一种基于铌酸锂薄膜的宽光谱电光开关的制作方法

1.本实用新型涉及电光开关领域，尤其涉及一种基于铌酸锂薄膜的宽光谱电光开关。


背景技术：

2.光开关作为光网络的核心，在光通信、光信号处理、光计算机等领域都起到关键作用。光开光可分为机械式和非机械式。无论是机械式还是非机械式的光开管在响应速度大多在ms量级，难以满足未来光开关快速响应的需求，部分机械式光开关尺寸较大，难以集成化，有的存在活动部件，从而影响系统稳定性，此外，大多数光开关主要集中在红外波段，可见光波段的光开关受关注较少。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种基于铌酸锂薄膜的宽光谱电光开关，以解决当前光开关响应速度慢、体积庞大、带宽窄的问题。
4.本实用新型所采用的技术方案是：一种基于铌酸锂薄膜的宽光谱电光开关，自上而下依次包括造型电极、铌酸锂薄膜波导、衬底、底电极和基底，所述造型电极包括至少两个电极组，每个电极组均包括宽度渐变的椭圆形阵列电极单元和高度渐变的等腰三角形阵列单元。
5.进一步，还包括输出端光纤和输入端光纤，所述宽度渐变的椭圆形阵列电极单元靠近输入端光纤，所述高度渐变的等腰三角形阵列单元靠近输出端光纤。
6.进一步，所述宽度渐变的椭圆形阵列电极单元内的椭圆形的宽度由输入端光纤至输出端光纤的方向逐渐增大，所述高度渐变的等腰三角形阵列单元内的等腰三角形的高度由输入端光纤至输出端光纤的方向逐渐增大。
7.进一步，所述电极组之间设有间隔。
8.进一步，所述电极组为对称分布。
9.进一步，所述衬底为二氧化硅。
10.进一步，所述基底为块状铌酸锂。
11.进一步，所述铌酸锂薄膜波导、衬底、底电极和基底均采用平板结构。
12.本实用新型的有益效果是：本实用新型通过独特的电极结构设计，利用晶体的电光效应，不仅能对输入光实现n选1，还能实现n合1功能。用于解决当前光开关响应速度慢、体积庞大、带宽窄的问题，为满足迅速增长的光网络需求提供了一种新方案，能实现易集成、消光比高、调制带宽大的技术效果。
附图说明
13.图1是本实用新型具体实施例的主视图；
14.图2是本实用新型具体实施例的俯视图；
15.图3是本实用新型具体实施例的整体示意图；
16.图4是应用本实用新型具体实施例的四选一工作效果示意图；
17.图5是应用本实用新型具体实施例的四合一工作效果示意图。
18.附图标记：001～004、输入端光纤；005、输出端光纤；100、造型电极；200、铌酸锂薄膜波导；300、衬底；400、底电极；500、基底；101～104、宽度渐变的椭圆形阵列电极单元；111～114、高度渐变的等腰三角形阵列电极单元。
具体实施方式
19.参照图1、图2和图3，本实用新型提供了一种基于铌酸锂薄膜的宽光谱电光开关，自上而下依次包括造型电极100、铌酸锂薄膜波导200、衬底300、底电极400和基底500，所述造型电极包括4个电极组，每个电极组均包括一个宽度渐变的椭圆形阵列电极单元和一个高度渐变的等腰三角形阵列单元。
20.进一步作为本实用新型优选实施例，所述铌酸锂薄膜波导、衬底、底电极和基底均采用平板结构。
21.具体地，所述电极组的电极材料为金，所述电极组的电极结构单元厚度为100nm，所述铌酸锂薄膜波导200厚度为10μm，形成波导区，所述底电极材料为金，厚度为0.5mm，底电极400与造型电极100构成本发明电光开关的非共面电极结构。
22.进一步作为本实用新型的优选实施例，还包括输出端光纤005和输入端光纤001～004，所述宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101～104靠近输入端光纤001～004，所述高度渐变的等腰三角形阵列单元111～114靠近输出端光纤005。
23.具体地，该电光开关采用光纤进行输入和输出，如图3所示，有4个输入端口在本发明电光开关前，有且仅有1个输出端口在本发明电光开关后。各输入端口的位置与各电极组一一对应(输入端口的中心与对应电极组中心在x方向坐标相同)，每个电极组沿着铌酸锂薄膜波导200长度的方向设置，即图中y轴方向，其中宽度渐变的椭圆形阵列电极单元元靠近输入端，高度渐变的等腰三角形阵列电极单元靠近输出端。
24.本电光开关的输出位置在波导层200后端面的中央，输出端光纤005与电光开关的输出位置间隔一段距离(y轴方向上)。
25.进一步作为本实用新型的优选实施例，所述宽度渐变的椭圆形阵列电极单元内的椭圆形的宽度由输入端光纤至输出端光纤的方向逐渐增大，所述高度渐变的等腰三角形阵列单元内的等腰三角形的高度由输入端光纤至输出端光纤的方向逐渐增大。
