硫化砷-铌酸锂复合波导耦合器制造技术

一种硫化砷－铌酸锂复合波导耦合器，在铌酸锂晶体基板的表面上置有一个铌酸锂条波导，该铌酸锂条波导呈拉长的Ｓ、中间部分是直线形，铌酸锂条波导中间部分的水平位置两侧置有成对的金属薄膜电极，该电极连接着外部电压源，铌酸锂条波导和电极的上方覆盖有介质中间层，有一个直线形硫化砷条波导置于介质中间层的上方、与铌酸锂条波导中间部分在同一个垂直于铌酸锂晶体基板的平面内。本发明专利技术所述硫化砷－铌酸锂复合波导耦合器是一个非对称的定向耦合器，在光光效应、电光效应的组合作用下，本发明专利技术实现了以往空间光调制技术所不能表达的光学突触权重的负值、正值和零值的功能，促进了仿神经元光波导器件的发展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种集成光学光波导器件，特别是涉及一种具有电光效应—光光效应组合作用的硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器。
技术介绍
模拟神经细胞的智能系统具备类似神经网络的学习、记忆、联想和识辨等功能，在图像、文字、声音等的识别、机器人控制、最短路经探索等复杂的信息处理过程中有重要应用。该系统最基本的单元是带有突触耦合的仿神经元器件，主要完成对输入信号的互连加权、取和运算和阈值判别。由于光波导器件具有体积小、功能集成度高、抗振动性好、且易于用光纤做交叉连接等优点，光波导器件一直是这种仿神经元器件的主流。现有技术包括全息技术、液晶调制技术、半导体电光-光电调制技术等，但现有技术均无法解决光学突触权重的负值表现问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服了现有光波导器件无法表现光学突触权重负值的问题，提供一种由硫化砷—铌酸锂构成的复合波导耦合器，利用光光效应-电光效应的组合作用实现光学突触权重的负值、正值和零值功能。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案一种硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器，在铌酸锂晶体基板的表面上置有一个铌酸锂条波导，该铌酸锂条波导呈拉长的S、中间部分是直线形，铌酸锂条波导中间部分的水平位置两侧置有成对的金属薄膜电极，该电极连接着外部电压源，铌酸锂条波导和电极的上方覆盖有介质中间层，有一个直线形硫化砷条波导置于介质中间层的上方、与铌酸锂条波导中间部分在同一个垂直于铌酸锂晶体基板的平面内。本专利技术的有益效果是，由硫化砷非晶态半导体玻璃和铌酸锂晶体构成的硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器，直线形硫化砷条波导与S形铌酸锂条波导的中间部分位于同一个垂直于铌酸锂晶体基板的平面内，构成了一个非对称的定向耦合器。通过利用铌酸锂条波导的电光效应引起的耦合系数的变化和硫化砷条波导在短波长光子作用下产生的对长波长传输光的吸收效应，实现了电光效应控制的定向光耦合，以及光光效应电子抽运作用下的光吸收阻断。在光光效应、电光效应的组合作用下，本专利技术所述硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器实现了以往空间光调制技术所不能表达的光学突触权重的负值、正值和零值的功能，促进了仿神经元光波导器件的发展。附图说明图1是硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器结构示意图；图2是硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器作负值权重处理时的结构示意图；图3是硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器作正值权重处理时的结构示意图；图4是硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器作零值权重处理时的结构示意图；图5是硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器作用原理示意图；图6是光截止效应验证实验光路中的导波激励示意图；图7是光截止效应验证实验光路中的光截止现象示意图。具体实施例方式下面结合各个附图对本专利技术具体描述如图1所示，一种硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器，在铌酸锂晶体基板1的表面上置有一个铌酸锂条波导2，该铌酸锂条波导2呈拉长的S、中间部分为直线形，在铌酸锂条波导2中间部分的水平位置两侧置有成对的金属薄膜电极3，该电极3连接着外部电压源，铌酸锂条波导2和电极3的上方覆盖有介质中间层4，有一个直线形硫化砷条波导5置于介质中间层4的上方、与铌酸锂条波导2的中间部分在同一个垂直于铌酸锂晶体基板1的平面内。