基于一维光子晶体结构的液晶光开关的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于一维光子晶体结构的液晶光开关，该液晶光开关包括输入光波导、一维光子晶体光栅薄膜结构和输出光波导，其中：输入光波导用于将入射光引入到一维光子晶体光栅薄膜结构中；一维光子晶体光栅薄膜结构用于通过调控整体一维光子晶体透射谱来调控由输入光波导引入的入射光的透射特性，进而选择入射光的透射波长；输出光波导用于引出一维光子晶体光栅薄膜结构的输出光。本发明利用电场改变光子晶体中液晶材料在光传播方向的折射率张量来调节出射光的开和关的状态。本发明的光子晶体结构液晶光开关可用于集成度较高的光互联芯片中，并且具有结构简单，光损耗低，功耗低，扩展性好的特性。
【专利说明】基于一维光子晶体结构的液晶光开关
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光互联器件，特别涉及一种基于一维光子晶体结构的液晶光开关，适用于光通信、光互联和集成光电子芯片等【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光开关是光纤通信、光互联和光逻辑器件中的重要元器件之一，可以实现全光层的路由选择和波长选择。在光通信、光网络监控、光计算和光信息处理系统中都有重要的应用。目前已实现的光开关包括传统的机械结构光开关、微电子机械开关、马赫-曾德干涉仪型光开关、热光效应光开关、声光效应光开关、半导体放大器开关、液晶光开关、全息光栅开关和气泡开关等，每种光开关都有各自的优势和应用范围。
[0003]机械结构光开关器件体积庞大，不易集成。微电子机械光开关利用类似集成电路工艺，工艺兼容性好但光损耗较大，开关可靠性差，响应时间为毫秒量级。波导光开关的响应时间快，体积小，但其消光比低并且损耗大。随着集成光子技术的发展，低驱动电压、高集成度、低功耗、可适用于不同要求的光开关的设计和制作成为了大规模、集成化光芯片发展的关键因素。液晶光开关的开关阈值低，响应速度较机械结构光开关快，达到毫秒量级，另外液晶材料的吸收损耗很低，这些特性使得液晶光开关在光互联上具有很好的应用前景。
[0004]液晶材料是一种被广泛应用于各类电子元件中的各向异性材料，不同种类的液晶光开关也已经在各类集成度不高的产品中被广泛应用。传统液晶光开关工作原理为:将输入光分为两路偏振光，然后把光输入到液晶内，受到电场调控的液晶可以改变光的偏振状态，输出的光射到无源器件上进而实现透过和阻断两种状态。这种光开关结构中包括光分束器，两组液晶器件和合束器。因此这类开关体积大，集成度低，光损耗很高。
[0005]光子晶体可以被用于设计制作各种光学集成器件，如滤波器、波分复用器和光开关。利用光子晶体来实现光开关的思想最早由Scalora等人于1994年提出，此后光子晶体光开关逐渐成为研究的热点，其调制机理包括光子带隙迁移和缺陷模式迁移。Fei等人于2012年在半导体介质柱中填充聚苯乙烯，利用光子晶体波导与微腔的耦合实现了全光开关。然而目前大部分光子晶体全光开关直接使用非线性材料或功能性材料，阈值高，结构复杂且体积大，实际应用中的接口个数受到限制。
[0006]从芯片集成的角度考虑，光开关对结构的复杂程度和所选用材料的集成工艺性能都有较高的要求。液晶光子晶体光开关的设计可以使光开关的结构更简单，体积更小，易于集成。在光互联领域将会有很广泛的应用。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]针对光互联系统中需要多种具有不同特性的光开关的要求，本发明提供了一种集成度高、结构简单、损耗较低以及响应时间为毫秒量级的基于一维光子晶体结构的液晶光开关。[0009]( 二)技术方案
[0010]为达到上述目的，本发明提供了一种基于一维光子晶体结构的液晶光开关，该液晶光开关包括输入光波导10、一维光子晶体光栅薄膜结构和输出光波导17,其中:输入光波导10，用于将入射光引入到一维光子晶体光栅薄膜结构中；一维光子晶体光栅薄膜结构，用于通过调控整体一维光子晶体透射谱来调控由输入光波导10引入的入射光的透射特性，进而选择入射光的透射波长；输出光波导17，用于引出一维光子晶体光栅薄膜结构的输出光。