26.铌酸锂薄膜是具有较高电光系数的材料，当造型电极100连接电压源的正极，底电极400连接电压源的负极，即在两层电极中施加电压。由于铌酸锂的电光效应，在波导区，连接了电压源正极的电极单元的相应位置折射率会变大。具体表现为，当电压源的正极连接宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101，电压源负极连接底电极400时，电压源施加正电压，波导层中宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101相应区域的折射率会变大，形成光束聚焦区，其效果相当在波导区形成一个宽度渐变“透镜”阵列，能对输入的光束聚焦，施加电压的大小会影响“透镜”阵列对光束的聚焦效果，施加电压越大，“透镜”阵列对光束的聚焦效果越强。可根据不同的使用场景调节施加电压的大小能使输出光更好耦合到与本发明电光开关输出端连接的器件。同样地，电压源的正极连接高度渐变的等腰三角形阵列电极单元102，电
压源负极连接底电极400时，电压源施加正电压，波导层中高度渐变的等腰三角形阵列电极单元102相应区域的折射率会变大，形成光束偏转区，其效果相当在波导区形成一个高度渐变的“棱镜”阵列，根据折射定理，光在通过“棱镜”时，光的传播方向会改变，在施加适当电压，光束会恰好到达器件的输出端输出。当宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101以及高度渐变的等腰三角形阵列电极单元102同时工作，才能实现光从输入端到输出端光路的导通，此时光开关工作状态为“亮”。若宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101不工作(不施加电压)，由于输入光的光斑尺寸较少，光斑发散速度块，只有很少一部分光能从输出端输出，此时光开关工作状态为“暗”。其它电极组的工作原理都相同，需注意的是，越靠近光开关的边缘(远离输出端)，高度渐变的等腰三角形阵列电极单元的长度会越大，这是由于越远离输出端，光束所需要的偏转距离越大，增大高度渐变的等腰三角形阵列电极单元的长度能增加光束的偏转角度，能够使光束从输出端出射。本发明的电光开关采用铌酸锂薄膜技术，铌酸锂薄膜的厚度为10μm，波导区厚度的减少大大降低了该电光开关的驱动电压。
27.进一步作为本实用新型的优选实施例，所述电极组之间设有间隔。
28.进一步作为本实用新型的优选实施例，所述电极组为对称分布。
29.具体地，4个电极组在造型电极100上以矩形的上下边中点的连线为对称线呈对称分布(即111和114，112和113结构相同，且所有的宽度渐变的椭圆形阵列电极单元结构相同)。
30.进一步作为本实用新型优选实施例，所述衬底为二氧化硅。
31.具体地，二氧化硅衬底与铌酸锂薄膜波导有较高的折射率对比度，在器件工作时能减少光的损耗。
32.进一步作为本实用新型优选实施例，所述基底为块状铌酸锂，厚度为0.5mm。
33.本实用新型的电光开关实现“四选一”功能的步骤如下：
34.有四束输入光分别从入射端口001、002、003、004输入,电压源的正极连接宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101、102、103、104和高度渐变的等腰三角形阵列电极单元112，电压源的负极连接底电极400时，在两电极间施加电压，在波导区中，只有与电压源正极相连的电极单元相应位置折射率会发改变，形成光束聚焦区和光束偏转区。在光束偏转区中，只有高度渐变的等腰三角形阵列电极单元112工作，因而只有从输入端口002的输入光的传播方向发生改变，到达输出端口005，实现光路的导通。由于其余的渐变的等腰三角形电极阵列单元并没有工作，所对应的电极组的输入光沿直线传播，光的传播方向并没有改变，无法到达输出端口005。其效果如图4所示(rsoft软件bpm模块的仿真结果)。该例仅说明本发明电光开关存在4个电极组的情况，在实际情况中，可根据需要设置n个电极组，实现n选1功能。
35.本实用新型的电光开关实现“四合一”功能的步骤如下：
36.有四束输入光分别从入射端口001、002、003、004输入,电压源的正极与中的宽度渐变的椭圆形阵列电极单元101、102、103、104和高度渐变的等腰三角形阵列电极单元111、112、113、114相接，电压源的负极连接底电极400时，在两电极间施加电压。在波导区中，与电压源正极相接的电极单元相应位置折射率会发改变，形成光束聚焦区和光束偏转区。此时4个电极组均为工作状态，输入光在波导中聚焦并且传播方向发生变化，实现光路的导通，四束输入光汇聚于输出端006并输出，实现“四合一”功能。其效果如图5所示(rsoft软件
bpm模块的仿真结果)。该例仅说明本发明电光开关存在4个电极组的情况，在实际情况中，可根据需要设置n个电极组，实现n合1功能。
37.以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。