專利名稱：一種THz波段氧化釩光開關(guān)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通訊技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種THz波段氧化釩光開關(guān)及其制作方法。
背景技術(shù)：
近年來正在發(fā)展的全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對新型光開關(guān)器件提出了更高的要求開關(guān)速度 快、插入損耗小、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)微型化易于集成、功耗低和價格低廉。目前廣范應(yīng) 用的光開關(guān)器件主要包括以下兩種一種是機(jī)械式光開關(guān)，如微機(jī)械光開關(guān)，微機(jī)械光開關(guān) 應(yīng)用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微型電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)制作，具有插入 損耗小、集成度高等優(yōu)點，卻存在由于物理位移的運行方式導(dǎo)致開關(guān)速度慢等缺點 ’另一類 為非機(jī)械式波導(dǎo)光開關(guān)，利用固體材料的物理效應(yīng)(如電光、熱光、磁光和聲光效應(yīng))實現(xiàn) 光路轉(zhuǎn)換，但非機(jī)械式波導(dǎo)光開關(guān)均具有插入損耗大的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，提高光開關(guān)的開關(guān)速度、降低插入損耗，本發(fā)明提供了一種 THz波段氧化釩光開關(guān)及其制作方法，一種THz波段氧化釩光開關(guān)，所述氧化釩光開關(guān)由氧化釩薄膜構(gòu)成，所述氧化釩 薄膜裝載在太赫茲時域頻譜系統(tǒng)或調(diào)制解調(diào)器中。一種THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，所述方法包括以下步驟(1)利用反應(yīng)磁控濺射方法在硅襯底材料上制備氧化釩薄膜；(2)利用太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，激光激發(fā)所述氧化釩 薄膜，使得THz波不能通過所述氧化釩薄膜，實現(xiàn)了所述氧化釩光開關(guān)的關(guān)閉；(3)利用所述太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，撤掉激光，使得 THz波通過氧化釩薄膜，實現(xiàn)了所述氧化釩光開關(guān)的開啟。步驟(1)中所述利用反應(yīng)磁控濺射方法在硅襯底材料上制備氧化釩薄膜，具體包 括將硅片切割成IX 2cm的襯底，制備硅襯底；使用超聲波清洗機(jī)，將制備的所述硅襯底依次放置于丙酮、無水乙醇中進(jìn)行清 洗；將清洗后的硅襯底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，抽真空至本體真空 達(dá)至Ij 1 2 X ICT4Pa ；在所述超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，采用質(zhì)量純度為99. 9%的金屬釩 作為靶材，將質(zhì)量純度為99. 99%的氬氣和質(zhì)量純度為99. 99%的氧氣作為工作氣體，濺射 工作氣壓為1 2. OPa,氬氣流量48SCCm，氧氣流量0. 5 1. Osccm,濺射功率為200W，濺射 時間為30 120min，制得氧化釩薄膜。所述方法還包括
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通過控制所述氧化釩薄膜的厚度來控制所述氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度。所述通過控制所述氧化釩薄膜的厚度來控制所述氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度，具體 為所述氧化釩薄膜的厚度與所述氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度成反比。所述本體真空為2 X IO-4Pa,所述濺射工作氣壓為2. OPa,所述氬氣流量為48sCCm， 所述氧氣流量為0. Ssccm，所述濺射功率為200W，所述濺射時間為30min。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是通過本發(fā)明提供的THz波段氧化釩光開關(guān)及其光開關(guān)的制作方法，實現(xiàn)了開關(guān)速 度快、插入損耗低、消光比高等。