[0011]上述方案中，所述一维光子晶体光栅薄膜结构是控制光传播通与断的核心部分，包括第一至第四一维光子晶体光栅薄膜(11，12，13，14)，其中:第一一维光子晶体光栅薄膜11包括1101、1102、...、1106共6层薄膜，第二一维光子晶体光栅薄膜12包括1201、1202、…、1206共6层薄膜，第三一维光子晶体光栅薄膜13包括1301、1302、...1306共6层薄膜，第四一维光子晶体光栅薄膜14包括1401、1402、...、1406共6层薄膜；第一一维光子晶体光栅薄膜11与第二一维光子晶体光栅薄膜12各层交替紧贴排列组成透射光栅15，第三一维光子晶体光栅薄膜13与第四一维光子晶体光栅薄膜14各层交替紧贴排列组成调控光栅16。
[0012]上述方案中，所述透射光栅15前端界面与所述输入光波导10连接，后端界面与所述调控光栅16连接，在光路方向上的层间排列为:1101、1201、1102、1202、…、1106、1206,
薄膜周期数为6。
[0013]上述方案中，所述调控光栅16前端界面连接所述透射光栅15，后端界面连接所述输出光波导17，在光路方向上的层间排列为:1301、1401、1302、1402、…、1306、1406，薄膜周期数为6。
[0014]上述方案中，所述第维光子晶体光栅薄膜11为多层Ta2O5薄膜，Ta2O5材料折射率为2.15，每层薄膜的厚度为40nm ;所述第二一维光子晶体光栅薄膜12为多层SiO2薄膜，SiO2材料折射率为1.445，每层薄膜的厚度为140nm;所述第三一维光子晶体光栅薄膜13为向列型液晶材料薄膜，所选用的向列型液晶材料为E7，其折射率可表示为:
n = ^2.3716 + 0.6909xsin2(e)，其中Θ为液晶分子取向与光传播方向的夹角，各层的厚度
均为IOOnm ;所述第四一维光子晶体光栅薄膜14为透明金属薄膜，采用ITO材料，各层厚度为 90nm。
[0015]上述方案中，所述一维光子晶体光栅薄膜结构是控制光传播通与断的核心部分，包括第一至第六一维光子晶体光栅薄膜(11，12，13，14，20，21)，其中--第一一维光子晶体光栅薄膜11包括1101、1102、…、1106共6层薄膜,第二一维光子晶体光栅薄膜12包括
1201、1202、…、1206共6层薄膜，第三一维光子晶体光栅薄膜13包括1301、1302、…、1307共7层，第四一维光子晶体光栅薄膜14包括1401、1402、…、`1406共6层薄膜，第五一维光子晶体光栅薄膜20包括2001、2002、…、2006共6层,第六一维光子晶体光栅薄膜21包括
2101、2102、…、2106共6层;第维光子晶体光栅薄膜11与第二一维光子晶体光栅薄膜12各层交替紧贴排列组成透射光栅15，第三一维光子晶体光栅薄膜13与第四一维光子晶体光栅薄膜14各层交替紧贴排列组成调控光栅16，第五一维光子晶体光栅薄膜20与第六一维光子晶体光栅薄膜21交替紧贴排列构成出射光栅22,调控光栅16被透射光栅15与出射光栅22夹在之间。
[0016]上述方案中，所述透射光栅15前端界面与所述输入光波导10连接，后端界面与所述调控光栅16连接，在光路方向上的层间排列为:1101、1201、1102、1202、…、1106、1206,
薄膜周期数为6。
[0017]上述方案中，所述调控光栅16前端界面连接所述透射光栅15，后端界面连接所述出射光栅22，在光路方向上的层间排列为:1301、1401、1302、1402、…、1306、1406，薄膜周期数为6。
[0018]上述方案中，所述出射光栅22前端面与所述调控光栅16连接，后端面与所述输出光波导17连接，在光路方向上的层间排列为:2001、2101、2002、2102、...、2006、2106，薄膜周期数为6。
[0019]上述方案中，所述第三一维光子晶体光栅薄膜13中的1307层液晶薄膜处于薄膜1406和薄膜2001之间，以形成折射率周期排布缺陷。
