CN112859389A - 一种薄膜铌酸锂电光开关 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜铌酸锂电光开关，包括由下至上堆叠的衬底、下包层、薄膜铌酸锂平板光波导、电光开关组件以及上包层，电光开关组件包括沿光路依次设置在薄膜铌酸锂平板光波导上的输入耦合器、电光作用区以及输出耦合器，输入耦合器具有至少一条第一输入光波导、第一多模干涉区以及两条第一输出光波导；输出耦合器具有两条第二输入光波导、第二多模干涉区以及至少一条第二输出光波导；电光作用区具有地电极与信号电极；地电极与信号电极均由自上而下设置的上层金属电极与下层金属电极构成，上层金属电极的厚度均大于下层金属电极。本发明可有效降低光开关的驱动电压，同时确保电光波速能够匹配。
Description
技术领域
本发明涉及集成微波光子芯片领域，特别涉及一种薄膜铌酸锂电光开关。
背景技术
光开关作为微波光子***中的关键器件，其功能是实现光路开关和切换，在高性能的宽带相控阵雷达波束形成网络、多通道高速光子模数转换器以及宽带可重构微波光子信号处理***中有广泛的应用前景。
目前，光开关的类型主要包括机械式光开关、MEMS光开关、热光开关、磁光开关、和电光开关等。其中电光开关是目前唯一一类开关速度可以达到几十ns至几百ns的光开关，它主要利用材料的非线性效应实现，包括线性电光效应、量子限制Stark效应、等离子体色散效应等，通过外加电场改变材料本身的折射率，这类器件通常具有很快的开关响应速度，常用的电光材料包括铌酸锂晶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物、PLZT、Si及聚合物等。除以上几种电光开关之外，近几年以薄膜铌酸锂材料为基础的新型电光开关一直是国际上的研究热点，薄膜铌酸锂电光开关采用亚波长尺寸的光波导提高了对光场的限制，其在器件尺寸、切换速度、***损耗等方面具有综合优势，且铌酸锂材料作为一种天然的电光晶体，具有线性电光效应强、传输损耗低及稳定性好的优势。
基于线性电光效应的薄膜铌酸锂电光开关，其驱动电压主要和电光作用区长度、信号电极与地电极之间的间距两个因素相关，电光作用区长度越长、电极间的间距越小，驱动电压越低。但电光作用区的长度增加会使得器件整体尺寸增大，不利于器件小型化，而为保证光开关的切换速度，需要良好的电光波束匹配，使得电极之间的间距不能过小，这就导致在器件长度固定的情况下，开关驱动电压难以降低。此外，薄膜铌酸锂器件均采用脊型光波导作为光传输基本结构，脊型光波导在结构上包括下层平板波导和上层条载，由于平板波导区的存在，使得光在沿波导传输时部分光场能量会从平板区向外发散，使得相邻光波导之间的串扰增大，即导致电光开关输出端口之间的串扰增大。因此，需要在器件结构设计上探索新的器件结构和电极结构，以降低光开关输出端口的串扰，并增强电光相互作用，降低驱动电压。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种薄膜铌酸锂电光开关。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种薄膜铌酸锂电光开关，包括由下至上堆叠的衬底、下包层、薄膜铌酸锂平板光波导、电光开关组件以及上包层，所述电光开关组件包括：
沿光路依次设置在薄膜铌酸锂平板光波导上的输入耦合器、电光作用区以及输出耦合器，其中，
所述输入耦合器具有至少一条第一输入光波导、第一多模干涉区以及两条第一输出光波导，所述第一输入光波导、第一多模干涉区以及第一输出光波导顺次连接；
所述输出耦合器具有两条第二输入光波导、第二多模干涉区以及至少一条第二输出光波导，所述第一输入光波导、第一多模干涉区以及第一输出光波导顺次连接；
所述电光作用区具有地电极与信号电极，所述地电极位于信号电极两侧，且所述地电极与信号电极之间设有薄膜铌酸锂直波导；
所述地电极与信号电极均具有自上而下设置的上层金属电极与下层金属电极，所述上层金属电极的厚度均大于下层金属电极。
进一步的，所述薄膜铌酸锂平板光波导位于两条第一输出光波导之间的区域具有第一深刻蚀区；所述薄膜铌酸锂平板光波导位于两条第二输入光波导之间的区域具有第二深刻蚀区。
进一步的，所述薄膜铌酸锂直波导的横截面为梯形。
进一步的，所述薄膜铌酸锂直波导的输入端分别与两条第一输出光波导相连，输出端分别与第二输入光波导相连。
进一步的，所述地电极与信号电极的上层金属电极的顶部均伸出所述上包层，所述上包层与下包层的材料均为二氧化硅。
进一步的，所述下包层的厚度为1μm-5μm；所述上包层的厚度为1μm- 3μm。
进一步的，所述第一、第二输入光波导，第一、第二输出光波导以及薄膜铌酸锂直波导的宽度均为500nm-2μm，所述第一、第二多模干涉区的宽度为6μm-100μm。
进一步的，所述薄膜铌酸锂平板光波导的厚度为10nm-500nm，所述薄膜铌酸锂直波导的厚度为100nm-500nm。
进一步的，所述地电极与信号电极的上层金属电极厚度为100nm-2μm，所述地电极与信号电极的下层金属电极厚度为10nm-500nm；所述信号电极的上层金属电极与两侧地电极的上层金属电极之间的间距相同，均为5μm-50μm；所述信号电极的下层金属电极与两侧地电极的下层金属电极之间的间距相同，均为3μm-5μm。
