁存在一个倾斜角θ；波导中使用的工作模式为TE基模。
4.根据权利要求1所述的超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：所述的分束中间波导的宽度由宽渐变至窄，分束上波导、分束下波导的宽度由窄渐变至宽，且整个渐变过程中分束中间波导与分束上波导、分束下波导的间隙保持不变。
5.根据权利要求1所述的超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：所述的上直波导、下直波导用于连接光场的输入与输出；信号电极、上接地电极放置于上直波导的左右两侧，用于与信号源相连接；信号电极、下接地电极放置于下直波导的左右两侧，用于与信号源相连接；在推挽结构下，信号电极接入信号源的正端，上接地电极、下接地电极共同接入信号源的负端；当信号源电压为零时，在上移相器和下移相器中，上直波导、下直波导中的TE基模的有效折射率不发生变化，上直波导、下直波导最后输出的光场相位差为0；当信号源电压不为零时，上直波导、下直波导最后输出的光场存在一个相位差。
6.根据权利要求5所述的超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：当信号源电压为半波电压时，上直波导、下直波导最后输出的光场的相位差为π， TE基模的有效折射率变化量等大反号，半波电压降低一半。
7.根据权利要求1所述的超大带宽的铌酸锂电光开关，其特征在于：所述的合束中间波导的宽度由窄渐变至宽，合束上波导、合束下波导的宽度由宽渐变至窄，且整个渐变过程中合束中间波导与合束上波导、合束下波导的间隙保持不变；当输入合束上波导、合束下波导的光场的相位差为0时，经过渐变后光场合束进入合束中间波导的TE基模；当输入合束上波导、合束下波导的光场的相位差为π时，经过渐变后光场合束进入合束中间波导的TE高阶模，若控制输出波导的宽度渐变至单模宽度，TE高阶模将变成辐射模而损耗。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202021524917.9U CN212322019U (zh) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 超大带宽的铌酸锂电光开关 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=74035660
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111913309A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-11-10 | 浙江大学 | 一种超大带宽的铌酸锂电光开关 |
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2020
- 2020-07-29 CN CN202021524917.9U patent/CN212322019U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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