[0020]上述方案中，所述第维光子晶体光栅薄膜11为多层Ta2O5薄膜，Ta2O5材料折射率为2.15，每层薄膜的厚度为45nm ;所述第二一维光子晶体光栅薄膜12为多层SiO2薄膜，SiO2材料折射率为1.445，每层薄膜的厚度为140nm;所述第三一维光子晶体光栅薄膜13为向列型液晶材料薄膜，所选用的向列型液晶材料为E7，其折射率可表示为:
n = ^2'3716 + 0.6909xsin2(e)，其中Θ为液晶分子取向与光传播方向的夹角，各层的厚度
均为135nm ;所述第四一维光子晶体光栅薄膜14为透明金属薄膜，采用ITO材料，各层厚度为40nm ;所述第五一维光子晶体光栅薄膜20为多层SiO2薄膜，SiO2材料折射率为1.445，每层薄膜的厚度为140nm ;所述第六一维光子晶体光栅薄膜21为多层Ta2O5薄膜，Ta2O5材料折射率为2.15，每层薄膜的厚度为45nm。
[0021]上述方案中，所述输入光波导10和所述输出光波导17米用的材料为Si02。
[0022]上述方案中，构成所述第四一维光子晶体光栅薄膜14的透明金属薄膜既作为一维光子晶体光栅的一部分，又充当调节液晶分子取向的薄膜电极，每一层金属薄膜都与外部控制电路相连；由外部控制电路施加的电压加在金属薄膜的奇数层，即1401、1403和1405上时，在液晶薄膜中形成的电场使得液晶分子取向发生偏转。
[0023](三)有益效果
[0024]本发明与现有技术相比，优点在于:(I)集成度高，整个器件的尺寸小于5微米。核心部分，即一维光子晶体的最小尺寸仅为3.7微米。(2)损耗低，透明金属薄膜对光的吸收是器件的主要损耗，而在可见光谱区域，金属薄膜吸收损耗很低。器件的损耗小于2dB。(3)功耗低，液晶材料的电阻大，液晶分子取向偏转的阈值低。(3)结构简单，容易实现，一维光子晶体的制备工艺不断发展并趋于成熟并且所选材料在集成电路工艺中普遍被使用。(4)调控方便，透明金属薄膜既充当光栅层又作为调控电极，省去电极制备的步骤。
`[0025]下面结合附图对本发明做进一步详述。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是依照本发明第一实施例的基于一维光子晶体结构的液晶光开关的结构示意图；[0027]图2是图1所示液晶光开关沿光传播方向的折射率分布曲线；
[0028]图3，图4分别是图1所示液晶光开关在未加电压和加电压时用透射矩阵计算的光透射谱。
[0029]图5是依照本发明第二实施例的基于一维光子晶体结构的液晶光开关的结构示意图；
[0030]图6是图5所示液晶光开关沿光传播方向的折射率分布曲线；
[0031]图7，图8分别是图5所示液晶光开关在未加电压和加电压时用透射矩阵计算的光透射谱。
[0032]图中，10为输入光波导，11为透射光栅中折射率较高薄层，其中包括1101、1102、…、1106共6层，12为透射光栅中折射率较低薄层，包括1201、1202、...、1206共6层，13为调控光栅中液晶薄膜材料，在本发明第一实施例中包括1301、1302、…、1306共6层，而在本发明第二实施例中包括1301、1302、…、1307共7层，14为调控光栅中透明金属薄膜，包括1401、1402、…、1406共6层，15、16分别为透射光栅和调控光栅，17为输出光波导，18为绝缘衬底，20为本发明第二实施例中出射光栅中折射率较低薄层，包括2001、2002、…、2006共6层，21为本发明第二实施例中出射光栅中折射率较高薄层，包括2101、
2102、…、2106共6层，22为本发明第二实施例中的出射光栅。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目 的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0034]本发明提供的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，由折射率差别较大的多种不同薄膜材料构成，具体而言是在绝缘衬底上制备一维光子晶体，包括输入光波导、透射光栅、调控光栅和输出光波导。其中，与入射光波导相连的透射光栅由两种折射率差别较大的两种薄膜材料交替叠加而成，在光传播方向上折射率高低交错，两种薄膜材料选用但并不局限于Ta2O5和SiO2，两种薄膜材料在可见光谱区域的折射率分别为2.15和1.445。Ta2O5薄膜和SiO2薄膜交替排列，厚度可调。排列周期数不小于5个。
