铌酸锂跑道微环电光开关的创新设计
2025-02-11 20:31
No.1338970776250097664
技术概要
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本项创新技术涉及光波导和光开关技术领域,特别是一种采用铌酸锂跑道微环结构的电光开关。该结构通过电光调制实现光开关功能,包含两根总线波导以及与之相连的多个分支波导,旨在提高光开关性能和降低能耗。
背景技术
随着大数据需求的快速增长,互联网企业和大型数据中心的性能需求的增加,越来越依赖光电互连在众多服务器之间提供关键的通信连接,其中芯片性能和通信容量需要进一步研究解决。同时,为实现更快的信息处理速度和更高的信息传输容量,与互补金属半导体(CMOS)工艺兼容、具有快速响应、低损耗、高可靠性的光开关及光开关网络开始广泛研究。因为原有的电子芯片及其互连技术逐渐难以满足计算和存储系统对高速数据传输和高能效的要求,已成为限制数据中心及高性能计算机性能提升的瓶颈。则光互连技术成为集成电路芯片中短距互连的解决方案之一。相比电互连,光互连具有大带宽、低时延、较好的抗电磁干扰、高集成密度、低功耗等特点,而且作为光电集成芯片的重要元件,是光互联网络中的核心元件,影响光电芯片的性能和可靠性,对新一代信息技术下光开关及光网络的多向、可控、高速度等新挑战,研究前景广阔。 光开关是面向服务器,数据中心的高速大容量信息交互的重要元件。基于光波导的光开关的材料有SiC、二氧化硅波导、铌酸锂、聚合物等多种类型材料。铌酸锂(LithiumNiobate,LN)材料具备优良的光学特性,具有优秀的线性电光效应(普尔克斯效应),物理化学特性的稳定,是各方面性能良好、应用在电光调制器非常广泛的材料之一。利用铌酸锂良好的线性电光属性在电场和光场的调控下可实现光开关状态快速,低功耗的转换。铌酸锂材料的加工制作工艺成熟,常用的制作工艺主要有钛扩散法、质子交换法、飞秒激光刻蚀法,化学气相沉积法等,基于铌酸锂材料的光波导易于制作,易于集成的特点,已经成为电光开关的研究热点。铌酸锂晶体的诸多优良特性应用在微环结构是近几年研究人员的主要研究方向之一,其应用场景广泛,尤其在电光调制等领域。在集成光波导开关及光网络中,光波导微环具有至关重要的作用,是电光传感器、滤波器、非线性关光学器件的基本器件,在光通信、光学传感和光网络等领域有着广泛的应用前景。 本发明通过以下技术方案实现: 一种基于铌酸锂的跑道微环电光开关结构,所述的多向可控电光开关的功能基于跑道微环实现,包括跑道型微环和上传下载的两根光波导组成的光回路;所述光回路包括一个跑道型微环、微环区域外的上波导和下波导,上波导与下波导平行放置将跑道型微环夹于内侧,构成上传直通和下载反向的两组光路,形成光回路;在上波导和跑道微环上波导的两侧分别设有两个金属电极;组成该光开关结构的光波导横截面适用于所有集成光波导结构,至少包括:条型波导、脊型波导、多层波导;组成该电光开关的结构设有硅衬底、石英衬底,并在由铌酸锂薄膜材料制成的光波导层上设置有二氧化硅保护层,形状为均匀的矩形,铺在铌酸锂薄膜材料的上方,所述保护层材料的折射率小于铌酸锂薄膜材料的折射率。采用铌酸锂材料高的电光系数r33实现高速高调制效率的电光调制。 采用的微环谐振原理根据相位匹配条件采用如下公式为: neff*L=mλ,其中neff为波导有效折射率,L为微环跑道的周长,m为正整数,λ为光信号波长。 在上述技术方案中,电光开关结构利用一根上波导和跑道微环的上部分的直波导构成电光调制的无源波导区域,两个平行放置的矩形金材料电极放置在距离上述两根波导两侧一定距离处,长度和两根需要调制的光波导一致,高度略高于光波导。 在上述技术方案中,跑道微环部分由两根弯曲半径,弯曲曲率一致的左边180度弯曲波导和右侧180度弯曲波导以及被夹在中间的上下两根长度一致的直的光波导组成,构成闭合的微环跑道结构。 在上述技术方案中,上下波导a,b夹在微环跑道的上下两侧,其结构横截面和微环的光波导一致,但长度大于微环跑道的两根直波导的长度。 本发明具有的有益效果为: 本发明的一种基于铌酸锂的跑道微环电光开关结构可以改变原来光波导中光信号的传播方向,利用施加合理电压下的电场对光场进行调控,实现光信号能够从指定端口(直通端口或下载端口)以不同功率比例输出以及反向传输(下载端口输出)的功能,实现光信号能够多向可控传输的功能。本发明基于铌酸锂薄膜材料,有良好的电光系数可以实现低功耗高速度的传输,并实现高品质因数和一定自由光谱范围下的滤波功能,可调谐范围大。 本发明有利于构建基于多向可控的光开关的光网络结构,实现可重构的功能,实现高速度低功耗的光开关结构设计,为制作大规模光开关阵列、光互连网络提供了灵活性和实用性。 附图说明 图1为本发明基于铌酸锂的跑道微环电光开关的整体结构和一路直通端口光信号传输方向的示意图; 图2为本发明基于铌酸锂的跑道微环电光开关的整体结构和一路下载端口光信号传输方向的示意图; 图3为本发明中的基于铌酸锂的跑道微环电光开关的电光调制区域的横截面示意图,包含结构1、2、5的横截面; 图4为本发明中的空气沟槽和铌酸锂弯曲波导的180度弯曲部分的横截面示意图; 图5为本发明中的跑道微环结构的左侧180度欧拉弯曲结构示意图; 具体实施方式 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。本申请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
实现思路
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该技术已申请专利,如用于商业用途,请联系技术所有人!
技术研发人员:
尚玉玲  宋卓凡  姜辉  邓淑婕  黄国涛  唐博洋  武绍云  潘轩锐
技术所属: 桂林电子科技大学
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