CN116184697A - 一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器 - Google Patents
一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116184697A CN116184697A CN202310250379.0A CN202310250379A CN116184697A CN 116184697 A CN116184697 A CN 116184697A CN 202310250379 A CN202310250379 A CN 202310250379A CN 116184697 A CN116184697 A CN 116184697A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- lithium niobate
- optical
- optical waveguide
- optic effect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 80
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 49
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 32
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 67
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 67
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 67
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 22
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 18
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 13
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/0009—Materials therefor
- G02F1/0018—Electro-optical materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于铌酸锂(LiNbO3)晶体电光效应的2×4光波导路由器结构设计，属于光波导和光开关技术领域。本发明以铌酸锂晶体的电光效应为基础，由3个2×2对称耦合单元组成，每个对称耦合单元由上下2条波导臂组成，每条波导臂由1根直波导和2个弯曲波导组成。对称耦合单元之间通过弯曲波导连接。在耦合单元引入电极，当电极电压为0V时，光从耦合波导的一臂输入，通过数次耦合，最终从耦合波导的另一臂输出。当电极电压为50V时，光从耦合波导的一臂输入，通过数次耦合，最终从输入波导臂输出。通过电极的开关，光路由器可以实现光从2个输入端口的任意一口输入，选择性地从4个输出端口的任意一口输出。相比于其他材料的电光效应，铌酸锂材料的响应速度更快，本方案为高速灵活的光互连网络提供了选择。
Description
技术领域
本发明涉及光波导和光开关技术领域，特别涉及一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器。
背景技术
光互连技术具有较低的***功耗、超低的时延、极高的通信带宽和极小的传输损耗等优点，其成为了解决电互连带宽小、时延长、串扰大、功耗大等缺点的最佳方案。光波导和光开关是光互连中的核心器件。基于不同的材料，光开关可以分为硅基光开关、铌酸锂光开关、聚合物材料光开关等。硅基光开关具有低功耗、与CMOS工艺兼容等优点，但是传输损耗大。基于不同的效应，光开关可以分为热光开关、电光开关、声光开关等。热光开关的缺点为响应时间慢，***损耗大，存在温度不稳定的可能。电光开关的响应时间快。声光开关的开关速度慢。铌酸锂光开关具有良好的物理、化学稳定性、宽的光学低损耗窗口、较大的电光系数以及优异的二阶非线性效应。
光波导路由器是片上光互连网络(Optical Network on Chip)中的关键器件之一，通常由光波导和光开关组成。光波导路由器在光互连网络中主要实现光的路径选择以及流量控制的功能，使得光在光互连网络中的传输更加灵活。基于铌酸锂晶体的光波导路由器具有铌酸锂材料的电光效应，开关响应速度快，可以达到纳秒级别。物理、化学稳定性良好。基于铌酸锂晶体电光效应的光波导路由器为构建高速、灵活、稳定的光互连网络带来了新的选择。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种可以实现光路选择、低时延的一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器。
本发明的技术方案如下：
一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，包括对称耦合单元；所述对称耦合单元包括衬底，所述衬底上设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有铌酸锂材料制成的光波导层，在对称耦合的光波导层上设置有保护层，所述保护层材料的折射率小于铌酸锂材料的折射率，所述保护层上设有电极；所述2×4光波导路由器由3个对称耦合单元组成，所述对称耦合单元由上下2条波导臂组成，所述每条波导臂由1根直波导和2个弯曲波导组成，所述弯曲波导一端连接输入或输出端口，另一端连接对称耦合单元波导臂中的直波导，上下2臂中的直波导构成对称耦合器。
进一步地，所述衬底为硅衬底、石英衬底或铌酸锂衬底。
进一步地，所述铌酸锂波导的厚度为4μm，保护层的厚度为0.1～0.5μm，电极的高度为0.5μm。
进一步地，所述定向对称耦合器的间距为0.2μm。
进一步地，所述定向对称耦合器的长度为16850μm。
进一步地，所述弯曲波导的长度为2200μm，两端在竖直方向的距离为6μm。
进一步地，所述保护层材料为二氧化硅。
有益效果：本发明中，利用铌酸锂材料的电光效应制作光路由器，可以大大降低光路由器的时延。此外，没有使用在铌酸锂衬底上采用扩散型光波导技术制作传输波导，通过刻蚀的方式制作铌酸锂光波导，可以增大光波导层与衬底的折射率差，进而增强光波导对光的束缚能力。
附图说明
图1为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器的结构示意图。
图2为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器在Port1、Port2端面的截面图。
图3为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器在AA’处的截面图。
