一种偏振态控制的多模干涉型光开关及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种偏振态控制的多模干涉型光开关，包括平面光波光路芯片、光源、偏振控制器和输入光纤阵列，平面光波光路芯片包括硅衬底、二氧化硅缓冲层、波导和覆盖层，二氧化硅缓冲层中设有裂纹，波导包括输入级单模波导，中间级多模波导，输出级单模波导；光源和偏振控制器的光输入端连接，偏振控制器的光输出端与输入光纤阵列的输入端连接。该多模干涉型光开关的开关状态可调，且具有热稳定、低非线性、低传输损耗、宽工作带宽、高度集成、与单模光纤高效耦合、价格便宜且结构简单等优点。同时，本发明专利技术还公开该光开关的制备方法，该方法简单、成本低、可批量制作光开关。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种偏振态控制的多模干涉型光开关，包括平面光波光路芯片、光源、偏振控制器和输入光纤阵列，平面光波光路芯片包括硅衬底、二氧化硅缓冲层、波导和覆盖层，二氧化硅缓冲层中设有裂纹，波导包括输入级单模波导，中间级多模波导，输出级单模波导；光源和偏振控制器的光输入端连接，偏振控制器的光输出端与输入光纤阵列的输入端连接。该多模干涉型光开关的开关状态可调，且具有热稳定、低非线性、低传输损耗、宽工作带宽、高度集成、与单模光纤高效耦合、价格便宜且结构简单等优点。同时，本专利技术还公开该光开关的制备方法，该方法简单、成本低、可批量制作光开关。【专利说明】
本专利技术属于集成光子器件
，具体来说，涉及。
技术介绍
光开关是一种可以对光传输过程中的光信号进行通道转换的关键器件，可以广泛应用在全光层的路由选择、波长选择和光交叉连接等功能的实现上。根据工作介质分类，光开关可分为自由空间光开关和平面波导型(文中简称:PLC型)光开关。PLC型光开关利用半导体工艺制备，具有结构紧凑、可批量制作、稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅(英文全称:Silica-on-Silicon，文中简称:SoS)工艺的PLC型光开关是较早被应用于光通信、传感系统中的PLC器件；并且其具有热稳定、低非线性、高带宽、集成高和成本低等特点。现有的可调PLC型光开关主要通过材料的电光效应、热光效应、磁光效应、声光效应等原理，需要添加折射率调制模块来改变多模波导的折射率实现开关状态可调，制作工艺难度大，结构复杂，成本较高。
技术实现思路
技术问题:本专利技术所要解决的技术问题是:提供一种偏振态控制的多模干涉型光开关，该多模干涉型光开关具有开关状态可调、热稳定、低非线性、低传输损耗、宽工作带宽、高度集成、与单模光纤高效耦合、价格便宜，且结构简单等优点。同时，本专利技术还提供光开关的制备方法，该制备方法简单、成本低、可批量制作光开关。技术方案:为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是: 一种偏振态控制的多模干涉型光开关，该光开关包括平面光波光路芯片、光源、偏振控制器和输入光纤阵列，平面光波光路芯片包括娃衬底、生长在娃衬底上方的二氧化娃缓冲层、生长在二氧化硅缓冲层上方的波导，生长在波导上方的覆盖层，二氧化硅缓冲层中设有裂纹，波导包括输入级单模波导，中间级多模波导，η个输出级单模波导，η为大于等于2的偶数；光源和偏振控制器的光输入端连接，偏振控制器的光输出端与输入光纤阵列的输入端连接，输入光纤阵列的输出端与输入级单模波导的输入端连接，输入级单模波导的输出端与中间级多模波导的输入端连接，中间级多模波导的输出端与η个输出级单模波导的输入端连接。进一步，所述的裂纹为线性。一种上述的偏振态控制的多模干涉型光开关的制备方法，该制备方法包括以下步骤: 步骤10)制备平面光波光路芯片，具体包括步骤101)至步骤104): 步骤101):取一硅片作为硅衬底，利用湿化学法清洗硅片，利用热氧化法在硅衬底上制备二氧化硅缓冲层，利用等离子体增强化学气相沉积方法在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到波导层，利用波导层和二氧化硅缓冲层热膨胀系数之间的差异，通过控制反应过程中的热应力在二氧化硅缓冲层中引入裂纹； 步骤102):利用光刻和刻蚀工艺，在波导层上制备波导，波导包括输入级单模波导、中间级多模波导和η个输出级单模波导，输入级单模波导的输出端与中间级多模波导的输入端连接，中间级多模波导的输出端与η个输出级单模波导的输入端连接； 步骤103):利用高温退火加热工艺在波导上方生长覆盖层； 步骤104):切片研磨，制作斜8°的平面光波光路芯片； 步骤20)连接器件:将光源、偏振控制器和输入光纤阵列置于平面光波光路芯片同一侦1J,且光源和偏振控制器的光输入端连接，偏振控制器的光输出端与输入光纤阵列的输入端连接，输入光纤阵列的输出端与平面光波光路芯片中输入级单模波导的输入端连接。