圖1為本發(fā)明提供的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法的流程圖；圖2為本發(fā)明提供的THz時域頻譜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明提供的THz波段氧化釩光開關(guān)的測試結(jié)果示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。為了解決上述問題，提高光開關(guān)的開關(guān)速度、降低插入損耗，本發(fā)明實施例提供了 一種THz波段氧化釩光開關(guān)及其制作方法，參見圖1，詳見下文描述氧化釩是一種典型的過渡金屬氧化物，1959年Morin首次發(fā)現(xiàn)氧化釩具有熱致相 變特性，在340K熱力學(xué)溫度左右發(fā)生一級結(jié)構(gòu)相變。低于340K時，氧化釩具有單斜金紅石 結(jié)構(gòu)(半導(dǎo)體相)，高于340K時則氧化釩轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇鸺t石結(jié)構(gòu)(金屬相)。在相變過程 中，氧化釩的電阻率、磁化率、光折射率、透射率和反射率發(fā)生了可逆突變。氧化釩的這種突 變特性在光電開關(guān)、熱敏電阻、強(qiáng)激光防護(hù)裝置和節(jié)能窗玻璃等眾多的領(lǐng)域具有良好的應(yīng) 用前景，在國防建設(shè)，航天技術(shù)以及改善人類生活質(zhì)量都有十分重要的意義。與目前普遍使用的MOEMS (Micro Optical Electro Mechanical Systems，微型光 電子機(jī)械系統(tǒng))自由空間光開關(guān)和波導(dǎo)型非機(jī)械式光開關(guān)相比，以氧化釩為基礎(chǔ)的相變型 光開關(guān)沒有活動部件，開關(guān)時間理論上在ns級，對偏振不靈敏，且采用標(biāo)準(zhǔn)IC(Integrated Circuit，集成電路)工藝制造，結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、無可動控件、成本低和易于集成。因而氧 化釩光開關(guān)具有極大的發(fā)展前景。光開關(guān)主要有三項指標(biāo)開關(guān)速度、插入損耗和消光比， 對于光開關(guān)速度的研究在氧化釩光開關(guān)的研究課題中占有極其重要的地位。目前國內(nèi)外對 氧化釩薄膜的研究多集中在熱致相變及其應(yīng)用，包括熱致相變薄膜的制備、熱致相變的機(jī) 理、熱致相變特性的改善等。而關(guān)于氧化釩光薄膜在光機(jī)理條件下的相變特性研究并不多 見。一種THz波段氧化釩光開關(guān)，氧化釩光開關(guān)由氧化釩薄膜構(gòu)成，氧化釩薄膜裝載 在太赫茲時域頻譜系統(tǒng)或調(diào)制解調(diào)器中。綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種THz波段氧化釩光開關(guān)，通過本發(fā)明實施例 提供的THz波段氧化釩光開關(guān)，實現(xiàn)了開關(guān)速度快、插入損耗低、消光比高等。
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一種THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，該方法包括以下步驟101 利用反應(yīng)磁控濺射方法在硅襯底材料上制備氧化釩薄膜；該反應(yīng)磁控濺射方法采用現(xiàn)有技術(shù)中的普通方法，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對 此不作限制。102 利用太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，激光激發(fā)氧化釩薄 膜，使得THz波不能通過氧化釩薄膜，實現(xiàn)了氧化釩光開關(guān)的關(guān)閉；參見圖2，太赫茲時域頻譜系統(tǒng)(THz-TDS)主要包括鈦寶石飛秒激光器、探測 系統(tǒng)、樣品為氧化釩薄膜、激光、非線性晶體，以鈦寶石飛秒激光器為抽運源，測試波為THz 波，THz波的工作中心波長800nm，重復(fù)頻率為IOOMHz，脈寬50f s，平均功率520mW。THz波 的產(chǎn)生和探測方法分別為光學(xué)整流和電光采樣，非線性晶體均采用由碲化鋅(ZnTe)。太赫 茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生的太赫茲波的的有效頻譜范圍為0. 3 2. 5THz。太赫茲時域頻譜系統(tǒng) 的優(yōu)點在于太赫茲波傳輸路徑上具有一個與頻率無關(guān)的束腰焦點(直徑約1. 5mm)，可以進(jìn) 行小尺寸氧化釩薄膜的測量。這里氧化釩薄膜置于太赫茲波焦點位置，另外一束激光照射 氧化釩薄膜使之發(fā)生相變。其中，上述激發(fā)氧化釩薄膜的光源為連續(xù)激光，連續(xù)激光為抽運綠光，抽運綠光來 自于鈦寶石飛秒激光器產(chǎn)生的激光，激光波長為532nm，照射在氧化釩薄膜表面的功率為 400mffo103 利用太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，撤掉激光，使得THz 波通過氧化釩薄膜，實現(xiàn)了氧化釩光開關(guān)的開啟。進(jìn)一步地，本發(fā)明實施例還可以通過控制步驟101中氧化釩薄膜的厚度來控制氧 化釩光開關(guān)的開關(guān)速度，經(jīng)過實驗分析，得到以下幾組實驗數(shù)據(jù)，氧化釩薄膜厚度為600nm 時，氧化釩薄膜光開關(guān)的開關(guān)時間為8μ s ；氧化釩薄膜厚度為450nm時，氧化釩薄膜光開關(guān) 的開關(guān)時間為5μ s ；氧化釩薄膜厚度為300nm時，氧化釩薄膜光開關(guān)的開關(guān)時間為1. 