CN213092051U - 一种基于铌酸锂波导的电光开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电光调制，高速光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于铌酸锂波导的电光开关。用于解决传统电光开关消光比大、开关频率低、带宽受限的问题。此种电光开关自上而下的结构为：渐变阵列电极、缓冲层、基底，所述基底设置有输入端和输出端；所述渐变阵列电极为一组底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元；所述基底包括波导区和非波导区，所述基底为块状铌酸锂或者铌酸锂薄膜集成波导，所述铌酸锂薄膜集成波导为单晶铌酸锂与衬底的结合，所述块状铌酸锂或单晶铌酸锂包裹有质子交换铌酸锂波导。通过上述技术方案，以实现低损耗、稳定性强、驱动电压低、调制带宽大的技术效果。

Description

一种基于铌酸锂波导的电光开关

技术领域

本实用新型涉及电光调制，高速光通信的技术领域，更具体地，涉及一种基于铌酸锂波导的电光开关。

背景技术

光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，是光通信、光计算机、光信息处理等光信息系统的关键器件，起着上下路信号和多路信号交叉互联的作用，影响着人们生活的方方面面。近些年来，通信系统的迅速发展对光网络的容量、速率、安全等性能方面提出了更高的要求。

光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关又可分为传统机械式光开关和微电子机械系统(MEMS)光开关，工作原理为通过驱动单元带动活动的光纤或者棱镜，在特定的指令要求下完成光学元器件的移动，使传输光路发生改变。非机械式光开关又可分为波导型光开关和全光开关，波导型光开关一般是基于材料的电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等来改变波导介质层的折射率分布，从而使传输光的传输方向发生改变，可实现入射光在两个至两个以上的输出端之间的切换。全光光开关主要是依据半导体材料中的光折射率的改变，通过控制光生载流子激发半导体材料，引起材料折射率的变化，传输方向上的光信号产生相位差，从而输出所需的信号。

基于光纤准直器和微镜构成的机械式光开关由于依靠光路中部件的移动，一般存在开关时间较长、重复性差的问题。基于热光效应的光开关的主要特点是低成本、低串扰、低功耗、偏振不敏感以及非波长相关，但缺点是响应时间慢，插入损耗大。基于声光效应的光开关没有机械的运动部分，具有方便、节能、可靠性高等优点，但调制带宽窄、成本较高。液晶光开关根据施加外部电场控制液晶分子方向实现开关功能，动态散射性好，但插入损耗较大，开关速度提高需要增加设备功耗。电光开关利用材料的电光效应，通过外加电场改变材料的介电常数，从而控制传输光的幅度、相位、频率。基于平面光波导技术的光开关稳定、灵活、兼容性好等特点，成为全光交换系统中的关键器件。

随着通信网络的发展，光开关要朝着集成化、调制带宽大、插入损耗低、调制速率快、开关对比度高、寿命长等方向发展。传统光开关的响应时间为μs、ms量级，未来光开关应该向ns量级甚至fs量级发展，对光开关的开发成为光学研究中一项重要的工作。

铌酸锂具有优良的电光(较高的电光系数：30.8pm/V)、声光、非线性光学、压电性质及在可见光和近红外波段良好的透过率，铌酸锂光开关的相应速度可达ns量级，损耗低，具有较好的市场潜能。通过对铌酸锂进行工艺上的改进、在铌酸锂波导上设计一定结构的电极，使得集成化铌酸锂光开关芯片在光路系统中快速稳定切换，更加适应带宽和高速调制的工作模式。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于铌酸锂波导的电光开关，用于解决传统电光开关消光比大、开关频率低、带宽受限的问题，为光网络的快速发展需求提供了全新的解决思路，以实现低损耗、稳定性强、驱动电压低、调制带宽大的技术效果。

本实用新型采取的技术方案是，设计一种基于铌酸锂波导的电光开关，此种电光开关自上而下的结构为：渐变阵列电极、缓冲层、基底，所述基底设置有输入端和输出端；所述渐变阵列电极为一组底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元；所述基底包括波导区和非波导区，所述基底为块状铌酸锂或者铌酸锂薄膜集成波导，所述铌酸锂薄膜集成波导为单晶铌酸锂与衬底的结合，所述块状铌酸锂或单晶铌酸锂包裹有质子交换铌酸锂波导。通过设计多层排布的结构，并在表面设计了一种等腰三角形形状的微结构电极单元组成的渐变阵列电极，充分利用了铌酸锂晶体的电光特性。与此同时，二氧化硅层与铌酸锂波导具有高折射率对比度，可在器件工作时减少光损耗。上述结构使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。