图4为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器当光从Port2输入，电极组5的上的电势差为0V，电极组6上的电势差为0V时的传输图。
图5为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器当光从Port2输入，电极组5的上的电势差为0V，电极组6上的电势差为50V时的传输图。
图6为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器当光从Port2输入，电极组5的上的电势差为50V，电极组7上的电势差为50V时的传输图。
图7为本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器当光从Port2输入，电极组5的上的电势差为50V，电极组7上的电势差为0V时的传输图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，以下结合附图实施例对本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器作进一步描述。
如图1所示，一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，包括对称耦合单元Ⅰ、对称耦合单元Ⅱ、对称耦合单元Ⅲ。对称耦合单元Ⅰ中包括上臂7，下臂8，电极组5，其中输入端口Port1连接上臂7左侧，输入端口Port2连接下臂8左侧。定向对称耦合器Ⅱ中包括上臂9，下臂10，电极组6，其中输出端口Port3连接上臂9右侧，输出端口Port4连接下臂10右侧，对称耦合单元Ⅰ中，上臂7右侧连接下臂10左侧。对称耦合单元Ⅲ中包括上臂11，下臂12，电极组7，其中输出端口Port5连接上臂11右侧，输出端口Port6连接下臂12右侧，对称耦合单元Ⅰ中下臂8右侧连接上臂11左侧。所述对称耦合单元Ⅰ中连接输入端口Port2的直波导的长度记为L1，其右侧相连的弯曲波导的长度记为L2，弯曲波导右侧连接的耦合波导的长度记为L3，连接输入端口Port2的直波导与耦合波导的距离记为D，所述对称耦合单元Ⅰ的上下两臂关于中心点的水平和垂直方向均对称，对称耦合单元Ⅱ、对称耦合单元Ⅲ的结构与对称耦合单元Ⅰ的结构完全一致。
如图2所示，一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器在Port1、Port2端面的截面图，所述基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器包括衬底1，所述衬底1上设有二氧化硅层2，所述二氧化硅层2上设有铌酸锂材料制成的光波导层3，在波导层3上设置有保护层4。将衬底1的厚度记为h1，将二氧化硅层的厚度记为h2，将光波导层3的厚度记为h3，将保护层4的厚度记为h4，对称耦合单元Ⅰ上臂7的宽度记为w1，对称耦合器上臂7的宽度等于下臂8的宽度，对称耦合单元Ⅰ上臂7左侧连接输入端口Port1的直波导的中点与下臂8的左侧连接输入端口Port2的直波导的中点的距离记为d1，所述保护层4的宽度等于对称耦合单元Ⅰ上臂7的宽度w1。
如图3所示，一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器在AA’处的截面图，所述基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器包括衬底1，所述衬底1上设有二氧化硅层2，所述二氧化硅层2上设有铌酸锂材料制成的光波导层3，在波导层3上设置有保护层4，所述保护层4上设有电极组5，电极5的宽度记为w2，电极组5的厚度记为h5，对称耦合器Ⅰ上臂7的耦合波导的中点与下臂8的耦合波导中点的距离记为d2，电极组5中两个电极的中点的距离记为d3。
本实施例中，所述衬底1的材料为硅，所述衬底1的厚度h1为20μm，所述衬底1上方的二氧化硅层2的厚度h2为10μm，所述二氧化硅层2上方的光波导层3的材料为铌酸锂，所述光波导层3的厚度h3为4μm，所述光波导层3上方的保护层4的材料为硅，所述保护层4的厚度h4为0.1μm，所述保护层4上方的电极组5的材料为银，所述电极组5的厚度为0.5μm。所述对称耦合单元Ⅰ中，连接输入端口Port2的直波导的中点与耦合波导的中点的距离D为6μm，上臂7左侧连接输入端口Port1的直波导的中点与下臂8的左侧连接输入端口Port2的直波导的中点的距离d1为15μm，上臂7的耦合波导的中点与下臂8的耦合波导中点的距离d2为0.2μm，电极组5中两个电极的中点的距离d3为1.95μm，连接输入端口Port2的直波导的长度L1为2200μm，其右侧相连的弯曲波导的长度L2为2200μm，弯曲波导右侧连接的耦合波导的长度L3为16850μm。
本发明的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器在工作波长1550nm下，通过对电极组的电压控制，可以实现基模从输入端口Port1或者Port2输入，从输出端口Port3、输出端口Port4、输出端口Port5、输出端口Port6任意输出。
如图4所示，控制电极组5上的电势差为0V，电极组6上的电势差为0V，基模从输入端口Port2输出，在对称耦合单元Ⅰ中的耦合波导中耦合，最终在对称耦合单元Ⅰ上臂右侧输出到对称耦合单元Ⅱ下臂的左侧，基模继续在对称耦合单元Ⅱ中的耦合波导中耦合，最终在输出端口Port3输出。
如图5所示，控制电极组5上的电势差为0V，电极组6上的电势差为50V，基模从输入端口Port2输出，在对称耦合单元Ⅰ的耦合波导中耦合，最终在对称耦合单元Ⅰ上臂右侧输出到对称耦合单元Ⅱ下臂的左侧，基模继续在对称耦合单元Ⅱ的耦合波导中耦合，最终在输出端口Port4输出。
如图6所示，控制电极组5上的电势差为50V，电极组7上的电势差为50V，基模从输入端口Port2输出，在对称耦合单元Ⅰ的耦合波导中耦合，最终在对称耦合单元Ⅰ下臂右侧输出到对称耦合单元Ⅲ上臂的左侧，基模继续在对称耦合单元Ⅲ的耦合波导中耦合，最终在输出端口Port5输出。
如图7所示，控制电极组5上的电势差为50V，电极组7上的电势差为0V，基模从输入端口Port2输出，在对称耦合单元Ⅰ的耦合波导中耦合，最终在对称耦合单元Ⅰ下臂右侧输出到对称耦合单元Ⅲ上臂的左侧，基模继续在对称耦合单元Ⅲ的耦合波导中耦合，最终在输出端口Port6输出。
所述基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器关于中心点竖直方向上对称，当基模从输入端口Port1输入时，同样可以控制电极使基模从输出端口Port3、输出端口Port4、输出端口Port5、输出端口Port6任意输出。需要说明的是本发明有利于实现板级间低时延光路由，在光波导器件，板级光互连，光通信技术领域具有极好的潜力。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，包括对称耦合单元；所述对称耦合单元包括衬底，所述衬底上设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有铌酸锂薄膜材料制成的光波导层，在对称耦合的波导层上设置有保护层，所述保护层材料的折射率小于铌酸锂薄膜材料的折射率，所述保护层上设有电极；
