一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器

本发明涉及光波导和光开关，特别涉及一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器。

背景技术：

1、光互连技术具有较低的系统功耗、超低的时延、极高的通信带宽和极小的传输损耗等优点，其成为了解决电互连带宽小、时延长、串扰大、功耗大等缺点的最佳方案。光波导和光开关是光互连中的核心器件。基于不同的材料，光开关可以分为硅基光开关、铌酸锂光开关、聚合物材料光开关等。硅基光开关具有低功耗、与cmos工艺兼容等优点，但是传输损耗大。基于不同的效应，光开关可以分为热光开关、电光开关、声光开关等。热光开关的缺点为响应时间慢，插入损耗大，存在温度不稳定的可能。电光开关的响应时间快。声光开关的开关速度慢。铌酸锂光开关具有良好的物理、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。

2、光波导路由器是片上光互连网络(optical network on chip)中的关键器件之一，通常由光波导和光开关组成。光波导路由器在光互连网络中主要实现光的路径选择以及流量控制的功能，使得光在光互连网络中的传输更加灵活。基于铌酸锂晶体的光波导路由器具有铌酸锂材料的电光效应，开关响应速度快，可以达到纳秒级别。物理、化学稳定性良好。基于铌酸锂晶体电光效应的光波导路由器为构建高速、灵活、稳定的光互连网络带来了新的选择。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供了一种可以实现光路选择、低时延的一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，包括对称耦合单元；所述对称耦合单元包括衬底，所述衬底上设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有铌酸锂材料制成的光波导层，在对称耦合的光波导层上设置有保护层，所述保护层材料的折射率小于铌酸锂材料的折射率，所述保护层上设有电极；所述2×4光波导路由器由3个对称耦合单元组成，所述对称耦合单元由上下2条波导臂组成，所述每条波导臂由1根直波导和2个弯曲波导组成，所述弯曲波导一端连接输入或输出端口，另一端连接对称耦合单元波导臂中的直波导，上下2臂中的直波导构成对称耦合器。

4、进一步地，所述衬底为硅衬底、石英衬底或铌酸锂衬底。

5、进一步地，所述铌酸锂波导的厚度为4μm，保护层的厚度为0.1～0.5μm，电极的高度为0.5μm。

6、进一步地，所述定向对称耦合器的间距为0.2μm。

7、进一步地，所述定向对称耦合器的长度为16850μm。

8、进一步地，所述弯曲波导的长度为2200μm，两端在竖直方向的距离为6μm。

9、进一步地，所述保护层材料为二氧化硅。

10、有益效果：本发明中，利用铌酸锂材料的电光效应制作光路由器，可以大大降低光路由器的时延。此外，没有使用在铌酸锂衬底上采用扩散型光波导技术制作传输波导，通过刻蚀的方式制作铌酸锂光波导，可以增大光波导层与衬底的折射率差，进而增强光波导对光的束缚能力。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，包括对称耦合单元；所述对称耦合单元包括衬底，所述衬底上设有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设有铌酸锂薄膜材料制成的光波导层，在对称耦合的波导层上设置有保护层，所述保护层材料的折射率小于铌酸锂薄膜材料的折射率，所述保护层上设有电极；

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述衬底为硅衬底、石英衬底或铌酸锂衬底。

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述铌酸锂波导的厚度为4μm，保护层的厚度为0.1～0.5μm，电极的高度为0.5～1μm。

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述定向对称耦合器的长度为16850μm。

5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述定向对称耦合器的间距为0.2μm。

6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述弯曲波导的长度为2200μm，两端在竖直方向的距离为6μm。。

7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂晶体电光效应的2×4光波导路由器，其特征在于，所述保护层材料为二氧化硅。

技术总结
本发明公开了一种基于铌酸锂(LiNbO3)晶体电光效应的2×4光波导路由器结构设计，属于光波导和光开关技术领域。本发明以铌酸锂晶体的电光效应为基础，由3个2×2对称耦合单元组成，每个对称耦合单元由上下2条波导臂组成，每条波导臂由1根直波导和2个弯曲波导组成。对称耦合单元之间通过弯曲波导连接。在耦合单元引入电极，当电极电压为0V时，光从耦合波导的一臂输入，通过数次耦合，最终从耦合波导的另一臂输出。当电极电压为50V时，光从耦合波导的一臂输入，通过数次耦合，最终从输入波导臂输出。通过电极的开关，光路由器可以实现光从2个输入端口的任意一口输入，选择性地从4个输出端口的任意一口输出。相比于其他材料的电光效应，铌酸锂材料的响应速度更快，本方案为高速灵活的光互连网络提供了选择。

技术研发人员：尚玉玲,梅礼鹏,李春泉,曾丽珍,姜辉,候杏娜
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：2024/1/12