进一步地，上述一组底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元，具体为上述等腰三角形的底边排列在同一条直线上，且前一个等腰三角形与其后一个等腰三角形的底边之间无缝隙；前述等腰三角形的底边长度呈等差数列递增，等差数列的公差为最小等腰三角形的底边长度。多个面积较小的等腰三角形微结构电极单元组成渐变阵列电极，可以较好的实现光束偏转。

进一步地，所述输入端和输出端具体设置在所述波导区内，所述波导区包括输入端、渐变区和输出端，所述输出端为两个分支单模波导。

进一步地，上述等腰三角形的高度由所述渐变区的宽度、渐变区的长度以及等腰三角形底边长度决定；所述渐变区的宽度，对应所述等腰梯形的上底和下底；所述渐变区的长度，对应等腰梯形的高；上述渐变区设置在渐变阵列电极的正下方，渐变区(3102)的俯视图为等腰梯形，所述等腰梯形其中一腰对应等腰三角形的底边，另外一腰则对应所述等腰三角形底边所对应的顶点。这样设计的好处在于，一方面能充分利用铌酸锂波导的有效宽度，一方面也避免不必要的材料或能量损耗，提高利用率。

进一步地，上述等腰三角形的高度由所述渐变区的宽度、渐变区的长度以及等腰三角形底边长度共同决定；上述渐变区的宽度，对应上述等腰梯形的上底和下底；上述渐变区的长度，对应等腰梯形的高；上述等腰三角形的高度与渐变区的宽度、渐变区的长度、等腰三角形底边长度的关系为：记上述等腰梯形为梯形OCBA，OCBA为梯形的四个顶点；梯形OCBA两条腰为OC和AB，以OC作为x轴，AB位于OC的上方，并以顶点O为原点，建立二维坐标系；线段OA长度为d₁对应上述等腰梯形的上底长度,所在直线为L₁；线段CB长度为d₂对应上述等腰梯形的下底长度，所在直线为L₂；线段OA与线段CB的距离为d₃；线段OC与线段AB的长度对应上述等腰梯形的腰长,AB所在直线为L₄，所述等腰三角形的底边在线段OC上，底边对应的顶点在AB上；

L₁的直线方程为：y₁＝k₁*x，

L₂的直线斜率k₂＝k₁；

A点坐标记为(x_A,y_A)，计算得x_A＝-|d₁*costan^-1k₁|，y_A＝k₁*x_A；

C点坐标记为(x_c,0),计算得

B点坐标记为(x_B,y_B),计算得x_B＝x_c-|d₂*costan^-1k₂|,y_B＝|d₂*sintan^-1k₂|；

L₄所在直线方程为：

记所述等腰三角形底边中点对应的坐标依次为(X₁,0)，(X₂,0)，……(X_n,0)(n≥1)， X₁对应初始等腰三角形的底边中点值，X_n的值为前n-1个等腰三角形的底边长度总和加上第 n个等腰三角形底边长的一半；最后，将X_n代入L₄所在直线方程，求得的y值即为相应等腰三角形的高。通过前述计算方法，可以准确的知道等腰三角形的面积，排布方式，便于计算偏转光束偏转的具体情况及输入端和输出端的宽度和长度。

进一步地，所述缓冲层(200)包括波导区缓冲层和非波导区缓冲层，所述波导区缓冲层和非波导区缓冲层分别成型，且具有相同的厚度。由于波导区和非波导区分别需要进行不同的技术处理，因此波导区缓冲层和非波导区缓冲层也需要分别成型，以满足波导区和非波导各自进行技术处理的需要。

