專利名稱：硫化砷－鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種集成光學(xué)光波導(dǎo)器件，特別是涉及一種具有電光效應(yīng)—光光效應(yīng)組合作用的硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器。
背景技術(shù)：
模擬神經(jīng)細(xì)胞的智能系統(tǒng)具備類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想和識(shí)辨等功能，在圖像、文字、聲音等的識(shí)別、機(jī)器人控制、最短路經(jīng)探索等復(fù)雜的信息處理過程中有重要應(yīng)用。該系統(tǒng)最基本的單元是帶有突觸耦合的仿神經(jīng)元器件，主要完成對(duì)輸入信號(hào)的互連加權(quán)、取和運(yùn)算和閾值判別。由于光波導(dǎo)器件具有體積小、功能集成度高、抗振動(dòng)性好、且易于用光纖做交叉連接等優(yōu)點(diǎn)，光波導(dǎo)器件一直是這種仿神經(jīng)元器件的主流?，F(xiàn)有技術(shù)包括全息技術(shù)、液晶調(diào)制技術(shù)、半導(dǎo)體電光—光電調(diào)制技術(shù)等，但現(xiàn)有技術(shù)均無法解決光學(xué)突觸權(quán)重的負(fù)值表現(xiàn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了克服了現(xiàn)有光波導(dǎo)器件無法表現(xiàn)光學(xué)突觸權(quán)重負(fù)值的問題，提供一種由硫化砷—鈮酸鋰構(gòu)成的復(fù)合波導(dǎo)耦合器，利用光光效應(yīng)—電光效應(yīng)的組合作用實(shí)現(xiàn)光學(xué)突觸權(quán)重的負(fù)值、正值和零值功能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案一種硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，在鈮酸鋰晶體基板的表面上置有一個(gè)鈮酸鋰條波導(dǎo)，該鈮酸鋰條波導(dǎo)呈拉長(zhǎng)的S、中間部分是直線形，鈮酸鋰條波導(dǎo)中間部分的水平位置兩側(cè)置有成對(duì)的金屬薄膜電極，該電極連接著外部電壓源，鈮酸鋰條波導(dǎo)和電極的上方覆蓋有介質(zhì)中間層，有一個(gè)直線形硫化砷條波導(dǎo)置于介質(zhì)中間層的上方、與鈮酸鋰條波導(dǎo)中間部分在同一個(gè)垂直于鈮酸鋰晶體基板的平面內(nèi)。
本實(shí)用新型的有益效果是，由硫化砷非晶態(tài)半導(dǎo)體玻璃和鈮酸鋰晶體構(gòu)成的硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，直線形硫化砷條波導(dǎo)與S形鈮酸鋰條波導(dǎo)的中間部分位于同一個(gè)垂直于鈮酸鋰晶體基板的平面內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)非對(duì)稱的定向耦合器。通過利用鈮酸鋰條波導(dǎo)的電光效應(yīng)引起的耦合系數(shù)的變化和硫化砷條波導(dǎo)在短波長(zhǎng)光子作用下產(chǎn)生的對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸光的吸收效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電光效應(yīng)控制的定向光耦合，以及光光效應(yīng)電子抽運(yùn)作用下的光吸收阻斷。在光光效應(yīng)、電光效應(yīng)的組合作用下，本實(shí)用新型所述硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器實(shí)現(xiàn)了以往空間光調(diào)制技術(shù)所不能表達(dá)的光學(xué)突觸權(quán)重的負(fù)值、正值和零值的功能，促進(jìn)了仿神經(jīng)元光波導(dǎo)器件的發(fā)展。