更进一步的，两个所述地电极的上层金属电极宽度相同，均为10μm-400μm；两个所述地电极的下层金属电极的宽度相同，均为15μm-500μm；所述信号电极的上层金属电极宽度为5μm-100μm；所述信号电极的下层金属电极宽度为10μm-200μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂电光开关在电极结构上采用了双层的金属电极结构，可有效降低光开关的驱动电压，同时确保完美的电光波速匹配。
2、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂电光开关在输入耦合器和输出耦合器中均增加了深刻蚀区，可有效降低薄膜铌酸锂平板光波导带来的光串扰，从而降低了光开关输出端口光串扰。
附图说明
图1为本发明中薄膜铌酸锂电光开关的整体示意图；
图2为本发明实施例1中薄膜铌酸锂电光开关的结构示意图；
图3为本发明实施例2中薄膜铌酸锂电光开关的结构示意图；
图4为本发明实施例3中薄膜铌酸锂电光开关的结构示意图；
图5为本发明实施例4中薄膜铌酸锂电光开关的结构示意图；
图6为图1中A-A’向剖视图；
图7为图1中B-B’向剖视图。
图中：100、衬底；200、下包层；300、薄膜铌酸锂平板光波导；400、电光开关组件；410、输入耦合器；411、第一输入光波导；412、第一多模干涉区；413、第一输出光波导；414、第一深刻蚀区；420、电光作用区；421、信号电极；4211、上层金属电极Ⅰ；4212、下层金属电极Ⅰ；422、地电极；4221、上层金属电极Ⅱ；4222、下层金属电极Ⅱ；423、薄膜铌酸锂直波导；430、输出耦合器；431、第二输入光波导；432、第二多模干涉区；433、第二输出光波导；434、第二深刻蚀区；500、上包层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
本发明实施例提供一种薄膜铌酸锂电光开关，如图1-7所示，包括由下至上堆叠的衬底100、下包层200、薄膜铌酸锂平板光波导300、电光开关组件400以及上包层500，所述电光开关组件400包括：
沿光路依次设置在薄膜铌酸锂平板光波导300上的输入耦合器410、电光作用区420以及输出耦合器430，其中，
所述输入耦合器410具有至少一条第一输入光波导411、第一多模干涉区412以及两条第一输出光波导413，所述第一输入光波导411、第一多模干涉区412以及第一输出光波导413顺次连接；
所述输出耦合器430具有两条第二输入光波导431、第二多模干涉区432以及至少一条第二输出光波导433，所述第二输入光波导431、第二多模干涉区432以及第二输出光波导433顺次连接；
所述电光作用区420具有地电极422与信号电极421，所述地电极422位于信号电极421两侧，且所述地电极422与信号电极421之间设有薄膜铌酸锂直波导423；
所述地电极422与信号电极421均具有自上而下设置的上层金属电极与下层金属电极，所述上层金属电极的厚度大于下层金属电极。
所述薄膜铌酸锂平板光波导300位于两条第一输出光波导413之间的区域具有第一深刻蚀区414；所述薄膜铌酸锂平板光波导300位于两条第二输入光波导431之间的区域具有第二深刻蚀区434。
所述薄膜铌酸锂直波导423的横截面为梯形。
所述薄膜铌酸锂直波导423的输入端分别与两条第一输出光波导413相连，输出端分别与两条第二输入光波导431相连。
所述地电极422与信号电极421的上层金属电极的顶部均伸出所述上包层500，所述上包层500与下包层200的材料均为二氧化硅。
所述下包层200的厚度为1μm-5μm；所述上包层500的厚度为1μm- 3μm。
所述第一、第二输入光波导431，第一、第二输出光波导433以及薄膜铌酸锂直波导423的宽度均为500nm-2μm，所述第一、第二多模干涉区的宽度为6μm-100μm。
所述薄膜铌酸锂平板光波导300的厚度为10nm-500nm，所述薄膜铌酸锂直波导423的厚度为10nm-500nm。
所述地电极422与信号电极421的上层金属电极厚度为100nm-2μm，所述地电极422与信号电极421的下层金属电极厚度为100nm-500nm；所述信号电极421的上层金属电极与两侧地电极422的上层金属电极之间的间距相同，均为5μm-50μm；所述信号电极421的下层金属电极与两侧地电极422的下层金属电极之间的间距相同，均为3μm-5μm。
两个所述地电极422的上层金属电极宽度相同，均为10μm-400μm；两个所述地电极422的下层金属电极的宽度相同，均为15μm-500μm；所述信号电极421的上层金属电极宽度为5μm-100μm；所述信号电极421的下层金属电极宽度为10μm-200μm。
实施例1：
输入耦合器410具有顺次连接的一条第一输入光波导411、第一多模干涉区412以及两条第一输出光波导413；所述输出耦合器430具有顺次连接的两条第二输入光波导431、第二多模干涉区432以及一条第二输出光波导433；构成单输入单输出的薄膜铌酸锂电光开关。