进一步地，所述缓冲层和所述衬底为二氧化硅。二氧化硅缓冲层和二氧化硅衬底与铌酸锂波导具有高折射率对比度，可在波导工作时降低光损耗。

进一步地，所述缓冲层厚度为0.5μm～0.8μm，所述衬底厚度为500μm～1000μm；所述渐变阵列电极厚度为0.15μm～10μm，所述单晶铌酸锂厚度为5μm～8μm，所述块状铌酸锂厚度为500μm～1000μm。本实用新型采用多层级结构，若每层材料设置过薄则起不到相应的作用，若设置过厚又会影响传导效果，因此每层材料的厚度经科学实验采用合适取值范围。与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型通过设计多层排布的结构以及等腰三角形的渐变微结构电极单元组成阵列电极的设计，使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。当在本实施例的阵列电极上施加正负电压时，在此种基于铌酸锂波导的电光开关末端得到偏转光束，不同极性的电压使得光束从不同的波导分支末端输出，电压频率使得光束偏转频率发生改变，进而实现高速光开关的功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的整体结构图。

图2为本实用新型实施例2的整体结构图。

图3为本实用新型实施例1的三视图，其中图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为正视图、后视图、侧视图和俯视图。

图4为本实用新型实施例2的三视图，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为正视图、后视图、侧视图和俯视图。

图5是本实用新型实施例的工作示意图；

图6是本实用新型实施例3的部分制作流程示意图；

图7是本实用新型实施例4的部分制作流程示意图；

100、渐变阵列电极；200、二氧化硅缓冲层；300铌酸锂；400、二氧化硅衬底；500、靶面；110、微结构电极单元；310、质子交换铌酸锂波导；3101、输入端；3102、渐变区；3103、输出端；600、负光胶；700、铬掩膜。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种基于铌酸锂波导的电光开关，其结构呈三层排布，由上而下依次为渐变阵列电极100、缓冲层200和块状铌酸锂300；所述块状铌酸锂300的薄膜中包裹有质子交换铌酸锂波导310，所述质子交换铌酸锂波导310形成波导区，所述波导区呈 Y字形；所述波导区包括输入端3101、渐变区3102和输出端3103，所述波导区之外的区域为非波导区；前述渐变阵列电极100由形状为底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元110组成，前述阵列电极100宽度小于缓冲层200的宽度；前述微结构电极单元110的最小等腰三角形的底边边长为9μm，其余底边以公差9μm呈等差数列递增，等腰三角形的高度由渐变区的宽度、渐变区的长度以及等腰三角形底边长度共同决定，渐变区3102的俯视图为等腰梯形，前述等腰梯形其中一腰对应等腰三角形的底边，另外一腰则对应所述等腰三角形底边所对应的顶点；一方面能充分利用铌酸锂波导的有效宽度，一方面也避免不必要的材料或能量损耗，提高利用率。多个面积较小的等腰三角形微结构电极单元110组成阵列电极100，起到了类似棱镜阵列的作用，充分地利用了铌酸锂晶体的电光特性，使光束发生偏转并在波导末端产生不同的光模场分布。前述缓冲层200使用的材料为二氧化硅。

通过上述渐变区的宽度、渐变区的长度、等腰三角形，底边长度，计算等腰三角形的高度：记上述等腰梯形为梯形OCBA，OCBA为梯形的四个顶点；梯形OCBA两条腰为OC和AB，以OC作为x轴，AB位于OC的上方，并以顶点O为原点，建立二维坐标系；线段OA长度为d₁对应上述等腰梯形的上底长度,所在直线为L₁；线段CB长度为d₂对应上述等腰梯形的下底长度，所在直线为L₂；线段OA与线段CB的距离为d₃；线段OC与线段AB的长度对应上述等腰梯形的腰长，AB所在直线为L₄，上述等腰三角形的底边在线段OC上，底边对应的顶点在线段AB 上；

L₁的直线方程为：y₁＝k₁*x，

L₂的直线斜率k₂为：k₂＝k₁；

A点坐标记为(x_A,y_A)，计算得x_A＝-|d₁*costan^-1k₁|,y_A＝k₁*x_A；

C点坐标记为(x_c,0),计算得

B点坐标记为(x_B,y_B),计算得x_B＝x_c-|d₂*costan^-1k₂|,y_B＝|d₂*sintan^-1k₂|；

L₄所在直线方程为：

记述上述等腰三角形底边中点对应的坐标依次为(X₁,0)，(X₂,0)，……(X_n,0)(n≥1)，X₁对应初始等腰三角形的底边中点值，X_n的值为前n-1个等腰三角形的底边长度总和加上第n个等腰三角形底边长的一半；最后，将X_n代入L₄所在直线方程，求得的y值即为相应等腰三角形的高。