所述金属薄膜电极3通过电极引线7连接外部电压源。所述直线形硫化砷条波导5上方覆盖有介质包层6。所述介质中间层4和介质包层6均为氟化聚酰亚胺，其中介质中间层4的厚度为2μm。所述金属薄膜电极3为金属铬薄膜电极。制备一个硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器的过程如下基板是X切Y传LiNbO3晶体基板1，晶体基板1的长度、宽度和厚度分别为20mm、6mm和1mm，将六个表面分别研磨抛光。采用光刻技术和苯甲酸质子交换技术在LiNbO3晶体基板上表面附近制备铌酸锂S形条波导2，该S形条波导2宽度为5μm，有效厚度约为1μm，中间部分是直线形。采用真空镀膜和光刻技术，在S形条波导的中间直线段两侧制备金属铬薄膜电极3，电极宽度是30μm，长度为几个毫米。采用旋镀法制备氟化聚酰亚胺酸薄膜作为介质中间层4，在氮气氛围中经350℃热处理制得了氟化聚酰亚胺介质中间层，该介质中间层的厚度是2μm。在介质中间层的上面，采用真空镀膜、光刻和反应离子蚀刻技术制备As2S8直线形条波导5，该硫化砷条波导的宽度和厚度分别为5μm和1.5μm。直线形硫化砷条波导与S形铌酸锂条波导的中间部分上下对齐在同一个垂直于铌酸锂晶体基板的平面内。然后，再次应用旋镀法制备厚度在15μm以上的氟化聚酰亚胺介质包层6。最后，将两个条波导的端面磨平抛光即制得本专利技术所述的硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器。如图2所示，当632.8nm波长的He-Ne激光从铌酸锂条波导的输入端入射，该波长的传输光被用于承载信号，在不施加电极电压的情况下，本专利技术可对632.8nm波长传输光实现交叉耦合，该传输光经所述硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器耦合后，从硫化砷条波导的输出端出射，该端口出射的光波信号被视为作了负值权重处理；如图3所示，当薄膜电极上施加有一定的电压V1时，由于铌酸锂晶体的电光效应，铌酸锂条波导的折射率在外部电场作用下发生变化，所述硫化砷—铌酸锂复合波导耦合器的耦合系数随之发生变化，导致632.8nm传输光在本专利技术中发生平行耦合，该传输光从铌酸锂条波导的输出端出射，该端口出射的光波信号被视为作了正值权重处理；如图4所示，当硫化砷条波导的输入端加入了441.6nm波长的He-Cd激光，薄膜电极上撤去外加电压，本专利技术对441.6nm波长和632.8nm波长分别实现平行耦合和交叉耦合，632.8nm传输光进入硫化砷条波导与441.6nm激光重叠，由于硫化砷条波导在441.6nm激光照射下发生对632.8nm传输光的吸收，632.8nm光的传输被截止，输出端无632.8nm光信号，此状态作为零值权重处理。归纳起来，本专利技术利用了如下的光光效应、电光效应的组合作用，实现了权重的负值、正值和零值功能(1)负值权重电光效应OFF+光光效应OFF→交叉耦合；(2)正值权重电光效应ON+光光效应OFF→平行耦合；(3)零值权重电光效应OFF+光光效应ON→交叉耦合+吸收。图5给出了复合波导定向耦合器的等效示意图。nc1是LiNbO3基板的折射率，nc2是中间层和上包层的折射率，n1是LiNbO3波导的折射率，n2是As2S8波导的折射率，a1代表LiNbO3波导中传输的导模光的振幅，a2代表As2S8波导中传输的导模光的振幅。定向耦合器平行段长度为L。不失一般性，设输入光的振幅a1(0)＝1，根据光波导模式耦合理论，在定向耦合器输出端的导模振幅a1(L)和a2(L)由下式给出a1(L)=exp(-jΔβL2)---(1,a)]]>a2(L)=-jχQsin(QL)exp(jΔβL2)---(1,b)]]>式中Q=χ2+(Δβ2)2---(2,a)]]>Δβ＝β2-β1(2，b)这里，β1和β2分别是波导1和波导2的导模的传播常数。x是耦合系数，由下式求得χ=ωϵ04∫-&i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫化砷－铌酸锂复合波导耦合器，其特征在于铌酸锂晶体基板（１）表面上置有一个铌酸锂条波导（２），该铌酸锂条波导（２）呈拉长的Ｓ、中间部分为直线形，在铌酸锂条波导（２）中间部分的水平位置两侧置有成对的金属薄膜电极（３），该电极（３）连接着外部电压源，铌酸锂条波导（２）和电极（３）的上方覆盖有介质中间层（４），有一个直线形硫化砷条波导（５）置于介质中间层（４）的上方、与铌酸锂条波导（２）的中间部分在同一个垂直于铌酸锂晶体基板（１）的平面内。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈抱雪，梁东波，贾洪波，周建忠，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]