一种可重构的2x4电光开关结构

1.本发明涉及光学元器件，特别涉及一种可重构的2
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4电光开关结构，可应用于光通信、光互连等。


背景技术：

2.随着5g、6g通信、云计算与大数据等技术的不断发展，人们对高性能计算机的信息传输要求逐渐提高。电互联作为传统的互联通信方式，其具有技术成熟，成本低等优势。但由于摩尔定律逐渐放缓与通信容量的指数增长，电互联由于其物理特性在传输高速率数据时会发生严重的电磁干扰、延时等现象，使信号在传输过程中的传输质量降低，因此基于电互联的传输方式面临着巨大的挑战。为了解决电互联的局限性，需要一种新的互联方式。与电互联相比，光互联具备高带宽、低功耗、高速率、强抗电磁干扰能力等优势，且可以应用于芯片间，电路板之间。光互连克服了电互联在工作速率、功耗等方面的局限，是当前通信技术中关键。基于光互连的光网络系统具备传输容量大、兼容性好、传输速度快等优势，为解决高性能的传输提供了解决方案。在光互联网络的构建过程中，光路由器是关键的组件之一，光路由器通常由光波导和光开关构成，其中光开关发挥着十分重要的作用。随着光网络的逐步发展，具有高速度、低损耗等优点的光开关将起到非常重要的作用，高性能、低损耗的光开关的设计是光网络中的关键。
3.铌酸锂(lithium niobate,ln)晶体具备优良的电光效应、良好的物理与化学稳定性、较大的电光系数以及优异的二阶非线性特性，使其一直受到广泛的关注。但基于传统的ln调制器的尺寸较大，且ln波导内部的光束的尺寸较大，为了避免金属电极对器件中传输的光信号的吸收，电极需要制作在离波导距离较远的位置，这会导致器件的调制效率降低。基于传统工艺的ln器件需要采用较大的弯曲才能避免过大的弯曲损耗。为了解决传统的ln器件尺寸较大等问题，研究人员开发了绝缘体上的铌酸锂薄膜(lithium niobate thin film on silicon,lnoi)平台。lnoi是解决ln的这些瓶颈问题的关键，lnoi不仅保持了ln晶体优异的电光、声光和非线性等性能，其能够更好的与结构紧凑的波导进行结合。基于铌酸锂薄膜(lithium niobate thin film,lntf)的光子器件具有电场密度高、半波电压小以及尺寸小等优点。基于lnoi结构的电光调制器结构、谐波频率转换器等器件的工作性能已经远远超过了基于传统钛扩散工艺或ape-ln工艺下的波导器件，基于lnoi材料实现高性能光波导与光子器件是目前重要的研究方向。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出一种可重构的定向耦合器。其特征在于所述的定向耦合器结构由下至上为si衬底，sio2层，ln芯层，cu电极，sio2绝缘层，所述的定向耦合器的芯层为两个脊型结构，且两个脊型结构中存在一定的间距，所述的脊型波导结构的尺寸相同，所述的定向耦合器中的电极段靠近右侧脊型波导结构，另一端电极为gnd离左侧脊型波导结构存在一定的距离，两端电极对波导而言呈非对称式分布。为解决上述问题，本发明提
出一种可重构的2
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4电光开关结构。其特征在于所述的可重构2
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4电光开关结构由下至上为si衬底，sio2层，ln芯层，sio2绝缘层，cu电极，所述的可重构2
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4电光开关由3个定向耦合器结构组成，且通过s型弯曲波导进行连接。
5.按照上述方案，所述的可重构2
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4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的耦合效率满足以下关系式：其中crm为耦合效率，p
mout
为期望输出端口的模式功率，p
in
为输入光信号的总和。
6.按照上述方案，所述的可重构2
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4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的隔离度满足以下关系式：其中p
im
为端口m输出的光功率值，p
in
为端口n输出的光功率值，其中光信号从端口i输入。
7.按照上述方案，所述的可重构2
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4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的插入损耗满足以下关系式：其中p
mout
为第m个输出端口的功率，k为输出端口的总个数，p
in
为输入端口的功率值。
8.按照上述方案，所述的可重构2
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4电光开关，其特征在于所述的可重构2
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4电光开关的s型弯曲波导长度l2为140μm，弯曲宽度w2为15μm时，该s型弯曲波导带来的损耗最低。该2
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4电光开关在实现路径选择功能时，其耦合效率大于0.92，隔离度高于20db，插入损耗低于0.3db，当该光开关器件实现可重构功能时，即通过施加不同的控制电压，使光信号在4个输出端口按不同比例进行输出，所需要的最大控制电压为25v。
9.按照上述方案，所述的可重构2
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4电光开关，其特征在于所述的可重构2
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4电光开关具有较强的波长依赖性，在波长为1550nm，te偏振状态下，空气的折射率为1，sio2的折射率为1.44，ln的非寻常折射率为2.21，ln的寻常折射率为2.14，铌酸锂的电光系数为30.9pm/v。
10.本发明的有益效果在于：在三维空间中，由于sio2能吸收电流，施加电压时，传输波导的折射率发生变化，使耦合距离发生变化。通过分别控制不同电极组的控制，使光信号在端口port1输入信号时，能够从端口port3～port6输出指定功率值。通过电极的控制极大的提高了光信号传输的灵活性，有利于构建可重构的光学器件，在光通信领域具有较好的潜力。
附图说明：
11.图1是本发明的可重构2
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4电光开关结构的三维示意图，其中光信号恒定从端口port1输入。
12.图2是本发明的可重构2
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4电光开关结构中s弯曲的长度与宽度对应的端口port4的归一化输出功率值。其中图2(a)为不同s弯曲宽度下，s弯曲长度与端口port4的归一化输出功率的关系，图2(b)为不同s弯曲长度下，s弯曲宽度与端口port4的归一化输出功率的关系。