本实施例采用层级结构，因此每层材料设置过薄则起不到相应的作用，若设置过厚则不仅会影响传导效果，也会使波导体积过大而损耗增加、不适用于微型化集成光电器件，因此每层材料的厚度按照实验所得而作了合适的设置。具体为如图1所示，本实施例呈三层排布，由上而下依次为渐变阵列电极100(厚度为0.15-8μm)、缓冲层200(厚度为0.5-0.8μm)、块状铌酸锂300(厚度为500～1000μm)。

上述质子交换铌酸锂波导310包括输入端3101、渐变区3102及输出端3103。前述输入端宽度为8μm，长度为5mm；前述渐变区宽度由8μm渐变至80μm，渐变长度为15mm；前述输出端为两个分支单模波导，初始宽度为38.75μm，相对于渐变区3102，所述分支单模波导相对于所述渐变区3102中心对称，末端渐变至10um，渐变长度为13.54mm，两个分支输出末端中心间距为135um。

上述渐变阵列电极的尖端与接地电极之间的距离保持为3-8μm，可设置为7μm。通过在电极上施加电压，使得被电极覆盖部分的波导折射率发生改变，进而改变光束传播方向。所述二氧化硅缓冲层200和铌酸锂波导具有高折射率对比度，可在波导工作时降低光损耗。上述结构使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。

如图5所示，本实施例通过设计多层排布的结构以及等腰三角形的渐变微结构电极单元 110组成阵列电极100的设计，使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。当在本实施例的阵列电极100上施加正负电压时，在此种基于铌酸锂波导的电光开关末端得到偏转光束，不同极性的电压使得光束从不同的波导分支末端输出，电压频率使得光束偏转频率发生改变，进而实现高速光开关的功能。

实施例2

如图2所示，本实施例为一种基于铌酸锂波导的电光开关，其结构呈四层排布，由上而下依次为渐变阵列电极100、缓冲层200、铌酸锂薄膜集成波导，所述铌酸锂薄膜集成波导为单晶铌酸锂与衬底(400)的结合；所述单晶铌酸锂的薄膜中包裹有质子交换铌酸锂波导 310，所述波导区呈Y字形；所述波导区包括输入端3101、渐变区3102和输出端3103，所述波导区之外的区域为非波导区；渐变阵列电极100由形状为底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元110组成，阵列电极100宽度小于缓冲层200的宽度；前述微结构电极单元110的最小等腰三角形的底边边长为9μm，其余底边以公差9μm呈等差数列递增，等腰三角形的高度由渐变区3102的宽度、渐变区3102的长度以及等腰三角形底边长度决定共同决定，底边所对顶点恰好在所述渐变区3102的波导边缘上，上述渐变区3102 的俯视图为等腰梯形；一方面能充分利用铌酸锂波导的有效宽度，一方面也避免不必要的材料或能量损耗，提高利用率。多个面积较小的等腰三角形微结构电极单元110组成阵列电极 100，起到了类似棱镜阵列的作用，充分地利用了铌酸锂晶体的电光特性，使光束发生偏转并在波导末端产生不同的光模场分布。上述缓冲层200和衬底400使用的材料为二氧化硅。

上述等腰三角形的高度与上述渐变区3102的宽度、渐变区3102的长度、等腰三角形底边长度的关系具体为：记上述等腰梯形为梯形OCBA，OCBA为梯形的四个顶点；梯形OCBA两条腰为OC和AB，以OC作为x轴，AB位于OC的上方，并以顶点O为原点，建立二维坐标系；线段OA长度为d₁对应上述等腰梯形的上底长度,所在直线为L₁；线段CB长度为d₂对应上述等腰梯形的下底长度，所在直线为L₂；线段OA与线段CB的距离为d₃；线段OC与线段AB的长度对应上述等腰梯形的腰长,AB所在直线为L₄，所述等腰三角形的底边在线段OC上，底边对应的顶点在AB上；