所述2×4光波导路由器由3个对称耦合单元组成，所述对称耦合单元由上下2条波导臂组成，所述每波导臂由1根直波导和2个弯曲波导组成，所述弯曲波导一端连接输入或输出端口，另一端连接对称耦合器波导臂中的直波导。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述衬底为硅衬底、石英衬底或铌酸锂衬底。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述铌酸锂波导的厚度为4μm，保护层的厚度为0.1～0.5μm，电极的高度为0.5～1μm。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述定向对称耦合器的长度为16850μm。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述定向对称耦合器的间距为0.2μm。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述弯曲波导的长度为2200μm，两端在竖直方向的距离为6μm。。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述保护层材料为二氧化硅。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310250379.0A CN116184697A (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310250379.0A CN116184697A (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116184697A true CN116184697A (zh) | 2023-05-30 |
Family
ID=86444387
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310250379.0A Pending CN116184697A (zh) | 2023-03-16 | 2023-03-16 | 一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116184697A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117055156A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-11-14 | 广州铌奥光电子有限公司 | 一种大工艺容差弯曲定向耦合器及设计方法 |
-
2023
- 2023-03-16 CN CN202310250379.0A patent/CN116184697A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117055156A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-11-14 | 广州铌奥光电子有限公司 | 一种大工艺容差弯曲定向耦合器及设计方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100888299B1 (ko) | 광스위치 | |
| Lu et al. | Broadband 4$\times $4 Nonblocking Silicon Electrooptic Switches Based on Mach–Zehnder Interferometers | |
| CN110286540A (zh) | 一种基于马赫增德尔干涉结构的1×4铌酸锂波导光开关 | |
| US9360629B2 (en) | Waveguide type optical switch | |
| US20020159684A1 (en) | Novel optical waveguide switch using cascaded mach-zehnder interferometers | |
| CN111736403B (zh) | 一种具有低随机相位误差的马赫-泽德干涉仪 | |
| CN116184697A (zh) | 一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器 | |
| CN111290191B (zh) | 定向耦合器及基于氮化硅平台的光开关 | |
| CN113625392A (zh) | 一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列 | |
| WO2021258616A1 (zh) | 偏振无关的光开关 | |
| JP4727279B2 (ja) | マトリクス光スイッチ | |
| CN107688250B (zh) | 一种基于液晶电光波导的光学交叉互连器件 | |
| CN100345016C (zh) | 一种基于电光聚合物材料的偏振无关光开关 | |
| US6968105B2 (en) | Waveguide-type optical device and optical switch | |
| Yuan et al. | Electrooptic polymeric digital optical switches (DOSs) with adiabatic couplers | |
| JP2006038897A (ja) | 導波路型光スイッチ単位素子および導波路型マトリクス光スイッチ | |
| JP2000019569A (ja) | 光回路 | |
| CN118068626A (zh) | 一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关 | |
| CN115016153A (zh) | 一种可重构的定向耦合器 | |
| CN115291334B (zh) | 一种硅基pin调制的te0/te1多模电光开关 | |
| CN113900280B (zh) | 偏振无关的光开关 | |
| CN116841061A (zh) | 一种可重构的2x4电光开关结构 | |
| JP3555842B2 (ja) | 干渉計型光スイッチ | |
| Cai | High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach-Zehnder modulators | |
| JP2008299238A (ja) | 導波路型光スイッチ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |