[发明专利]基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法

说明书

本发明属于微纳光电子器件技术领域，公开了一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法，基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关设置有空气柱型光子晶体；光子晶体的空气柱直径为420nm，空气柱间距为200nm；可调光开关进一步包括光子晶体波导A、光子晶体波导B、波导A和B的耦合器、开关电极、调控电极；光子晶体波导A和B的长度约为50μm，波导A和B的耦合长度约为5μm。本发明利用光子晶体波导之间的耦合特性设计光子晶体光开关，通过电场调控作用调节光波的中心波长，实现中心波长范围宽可调的电光开关，响应速度小于1纳秒，中心波长的调节范围为1100nm～1750nm。

技术领域

本发明属于微纳光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于PLZST反铁电光子晶体的可调光开关及调控方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：光开关是一种具有一个或多个可选传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器、LAN、多光源、探测器和保护以太网的转换。在光纤系统中，用于光纤测试、光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测等。

光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取，在光时分复用系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接的关键器件，也是波长变换的重要器件。

依据不同的光开关原理，光开关的实现方法有多种，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。其中传统机械光开关、微机械光开关、热光开关因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。

近几年发展最快的是微电子机械光开关，它是半导体微纳加工技术与微光学和微机械技术相结合，产生的一个新型微机-电-光一体化的新型开关，是大容量交换光网络开关发展的主流方向。

MEMS(微电子机械)光开关是在硅晶体上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使可以活动的微镜片产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在ms数量级；使用了IC制造技术，体积小、集成度高；工作方式与光信号的格式、协议、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信号；同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。

日本光器件开发者EpiPhotonics公司开发出8*8PLZT(锆钛酸铅镧)光开关，开关速度为20纳秒。纳秒光开关的应用包括数据中心和互连所需低延迟光交换、按需ROADM和光交叉连接、SDN光网络、光分组交换、光突发交换和量子光学。

综上所述，现有技术存在的问题是：采用MEMS技术制备的光开关原理简单，并且与现有的半导体工艺完全兼容，但主要缺点是开关响应速度慢，控制信号复杂，体积和功耗较大；采用PLZT和半导体材料制备波导光开关速度快、体积小、易于大规模集成，但是主要针对固定波长，不能传输非特征频率的光波。

解决上述技术问题的难度：采用MEMS技术制备以半导体材料为基础的光开关，主要依靠静电力或电磁力作用于微镜片来改变光路，由于惯性，从控制力作用到微镜片响应，需要较长的时间，要提高响应速度，必须从原理上进行突破。光子晶体波导型光开关主要利用光子晶体的缺陷对特定波长光波的局限性来导光，因此只能针对特定频率的光波，要实现中心波长宽可调，只能改变光子晶体基材的介电常数，而常见的硅材料是间接带隙半导体，通过外加电场或磁场不能显著调节介电常数，因此硅基光子晶体波导型光开关只能适用于特定频率的光波。