圖1是硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器作負(fù)值權(quán)重處理時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器作正值權(quán)重處理時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器作零值權(quán)重處理時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器作用原理示意圖；圖6是光截止效應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)光路中的導(dǎo)波激勵(lì)示意圖；圖7是光截止效應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)光路中的光截止現(xiàn)象示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合各個(gè)附圖對(duì)本實(shí)用新型具體描述如圖1所示，一種硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，在鈮酸鋰晶體基板1的表面上置有一個(gè)鈮酸鋰條波導(dǎo)2，該鈮酸鋰條波導(dǎo)2呈拉長(zhǎng)的S、中間部分為直線形，在鈮酸鋰條波導(dǎo)2中間部分的水平位置兩側(cè)置有成對(duì)的金屬薄膜電極3，該電極3連接著外部電壓源，鈮酸鋰條波導(dǎo)2和電極3的上方覆蓋有介質(zhì)中間層4，有一個(gè)直線形硫化砷條波導(dǎo)5置于介質(zhì)中間層4的上方、與鈮酸鋰條波導(dǎo)2的中間部分在同一個(gè)垂直于鈮酸鋰晶體基板1的平面內(nèi)。所述金屬薄膜電極3通過電極引線7連接外部電壓源。所述直線形硫化砷條波導(dǎo)5上方覆蓋有介質(zhì)包層6。所述介質(zhì)中間層4和介質(zhì)包層6均為氟化聚酰亞胺，其中介質(zhì)中間層4的厚度為2μm。所述金屬薄膜電極3為金屬鉻薄膜電極。
制備一個(gè)硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器的過程如下基板是X切Y傳LiNbO3晶體基板1，晶體基板1的長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為20mm、6mm和1mm，將六個(gè)表面分別研磨拋光。采用光刻技術(shù)和苯甲酸質(zhì)子交換技術(shù)在LiNbO3晶體基板上表面附近制備鈮酸鋰S形條波導(dǎo)2，該S形條波導(dǎo)2寬度為5μm，有效厚度約為1μm，中間部分是直線形。采用真空鍍膜和光刻技術(shù)，在S形條波導(dǎo)的中間直線段兩側(cè)制備金屬鉻薄膜電極3，電極寬度是30μm，長(zhǎng)度為幾個(gè)毫米。采用旋鍍法制備氟化聚酰亞胺酸薄膜作為介質(zhì)中間層4，在氮?dú)夥諊薪?jīng)350℃熱處理制得了氟化聚酰亞胺介質(zhì)中間層，該介質(zhì)中間層的厚度是2μm。在介質(zhì)中間層的上面，采用真空鍍膜、光刻和反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)制備As2S8直線形條波導(dǎo)5，該硫化砷條波導(dǎo)的寬度和厚度分別為5μm和1.5μm。直線形硫化砷條波導(dǎo)與S形鈮酸鋰條波導(dǎo)的中間部分上下對(duì)齊在同一個(gè)垂直于鈮酸鋰晶體基板的平面內(nèi)。然后，再次應(yīng)用旋鍍法制備厚度在15μm以上的氟化聚酰亞胺介質(zhì)包層6。最后，將兩個(gè)條波導(dǎo)的端面磨平拋光即制得本實(shí)用新型所述的硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器。