5μ s ； 氧化釩薄膜厚度為200nm時，氧化釩薄膜光開關(guān)的開關(guān)時間為50ns ；氧化釩薄膜厚度為 150nm時，氧化釩薄膜光開關(guān)的開關(guān)時間為20ns。經(jīng)過試驗分析得知，氧化釩薄膜的厚度 薄，氧化釩光開關(guān)的開關(guān)時間短，即氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度快；反之，氧化釩薄膜的厚度 厚，氧化釩光開關(guān)的開關(guān)時間長，氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度慢，即，氧化釩薄膜的厚度和氧 化釩光開關(guān)的開關(guān)速度成反比。其中，步驟101制備氧化釩薄膜步驟為將硅片切割成IX2cm的襯底，制備硅襯 底；使用超聲波清洗機(jī)，將制備的硅襯底依次放置于丙酮、無水乙醇中進(jìn)行清洗；將清洗后 的硅襯底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，抽真空至本體真空達(dá)到2X KT4Pa ； 在超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，采用質(zhì)量純度為99. 9%的金屬釩作為靶材，將 質(zhì)量純度為99. 99%的氬氣和質(zhì)量純度為99. 99%的氧氣作為工作氣體；濺射工作氣壓為 2. OPa，氬氣流量為48sccm，氧氣流量為0. 8sccm，濺射功率為200W ；濺射時間為30min時， 制得氧化釩薄膜，經(jīng)過步驟102和103實現(xiàn)了氧化釩光開關(guān)，采用上述條件時測得的消光比 為8dB,開關(guān)時間20ns，插入損耗2. 5dB。其中，步驟101制備氧化釩薄膜步驟為將硅片切割成IX2cm的襯底，制備硅襯 底；使用超聲波清洗機(jī)，將制備的硅襯底依次放置于丙酮、無水乙醇中進(jìn)行清洗；將清洗后 的硅襯底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，抽真空至本體真空達(dá)到2X KT4Pa ；在超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，采用質(zhì)量純度為99. 9%的金屬釩作為靶材，將 質(zhì)量純度為99. 99%的氬氣和質(zhì)量純度為99. 99%的氧氣作為工作氣體；濺射工作氣壓為 2. OPa，氬氣流量為48sccm，氧氣流量為0. 5sccm，濺射功率為200W ；濺射時間為50min時， 制得氧化釩薄膜，經(jīng)過步驟102和103實現(xiàn)了氧化釩光開關(guān)，采用上述條件時測得的消光比 為4. 4dB,開關(guān)時間70ns，插入損耗3dB。其中，步驟101制備氧化釩薄膜步驟為將硅片切割成IX2cm的襯底，制備硅襯 底；使用超聲波清洗機(jī)，將制備的硅襯底依次放置于丙酮、無水乙醇中進(jìn)行清洗；將清洗后 的硅襯底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，抽真空至本體真空達(dá)到IXlO-4Pa ； 在超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，采用質(zhì)量純度為99. 9%的金屬釩作為靶材，將 質(zhì)量純度為99. 99%的氬氣和質(zhì)量純度為99. 99%的氧氣作為工作氣體；濺射工作氣壓為 1. OPa，氬氣流量為48sccm，氧氣流量為1. Osccm，濺射功率為200W ；濺射時間為120min時， 制得氧化釩薄膜，經(jīng)過步驟102和103實現(xiàn)了氧化釩光開關(guān)，采用上述條件時測得的消光比 為7dB，開關(guān)時間8μ s，插入損耗3dB。其中，步驟101制備氧化釩薄膜步驟為將硅片切割成lX2cm的襯底，制備硅襯 底；使用超聲波清洗機(jī)，將制備的硅襯底依次放置于丙酮、無水乙醇中進(jìn)行清洗；將清洗后 的硅襯底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，抽真空至本體真空達(dá)到IXlO-4Pa ； 在超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，采用質(zhì)量純度為99. 9%的金屬釩作為靶材，將 質(zhì)量純度為99. 99%的氬氣和質(zhì)量純度為99. 99%的氧氣作為工作氣體；濺射工作氣壓為 1. OPa，氬氣流量為48sccm，氧氣流量為0. 8sccm，濺射功率為200W ；濺射時間為90min時， 制得氧化釩薄膜，經(jīng)過步驟102和103實現(xiàn)了氧化釩光開關(guān)，采用上述條件時測得的消光比 為5dB，開關(guān)時間5μ s，插入損耗3dB。綜上所述，本發(fā)明實施例提供了一種THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，通過本 發(fā)明實施例提供的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法得到的光開關(guān)，實現(xiàn)了開關(guān)速度快、 插入損耗低、消光比高等。