专利名称：：基于自由空间耦合技术的电光开关的制作方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种用于光传送网
技术领域：
的电光开关，具体是一种基于自由空间耦合技术的电光开关。技术背景光开关是技术含量较高的光无源器件，需要与之相应的制作材料、加工工艺等基础技术支持。目前，尽管全光网络的兴起迫切需要大量性能优良、价格合理的光开关、光开关矩阵，但真正能够商用化的光开关产品只有传统的机械式光开关，以及以机械工艺为基础的微机械光开关(MEMS开关)。在各类光开关中，机械开关、热光开关、电光开关和全光型开关等已受到广泛的重视。电光开关中，干涉型(方向耦合器、Mach-Zehnder干涉仪)占主导地位，这类开关的相应速度可高达纳秒量级，并具有开关功率较低的优点，但消光比差，并会导致不必要的串扰。在材料方面，电光聚合物已成为学术界和技术界中意的材料。聚合物电光材料响应速度快、色散小、易于和其它材料集成，电光活性已达到或超过了铌酸锂晶体，稳定性已能满足器件应用的要求。目前研发的聚合物电光开光主要有Mach-Zehnder干涉仪型、方向耦合型、Y叉波导数字型。这几类电光开关的共同特点是以电光聚合物脊型光波导为导光元件，具有易集成和快速的优点。但由于电光聚合物吸收边带的影响，波导的传输损耗一般高于ldB/cra，因而引起高达十几dB的插入损耗，而且制备工艺复杂、价格昂贵，这是这类开关难以实用化的主要原因。经对现有技术的文献检索发现，专利号为4,653,844的美国专利《Prismcoupler》(棱镜耦合器)中提出了一种棱镜耦合器。该器件中由棱镜、中间泄露层、波导层及衬底层4层结构组成。其中波导层制备在衬底上。在4层结构当中，棱镜的折射率最高，其次是波导层，中间泄露层和衬底层折射率最小。中间泄露层通常为空气。在这种器件中，激光以大于全反射角入射到棱镜底面上时，发生全反射，光波以迅衰场的形式渗透到中间泄露层。当入射角满足波导的耦合条件时，便可激发出导模。基于这种棱镜耦合结构的电光开关，由于需要棱镜的耦合，所以造成开关体积较大，结构复杂，不易于集成。
发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种基于自由空间耦合技术的电光开关。本发明是一种对称金属包覆有机聚合物波导电光开关，克服了现有开关体积大，结构复杂，响应时间短的缺点。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括激光器、上层金属膜、中间导波层、下层金属膜和硅片衬底。硅片衬底位于最底部，其上附着着下层金属膜，下层金属膜上紧贴着导波层，导波层上附着着上层金属膜。上层金属膜、导波层和下层金属膜组成波导结构，激光器输出的激光束经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中。上层金属膜和下层金属膜之间有一可调电压。所述上层金属膜和下层金属膜，其材料选择银、金、铜、铝中的一种，要求其在光频范围内介电常数实部^《—8，介电常数虚部S'^5力。所述上层金属膜的厚度在10nm40nm。所述下层金属膜厚度大于30nm。所述中间导波层，其材料为电光有机聚合物，介电常数在2.03.0之间，电光系数7'3在2030pm/V(i=l或3代表TE或TM偏振)，厚度在100umlmm之间。所述激光器的工作波长在650nm1550nm。所述硅片衬底可选择硅片或玻璃片，其厚度大于lmm。本发明中，中间导波层是电光有机聚合物膜，两边是采用真空溅射方法镀上同一类金属薄膜(金或银)。激光入射到金属表面，可被直接耦合进波导，激发厚膜情况下的超高阶导模。当超高阶导模传播常数满足相位匹配条件时，反射光趋于零，激光被耦合到波导中传输。由于超高阶导模在有机聚合物波导中传播损耗小，光可以从波导的断面引出。在外加电场的作用下，有机聚合物波导层的折射率发生变化，超高阶导模传播常数随之变化而不满足相位匹配条件，激光不能耦合到导波层中，反射光达到最大值，而波导中无传输光，实现了光能量在开关通道中的转换。由于对称金属包覆波导中超高阶导模的传播常数对导波层折射率的变化十分灵敏，当有机聚合物电光材料的折射率在外加电场作用下发生微弱的改变时，超高阶导模的传播常数随之发生较大的变化。