L₁的直线方程为：y₁＝k₁*x，

L₂的直线斜率k₂为：k₂＝k₁；

A点坐标记为(x_A,y_A)，计算得x_A＝-|d₁*costan^-1k₁|,y_A＝k₁*x_A；

C点坐标记为(x_c,0),计算得

B点坐标记为(x_B,y_B),计算得x_B＝x_c-|d₂*costan^-1k₂|,y_B＝|d₂*sintan^-1k₂|；

L₄所在直线方程为：

记上述等腰三角形底边中点对应的坐标依次为(X₁,0)，(X₂,0)，……(X_n,0)(n≥1)， X₁对应初始等腰三角形的底边中点值，X_n的值为前n-1个等腰三角形的底边长度总和加上第 n个等腰三角形底边长的一半；最后，将X_n代入L₄所在直线方程，求得的y值即为相应等腰三角形的高。

本实施例采用层级结构，因此每层材料设置过薄则起不到相应的作用，若设置过厚则不仅会影响传导效果，也会使波导体积过大而损耗增加、不适用于微型化集成光电器件，因此每层材料的厚度按照实验所得而作了合适的设置。具体为，如图2所示，本实施例结构呈四层排布，由上而下依次为阵列电极100(厚度为0.15-10μm)、二氧化硅缓冲层200(厚度为0.5-0.8μm)、单晶铌酸锂薄膜(厚度为5-8μm)、二氧化硅衬底400(厚度为500-1000μm)。

上述质子交换铌酸锂波导310分为输入端3101、渐变区3102及输出端3103。前述输入端宽度为8μm，长度为5mm；前述渐变区3102宽度由8μm渐变至80μm，渐变长度为15mm；前述输出端为两个分支单模波导，初始宽度为38.75μm，相对于渐变区3102，两个分支单模波导相对于所述渐变区(3102)中心对称，末端渐变至10um，渐变长度为 4mm，两个分支输出末端中心间距为135um。

渐变阵列电极100的尖端与接地电极之间的距离保持为3-8μm，可设置为7μm。通过在电极上施加电压，使得被电极覆盖部分的波导折射率发生改变，进而改变光束传播方向。

所述二氧化硅缓冲层200、铌酸锂波导、二氧化硅衬底400具有高折射率对比度，可在波导工作时降低光损耗。上述结构使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。

如图5所示，本实施例通过设计多层排布的结构以及等腰三角形的渐变微结构电极单元 110组成阵列电极100的设计，使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。当在本实施例的阵列电极100上施加正负电压时，在此种基于铌酸锂波导的电光开关末端得到偏转光束，不同极性的电压使得光束从不同的波导分支末端输出，电压频率使得光束偏转频率发生改变，进而实现高速光开关的功能。

实施例3

如图6所示，本实施例一种基于铌酸锂波导的电光开关，其制作过程为：

S1.如图6(b)所示，在块状铌酸锂300表面沉积一层负光胶600，在块状铌酸锂表面规划出波导区和的非波导区，在负光胶600对应的非波导区上放置对称分布的铬掩模700，预留出未覆盖铬掩模700的波导区，所述波导区包括输入端3101、渐变区域3102及输出端3103。

S2.进行紫外光照射后，除去非波导区的铬掩模700及其下的负光胶600，只留下波导区的负光胶600；

S3.再继续在所述波导区的负光胶600上均匀沉积一层二氧化硅200；

S4.将上述波导区的负光胶600及其上的二氧化硅200剥离，在非波导区形成二氧化硅掩膜；

S5.对所述渐变区中的铌酸锂进行退火质子交换技术(APE)处理，生成质子交换铌酸锂波导310，采用退火质子交换技术(APE)处理得到的质子交换铌酸锂波导310，较同层的铌酸锂薄膜折射率高，在横向引发折射率差，具有横向的弱折射率对比度，对波导模式的横向限制比较弱，有利于模式的横向偏转，实现光束偏转；退火质子交换技术(APE)具体步骤包括：首先确定作为质子交换的质子源，由于苯甲酸在交换温度范围内化学性质稳定、毒性小，且在质子交换进行时对铌酸锂无损伤作用，对大部分金属不腐蚀，因此选择苯甲酸作为质子交换的质子源，进行质子交换；其次，质子交换在温度为150℃～300℃的环境下完成，交换环境需密封(熔融的苯甲酸易挥发，并且有强烈的刺激性气味，因而需要密封)，过程持续100分钟；最后，将已经交换好的波导片进行退火处理，在温度为300℃～400℃的环境下进行(Li+和H+之间的质子交换是由苯甲酸提供交换的质子源(H+)，交换程度取决于反应的时间和温度，因此经实验，本专利设置了150℃～400℃的温度环境和100分钟的反应时间；Li+和H+交换过程可用如下的离子反应式表示：LiNbO3+xH+→HxLi1-xNbO3+xLi+，反应式中X的值反应了质子交换的程度。为了提高波导折射率稳定性，降低波导的损耗和恢复其电光系数，使波导的折射率分布更符合要求，经实验所得，质子交换后光波导的退火环境最适宜温度为300～400℃)，升温过程应该尽量快、退火温度应该尽可能保持恒定，最终生成质子交换铌酸锂波导310，所述质子交换铌酸锂波导310形成所述波导区。

S6.如图6(c)所示，在质子交换铌酸锂波导310上再沉积一层二氧化硅，并使该层二氧化硅与二氧化硅掩膜具有相同厚度，共同形成二氧化硅缓冲层200；

S7.如图6(d)所示，通过所述微结构电极光刻技术，将等腰三角形形状的微结构渐变阵列电极单元110光刻在所述二氧化硅缓冲层200上，形成渐变阵列电极100。上述渐变区3102的俯视图为等腰梯形，等腰三角形的高度与前述渐变区的宽度、渐变区的长度、等腰三角形底边长度的关系具体为：记所述等腰梯形为梯形OCBA，OCBA为梯形的四个顶点；梯形OCBA两条腰为OC和AB，以OC作为x轴，AB位于OC的上方，并以顶点O为原点，建立二维坐标系；线段OA长度为d₁对应所述等腰梯形的上底长度,所在直线为L₁；线段CB长度为d₂对应所述等腰梯形的下底长度，所在直线为L₂；线段OA与线段CB的距离为d₃；线段OC与线段AB的长度对应所述等腰梯形的腰长,AB所在直线为L₄，所述等腰三角形的底边在线段OC 上，底边对应的顶点在AB上；

L₁的直线方程为：y₁＝k₁*x，

L₂的直线斜率k₂为：k₂＝k₁；

A点坐标记为(x_A,y_A)，计算得x_A＝-|d₁*costan^-1k₁|,y_A＝k₁*x_A；

C点坐标记为(x_c,0),计算得

B点坐标记为(x_B,y_B),计算得x_B＝x_c-|d₂*costan^-1k₂|,y_B＝|d₂*sintan^-1k₂|；

L₄所在直线方程为：

记所述等腰三角形底边中点对应的坐标依次为(X₁,0)，(X₂,0)，……(X_n,0)(n≥1)， X₁对应初始等腰三角形的底边中点值，X_n的值为前n-1个等腰三角形的底边长度总和加上第 n个等腰三角形底边长的一半；最后，将X_n代入L₄所在直线方程，求得的y值即为相应等腰三角形的高。

综上所述，本发明采用退火质子交换技术(APE)和微结构电极光刻技术相结合的制作方法，设计出具有等腰三角形形状微结构渐变阵列电极结构的X切、Y切或Z切铌酸锂平面波导。当光束偏转被电光效应高速调制时，所述渐变阵列电极可实现光开关的功能。与一般的电光开关相比，具有降低驱动电压、减小开关串扰、实现高对比度以及高速带宽调制等优势，并可制成微型化集成光电器件，为光网络的快速发展需求提供了全新的解决思路。

实施例4

如图7所示，本实施例一种基于铌酸锂波导的电光开关，其制作过程为：

S1.采用铌酸锂薄膜集成技术(LNOI)得到铌酸锂薄膜集成波导，所述铌酸锂薄膜集成波导为单晶铌酸锂和二氧化硅衬底400的结合；采用所述铌酸锂薄膜集成技术(LNOI)得到的铌酸锂薄膜集成波导在纵向形成强折射率对比度，防止导膜泄露至衬底。这种波导克服了传统铌酸锂波导和衬底折射率差较小的缺点；铌酸锂薄膜集成技术(LNOI)具体包括：准备一片铌酸锂晶片，对铌酸锂晶片进行氦离子的注入；另准备一片二氧化硅衬底400，将经上述操作的铌酸锂晶片和二氧化硅衬底400键合在一起，并对铌酸锂晶片和二氧化硅衬底 400加热，加热后氦离子变为氦气并且体积膨胀，结果是整个注入层断裂，脱落下来的铌酸锂薄膜就停留在二氧化硅衬底表面，得到铌酸锂薄膜集成波导如图7(b)所示；