[0035]与出射光波导相连的调控光栅由固态薄膜材料和液晶薄膜材料交替叠加而成，这两种薄膜选用但并不局限于透明金属薄膜ITO(铟锡氧合金)与液晶薄膜E7，透明金属薄膜ITO在可见光谱区域的折射率为1.91。透明金属薄膜ITO即是一维光子晶体光栅层，又充当调控电极作用，液晶薄膜E7在光传播方向上的折射率张量可以通过加在各层透明金属薄膜ITO上的电压来控制。两种薄膜厚度可调。二者交替排列，周期数不少于5个。施加于调控光栅上的调控电压由外部驱动电路控制，直接施加在在透明金属薄膜ITO上，透明金属薄膜ITO同时充当电极，来调控液晶材料的分子取向。
[0036]在透射光栅与调控光栅界面位置形成了折射率周期排布缺陷。输入光波导直接与透射光栅的前端面相连，输出光波导直接与调控光栅的后端面相连。输入光波导和输出光波导在同一光路上。由于每种薄膜厚度和折射率的变化都会影响光子晶体缺陷模式的位置及光透射率，因此施加在透明金属薄膜ITO上的电压最终使得光子晶体在特定波长处的光透过率发生变化。
[0037]透射光栅和调控光栅的折射率交替顺序完全相反，在两光栅界面处存在一个折射率周期排布缺陷。沿光传播方向，透射光栅折射率以高折射率材料起始交替高低排列，调控光栅折射率以低折射率起始交替低高排列，这样在两种光栅的界面处为两种折射率较低的材料，但并不局限于这种排列方式。
[0038]图1是依照本发明第一实施例的基于一维光子晶体结构的液晶光开关的结构示意图，该结构针对波长为632.8nm的光而设计,对应于He-Ne激光器的光波长。本发明第一实施例包括输入光波导10、一维光子晶体光栅薄膜结构和输出光波导17,且该一维光子晶体光栅薄膜结构包括第一至第四一维光子晶体光栅薄膜(U，12，13，14)。其中，输入光波导10用于将入射光引入到一维光子晶体光栅薄膜结构中；一维光子晶体光栅薄膜结构用于通过调控整体一维光子晶体透射谱来调控由输入光波导10引入的入射光的透射特性，进而选择入射光的透射波长；输出光波导17用于引出一维光子晶体光栅薄膜结构的输出光。
[0039]控制光传播通与断的核心部分为一维光子晶体光栅薄膜结构。在第一实施例中，第维光子晶体光栅薄膜11为多层Ta2O5薄膜,包括1101、1102、…、1106共6层薄膜，Ta2O5材料折射率为2.15，每层薄膜的厚度为40nm。
[0040]第二一维光子晶体光栅薄膜12为多层SiO2薄膜，包括1201、1202、...、1206共6层薄膜，SiO2材料折射率为1.445，每层薄膜的厚度为140nm。
[0041]第三一维光子晶体光栅薄膜13为向列型液晶材料，在本发明中所选用的材料为
E7，其折射率可表不为:n = ^2.3716 + 0.6909> sin2(Θ)，其中θ为液晶分子取向与光传播方
向的夹角，第三一维光子晶体光栅薄膜13包括1301、1302、…1306共6层薄膜，各层的厚度均为IOOnm。
[0042]第四一维光子晶体光栅薄膜14为透明金属薄膜，在本发明中采用ITO材料，第四一维光子晶体光栅薄膜14包括1401、1402、…、1406共6层薄膜，各层厚度为90nm。
[0043]在该一维光子晶体光栅薄`膜结构中，第一一维光子晶体光栅薄膜与第二一维光子晶体光栅薄膜各层交替紧贴排列组成透射光栅15，第三一维光子晶体光栅薄膜与第四一维光子晶体光栅薄膜各层交替紧贴排列组成调控光栅16。透射光栅15前端界面与输入光波导10连接，后端界面与调控光栅16连接，在光路方向上的层间排列为:1101、1201、1102、
