[发明专利]一种薄膜铌酸锂电光开关

说明书

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。

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系统中的关键器件，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系统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、插入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。