基于LiNbO_3非对称电极1_2Y分叉数字光开关

第20卷第2期　2009年2月　　　　　　JournalofOptoelectronics・Vol.20No.2　Feb.2009Laser　　　　　　　　

基于LiNbO3非对称电极1×2Y分叉数字光开关3

李锡华133,葛陆泉1,金　宁2,周　强1,江晓清1,杨建义1,王明华1

(1.浙江大学信息科学与工程学院,浙江杭州310027;2.中国计量学院信息分院,浙江杭州310018)

摘要:提出了一种基于LiNbO3材料的非对称电极Y分叉数字光开关(DOS)结构。其特点是采用非对称电极结

构加强锥形区和强耦合区的电极控制作用,从而提高开关的性能。计算机模拟显示,使用高于6V的开关电压,其串扰可以压低到-26dB左右,比对称电极结构约低8dB,实验结果也验证了这种开关结构的可行性。在LiNbO3衬底上,通过Ti扩散波导工艺制作的样品,当开关电压为15V时,串扰达到了-24dB左右。关键词:光波导;数字光开关(DOS);Y分叉;电光效应;LiNbO3中图分类号:TN252　　文献标识码:A　　文章编号:100520086(2009)0220168203

LiNbO3basedasymmetricalelectrode1×2Y2branchdigitalopticalswitchLIXi2hua133,GELu2quan1,JINNing2,ZHOUQiang1,JIANGXiao2qing1,YANGJian2yi1,WANGMing2hua1

(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.CollegeofIn2formationEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

Abstract:Anovelasymmetricalelectrode1×2Y2branchdigitalopticalswitchbasedonTi:LiNbO3isproposed.Byusingasymmetricalelectrode,thecontroleffectintheconed2shapedandstronglycouplingregionisenhanced,asaresult,theperformanceoftheswitchhasbeenimproved.Thecomputersimula2tionshowsthatataswitchvoltagehigherthan6V,thecrosstalkcanbesupressedto-26dB,whichisabout8dBlowerthansymmetricalelectrode.Theexperimentresultsalsoprovethattheproposedswitchstructureisreasonable.Thecrosstalkofthesample,fabricatedonLiNbO3substratebytheTi2diffusedprocess,hasachievedabout-24dBatavoltage15V.Keywords:opticalwaveguide;digitalopticalswitch(DOS);Y2branch;electro2opticseffect;LiNbO3

用,在不增加器件长度的情况下,提高了开关的性能。理论分

析表明,非对称电极DOS具有低驱动电压、低串扰、高响应速度、制作简单和易于集成等优点。

1　引　言

　　光开关是光通信系统中一个非常重要的器件,应用于光交

叉互连(OXC),光上下路复用(OADM)和自愈保护电路中,一直是光器件领域的研究热点之一[1～3]。　　数字光开关(DOS)利用模式演变原理[4]实现光路切换。开关电压和串扰等是DOS最重要的参数,一个好的DOS应该具有较低的开关电压和串扰。为了减小开关电压,人们做了很多尝试:两角线性分支[5];带有耦合区域的线性分叉角[6];shaped分叉角[7]。降低串扰的办法也有很多;采用基于‘W’形

[8][9]

状的三分叉结构;双刻蚀波导结构。但这些器件大都结构复杂,实际制作比较困难。　　LiNbO3材料由于具有优良的电光性能而被用来制作高速光开关和光调制器[10～13]。本文采用Z切Y传Ti扩散LiNbO3波导,设计了一种结构紧凑的非对称电极DOS。设计中,采用非对称电极结构来加强强耦合区和分叉过渡区电极的控制作

3收稿日期:2008204228　　　　修订日期:2008209224　3　基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y105088)　33E2mail:lixh@zju.edu.cn

2　器件的原理以及设计

　　常规的1×2Y分叉DOS由输入输出单模波导、Y分叉波

导以及开关电极构成,它的基本结构如图1所示。外加电压后,一分支波导的折射率增加,另一分支波导的折射率减小。在Y分叉的交叉点处,光波被等量分到每个分支波导中。随

图1　1×2Y分叉DOS示意图

Fig.1　1×2YbranchDOS

第2期　李锡华等:基于LiNbO3非对称电极1×2Y分叉数字光开关　　　　　　　　　　　　　　　　　　・169・

着分叉间距的增大,由于模式演变,绝大部分的能量将转移到折射率增大的分支波导中去。在分叉的末尾,光波就仅仅从一端口输出。改变电压的方向,即可完成光的切换,使光从另一端口输出。　　与基模相反,一次模的能量将转换到折射率较低的分支波导中去,使另一个端口也有输出光,导致串扰。一次模最容易在Y分叉的两个地方被激励:1)波导分叉处,因为在Y分叉处波导宽度较大,很容易激励出一次模。2)靠近分叉处电极边缘附近,由于边缘效应,波导折射率会发生突变,从而激励出一次模。因此,在开关的设计中,开关电极的位置极为重要,它对于开关的性能有着重要的影响。　　通常Y分叉两波导臂间的耦合关系可以用耦合函数[4]