1202、…、1106、1206，薄膜周期数为6。调控光栅16前端界面连接透射光栅15，后端界面连接输出光波导17，在光路方向上的层间排列为:1301、1401、1302、1402、…、1306、1406,薄膜周期数为6。整体一维光子晶体光栅薄膜结构及其与输入光波导、输出光波导间的连接均无间隙。
[0044]在本发明中,输入光波导10和输出光波导17及衬底18所用的材料为Si02。本发明中所选用的材料并不局限于上述几种薄膜材料，对于其它折射率不同的材料组合同样适用。
[0045]本发明中构成第四一维光子晶体光栅薄膜14的透明金属薄膜既作为一维光子晶体光栅的一部分，又充当调节液晶分子取向的薄膜电极，每一层金属薄膜都与外部控制电路相连。由外部控制电路施加的电压加在金属薄膜的奇数层，即1401，1403，1405上时，在液晶薄膜中形成的电场使得液晶分子取向发生偏转。液晶分子取向偏角与外加电压的关系为:
【权利要求】
1.一种基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，该液晶光开关包括输入光波导(10)、一维光子晶体光栅薄膜结构和输出光波导(17),其中: 输入光波导(10)，用于将入射光引入到一维光子晶体光栅薄膜结构中； 一维光子晶体光栅薄膜结构，用于通过调控整体一维光子晶体透射谱来调控由输入光波导(10)引入的入射光的透射特性，进而选择入射光的透射波长； 输出光波导(17)，用于引出一维光子晶体光栅薄膜结构的输出光。
2.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述一维光子晶体光栅薄膜结构是控制光传播通与断的核心部分，包括第一至第四一维光子晶体光栅薄膜(11，12，13，14)，其中: 第一一维光子晶体光栅薄膜(11)包括1101、1102、…、1106共6层薄膜，第二一维光子晶体光栅薄膜(12)包括1201、1202、…、1206共6层薄膜,第三一维光子晶体光栅薄膜(13)包括1301、1302、…1306共6层薄膜，第四一维光子晶体光栅薄膜(14)包括1401、1402、…、1406共6层薄膜；第一一维光子晶体光栅薄膜(11)与第二一维光子晶体光栅薄膜(12)各层交替紧贴排列组成透射光栅(15)，第三一维光子晶体光栅薄膜(13)与第四一维光子晶体光栅薄膜(14)各层交替紧贴排列组成调控光栅(16)。
3.根据权利要求2所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述透射光栅(15)前端界面与所述输入光波导(10)连接，后端界面与所述调控光栅(16)连接，在光路方向上的层间排列为:1101、1201、1102、1202、…、1106、1206，薄膜周期数为6。
4.根据权利要求2所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述调控光栅(16)前端界面连接所述透射光栅(15)，后端界面连接所述输出光波导(17)，在光路方向上的层间排列为:1301、1401、1302、1402、…、1306、1406，薄膜周期数为6。
5.根据权利要求2所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于， 所述第维光子晶体光栅薄膜(11)为多层Ta2O5薄膜,Ta2O5材料折射率为2.15,每层薄膜的厚度为40nm ； 所述第二一维光子晶体光栅薄膜(12)为多层SiO2薄膜，SiO2材料折射率为1.445，每层薄膜的厚度为140nm ； 所述第三一维光子晶体光栅薄膜(13)为向列型液晶材料薄膜，所选用的向列型液晶材料为E7，其折射率可表示为:11 = ^/2.3716 + 0.6909<如:(0)，其中Θ为液晶分子取向与光传播方向的夹角，各层的厚度均为IOOnm ； 所述第四一维光子晶体光栅薄膜(14)为透明金属薄膜，采用ITO材料，各层厚度为90nmo