如圖2所示，當(dāng)632.8nm波長(zhǎng)的He-Ne激光從鈮酸鋰條波導(dǎo)的輸入端入射，該波長(zhǎng)的傳輸光被用于承載信號(hào)，在不施加電極電壓的情況下，本實(shí)用新型可對(duì)632.8nm波長(zhǎng)傳輸光實(shí)現(xiàn)交叉耦合，該傳輸光經(jīng)所述硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器耦合后，從硫化砷條波導(dǎo)的輸出端出射，該端口出射的光波信號(hào)被視為作了負(fù)值權(quán)重處理；如圖3所示，當(dāng)薄膜電極上施加有一定的電壓V1時(shí)，由于鈮酸鋰晶體的電光效應(yīng)，鈮酸鋰條波導(dǎo)的折射率在外部電場(chǎng)作用下發(fā)生變化，所述硫化砷—鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器的耦合系數(shù)隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致632.8nm傳輸光在本實(shí)用新型中發(fā)生平行耦合，該傳輸光從鈮酸鋰條波導(dǎo)的輸出端出射，該端口出射的光波信號(hào)被視為作了正值權(quán)重處理；如圖4所示，當(dāng)硫化砷條波導(dǎo)的輸入端加入了441.6nm波長(zhǎng)的He-Cd激光，薄膜電極上撤去外加電壓，本實(shí)用新型對(duì)441.6nm波長(zhǎng)和632.8nm波長(zhǎng)分別實(shí)現(xiàn)平行耦合和交叉耦合，632.8nm傳輸光進(jìn)入硫化砷條波導(dǎo)與441.6nm激光重疊，由于硫化砷條波導(dǎo)在441.6nm激光照射下發(fā)生對(duì)632.8nm傳輸光的吸收，632.8nm光的傳輸被截止，輸出端無632.8nm光信號(hào)，此狀態(tài)作為零值權(quán)重處理。歸納起來，本實(shí)用新型利用了如下的光光效應(yīng)、電光效應(yīng)的組合作用，實(shí)現(xiàn)了權(quán)重的負(fù)值、正值和零值功能(1)負(fù)值權(quán)重電光效應(yīng)OFF+光光效應(yīng)OFF→交叉耦合；(2)正值權(quán)重電光效應(yīng)ON+光光效應(yīng)OFF→平行耦合；(3)零值權(quán)重電光效應(yīng)OFF+光光效應(yīng)ON→交叉耦合+吸收。
圖5給出了復(fù)合波導(dǎo)定向耦合器的等效示意圖。nc1是LiNbO3基板的折射率，nc2是中間層和上包層的折射率，n1是LiNbO3波導(dǎo)的折射率，n2是As2S8波導(dǎo)的折射率，a1代表LiNbO3波導(dǎo)中傳輸?shù)膶?dǎo)模光的振幅，a2代表As2S8波導(dǎo)中傳輸?shù)膶?dǎo)模光的振幅。定向耦合器平行段長(zhǎng)度為L(zhǎng)。不失一般性，設(shè)輸入光的振幅a1(0)＝1，根據(jù)光波導(dǎo)模式耦合理論，在定向耦合器輸出端的導(dǎo)模振幅a1(L)和a2(L)由下式給出a1(L)=[cos(QL)+jΔβ2Qsin(QL)]exp(-jΔβL2)---(1,a)]]>a2(L)=-jχQsin(QL)exp(jΔβL2)---(1,b)]]>式中Q=χ2+(Δβ2)2---(2,a)]]>Δβ＝β2-β1(2，b)這里，β1和β2分別是波導(dǎo)1和波導(dǎo)2的導(dǎo)模的傳播常數(shù)。χ是耦合系數(shù)，由下式求得χ=ωϵ04∫-∞∞∫-∞∞Δn12(x,y)E→t2*·E→t1dxdy]]>+ωϵ04∫-∞∞∫-∞∞[n2(x,y)-Δn12(x,y)]Δn12(x,y)n2(x,y)Ez2*Ez1dxdy---(3)]]>式中，Et和Ez分別是導(dǎo)模歸一化場(chǎng)分布的橫向分量和縱向分量，ε0是真空中的介電常數(shù)，ω是光波的角頻率，n2(x，y)是定向耦合器橫截面上的折射率分布，Δn12(x，y)定義為Δn12(x,y)=n12-nc12]]>x，y∈[LiNbO3條波導(dǎo)的范圍] (4)平行耦合效率和交叉耦合效率分別定義為η//=|a1(L)|2=cos2(QL)+(Δβ2Q)2sin2(QL)---(5,a)]]>η×=|a2(L)|2=(χQ)2sin2(QL)---(5,b)]]>顯然有η//+η×＝|α1(L)|2+|α2(L)|2＝1 (6)
通過調(diào)整兩個(gè)波導(dǎo)的截面尺寸和折射率，可以使兩個(gè)波導(dǎo)的632.8nm波長(zhǎng)導(dǎo)模具有相同的傳播常數(shù)，此時(shí)Δβ＝0，Q＝χ，式(5)變?yōu)棣?/＝|α1(L)|2＝cos2(χL)(7，a)η×＝|α2(L)|2＝sin2(χL)(7，b)選擇合適的耦合長(zhǎng)度L，在不施加電極電壓的情況下，使得定向耦合器對(duì)632.8nm波長(zhǎng)傳輸光實(shí)現(xiàn)交叉耦合η//＝|α1(L)|2＝cos2(χL)＝0 (8，a)η×＝|α2(L)|2＝sin2(χL)＝1 (8，b)此狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖2的負(fù)值權(quán)重處理。