13.图3是本发明的可重构2
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4电光开关结构中，当v1与v3都为0v时，v2对应的电光开关的性能。其中图3(a)为v2对应的耦合效率的关系，其中“矩形”为端口port3的耦合效率，“圆形”为端口port4的耦合效率，图3(b)为v2对应的额外损耗，图3(c)为v2对应的开关隔离度，其中“矩形”为端口port3较端口port4的隔离度，“圆形”为端口port3较端口port5的隔离度，“三角形”为端口port3较端口port6的隔离度。
14.图4是本发明的可重构2
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4电光开关结构中，当v1为21v，v2为0v时，v3对应的电光开关的性能。其中图4(a)为v3对应的耦合效率的关系，其中“矩形”为端口port5的耦合效率，“圆形”为端口port6的耦合效率，图4(b)为v3对应的额外损耗，图4(c)为v3对应的开关隔离度，其中“矩形”为端口port5较端口port3的隔离度，“圆形”为端口port5较端口port4的隔离度，“三角形”为端口port5较端口port6的隔离度。
15.图5为v3为0v，不同v1条件下，v2所对应的输出端口的归一化输出功率，其中“矩形”为端口port1，“圆形”为端口port2，“正三角形”为端口port3，“倒三角形”为端口port4，图5(a)中v1为5v，图5(b)中v1为10v，图5(c)中v1为15v，图5(d)中v1为20v。
16.图6为v2为0v，不同v1条件下，v3所对应的输出端口的归一化输出功率，其中“矩形”为端口port3，“圆形”为端口port4，“正三角形”为端口port5，“倒三角形”为端口port6，图6(a)中v1为5v，图6(b)中v1为10v，图6(c)中v1为15v，图6(d)中v1为20v。具体实施步骤：
17.下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。本技术可以以多种不同的形式来实现，并不限制于本实施例所描述的实施方案。提供以下具体实施方式的目的以便于对本发明的发明内容更清楚透彻的理解。
18.参照图1至图6，本发明提出一种可重构的2
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4电光开关结构，如图1所示，该结构由3个级联的定向耦合器构成，该器件基于x-cut的lnoi材料，输入的光信号工作仅工作在te模式，其中每一组电极放置在定向耦合器的两侧，将该光开关结构中的定向耦合器分为三个部分，分别为part1、part2与part3。part1部分包含了电极e1，e2与端口port1，port2；part2部分包含了电极e3，e4与端口port3，port4；part3部分包含了电极e5，e6与端口port5，port6。电极e1，e3，e5上所施加的电压设置为v1，v2，v3，电极e2，e4，e6上所施加的电压设置为-v1，-v2，-v3。为了方便说明施加电压对器件的影响，施加电压v1定义为电极e1上施加电压v1与电极e2上施加电压-v1；施加电压v2定义为电极e3上施加电压v2与电极e4上施加电压-v2；施加电压v3定义为电极e5上施加电压v3与电极e6上施加电压-v3。在part1部分的定向耦合器结构后引入s型弯曲波导，其中端口port1的输出末端在经过s形弯曲波导后为一根长度为l3的直波导，后接入端口port5；端口port2与端口port4的连接方式同端口port1与端口port5的连接方式相似。s型弯曲波导的宽度为w2，长度为l2，在端口port3与端口port5处为半椭圆形
波导连接，其中该椭圆形的长轴为l5，短轴为(w
2-gap)，其中gap为定向耦合器中两波导的间距。在整个弯曲波导结构上覆盖了一层sio2，是为了避免不同部分的电极作用时相互产生影响。本发明选取电压v1～v3的范围为0～25v，l1为1.51cm，w2为15μm，l2为140μm，l3为500μm，gap为3μm，ge为1μm。
19.按照可重构的2
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4电光开关结构的上述方案，在其所规定的范围内对波导的参数进行设计。基于光束传播法，通过仿真验证本发明。
20.图2为本发明中当v1～v3都为0v时，不同的s型弯曲波导长度与弯曲宽度所对应的端口port4的归一化输出功率，当w2为15μm，l2为140μm时，端口port4的归一化输出功率达到最优值，弯曲损耗较低。
21.图3为v1、v3为0v时，v2所对应的可重构2
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4电光开关的性能，其中(a)对应的为耦合效率，(b)对应的为插入损耗，(c)对应的为开关隔离度。当电压为0v或21v时，其耦合效率高于0.98，插入损耗低于0.3db，开关隔离度随着v2的增加而增加。
22.图4为v1为21v，v2为0v时，v3所对应的可重构2
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4电光开关的性能，其中(a)对应的为耦合效率，(b)对应的为插入损耗，(c)对应的为开关隔离度。当电压为0v或25v时，其耦合效率高于0.96，插入损耗低于0.3db，开关隔离度随着v3的增加而增加。
23.图5为v3为0v时，不同v1条件下，v2与四个输出端口所对应的归一化输出功率，(a)中v1为5v，(b)中v1为10v，(c)中v1为15v，(d)中v1为20v。其中当v1逐渐增大时，端口port3与port4的归一化输出功率逐渐增大。
24.图6为v2为0v时，不同v1条件下，v3与四个输出端口所对应的归一化输出功率，(a)中v1为5v，(b)中v1为10v，(c)中v1为15v，(d)中v1为20v。其中当v1逐渐增大时，端口port3与port4的归一化输出功率逐渐减小。
25.按照上述方案，所述的可重构2
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4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的耦合效率满足以下关系式：其中crm为耦合效率，p
mout
为期望输出端口的模式功率，p
in
为输入光信号的总和。
26.按照上述方案，所述的可重构2
×
4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的隔离度满足以下关系式：其中p
im
为端口m输出的光功率值，p
in
为端口n输出的光功率值，其中光信号从端口i输入。
27.按照上述方案，所述的可重构2
×
4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的插入损耗满足以下关系式：
其中p
mout
为第m个输出端口的功率，k为输出端口的总个数，p
in
为输入端口的功率值。
28.需要说明的是本发明有利于构建可重构的电光开关器件。在光通信等光学领域具有较好的潜力。
29.以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围内。