6.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述一维光子晶体光栅薄膜结构是控制光传播通与断的核心部分，包括第一至第六一维光子晶体光栅薄膜(11，12，13，14，20，21)，其中: 第一一维光子晶体光栅薄膜(11)包括1101、1102、…、1106共6层薄膜，第二一维光子晶体光栅薄膜(12)包括1201、1202、…、1206共6层薄膜,第三一维光子晶体光栅薄膜(13)包括1301、1302、…、1307共7层，第四一维光子晶体光栅薄膜(14)包括1401、1402、…、1406共6层薄膜,第五一维光子晶体光栅薄膜(20)包括2001、2002、...、2006共6层,第六一维光子晶体光栅薄膜(21)包括2101、2102、…、2106共6层；第维光子晶体光栅薄膜(11)与第二一维光子晶体光栅薄膜(12)各层交替紧贴排列组成透射光栅(15)，第三一维光子晶体光栅薄膜(13)与第四一维光子晶体光栅薄膜(14)各层交替紧贴排列组成调控光栅(16)，第五一维光子晶体光栅薄膜(20)与第六一维光子晶体光栅薄膜(21)交替紧贴排列构成出射光栅(22),调控光栅(16)被透射光栅(15)与出射光栅(22)夹在中间。
7.根据权利要求6所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述透射光栅(15)前端界面与所述输入光波导(10)连接，后端界面与所述调控光栅(16)连接，在光路方向上的层间排列为:1101、1201、1102、1202、…、1106、1206，薄膜周期数为6。
8.根据权利要求6所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述调控光栅(16)前端界面连接所述透射光栅(15)，后端界面连接所述出射光栅(22)，在光路方向上的层间排列为:1301、1401、1302、1402、…、1306、1406，薄膜周期数为6。
9.根据权利要求6所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述出射光栅(22)前端面与所述调控光栅(16)连接，后端面与所述输出光波导(17)连接，在光路方向上的层间排列为:2001、2101、2002、2102、…、2006、2106，薄膜周期数为6。
10.根据权利要求6所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述第三一维光子晶体光栅薄膜(13)中的1307层液晶薄膜处于薄膜1406和薄膜2001之间，以形成折射率周期排布缺陷。
11.根据权利要求6所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于， 所述第维光子晶体光栅 薄膜(11)为多层Ta2O5薄膜,Ta2O5材料折射率为2.15,每层薄膜的厚度为45nm ； 所述第二一维光子晶体光栅薄膜(12)为多层SiO2薄膜，SiO2材料折射率为1.445，每层薄膜的厚度为140nm ； 所述第三一维光子晶体光栅薄膜(13)为向列型液晶材料薄膜，所选用的向列型液晶材料为E7,其折射率可表不为
12.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，所述输入光波导(10)和所述输出光波导(17)米用的材料为Si02。
13.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体结构的液晶光开关，其特征在于，构成所述第四一维光子晶体光栅薄膜(14)的透明金属薄膜既作为一维光子晶体光栅的一部分，又充当调节液晶分子取向的薄膜电极，每一层金属薄膜都与外部控制电路相连；由外部控制电路施加的电压加在金属薄膜的奇数层，即1401、1403和1405上时，在液晶薄膜中形成的电场使得液晶分子取向发生偏转。
【文档编号】G02F1/13GK103823276SQ201410086632
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】宋国峰, 相春平, 许斌宗, 刘杰涛, 付东 申请人:中国科学院半导体研究所