當(dāng)薄膜電極上施加一定的電壓V1時(shí)，產(chǎn)生的電場(chǎng)主要分布于LiNbO3晶體表面附近的LiNbO3條波導(dǎo)區(qū)域，LiNbO3條波導(dǎo)的折射率在外部電場(chǎng)作用下發(fā)生變化，相應(yīng)的導(dǎo)模傳播常數(shù)和場(chǎng)分布都將發(fā)生變化。根據(jù)式(3)，定向耦合器的耦合系數(shù)隨之發(fā)生變化，此時(shí)Δβ≠0，Q≠χ，耦合效率由式(5)給出。通過控制施加電壓V1的大小和方向，使得定向耦合器對(duì)632.8nm波長(zhǎng)傳輸光實(shí)現(xiàn)平行耦合η//=|a1(L)|2=cos2(QL)+(Δβ2Q)2sin2(QL)=1---(9,a)]]>η×=|a2(L)|2=(χQ)2sin2(QL)=0----(9,b)]]>此狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖3的正值權(quán)重處理。
光光效應(yīng)光學(xué)截止原理是由于As2S8非晶態(tài)半導(dǎo)體由大量微小體元的長(zhǎng)程無序排列構(gòu)成，禁帶寬度約為2.7eV。632.8nm波長(zhǎng)下的折射率為2.27，基礎(chǔ)吸收端約在443nm波長(zhǎng)處。As2S8非晶態(tài)半導(dǎo)體的微小體元內(nèi)含有許多微觀結(jié)構(gòu)缺陷，盡管整體上材料的物理化學(xué)特性是均勻的，但微小體元之間存在能態(tài)的差別，導(dǎo)致禁帶內(nèi)出現(xiàn)許多次能級(jí)。He-Cd激光的波長(zhǎng)為441.6nm，光子能量hνa為2.8eV，與As2S8的禁帶寬度相一致。在He-Cd激光照射下，As2S8非晶態(tài)半導(dǎo)體的N個(gè)hνa帶隙光子激發(fā)了As2S8的等能量電子躍遷，這些電子從基態(tài)Ev轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)Ec。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，這些激活電子通過無輻射躍遷，一部分回復(fù)到基態(tài)，大部分被一系列的次能級(jí)捕獲。在此狀態(tài)下，當(dāng)632.8nm波長(zhǎng)的低帶隙光子能量hνb的He-Ne激光通過As2S8非晶態(tài)半導(dǎo)體時(shí)，由于其光子能量大于或等于次能級(jí)的帶隙，那些被相應(yīng)的次能級(jí)捕獲的電子便吸收光子的能量重新躍遷到激發(fā)態(tài)，導(dǎo)致He-Ne激光的通光被截止。
本實(shí)用新型涉及光學(xué)截止現(xiàn)象的光光效應(yīng)用如下實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。如圖6所示，將As和S按莫爾數(shù)配平，置入石英管中封閉，加溫至800℃熔融并保溫10小時(shí)，然后冷卻結(jié)成固塊，作為蒸發(fā)源。采用日本產(chǎn)BK-7光學(xué)玻璃8作為襯底，用真空鍍膜技術(shù)在玻璃表面蒸鍍As2S8薄膜9，形成平板光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了防止鍍膜過程中薄膜的成分配比變動(dòng)，基板溫度控制在80℃以下。在632.8nm波長(zhǎng)下采用棱鏡耦合技術(shù)測(cè)得薄膜的折射率和膜厚分別為2.278和0.75μm。功率為1.5mW的632.8nm波長(zhǎng)的偏振He-Ne激光經(jīng)金紅石棱鏡10耦合，在As2S8薄膜中激勵(lì)起TE導(dǎo)模，可以明顯地看到傳輸線。用于阻斷的照射光采用He-Cd激光，波長(zhǎng)為441.6nm。如圖7所示，He-Cd激光經(jīng)多模光纖11端面耦合后用于阻斷照射，多模光纖出射端的輸出功率為12.5mW，在As2S8薄膜9波導(dǎo)面上的光束照射半徑約為1.5mm。