薄膜铌酸锂平板光波导300的厚度为300nm，薄膜铌酸锂直波导423的厚度为300nm，地电极422与信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212、Ⅱ4222的厚度均为300nm，地电极422与信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211、Ⅱ4221的厚度均为1.5μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212与两侧地电极422的下层金属电极Ⅱ4222之间的间距均为3μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212的宽度为10μm，地电极422的下层金属电极Ⅱ4222的宽度均为15μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211与两侧地电极422的上层金属电极Ⅱ4221之间的间距为5μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211的宽度为7μm，地电极422的上层金属电极Ⅱ4221的宽度均为13.5μm，下包层200的厚度为2μm，上包层500的厚度为2μm。
实施例2：
输入耦合器410具有顺次连接的两条第一输入光波导411、第一多模干涉区412以及两条第一输出光波导413；所述输出耦合器430具有顺次连接的两条第二输入光波导431、第二多模干涉区432以及一条第二输出光波导433；构成双输入单输出的薄膜铌酸锂电光开关。
薄膜铌酸锂平板光波导300的厚度为200nm，薄膜铌酸锂直波导423的厚度为400nm，地电极422与信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212、Ⅱ4222的厚度均为400nm，地电极422与信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211、Ⅱ4221的厚度均为1.6μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212与两侧地电极422的下层金属电极Ⅱ4222之间的间距均为5μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212的宽度为15μm，地电极422的下层金属电极Ⅱ4222的宽度均为25μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211与两侧地电极422的上层金属电极Ⅱ4221之间的间距为10μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211的宽度为10μm，地电极422的上层金属电极Ⅱ4221的宽度均为20μm，下包层200的厚度为2μm，上包层500的厚度为2μm。
实施例3：
输入耦合器410具有顺次连接的两条第一输入光波导411、第一多模干涉区412以及两条第一输出光波导413；所述输出耦合器430具有顺次连接的两条第二输入光波导431、第二多模干涉区432以及两条第二输出光波导433；构成双输入双输出的薄膜铌酸锂电光开关。
薄膜铌酸锂平板光波导300的厚度为100nm，薄膜铌酸锂直波导423的厚度为400nm，地电极422与信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212、Ⅱ4222的厚度均为500nm，地电极422与信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211、Ⅱ4221的厚度均为1.5μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212与两侧地电极422的下层金属电极Ⅱ4222之间的间距均为3μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212的宽度为10μm，地电极422的下层金属电极Ⅱ4222的宽度均为15μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211与两侧地电极422的上层金属电极Ⅱ4221之间的间距为5μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211的宽度为7μm，地电极422的上层金属电极Ⅱ4221的宽度均为13.5μm，下包层200的厚度为2μm，上包层500的厚度为2μm。
实施例4：
输入耦合器410具有顺次连接的一条第一输入光波导411、第一多模干涉区412以及两条第一输出光波导413；所述输出耦合器430具有顺次连接的两条第二输入光波导431、第二多模干涉区432以及两条第二输出光波导433；构成单输入双输出的薄膜铌酸锂电光开关。
薄膜铌酸锂平板光波导300的厚度为300nm，薄膜铌酸锂直波导423的厚度为300nm，地电极422与信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212、Ⅱ4222的厚度均为300nm，地电极422与信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211、Ⅱ4221的厚度均为1.5μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212与两侧地电极422的下层金属电极Ⅱ4222之间的间距均为5μm，信号电极421的下层金属电极Ⅰ4212的宽度为15μm，地电极422的下层金属电极Ⅱ4222的宽度均为25μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211与两侧地电极422的上层金属电极Ⅱ4221之间的间距为10μm，信号电极421的上层金属电极Ⅰ4211的宽度为10μm，地电极422的上层金属电极Ⅱ4221的宽度均为20μm，下包层200的厚度为2μm，上包层500的厚度为2μm。