有益效果:与现有技术相比，本专利技术具有如下优点: (I)工艺难度低。本专利技术的一种偏振态控制的多模干涉型光开关通过无源PLC型芯片实现光开关；由于缓冲层存在裂纹，裂纹会对不同偏振态光信号产生不同的影响，继而导致不同偏振态的输入光在输入级单模波导中的谐振现象、在中间级多模波导内的干涉现象均不相同，最终使得多模干涉型光开关对不同偏振态的输入光有不同的开关状态不相同。然而，现有的可调PLC型光开关需要制作有源PLC型芯片实现开关功能，主要通过材料的电光效应、热光效应、磁光效应、声光效应等原理改变多模波导的折射率实现开关状态可调。制作有源PLC型芯片的工艺难度比无源PLC型芯片高。(2)结构和调制方法简单。本专利技术的一种偏振态控制的多模干涉型光开关自身无需添加控制模块，结构简单。本专利技术通过外接偏振控制器改变输入光的偏振态，可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光通信、光信息处理以及光子/光电子集成。而现有的可调多模干涉型光开关需要添加调制模块来改变多模波导的折射率实现开关状态可调，结构复杂，成本较高。(3)低非线性、低损耗和高热稳定性。本专利技术中，SoS型PLC多模干涉型光开关芯片基于石英玻璃制作，由材料特性决定其具有极低的损耗，可到0.0ldB/cm，这是其他材料无法达到的。由于石英材料为各向同性材料，从而决定基于SoS型PLC型多模干涉型光开关芯片具有极低的非线性，从而可以使得光开关适合高能量的传输。(4)宽工作带宽。本专利技术的多模干涉型光开关采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。SoS型PLC芯片具有较宽的工作带宽，可以在红光到近红外范围内工作，从而可以使得光开关适合多种波长的传输。(5)高耦合效率。本专利技术的偏振态控制的多模干涉型光开关，采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。由于石英玻璃折射率和单模光纤折射率非常接近；并且由单模条件决定PLC波导尺寸和单模光纤也具有很好的尺寸匹配。因此，本专利技术多模干涉型光开关和单模光纤具有极好的耦合效率，可小于0.1dB每端口。(6 )制备工艺兼容性好，成本低。本专利技术基于SoS光波导工艺制备出芯片，具备PLC工艺集成度高的特点。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术实施例1的俯视图。图2是本专利技术实施例1的侧视图。图3是本专利技术实施例2制作完成的平面光波光路芯片的俯视图。图4是本专利技术实施例2制作完成的波导横截面示意图。图5是本专利技术实施例2制作完成覆盖层后的波导横截面示意图。图6是本专利技术提供的试验中，机械式三环偏振控制器三环角度分别为-90°、45° > -30°的偏振态下的光场分布图。图7是本专利技术提供的试验中，机械式三环偏振控制器三环角度分别为10°、-90°、-80°的偏振态下的光场分布图。图8是本专利技术提供的试验中，机械式三环偏振控制器三环角度分别为45°、70° > -45°的偏振态下的光场分布图。图9是本专利技术提供的试验中，机械式三环偏振控制器三环角度分别为85°、50° > -95°的偏振态下的光场分布图。图中有:硅衬底1、二氧化硅缓冲层2、波导层3、波导4、覆盖层5、裂纹6、输入级单模波导401,中间级多模波导402、输出级单模波导403、第一输出级单模波导4031、第二输出级单模波导4032、第三输出级单模波导4033、第四输出级单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小菡，蒋卫锋，戚健庭，董纳，陈源源，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：