因而，本发明降低了对聚合物材料电光系数的要求，并且工作电压很低。在厚膜情况下，超高阶导模的传播损耗很小，同时控制光在波导中的传输距离L为极小的值，即L—0，可以进一步减小光在波导中的传输损耗，使器件的插入损耗很小。由于金属介电常数的实部为负数，对称金属包覆介质波导的有效折射率可在零与无穷大之间变化，在入射光波矢与导模传播常数匹配的情况下，激光可以从金属表面的自由空间直接耦合到波导中，而不需要棱镜耦合。本发明采用自由空间耦合方法免除了棱镜耦合带来的不变，有省去了光栅耦合器件的制备困难，器件具有体积小、结构紧凑易于集成、制作工艺简单的优点。有机聚合物材料具有极高的响应速度(皮秒量级)，这使器件可以具有高达纳秒数量级的开关速度。图1是本发明的电光开关的结构示意图。图中激光器l、上层金属膜2、中间导波层3、下层金属膜4、硅片衬底5、反射光通道6、可调电压7。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1:如图l所示，本实施例包括激光器l、上层金属膜2、中间导波层3、下层金属膜4和硅片衬底5。硅片衬底5位于底部，厚度为lmm，上面附着了一层金属膜即下层金属膜4，厚度为300nm;下层金属膜4上有附着一层有机聚合物即导波层3，厚度为0.2mm，导波层3上附着有另一层金属膜，即上层金属膜2，厚度为30mn，上层金属膜2、导波层3和下层金属膜4组成波导结构，激光器1输出的激光束经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中。在两层金膜之间有一可调电压7。本实施例中，上下两层金属膜材料采用金(650咖波长下￡=-13+1.0/)，中间有机聚合物层采用DANS/MMA，介电系数为2.800，电光系数&为30pm/v。本实施例工作时，上层金属膜2、导波层3和下层金属膜4组成的波导结构，其中，导波层3的折射率最高，为导波层，上层金属膜2和下层金属膜4为覆盖层。激光器1波长为650rnn，出射光束经扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为8.5°，反射光强度最小，光能量集中在导波层，反射率为r。。上下两层金属膜之间加一可调电压7，观察反射光通道6的反射率rt，并记录光强比(l-rJ/(l-0(对于开关来说，此值越小越好)。根据计算，上下两层金属膜之间只要加较小的电压，就能达到很理想的消光比。上下两层金属膜之间加不同电压和光强比列在下表。所加电压(V)(1-。)/(1-r0)01300.73600.31900.15实施例2:本实施例包括激光器l、上层金属膜2、中间导波层3、下层金属膜4和硅片衬底5。硅片衬底5位于底部厚度为lmra，上面附着了下层金属膜4，厚度为300nm;下层金属膜4上有附着一层有机聚合物即中间导波层3，厚度为0.l腿，中间导波层3上附着有上层金属膜2，厚度为30nm，在上下两层金属膜之间设一可调电压7。本实施例中，上下两层金属膜材料采用金(832咖波长下6=-25+1.5/)，中间有机聚合物层采用DANS/MMA，介电系数为2.800，电光系数&为30pm/v。本实施例工作时，上层金属膜2、导波层3和下层金属膜4组成波导结构，其中，导波层3的折射率最高，为导波层，上层金属膜2和下层金属膜4为覆盖层。激光器1波长为832nm，出射光束经扩束后聚焦入射到上述波导结构中，入射角为10.7°，反射光强度最小，光能量集中在导波层，反射率为r。。在上下两层金属膜之间加一可调电压7，观察反射光通道6的反射率rt，并记录光强比(l-n)/(l-r。)。根据计算，上下两层金属膜之间只要加较小的电压，就能达到很理想的消光比。上下两层金属膜之间加不同电压和光强比列在下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例3:本实施例中，硅片衬底5位于底部，厚度为lmm，上面附着了下层金属膜4，厚度为300nm;下层金属膜4上有附着一层有机聚合物即导波层3，厚度为0.5鹏，导波层3上附着有上层金属膜2，厚度为30nm，在两层金属膜之间加一可调电压7。