一种非易失调控的光波导元件及其应用

本技术属于光电子领域，具体涉及光电子器件制造领域，更具体地，涉及一种非易失调控的光波导元件及其应用。

背景技术：

1、光子集成电路在光通信、光互连、数据中心、微波光子学、量子光学、片上光传感和光计算等领域具有重要应用。随着光子集成电路规模增大，片上光路通常需要大量相位调节单元、谐振波长校准单元、滤波器修调单元、分束比设置单元和波分复用通道校准单元。由于薄膜材料厚度、波导宽度、刻蚀深度、侧壁粗糙度和局部应力等工艺误差不可避免，实际制备后的干涉器件、谐振器件、分束器和波分复用器件往往偏离设计状态，因此需要后修调或可编程调控技术。

2、现有集成光子调控方案主要包括热光调控、载流子注入或耗尽调控、应力或压电调控、相变材料调控以及外加铁电材料调控等。热光调控结构简单，但需要持续加热才能保持目标折射率、相位、耦合比或波长状态，导致静态功耗随芯片规模增加而迅速增大，并且可能引入热串扰。载流子调控适合高速动态调制，但在低损耗无源相位保持、滤波器后修调和长期通道校准场景下存在吸收损耗、保持功耗或工艺兼容性问题。相变材料可实现非易失调控，但通常需要在光波导附近沉积额外材料，材料相态变化可能带来吸收损耗、散射损耗、可靠性和工艺集成复杂度问题。

3、钽酸锂（lithium tantalate，lt）与铌酸锂（lithium niobate on insulator，ln）同属于重要的铁电电光晶体，具有电光效应、压电效应和铁电畴翻转特性。以lt为例，ltoi（lithium tantalate on insulator，lt）平台将钽酸锂薄膜与绝缘层和支撑衬底结合，可用于制备低损耗和高稳定性的集成光子器件。然而，如何在 ltoi 光波导本体材料中利用可控的部分铁电畴翻转实现可保持、可重写、低损耗的非易失性有效折射率变化，仍需要明确的器件结构、制备步骤、编程电极和写入脉冲方案。

4、对于细波分复用（lan-wavelength division multiplexing，lwdm） 等波分复用器件而言，多个通道的中心波长和滤波响应对波导尺寸和相位误差高度敏感。纳米级工艺偏差即可导致通道波长漂移、插入损耗不均和相邻通道串扰恶化。现有微加热器校准方案通常需要每个通道持续供电才能保持波长对准，不利于大规模、低功耗和高密度集成。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种非易失调控的光波导元件及其应用，旨在解决当前热调等易失性调控功耗过大，其他非易失调制平台制备工艺复杂、光学损耗较大，制备大规模阵列受限的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种非易失调控的光波导元件，包括：

3、波导，其具有波导非易失调控段；所述波导非易失调控段的材料为钽酸锂晶体，所述钽酸锂晶体内存在缺陷偶极子，使其内部存在内建电场；

4、极化电极，沿着所述波导非易失调控段的两侧设置，用于对波导非易失调控段的折射率进行非易失调制；

5、其中，所述极化电极用于被施加极化电场，所述极化电场的强度超出预设电场强度阈值，所述预设电场强度阈值与能够使所述钽酸锂晶体内至少部分铁电畴翻转的电场强度有关，以结合所述内建电场对所述波导非易失调控段的折射率进行非易失调制；所述极化电场被施加之前，所述波导非易失调控段具有第一折射率，所述极化电场被撤掉后，所述波导非易失调控段具有第二折射率，所述第二折射率与第一折射率不同，折射率改变值与对应内建电场强度以及极化电场强度正相关。

6、在一种可能的实现方式中，当所述极化电场为第一方向时，所述第二折射率大于第一折射率；所述第一方向与初始状态下所述钽酸锂晶体内铁电畴的方向相反；

7、当所述极化电场为第二方向时，所述第二折射率小于第一折射率；所述第二方向与初始状态下所述钽酸锂晶体内铁电畴的方向相同。

8、在一种可能的实现方式中，所述折射率改变值为：

9、

10、其中，表示钽酸锂晶体本征非寻常光折射率，表示钽酸锂晶体的电光系数，表示内建电场的强度，表示铁电畴翻转的比例，与所述极化电场的强度有关，极化电场强度越大，铁电畴反转比例越大，越大。

11、在一种可能的实现方式中，初始状态下所述波导非易失调控段内铁电畴的方向保持一致。

12、在一种可能的实现方式中，当所述极化电场为第一方向时，所述波导非易失调控段的折射率增加的程度与极化电场强度增加的程度、所述内建电场强度呈第一正相关关系；当所述极化电场为第二方向时，所述波导非易失调控段的折射率减小的程度与极化电场强度增加的程度、所述内建电场强度呈第二正相关关系；

13、在同一内建电场强度下，所述第一正相关关系具有第一正相关系数，所述第二正相关关系具有第二正相关系数；所述第一正相关系数小于第二正相关系数。

14、在一种可能的实现方式中，所述极化电场被施加的时间大于10ms。

15、可以理解的是，当极化电场施加一定时间后，上述铁电晶体内铁电畴开始发生翻转，随着极化时间的增加，翻转的比例增大，直至作用一段时间后，铁电畴的翻转量不再改变，此时折射率基本维持不变；此后，极化电场撤掉后，折射率也基本维持不变。因此，在铁电畴翻转量随极化时间增加而增加时，上述波导非易失调控段的折射率的变化程度与极化电场的极化时间也呈正相关关系。而当极化时间作用到一定程度，上述波导非易失调控段的折射率的变化程度与极化电场的极化时间将不再有关联。

16、在一种可能的实现方式中，当所述光波导为单脊波导时，沿着所述单脊波导的横向，所述波导非易失调控段包括调制区、非调制区以及凹槽，所述调制区为单脊波导中间的区域，包含所述单脊波导的凸起结构，所述非调制区为单脊波导两侧区域，所述凹槽设置于调制区和非调制区之间，用于将所述调制区和非调制区隔离；

17、所述极化电极，沿着所述调制区的两侧设置，且设置在所述凹槽的部分区域和/或所述调制区部分区域上方。

18、在一种可能的实现方式中，当所述钽酸锂晶体为同成分钽酸锂时，所述预设电场强度阈值大于等于16.6*106v/m。

19、示例地，所述的化学计量比可以为。

20、在一种可能的实现方式中，所述极化电场的强度范围为16.6*106v/m~23.3*106v/m。折射率改变值的范围为0~0.55*10-3。

21、第二方面，本技术提供了一种如上述第一方面所描述光波导元件在集成光子器件中的应用。

22、示例地，上述集成光子器件包括：马赫曾德型光开关、微环谐振器、非对称级联马赫曾德型光开关构成的波分复用器、高速马赫曾德型电光调制器以及拓扑腔谐振型调制器等器件。

23、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

24、本技术提供一种非易失调控的光波导元件及其应用，选取具有缺陷且内部存在内建电场的钽酸锂晶体，通过施加能够使铁电畴翻转的极化电压使得调制区域的有效电光系数改变，进而导致缺陷偶极引发的内建电场借助电光效应引起波导非易失调控区有效折射率的非易失变化；上述折射率变化与内建电场强度和铁电畴翻转的占比成正比，上述铁电畴翻转的占比与极化电场的强度正相关。通过所述电极施加满足波导铁电材料铁电畴翻转条件的编程电脉冲，使调控区内至少部分铁电畴发生翻转；在撤去所述编程电脉冲后，利用铁电畴取向和缺陷偶极的相对状态改变，通过钽酸锂晶体的电光效应使光波导保持有效折射率变化。