S2.在上述单晶铌酸锂薄膜上沉积一层负光胶600，厚度约为1μm；在单晶铌酸锂薄膜表面规划出波导区和的非波导区，在负光胶的非波导区上放置对称分布的铬掩模700，中间预留出未覆盖铬掩模的波导区，所述波导区包括输入端3101、渐变区域3102及输出端3103；

S3.进行紫外光照射后，除去非波导区的铬掩模700及其下的负光胶600，只留下中间未覆盖掩膜预留的波导区的负光胶600；

S4.再继续在所述波导区的负光胶600上均匀沉积一层二氧化硅200；

S5.将上述波导区的负光胶600及其上的二氧化硅剥离，得到分布在非波导区的二氧化硅层；

S6.对上述波导进行退火质子交换技术(APE)处理，生成质子交换铌酸锂波导310的步骤具体包括：首先确定作为质子交换的质子源，由于苯甲酸在交换温度范围内化学性质稳定、毒性小，且在质子交换进行时对铌酸锂无损伤作用，对大部分金属不腐蚀，因此选择苯甲酸作为质子交换的质子源，进行质子交换；其次，质子交换在温度为150℃～300℃的环境下完成，交换环境需密封(熔融的苯甲酸易挥发，并且有强烈的刺激性气味，因而需要密封)，过程持续100分钟；最后，将经上述操作后得到的波导片进行退火处理，在温度为300℃～ 400℃的环境下进行，升温过程应该尽量快、退火温度应该尽可能保持恒定，最终生成质子交换铌酸锂波导310，所述质子交换铌酸锂波导310形成所述波导区。

S7.如图7(c)所示，在所述质子交换铌酸锂波导310上再沉积一层二氧化硅，并使该层二氧化硅与步骤S4沉积的二氧化硅层具有相同厚度，形成二氧化硅缓冲层200。

S8.如图7(d)所示，通过所述微结构电极光刻技术，将等腰三角形形状的微结构渐变电极单元110光刻在所述二氧化硅缓冲层200上，形成渐变阵列电极100。上述渐变区的俯视图为等腰梯形，等腰三角形的高度与所述渐变区的宽度、渐变区的长度、等腰三角形底边长度的关系具体为：记所述等腰梯形为梯形OCBA，OCBA为梯形的四个顶点；梯形OCBA两条腰为OC和AB，以OC作为x轴，AB位于OC的上方，并以顶点O为原点，建立二维坐标系；线段OA长度为d₁对应所述等腰梯形的上底长度,所在直线为L₁；线段CB长度为d₂对应所述等腰梯形的下底长度，所在直线为L₂；线段OA与线段CB的距离为d₃；线段OC与线段AB的长度对应所述等腰梯形的腰长,AB所在直线为L₄，所述等腰三角形的底边在线段OC上，底边对应的顶点在AB上；

L₁的直线方程为：y₁＝k₁*x，

L₂的直线斜率k₂为：k₂＝k₁；

A点坐标记为(x_A,y_A)，计算得x_A＝-|d₁*costan^-1k₁|,y_A＝k₁*x_A；

C点坐标记为(x_c,0),计算得

B点坐标记为(x_B,y_B),计算得x_B＝x_c-|d₂*costan^-1k₂|,y_B＝|d₂*sintan^-1k₂|；

L₄所在直线方程为：

记所述等腰三角形底边中点对应的坐标依次为(X₁,0)，(X₂,0)，……(X_n,0)(n≥1)， X₁对应初始等腰三角形的底边中点值，X_n的值为前n-1个等腰三角形的底边长度总和加上第 n个等腰三角形底边长的一半；最后，将X_n代入L₄所在直线方程，求得的y值即为相应等腰三角形的高。