He-Cd激光照射時(shí)，波導(dǎo)中傳輸?shù)腍e-Ne激光在He-Cd激光照射部位迅速被截止，響應(yīng)時(shí)間約為數(shù)十ms。當(dāng)He-Cd激光被切斷時(shí)，薄膜中的He-Ne導(dǎo)波光逐漸回復(fù)傳輸狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定所需回復(fù)時(shí)間為數(shù)秒。此過程可以反復(fù)實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)時(shí)間不發(fā)生變化。
權(quán)利要求1.一種硫化砷-鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，其特征在于，鈮酸鋰晶體基板(1)表面上置有一個(gè)鈮酸鋰條波導(dǎo)(2)，該鈮酸鋰條波導(dǎo)(2)呈拉長(zhǎng)的S、中間部分為直線形，在鈮酸鋰條波導(dǎo)(2)中間部分的水平位置兩側(cè)置有成對(duì)的金屬薄膜電極(3)，該電極(3)連接著外部電壓源，鈮酸鋰條波導(dǎo)(2)和電極(3)的上方覆蓋有介質(zhì)中間層(4)，有一個(gè)直線形硫化砷條波導(dǎo)(5)置于介質(zhì)中間層(4)的上方、與鈮酸鋰條波導(dǎo)(2)的中間部分在同一個(gè)垂直于鈮酸鋰晶體基板(1)的平面內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫化砷-鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，其特征在于所述金屬薄膜電極(3)通過電極引線(7)連接外部電壓源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫化砷-鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，其特征在于所述直線形硫化砷條波導(dǎo)(5)上方覆蓋有介質(zhì)包層(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫化砷-鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，其特征在于所述介質(zhì)中間層(4)和介質(zhì)包層(6)均為氟化聚酰亞胺，其中介質(zhì)中間層(4)的厚度為2μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硫化砷-鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，其特征在于所述金屬薄膜電極(3)為金屬鉻薄膜電極。
專利摘要一種硫化砷－鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器，在鈮酸鋰晶體基板的表面上置有一個(gè)鈮酸鋰條波導(dǎo)，該鈮酸鋰條波導(dǎo)呈拉長(zhǎng)的S、中間部分是直線形，鈮酸鋰條波導(dǎo)中間部分的水平位置兩側(cè)置有成對(duì)的金屬薄膜電極，該電極連接著外部電壓源，鈮酸鋰條波導(dǎo)和電極的上方覆蓋有介質(zhì)中間層，有一個(gè)直線形硫化砷條波導(dǎo)置于介質(zhì)中間層的上方、與鈮酸鋰條波導(dǎo)中間部分在同一個(gè)垂直于鈮酸鋰晶體基板的平面內(nèi)。本實(shí)用新型所述硫化砷一鈮酸鋰復(fù)合波導(dǎo)耦合器是一個(gè)非對(duì)稱的定向耦合器，在光光效應(yīng)、電光效應(yīng)的組合作用下，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了以往空間光調(diào)制技術(shù)所不能表達(dá)的光學(xué)突觸權(quán)重的負(fù)值、正值和零值的功能，促進(jìn)了仿神經(jīng)元光波導(dǎo)器件的發(fā)展。
文檔編號(hào)G02B6/26GK2689259SQ20042002139
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者陳抱雪, 梁東波, 賈洪波, 周建忠 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)