一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关、制备方法及应用

本发明涉及光子集成，更具体地，涉及一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关、制备方法及应用。

背景技术：

1、调制器、模式转换和模式复用器是未来光通信和光互连技术中的核心器件，近年来已发展成为集成光子学的研究热点之一。现有的模式转换技术包括相位匹配、光束整形和相干散射。目前报道的相关器件，如定向耦合器、非对称y分支、多通道分支波导、或光子晶体的器件等通常需要更复杂的设计和制造过程，且这些器件通常具有特定的设计，可能难以适应不同应用场景或波长范围。

2、薄膜铌酸锂(lithium niobate thin film)因为其出色的电光效应，宽的透明窗口和良好的光学性能，成为光子集成领域中十分重要的材料平台，具有广泛的应用领域，包括光通信、光电子学和微纳光学等。薄膜铌酸锂上的模式转换器可以帮助实现模式匹配、信号传输优化等多种功能，为光学系统提供了更大的灵活性和性能优化的机会。然而，其难以实现波长选择性和模式选择性，且不可控制模式转换。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术所述基于薄膜铌酸锂的模式转换器无法实现模式转换控制的缺陷，提供一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关、制备方法及应用。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，包括：

4、衬底、绝缘体、薄膜铌酸锂平板波导层、用于实现周期性折射率调制的长周期电极光栅、用于传输光信号的芯层波导与包层材料；

5、其中，所述绝缘体设置在所述衬底顶面，所述薄膜铌酸锂平板波导层设置在所述绝缘体顶面；所述长周期电极光栅设置在所述薄膜铌酸锂平板波导层顶面；所述芯层波导设置在长周期电极光栅顶面，且电极呈周期性交错分布；所述薄膜铌酸锂平板波导层、所述长周期电极光栅与所述芯层波导被包覆在所述包层材料中。

6、第二方面，一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关的制备方法，用于制备如第一方面所述的器件，包括：

7、在硅晶圆上沉积绝缘体二氧化硅和设置绝缘体上的铌酸锂薄膜；

8、采用湿法转移工艺将电极材料转移至薄膜铌酸锂上，经刻蚀得到长周期电极光栅；

9、在所述薄膜铌酸锂和长周期电极光栅上沉积芯层波导；

10、在所述芯层波导、长周期电极光栅和所述薄膜铌酸锂上设置包层材料；

11、在所述长周期电极光栅两侧沉积金电极，作为连接外接电路的引脚，完成所述器件的制备。

12、第三方面，一种模式转换控制方法，应用第一方面所述器件，包括：

13、将信号光输入所述芯层波导；

14、控制施加到所述长周期电极光栅的外加电压的开关，控制模式转换的启闭；

15、基于模式转换启闭结果，输出经过模式转换后得到的模式光或者未经模式转换的所述信号光。

16、第四方面，一种模式转换方法，应用第一方面所述器件，包括：

17、将待转换的信号光输入所述芯层波导；

18、将电压施加到所述长周期电极光栅，通过电极的周期性折射率调制形成长周期光栅，信号光在长周期光栅作用下实现模式转换；其中，所述长周期电极光栅的周期大小、周期数和/或电极放置位置根据模式转换的目标模式需求设置；

19、输出目标模式的模式光。

20、第五方面，一种光学系统，包括第一方面所述器件。

21、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

22、本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，通过将长周期电极光栅设置在所述薄膜铌酸锂平板波导层顶面、将芯层波导设置在长周期电极光栅顶面，并令电极呈周期性交错分布，利用铌酸锂的电光响应，当加电后周期性电极光栅对芯层波导进行周期性折射率调制，形成长周期光栅，基于耦合模理论，模式在长周期光栅的作用下实现转换。相较于现有技术，本发明所述器件结构简单，不需要对波导进行刻蚀，易于集成，且具有良好的波长选择性和模式选择性，利用周期性电极光栅进行模式转换，通过控制外加电压的开关可以控制模式转换器的开关。

技术特征：

1.一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，其特征在于，包括：衬底(101)、绝缘体(102)、薄膜铌酸锂平板波导层(103)、用于实现周期性折射率调制的长周期电极光栅(104)、用于传输光信号的芯层波导(105)与包层材料(106)；

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，其特征在于，所述薄膜铌酸锂平板波导层(103)的厚度为300nm-800nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，其特征在于，所述长周期电极光栅(104)的电极材料为石墨烯。

4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，其特征在于，所述薄膜铌酸锂平板波导层(103)的宽度大于所述芯层波导(105)的宽度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关，其特征在于，所述长周期电极光栅(104)的周期大小、周期数和/或电极放置位置根据模式转换需求的目标模式设置。

6.一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关的制备方法，用于制备权利要求1-5任一项所述器件，其特征在于，包括：

7.一种模式转换控制方法，应用权利要求1-5任一项所述器件，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种模式转换控制方法，其特征在于，所述控制施加到所述长周期电极光栅(104)的外加电压的开关，包括：

9.一种模式转换方法，应用权利要求1-5任一项所述器件，其特征在于，包括：

10.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述器件。

技术总结本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂的可重构模式转换开关、制备方法及应用，涉及光子集成技术领域。所述可重构模式转换开关包括：衬底、绝缘体、薄膜铌酸锂平板波导层、长周期电极光栅、芯层波导与包层材料；其中，绝缘体设置在衬底顶面，薄膜铌酸锂平板波导层设置在绝缘体顶面；长周期电极光栅设置在薄膜铌酸锂平板波导层顶面；芯层波导设置在长周期电极光栅顶面，且电极呈周期性交错分布；薄膜铌酸锂平板波导层、长周期电极光栅与芯层波导被包覆在包层材料中。相较于现有技术，本发明所述器件结构简单，易于集成，且具有良好的波长选择性和模式选择性，利用周期性电极光栅进行模式转换，通过控制外加电压的开关可以控制模式转换器的开关。技术研发人员：黄权东,肖彬,许鸥,秦玉文受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16