综上所述，本发明采用铌酸锂薄膜集成技术(LNOI)、退火质子交换技术(APE)和微结构电极光刻技术相结合的制作方法，设计出具有等腰三角形形状微结构渐变阵列电极结构的X切、Y切或Z切铌酸锂平面波导。实现将铌酸锂波导的传统技术和最新薄膜技术相结合，并将其巧妙地运用到实现光束偏转的工作上，解决了传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低的问题，使传输的光场有效地集中在铌酸锂薄膜上，此设计为实现器件的微型化和低功耗提供了一种独特并行之有效的方法，并可制成微型化集成光电器件。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，此种电光开关自上而下的结构为：渐变阵列电极(100)、缓冲层(200)、基底，所述基底设置有输入端(3101)和输出端(3103)；所述渐变阵列电极为一组底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元；所述基底包括波导区和非波导区，所述基底为块状铌酸锂(300)或者铌酸锂薄膜集成波导，所述铌酸锂薄膜集成波导为单晶铌酸锂与衬底(400)的结合，所述块状铌酸锂(300)或单晶铌酸锂包裹有质子交换铌酸锂波导。

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述一组底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元(110)，具体为所述等腰三角形的底边排列在同一条直线上，且前一个等腰三角形与其后一个等腰三角形的底边之间无缝隙；所述等腰三角形的底边长度呈等差数列递增，等差数列的公差为最小等腰三角形的底边长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述输入端(3101)和输出端(3103)具体设置在所述波导区内，所述波导区包括输入端(3101)、渐变区(3102)和输出端(3103)，所述输出端(3103)为两个分支单模波导。

4.根据权利要求3所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述渐变区(3102)设置在渐变阵列电极(100)的正下方；所述渐变区(3102)的俯视图为等腰梯形，所述等腰梯形其中一腰对应等腰三角形的底边，另外一腰则对应所述等腰三角形底边所对应的顶点。

5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述等腰三角形的高度由所述渐变区的宽度、渐变区的长度以及等腰三角形底边长度共同决定；所述渐变区的宽度，对应所述等腰梯形的上底和下底；所述渐变区的长度，对应等腰梯形的高。

6.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述等腰三角形的高度与所述渐变区(3102)的宽度、渐变区(3102)的长度、等腰三角形底边长度的关系为：记所述等腰梯形为等腰梯形OCBA，OCBA为等腰梯形的四个顶点；等腰梯形OCBA两条腰为OC和AB，以OC作为x轴，AB位于OC的上方，并以顶点O为原点，建立二维坐标系；线段OA长度为d₁对应所述等腰梯形的上底长度,所在直线为L₁；线段CB长度为d₂对应所述等腰梯形的下底长度，所在直线为L₂；线段OA与线段CB的距离为d₃；线段OC与线段AB的长度对应所述等腰梯形的腰长,AB所在直线为L₄，所述等腰三角形的底边在线段OC上，底边对应的顶点在AB上；

L₁的直线方程为：y₁＝k₁*x，

L₂的直线斜率k₂为：k₂＝k₁；

A点坐标记为(x_A,y_A)，计算得x_A＝-|d₁*costan^-1k₁|,y_A＝k₁*x_A；

C点坐标记为(x_c,0),计算得

B点坐标记为(x_B,y_B),计算得x_B＝x_c-|d₂*costan^-1k₂|,y_B＝|d₂*sintan^-1k₂|；

L₄所在直线方程为：

记所述等腰三角形底边中点对应的坐标依次为(X₁,0)，(X₂,0)，……(X_n,0)；其中n≥1，X₁对应初始等腰三角形的底边中点值，X_n的值为前n-1个等腰三角形的底边长度总和加上第n个等腰三角形底边长的一半；最后，将X_n代入L₄所在直线方程，求得的y值即为相应等腰三角形的高。

7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述缓冲层(200)包括波导区缓冲层和非波导区缓冲层，所述波导区缓冲层和非波导区缓冲层分别成型，且具有相同的厚度。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述缓冲层(200)和所述衬底(400)为二氧化硅。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述缓冲层(200)厚度为0.5μm～0.8μm，所述衬底(400)厚度为500μm～1000μm。

10.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于铌酸锂波导的电光开关，其特征在于，所述渐变阵列电极厚度为0.15μm～10μm，所述单晶铌酸锂厚度为5μm～8μm，所述块状铌酸锂厚度为500μm～1000μm。

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