γ()

(1)　　　　k(z)=k0×e-×dz

来表示。式中:d(z)为两波导臂在z处的间距;γ3是波导间波矢横向传播常数;k0是耦合常数。　　由式(1)可知,靠近分叉点处,因d(z)很小,两波导臂间的耦合很强,称为强耦合区。如果能在强耦合区对光波进行控制,会有效地提高开关的性能,因此在设计开关结构时,电极应尽可能的靠近分叉点。传统的Z切LiNbO3波导Y分叉DOS的结构如图2所示,两对电极是完全对称的,由于工艺条件的限制,两对电极间的间距难于做得很小,这样会使得分叉部分锥形区域无法布置电极,降低了电极的控制作用。3

图3　非对称电极Y分叉结构的设计

Fig.3　ThestructureofY2branchwith

asymmetricalelectrode

　　采用光束传输法(BPM)对具有对称和非对称电极两种结构的TM模分别进行了模拟,波长采用1.55μm,模拟结果如图4、5所示。比较图4、图5可以发现,对称电极结构光开关在电压为8V时的串扰约为-18dB左右,而非对称电极结构的光开关在电压为6V时的串扰约为-26dB左右,显然,非对称电极结构的光开关显示了良好的开关性能,开关电压更小、串扰更低。

图2　具有对称电极的Y分叉结构

Fig.2　ThestructureofY2branch

withsymmetricalelectrode

图4　对称电极模拟DOS曲线

Fig.4　ThecharacteristicsofsymmetricalelectrodeY2branchDOS

　　为了加强强耦合区以及锥形过渡区的电极控制作用,提出

了非对称电极的设计,如图3所示,两对电极不再对称,其中1对电极经锥形区域延伸至输入波导处。从光开关的基本原理可知,基模能量是向着折射率相对较大的方向传输,由于在锥形区域就有了电极,当加正电压时,使得电极作用区折射率大于无电极区的折射率,光波就会向着折射率大的方向偏移,这样在锥形区光波就开始导向,可以有效地提高电极对光波的导向作用,从而提高开关特性;相反,加负电压时,同理也能提高开关特性。　　图3是开关的基本结构。开关由输入波导、锥形过渡区、线性分叉波导、弯曲波导以及电极组成。波导宽度为7μm,锥形过渡区末端宽度为16μm,长度为1500μm,线性分叉波导夹角θ=0.15°,分叉末端间距5μm,弯曲波导末端间距20μm;电极间距为2μm。

图5　非对称电极Y分叉DOS的开关特性

Fig.5　Thecharacteristicsofasymmetrical

electrodeY2branchDOS

・170・

　　　　　　　　　　　　　　　　　　光电子

2009年　第20卷　・激光　3　器件的制作与实验结果分析

　　器件制作以Z切Y传的LiNbO3为衬底,采用Ti扩散工

艺进行波导的制作。首先在LiNbO3基片上蒸厚度为60～80nmTi金属膜,然后光刻得到器件结构;在1050℃温度下进行扩散9～11h,得到Ti扩散LiNbO3波导;为了防止Al电极对光的吸收,在电极和波导间溅射SiO2缓冲层,厚度约为1μm。　　器件测试采用的波长为1.55μm,输入光与器件采用光纤进行耦合,电压通过探针加在器件的焊点上。对器件的测试采用TM模式。Y分叉DOS加电压后的测试输出近场光斑图如图6所示,两种输出态的开关电压分别为15.4V和-14.0V。用图像光斑亮度代替实际光强强度近似估算出器件的串扰值,约为-24dB左右。

了波导,并在波导上制作电极,实现了非对称电极Y分叉DOS结构的制作,并有了初步的测试结果,在电压为15V时的串扰为-24dB左右,验证了这种开关结构的可行性。

参考文献:

