一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关

本发明涉及光波导开关和模分复用领域，特别涉及一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关。

背景技术：

1、光互联技术因具有大带宽、低时延、高集成度、低功耗、高传输速度等特点，成为了解决短距离互联的新方案。模分复用技术引入了空间正交模式作为一个新的自由度，能够在很大程度上提高光通信系统的传输容量，解决了人们对更大的光互联系统传输容量的需求。模式开关是模分复用系统的关键器件，能够实现光的不同模式在光路中的灵活切换。

2、模式开关按结构可分为y分支开关、非对称耦合器开关、mzi开关、周期光栅开关等。按工作原理可分为电光效应、热光效应等波导型开关，热光开关相较于电光开关，响应时间慢，存在温度不稳定的可能。制作波导光开关的材料有铌酸锂、硅基二氧化硅、玻璃、有机聚合物等。铌酸锂晶体作为一种优异的电光效应的光学材料，它具有良好的物理、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，且铌酸锂晶体制作的有源波导开关的开关速度可达到纳秒级。基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关有利于构建更加快速，灵活的模分复用系统。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是提供一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关，实现波导模式在模分复用系统中可重构分差复用。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关，包括两个对称定向耦合单元dc1和dc2，所述每个对称定向耦合单元包括两根平行且宽度相等的脊形波导，所述脊形波导中间以及两侧设有和波导长度相同的电极；所述两个对称定向对称耦合单元之间用均匀变化的锥形波导连接；所述对称定向耦合单元使用s形弯曲波导和脊形直波导连接输入输出端口；所述基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关包括衬底，所述衬底上面设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上面设有铌酸锂薄膜层，所述铌酸锂薄膜层上设有脊形波导，所述脊形波导和铌酸锂薄膜层上设有保护层，所述保护层上面设置电极。

4、进一步地，所述衬底为铌酸锂衬底，保护层为二氧化硅。

5、进一步地，所述铌酸锂衬底的厚度为10μm，二氧化硅层的厚度为10μm，铌酸锂薄膜层的厚度为450nm，脊形波导的高度为250nm，保护层的厚度为100nm。

6、进一步地，所述对称定向耦合单元中dc1中，脊形波导的宽度为2.3μm，脊形波导的间距为3μm，中间电极的宽度为2μm，两侧电极的宽度为5μm，中间电极与两侧电极的间距为3.25μm，所述对称定向耦合单元dc2中，脊形波导的宽度为3.5μm，脊形波导的间距为4μm，中间电极的宽度为3.2μm，两侧电极的宽度为15μm，中间电极与两侧电极的间距为4.5μm。

7、有益效果：本发明中，利用铌酸锂晶体的电光效应，可以实现波导模式快速，灵活的开关效果。此外基于铌酸锂薄膜的波导器件，相较于传统退火质子法的铌酸锂波导器件，体积更小，更有利于波导器件的集成。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关，包括两个对称定向耦合单元dc1和dc2，所述每个对称定向耦合单元包括两根平行且宽度相等的脊形直波导，所述脊形波导中间以及两侧设有和波导长度相同的电极；所述两个对称定向耦合单元之间用均匀变化的锥形波导连接；所述对称定向耦合单元使用脊形s形弯曲波导和脊形直波导连接输入输出端口；所述基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关包括衬底，所述衬底上面设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上面设有铌酸锂薄膜层，所述铌酸锂薄膜层上设有脊形波导，所述脊形波导和铌酸锂薄膜层上设有保护层，所述保护层上面设置电极。

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关，其特征在于，所述衬底为铌酸锂衬底，保护层为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关，其特征在于，所述铌酸锂衬底的厚度为10μm，二氧化硅层的厚度为10μm，铌酸锂薄膜层的厚度为450nm，脊形波导的高度为250nm，保护层的厚度为100nm。

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关，其特征在于，所述对称耦合单元dc1中，脊形波导的宽度为2.3μm，脊形波导的间距为3μm，中间电极的宽度为2μm，两侧电极的宽度为5μm，中间电极与两侧电极的间距为3.25μm，所述对称耦合单元dc2中，脊形波导的宽度为3.5μm，脊形波导的间距为4μm，中间电极的宽度为3.2μm，两侧电极的宽度为15μm，中间电极与两侧电极的间距为4.5μm。

技术总结本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜的可重构模式开关的结构设计，属于光波导开关和模分复用领域。本发明的基础为铌酸锂晶体的电光效应。本发明主要的结构为两个对称定向耦合单元DC1和DC2，当电极不工作时，E<subgt;21</subgt;模式在DC1中耦合，进入相邻波导，E<subgt;31</subgt;模式在DC2中耦合，进入相邻波导。当DC1中工作电压为25.8V时，E<subgt;21</subgt;模式在DC1处的耦合几乎完全被抑制，DC2中工作电压为16.9V时，E<subgt;31</subgt;模式在DC2处的耦合被完全抑制，由此实现波导模式的可重构分差复用，为可重构模分复用网络提供了选择。技术研发人员：尚玉玲,梅礼鹏,段阁飞,李春泉,姜辉,宋卓凡,黄国涛,邓淑婕,胡玉凤受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27