一种基于相变材料的开关式的光波导器件及制作方法
阅读说明：本技术 一种基于相变材料的开关式的光波导器件及制作方法 (Switch type optical waveguide device based on phase change material and manufacturing method ) 是由 郑分刚 张桂菊 王锐 吕元帅 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于相变材料的开关式的光波导器件,包括光栅结构、光学薄膜增强层、脊结构、薄膜结构与衬底结构,所述衬底结构上设置有薄膜结构,所述薄膜结构上面中部设置有脊结构,所述脊结构设置有光学薄膜增强层,所述光学薄膜增强层上设置有光栅结构,所述光波导器件的一端面由模式波入射,经过波导后,在光波导器件的另一端面出射波。通过上述方式,本发明能够通过将该材料覆盖至硅波导上形成复合波导结构,切换相变材料的相态就可以切换不同状态的光信号传播,即实现了利用一种结构同时具有时分和波分复用的功能。(The invention discloses a switch type optical waveguide device based on a phase change material, which comprises a grating structure, an optical film enhancement layer, a ridge structure, a film structure and a substrate structure, wherein the substrate structure is provided with the film structure, the ridge structure is arranged in the middle of the upper surface of the film structure, the ridge structure is provided with the optical film enhancement layer, the optical film enhancement layer is provided with the grating structure, one end surface of the optical waveguide device is incident from a mode wave, and the wave is emitted from the other end surface of the optical waveguide device after passing through a waveguide. Through the mode, the composite waveguide structure can be formed by covering the material on the silicon waveguide, and the optical signal propagation in different states can be switched by switching the phase state of the phase change material, namely, the optical signal propagation with time division and wavelength division multiplexing functions can be realized by utilizing one structure.)
技术领域
本发明涉及微纳光学器件设计领域，特别是涉及一种基于相变材料的开关式的光波导器件。
背景技术
随着光通信技术、大数据处理技术和微纳米光子学技术的快速发展和人们对光学元件微型化和光学系统集成化的迫切需要，多功能的微纳光学器件的研究设计与制备成为学术界和工业界的广泛关注的热点，各种功能复合的光学元器件不断涌现。光谱选择器是在工作波段内选择特定波长光源，截止其他波长的入射光。一种传统的光学滤波器主要结构是在光学镜片一侧蒸镀多层高低折射率相间的介质层达到滤波效果，其功能和应用范围比较单一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相变材料的开关式的光波导器件，能够通过将该材料覆盖至硅波导上形成复合波导结构，切换相变材料的相态就可以切换不同状态的光信号传播，即实现了利用一种结构同时具有时分和波分复用的功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于相变材料的开关式的光波导器件，包括光栅结构、光学薄膜增强层、脊结构、薄膜结构与衬底结构，所述衬底结构上设置有薄膜结构，所述薄膜结构上面中部设置有脊结构，所述脊结构设置有光学薄膜增强层，所述光学薄膜增强层上设置有光栅结构，所述光波导器件的一端面由模式波入射，经过波导后，在光波导器件的另一端面出射波。
进一步的是，所述光学薄膜增强层构成了光栅结构过渡增强层。
进一步的是，所述光学薄膜增强层是MgF2、A l2O3、ZnO等光学镀膜材料。
进一步的是，所述脊结构是硅材料，宽度同光栅结构宽度相同。
进一步的是，所述薄膜结构材料为硅等透过材料。
进一步的是，所述衬底材料可以为二氧化硅材料。
进一步的是，所述模式波入射的波长0.8～1.68μm。