本发明中通过采用上下厚度不同的双层电极缩小电极之间的间距，降低驱动电压，同时使得波速匹配。其中，驱动电压的大小与电极之间的间距相关，间距越小，驱动电压越低，由于厚的金属电极对光有很强的吸收（一般1um至10um，为确保电光器件具有快速的响应速度，电光需要波速匹配，金属电极不能太薄），因此电极与波导之间的间距通常不能太小，也就限制了驱动电压的降低，电极与波导间隙一般大于1.5um；而双层电极结构的下层电极很薄，对光的吸收较弱，因此可以缩小电极之间的间距，降低驱动电压，同时上层厚金属电极之间保持较大间距，依然能够确保波速匹配。
另外，本发明通过在输入光波导与输出光波导处进行深刻蚀可有效降低薄膜铌酸锂平板光波导带来的光串扰，从而降低了光开关输出端口光串扰，其中，薄膜铌酸锂平板光波导和薄膜铌酸锂直波导构成了薄膜铌酸锂脊型波导，光场一般限制在整个薄膜铌酸锂脊型波导的中部，此时薄膜铌酸锂平板光波导区域会有倏逝场分布，当两个薄膜铌酸锂脊型波导距离较近时（小于50um，理论上不产生耦合的条件是两根波导间距无限远，实际情况下大于50um时可以认为不会产生耦合），光场能量会通过薄膜铌酸锂平板光波导区域的倏逝场从一根波导耦合到相邻波导，这会导致电光开关的两个输出通道之间产生串扰，隔离度下降，在输入/输出光波导之间增加深刻蚀区域，将此处的薄膜铌酸锂平板光波导刻穿，可以阻止倏逝场的耦合，进而降低串扰，提高隔离度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜铌酸锂电光开关，包括由下至上堆叠的衬底、下包层、薄膜铌酸锂平板光波导、电光开关组件以及上包层，其特征在于，所述电光开关组件包括：
沿光路依次设置在薄膜铌酸锂平板光波导上的输入耦合器、电光作用区以及输出耦合器，其中，
所述输入耦合器具有至少一条第一输入光波导、第一多模干涉区以及两条第一输出光波导，所述第一输入光波导、第一多模干涉区以及第一输出光波导顺次连接；
所述输出耦合器具有两条第二输入光波导、第二多模干涉区以及至少一条第二输出光波导，所述第二输入光波导、第二多模干涉区以及第二输出光波导顺次连接；
所述电光作用区具有地电极与信号电极，所述地电极位于信号电极两侧，且所述地电极与信号电极之间设有薄膜铌酸锂直波导；
所述地电极与信号电极均具有自上而下设置的上层金属电极与下层金属电极，所述上层金属电极的厚度均大于下层金属电极。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述薄膜铌酸锂平板光波导位于两条第一输出光波导之间的区域具有第一深刻蚀区；所述薄膜铌酸锂平板光波导位于两条第二输入光波导之间的区域具有第二深刻蚀区。
3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述薄膜铌酸锂直波导的横截面为梯形。
4.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述薄膜铌酸锂直波导的输入端分别与两条第一输出光波导相连，输出端分别与第二输入光波导相连。
5.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述地电极与信号电极的上层金属电极的顶部均伸出所述上包层，所述上包层与下包层的材料均为二氧化硅。
6. 根据权利要求5所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述下包层的厚度为1μm-5μm；所述上包层的厚度为1μm- 3μm。
7.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述第一、第二输入光波导，第一、第二输出光波导以及薄膜铌酸锂直波导的宽度均为500nm-2μm，所述第一、第二多模干涉区的宽度为6μm-100μm。
8.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述薄膜铌酸锂平板光波导的厚度为10nm-500nm，所述薄膜铌酸锂直波导的厚度为100nm-500nm。
9.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：所述地电极与信号电极的上层金属电极厚度为100nm-2μm，所述地电极与信号电极的下层金属电极厚度为10nm-500nm；所述信号电极的上层金属电极与两侧地电极的上层金属电极之间的间距相同，均为5μm-50μm；所述信号电极的下层金属电极与两侧地电极的下层金属电极之间的间距相同，均为3μm-5μm。
10.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂电光开关，其特征在于：两个所述地电极的上层金属电极宽度相同，均为10μm-400μm；两个所述地电极的下层金属电极的宽度相同，均为15μm-500μm；所述信号电极的上层金属电极宽度为5μm-100μm；所述信号电极的下层金属电极宽度为10μm-200μm。
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