[1]　YANGDi,YUJin2zhong,CHENShao2wu,etal.Anovel2×2SOIther2

mo2opticswitch[J].JournalofOptoelectronics・Laser(光电子・激

光),2007,18(11):128021282.(inChinese)[2]　YANGJun2bo,SUXian2yu.Designofpolarization2independent1×N

andN×1opticalswitchinfreespace[J].JournalofOptoelectronics・Laser(光电子・激光),2007,18(11):132221325.(inChinese)[3]　LIANGHuan2huan,PANXue2feng,TAOWei2dong,etal.Studyonthe

switchingeffectofpolymer2dispersedliquidcrystalsusingsolvent2in2ducedphaseseparation[J].JournalofOptoelectronics・Laser(光电子・激光),2007,18(12):139921401.(inChinese)[4]　Kra¨henbühlR,HowertonMM,DubingerJ,etal.Performanceand

modelingofadvancedTi:LiNbO3digitalopticalswitches[J].JLight2waveTechnology,2002,20(1):92299.[5]　KahnMN,ZuckerJE,ChangTY,etal.Weighted2couplingY2branch

opticalswitchinInGaAs/InGaAlAsquantumwellelectrontransfer

waveguides[J].IEEEPhotonTechnolLett,1994,6(3):3942397.[6]　LeeSS,ShinSY.Polymericdigitalopticalswitchincorporatinglinearbranchwithmodifiedcouplingregion[J].ElectronLett,1999,35(15):

124521246.

[7]　OkayamaH,KawaharaM.Reductionofvoltage2lengthproductforY2

branchdigitalopticalswitch[J].J.LightwaveTechnol,1993,11(2):

3792387.

[8]　SiebelU,HauffeR,PetermannK.Crosstalk2enhancedpolymerdigital

opticalswitchbasedonW2shape[J].IEEEPhotonTechnolLett,2000,12(1):40241.

[9]　KahnMN,MillerBI,BurrowsEC,etal.Crosstalk2,loss2,andlength2

reduceddigitalopticalY2branchswitchesusingadouble2etchwaveguidestructure[J].IEEEPhotonTechnolLett,1999,11(10):125021252.

[10]WuYK,WangWS.Designandfabricationofsidewalls2extendede2

lectrodeconfigurationforridgedlithiumniobateelectrooptcalmodula2tor[J].JLightwaveTechnol,2008,26(2):2862290.[11]TwuRC.Zn2diffused1×2balanced2bridgeopticalswitchinaY2cutlithiumniobate[J].IEEEPhotonTechnolLett,2007,19(16):12692

1271.

[12]PaturzoM,CoreCDel,GrilliS,etal.Photolithographybyatunable

electro2opticallithiumniobatephasearray[J].OptoelectronicsLet2ters,2007,3(4):2432245.

[13]HuangWH,LinCW,WangWS.Electroopticalmodulatorfabricated

bygalliumdiffusioninlithiumniobate[J].IEEEPhotonTechnolLett,2008,20(13):117221174.作者简介:

李锡华　(1962-)男,副教授,主要从事光电子学、集成光学等的教学与研究1

图6　Y分叉DOS的测试近场光斑结果

Fig.6　Near2fieldofoutputofY2branch

DOSaftervoltageapplied

　　比较测试和模拟结果可以发现,实际制作的器件的测试结

果跟理论有一定差距,可能原因有两方面。首先,理论模拟的模型中波导上方未加SiO2缓冲层,而实验中为了减少金属电极对光的吸收,在波导上方溅射了SiO2缓冲层,厚度约有1μm左右,增加了电极与波导间的距离,导致实际作用到波导上的电场降低了,从而使得驱动电压增加;其次,由于实验过程中存在实验误差,不可能做到跟理论模拟一样的效果,实验中发现,在腐蚀Al电极时,电极间距存在一定程度的展宽,这样又在一定程度上导致驱动电压的增加,通过改进器件工艺精度和理论模型,能减少理论与实际的差距。

4　结　论

　　提出一种优化的基于LiNbO3材料的非对称电极Y分叉DOS结构。其特点是在Y分叉DOS分叉部分采用非对称电极结构来加强锥形区和强耦合区的电极控制作用,从而提高开关的性能。计算机模拟显示,采用非对称电极开关结构,当电压为6V时,其串扰可以达到-26dB左右,比对称电极结构提高约8dB左右;通过Ti扩散波导工艺,在LiNbO3衬底上制作