一种基于相变材料的开关式的光波导器件的制作方法，制作方法如下：
(1)确定用于时分复用的光谱选择的波长；
(2)选定用于光谱选择器的波导层结构的介质和相变材料；
(3)根据要求的光谱选择器的中心波长和带宽，分布在相变材料晶态和非晶态下计算和设计光栅层高度、占空比和周期、增强过渡层厚度、脊结构和薄膜结构层的宽度和厚度；
(4)依据步骤(2)和(3)得到各波导层的材料和厚度参数，在衬底上蒸镀相应的膜层；
(5)按照设定的膜层宽度和光栅层的占空比和厚度，刻蚀脊波导薄膜层和增强层、制备相变材料光栅条。
进一步的是，所述步骤(5)采用的方法可以是紫外光刻法、纳米压印、感应耦合等离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀或电子束曝光等。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于相变材料的开关式的光波导器件，采用新型的光学相变材料制作光栅结构，并利用相变材料的两种状态：晶态和非晶态。当相变材料在晶态时，折射率大，消光系数大，当相变材料为非晶态时，折射率小，消光系数小，这种材料相变前后差异大，且非晶态与晶态之间转变具有非易失性，通过将该材料覆盖至硅波导上形成复合波导结构，切换相变材料的相态就可以切换不同状态的光信号传播，即实现了利用一种结构同时具有时分和波分复用的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于相变材料的开关式光谱选择器的结构示意图。
图2为本发明所述结构的YOZ平面侧视图。
图3为本发明中光栅层在相变材料的非晶态时的透过率随波长的变化关系图例。
图4为本发明的一个消光比随光波长的变化关系图例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1至图4，本发明实施例包括：一种基于相变材料的开关式的光波导器件，包括光栅结构、光学薄膜增强层、脊结构、薄膜结构与衬底结构，所述衬底结构上设置有薄膜结构，所述薄膜结构上面中部设置有脊结构，所述脊结构设置有光学薄膜增强层，所述光学薄膜增强层上设置有光栅结构，所述光波导器件的一端面由模式波入射，经过波导后，在光波导器件的另一端面出射波。
进一步的是，所述光学薄膜增强层构成了光栅结构过渡增强层。
进一步的是，所述光学薄膜增强层是MgF2、Al2O3、ZnO等光学镀膜材料。
进一步的是，所述脊结构是硅材料，宽度同光栅结构宽度相同。
进一步的是，所述薄膜结构材料为硅等透过材料。
进一步的是，所述衬底材料可以为二氧化硅材料。
进一步的是，所述模式波入射的波长0.8～1.68μm。
一种基于相变材料的开关式的光波导器件的制作方法，制作方法如下：
(1)确定用于时分复用的光谱选择的波长；
(2)选定用于光谱选择器的波导层结构的介质和相变材料；
(3)根据要求的光谱选择器的中心波长和带宽，分布在相变材料晶态和非晶态下计算和设计光栅层高度、占空比和周期、增强过渡层厚度、脊结构和薄膜结构层的宽度和厚度；
(4)依据步骤(2)和(3)得到各波导层的材料和厚度参数，在衬底上蒸镀相应的膜层；
(5)按照设定的膜层宽度和光栅层的占空比和厚度，刻蚀脊波导薄膜层和增强层、制备相变材料光栅条。
进一步的是，所述步骤(5)采用的方法可以是紫外光刻法、纳米压印、感应耦合等离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀或电子束曝光等。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于相变材料的开关式的光波导器件，采用新型的光学相变材料制作光栅结构，并利用相变材料的两种状态：晶态和非晶态。当相变材料在晶态时，折射率大，消光系数大，当相变材料为非晶态时，折射率小，消光系数小，这种材料相变前后差异大，且非晶态与晶态之间转变具有非易失性，通过将该材料覆盖至硅波导上形成复合波导结构，切换相变材料的相态就可以切换不同状态的光信号传播，即实现了利用一种结构同时具有时分和波分复用的功能。
参见图3，该图为入射光(波长0.8～1.68μm)在光栅相变材料为非晶态时透射率情况图。从曲线2可以看出，在光栅结构的参数选定：光栅周期为0.332微米，占空比0.618，光栅厚度0.09微米，宽度为0.5微米；在光传输方向上光栅个数共有10个。此时光栅光学相变材料处于非晶态时，入射光透过率整体呈逐渐上升趋势，在个别波长下(850nm，940nm，1440nm)出现极小值。对光栅结构进行微调，对比曲线1与曲线3实现了上面的极值点向左(短波方向)和向右(长波方向)的移动，即实现了对应波长的调控选择功能。曲线1对应的周期、占空比、光栅厚度与宽度分别为：0.300微米、0.618、0.09微米、0.5微米；曲线3对应参数分别为：0.332微米、0.618、0.09微米、0.8微米。通过改变光栅的周期、占空比、厚度和宽度都可以实验光谱任意位置的选择；再通过改变相变材料光栅的相变状态又实现波分复用的时分复用。
参见图4，在光栅材料为非晶态时，计算了该光波导器件的消光比，以在光通讯C波段+L波段(1530～1565nm)范围为例，图中曲线表明了，消光比处于比较高的水平，并且在1550nm时具有极大值23.36dB。在L波段(165～1625nm)范围内消光比呈下降趋势，但整体均高于17dB。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：防抖结构、防抖系统及摄像装置