其中，本發(fā)明實施例優(yōu)選本體真空2X 10_4Pa，濺射工作氣壓為2. OPa，氬氣流量為 48SCCm，氧氣流量為0. 8SCCm，濺射功率為200W，濺射時間為30min，參見圖3，本發(fā)明實施例 提供了采用優(yōu)選條件時THz波段氧化釩光開關(guān)的測試結(jié)果，橫坐標(biāo)為時間皮秒，縱坐標(biāo)為 振幅，其中，圖中虛線為氧化釩光開關(guān)沒有受到激光激勵時，THz波的透射信號；圖中實線 為氧化釩光開關(guān)受到激光激勵時，THz波的透射信號，由兩條曲線的對比可知，氧化釩光開 關(guān)在受到激光激勵的前后，其對THz波的透射率有明顯的變化，驗證了本發(fā)明實施例提供 的方法的可行性。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例 序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種THz波段氧化釩光開關(guān)，其特征在于，所述氧化釩光開關(guān)由氧化釩薄膜構(gòu)成，所述氧化釩薄膜裝載在太赫茲時域頻譜系統(tǒng)或調(diào)制解調(diào)器中。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，其特征在于，所述方 法包括以下步驟(1)利用反應(yīng)磁控濺射方法在硅襯底材料上制備氧化釩薄膜；(2)利用太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，激光激發(fā)所述氧化釩薄膜， 使得THz波不能通過所述氧化釩薄膜，實現(xiàn)了所述氧化釩光開關(guān)的關(guān)閉；(3)利用所述太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，撤掉激光，使得THz波 通過氧化釩薄膜，實現(xiàn)了所述氧化釩光開關(guān)的開啟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，其特征在于，步驟(1)中 所述利用反應(yīng)磁控濺射方法在硅襯底材料上制備氧化釩薄膜，具體包括將硅片切割成IX 2cm的襯底，制備硅襯底；使用超聲波清洗機(jī)，將制備的所述硅襯底依次放置于丙酮、無水乙醇中進(jìn)行清洗；將清洗后的硅襯底置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室，抽真空至本體真空達(dá)到 1 2 X ICT4Pa ；在所述超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，采用質(zhì)量純度為99. 9%的金屬釩作為 靶材，將質(zhì)量純度為99. 99%的氬氣和質(zhì)量純度為99. 99%的氧氣作為工作氣體，濺射工作 氣壓為1 2. OPa,氬氣流量48sccm，氧氣流量0. 5 1. Osccm,濺射功率為200W，濺射時間 為30 120min，制得氧化釩薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，其特征在于，所述方法還 包括通過控制所述氧化釩薄膜的厚度來控制所述氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，其特征在于，所述通過控 制所述氧化釩薄膜的厚度來控制所述氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度，具體為所述氧化釩薄膜的厚度與所述氧化釩光開關(guān)的開關(guān)速度成反比。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的THz波段氧化釩光開關(guān)的制作方法，其特征在于，所述本體 真空為2X10_4Pa，所述濺射工作氣壓為2. OPa，所述氬氣流量為48sCCm，所述氧氣流量為 0. 8SCCm，所述濺射功率為200W，所述濺射時間為30min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種THz波段氧化釩光開關(guān)及其制作方法，涉及光通訊技術(shù)領(lǐng)域，氧化釩光開關(guān)由氧化釩薄膜構(gòu)成，所述氧化釩光開關(guān)裝載在太赫茲時域頻譜系統(tǒng)或調(diào)制解調(diào)器中。該方法包括以下步驟利用反應(yīng)磁控濺射方法在硅襯底材料上制備氧化釩薄膜；利用太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，激光激發(fā)所述氧化釩薄膜，使得THz波不能通過所述氧化釩薄膜，實現(xiàn)了所述氧化釩光開關(guān)的關(guān)閉；利用所述太赫茲時域頻譜系統(tǒng)產(chǎn)生THz波，當(dāng)THz波傳輸時，撤掉激光，使得THz波通過氧化釩薄膜，實現(xiàn)了所述氧化釩光開關(guān)的開啟。通過本發(fā)明提供的THz波段氧化釩光開關(guān)及其光開關(guān)的制作方法，實現(xiàn)了開關(guān)速度快、插入損耗低、消光比高等。
文檔編號G02F1/01GK101950092SQ201010276138
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者后順保, 呂志軍, 梁繼然, 胡明, 陳濤 申請人:天津大學(xué)