本实施例中，上下两层金属膜材料采用金(832nm波长下s:-25+1.5/)，中间有机聚合物层采用DANS/MMA，介电系数为2.800，电光系数&为30pm/v。本实施例工作时，上层金属膜2、导波层3和下层金属膜4组成波导结构，其中，导波层3的折射率最高，为导波层，上层金属膜2和下层金属膜4为覆盖层。激光器1波长为832nm，出射光束经扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为10.3°，反射光强度最小，光能量集中在导波层，反射率为r。。在上下两层金属膜之间加一可调电压7，观察反射光通道6的反射率n，并记录光强比(l-"/(l-r。)。根据计算，上下两层金属膜之间只要加较小的电压，就能达到很理想的消光比。上下两层金属膜之间加不同电压和光强比列在下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1、一种基于自由空间耦合技术的电光开关，包括激光器、上层金属膜、中间导波层、下层金属膜和硅片衬底，其特征在于，所述中间导波层的材料为电光有机聚合物，硅片衬底位于最底部，其上附着着下层金属膜，下层金属膜上紧贴着导波层，导波层上附着着上层金属膜，上层金属膜、导波层和下层金属膜组成波导结构，激光器输出的激光束经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中，上层金属膜和下层金属膜之间有一可调电压。2、根据权利要求1所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述上层金属膜和下层金属膜，其材料为银、金、铜、铝中的一种，在光频范围内介电常数实部^^—8，介电常数虚部^^5^。3、根据权利要求1或2所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述上层金属膜的厚度在10nm40nm。4、根据权利要求1或2所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述下层金属膜厚度大于30nm。5、根据权利要求l所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述的中间导波层，其介电常数在2.03.0之间，电光系数&在2030pm/V，i二l或3，代表TE或TM偏振。6、根据权利要求1或5所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述中间导波层的厚度在100umlmm之间。7、根据权利要求1所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述激光器的工作波长为650nm1550nm。8、根据权利要求1所述的基于自由窆间耦合技术的电光开关，其特征是，所述硅片衬底选择硅片或玻璃片，其厚度大于lmm。9、根据权利要求1所述的基于自由空间耦合技术的电光开关，其特征是，所述上层金属膜、导波层和下层金属膜组成的波导结构，有机聚合物层的折射率比上层金属膜和下层金属膜的折射率。全文摘要一种用于光传送网
技术领域：
的基于自由空间耦合技术的电光开关，包括激光器、上层金属膜、中间导波层、下层金属膜和硅片衬底，所述中间导波层材料为电光有机聚合物。硅片衬底位于最底部，其上附着着下层金属膜，下层金属膜上紧贴着导波层，导波层上附着着上层金属膜，上层金属膜、导波层和下层金属膜组成波导结构，激光器输出的激光束经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中，上层金属膜和下层金属膜之间有一可调电压。本发明降低了对聚合物材料电光系数的要求，且工作电压很低，制作工艺简单的优点，并且有机聚合物材料具有极高的响应速度，这使器件可以具有高达纳秒数量级的开关速度。文档编号G02F1/01GK101241242SQ20081003456公开日2008年8月13日申请日期2008年3月13日优先权日2008年3月13日发明者坚吴,朱宵辉,潘侃凯,邓晓旭,湘郑申请人:上海交通大学