技术特征：
1.本发明提出一种可重构的2
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4电光开关结构，如图1所示，该结构由3个级联的定向耦合器构成，该器件基于x-cut的lnoi材料，输入的光信号工作仅工作在te模式，其中每一组电极都放置在定向耦合器的两侧，将该光开关结构中的定向耦合器分为三个部分，分别为part1、part2与part3。part1部分包含了电极e1，e2与端口port1，port2；part2部分包含了电极e3，e4与端口port3，port4；part3部分包含了电极e5，e6与端口port5，port6。电极e1，e3，e5上所施加的电压设置为v1，v2，v3，电极e2，e4，e6上所施加的电压设置为-v1，-v2，-v3。为了方便说明施加电压对器件的影响，施加电压v1定义为电极e1上施加电压v1与电极e2上施加电压-v1；施加电压v2定义为电极e3上施加电压v2与电极e4上施加电压-v2；施加电压v3定义为电极e5上施加电压v3与电极e6上施加电压-v3。在part1部分的定向耦合器结构后引入s型弯曲波导，其中端口port1的输出末端在经过s形弯曲波导后为一根长度为l3的直波导，后接入端口port5；端口port2与端口port4的连接方式同端口port1与端口port5的连接方式相似。s型弯曲波导的宽度为w2，长度为l2，在端口port3与端口port5处为半椭圆形波导连接，其中该椭圆形的长轴为l5，短轴为(w
2-gap)，其中gap为定向耦合器中两波导的间距。在整个弯曲波导结构上覆盖了一层sio2，是为了避免不同部分的电极作用时相互产生影响。本发明选取电压v1～v3的范围为0～25v，l1为1.51cm，w2为15μm，l2为140μm，l3为500μm，gap为3μm，ge为1μm。2.根据权利要求1所述的可重构2
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4电光开关结构，其特征在于所述的波导中的耦合效率满足以下关系式：其中p
mout
为期望输出端口的模式功率，p
in
为输入光信号的总和，根据权利要求1所述的可重构2
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4电光开关结构，其特征在于所述的波导的隔离度满足以下关系式：其中p
im
为端口m输出的光功率值，p
in
为端口n输出的光功率值，其中光信号从端口i输入。根据权利要求1所述的可重构2
×
4电光开关结构，其特征在于所述的波导的插入损耗满足以下关系式：其中p
mout
为第m个输出端口的功率，k为输出端口的总个数，p
in
为输入端口的功率值，根据权利要求1所述的可重构2
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4电光开关结构，特征在于当s型弯曲波导长度l2为140μm，弯曲宽度w2为15μm时，该s型弯曲波导带来的损耗最低。该2
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4电光开关对波长的依赖性较强，在实现路径选择功能时，其耦合效率大于0.92，隔离度高于20db，插入损耗低于0.3db，当该光开关器件实现可重构功能时，即通过施加不同的控制电压，使光信号在4个输出端口
按不同比例进行输出，所需要的最大控制电压为25v。

技术总结
本发明提出一种可重构的2


技术研发人员：尚玉玲 邓淑婕 何翔 李春泉 曾丽珍 姜辉 宋卓凡 周谨倬 梅礼鹏 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：2023.06.01
技术公布日：2023/10/6