带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导

技术领域

本发明涉及光波导器件领域，具体涉及一种带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导。

背景技术

在高功率激光驱动的惯性约束聚变(ICF)系统中，需要对激光驱动器的靶面光束进行匀滑处理，因此需要实现光场模式的偏转及光束扫摆。目前，利用机械控制技术、电控液晶技术、声光效应、热光光束偏转技术、光谱色散扫摆技术以及大孔径电光晶体偏转器等技术或器件，均可实现光场模式的偏转及光束扫摆。然而，上述技术或器件存在着驱动电压高，器件体积大、光场偏转依赖光源波长以及扫摆频率低等缺陷。

为了改善上述缺陷，如图1所示，现有技术提供了一种带有锯齿阵列共面电极的芯层波导，其最大的特点是锯齿形阵列共面电极由一个个三角形电极构成，通过外加驱动电压到锯齿阵列共面电极，在光束传播方向上，波导芯层会形成折射率棱镜阵列，从而使得输出光的光场模式会发生横向偏转。现有技术在一定程度上解决了驱动电压高的问题，但其采用锯齿阵列共面电极形成的折射率棱镜阵列面积低，偏转效率较低；同时锯齿阵列共面电极的尖端部分对高频信号的阻碍较大，不利于高频调制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导，以至少部分的改善上述问题。

本发明实施例提供了一种带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导，其包括：

衬底层；

第一掩膜板以及第二掩膜板；所述第一掩膜板与所述第二掩膜板间隔设置在所述衬底层上，并于间隔处形成波导槽；

波导芯层，设置在所述波导槽的底部；

第一偏转电极，其设置在波导槽内，并位于所述波导芯层上；所述偏转电极具有多个弯曲部；

第二偏转电极，设置在所述第一掩膜板的靠近所述波导槽的边缘处；

第三偏转电极，设置在所述第二掩膜板的靠近所述波导槽的边缘处；

馈电组件，分别电连接第一偏转电极、第二偏转电极以及第三偏转电极的两端，以向第一偏转电极、第二偏转电极以及第三偏转电极提供电压。

优选地，还包括：

缓冲层，设置在所述波导芯层与所述第一偏转电极之间。

优选地，所述缓冲层由二氧化硅制成，厚度介于0至600nm之间。

优选地，所述衬底层为铌酸锂晶片，所述波导芯层为基于退火质子交换技术形成的铌酸锂波导芯层，其横截面呈半圆形。

优选地，所述波导槽以及所述波导芯层均成喇叭状

优选地，所述波导芯层包括光输入端以及光输出端，且在光输入端与光输出端之间依次形成光束输入区、光束过渡区和光束调制区；其中，所述光束过渡区的横截面积随光传输方向逐渐增大；所述光束输入区的宽度等于所述光束过渡区的起始段的宽度，所述光束调制区的宽度等于所述光束过渡区的末尾段的宽度；所述第一偏转电极设置在所述光束调制区处；所述第二偏转电极以及第三偏转电极设置在光束调制区的两侧。

优选地，光束输入区的长度为5mm，宽度为8μm；光束调制区的长度为10.5mm，宽度为80μm；光束过渡区的长度为5mm。

优选地，所述波导芯层包括光输入端以及光输出端，且在光输入端与光输出端之间依次形成光束输入区、光束过渡区、光束模式选择区、光束调制区和延长区；其中，光束过渡区以及光束调制区的波导芯层呈喇叭状，其横截面积随光传输方向逐渐增大；所述光束过渡区的起始端的宽度与光束输入区的宽度相等，所述光束过渡区的末尾端的宽度与光束模式选择区的宽度相等，所述光束调制区的起始端宽度与光束模式选择区的宽度相等，所述延长区的宽度与光束调制区的末尾端的宽度相等；所述第一偏转电极设置在所述光束调制区处；所述第二偏转电极以及第三偏转电极设置在光束调制区的两侧。

优选地，光束输入区的长度为5mm，宽度为8μm；光束过渡区B的长度为5mm；光束模式选择区的长度为7mm，宽度为80μm；光束调制区的长度为9mm；延长区E的长度为0.5mm，宽度为184μm。

优选地，在光传输方向上，所述弯曲部的宽度沿着光束调制区的边缘不断变大。

优选地，所述馈电组件包括第一触点电极、第二触点电极以及第三触点电极，所述第一触点电极包括第一触脚以及第二触脚；所述第一触脚置于第一掩膜板远离波导芯层一侧的长边边缘中段靠近光输入端的位置处，并与所述第一偏转电极的一端电连接，所述第二触脚置于第二掩膜板远离波导芯层一侧的长边边缘尾端靠近光输出端的位置处，并与所述第一偏转电极的另一端电连接；所述第二触点电极包括第三触脚以及第四触脚，所述第三触脚置于第一掩膜板远离波导芯层一侧的长边边缘中段靠近光输入端的位置处，其与所述第二偏转电极的一端电连接，且与第一触脚临近但不交叉重叠，第四触脚置于第一掩膜板远离波导芯层一侧的长边边缘尾端靠近光输出端的位置处，并与所述第二偏转电极的另一端电连接；所述第三触点电极包括第五触脚以及第六触脚，所述第五触脚置于第一掩膜板远离波导芯层一侧的长边边缘中段靠近光输入端的位置处，其与所述第三偏转电极的一端电连接，且与第一触脚临近但不交叉重叠，第六触脚置于第二掩膜板远离波导芯层一侧的长边边缘尾端靠近光输出端的位置处，其与所述第三偏转电极的另一端电连接，且与第二触脚临近但不交叉重叠。

上述一个实施例中，第一偏转电极，第二偏转电极和第三偏转电极共同组合构成弯曲形阵列共面电极结构，弯曲形阵列共面电极结构能使处于电极两侧的波导同时参与工作，提高了波导的工作面积。同时弯曲形阵列共面电极会对其左右两侧下方的波导分别产生梯度分布的正负电场从而使两侧的波导产生梯度分布的正负折射率差，这种梯度分布的正负折射率差使得波导两侧分别对光束产生推拉式的作用，即波导的一侧推动光束，另一侧拉拽光束，两者共同作用最终大大提高了波导的效率，如此有效降低实现光场偏转所需的驱动电压，缩小实现光场偏转所需的光波导的尺寸。

此外，与现有技术相比，第一偏转电极的弯曲部设计由于没有锯齿电极那样的尖端构造，因而可以降低对高频信号的阻碍，利于高频调制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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的一些实施方式，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为现有技术提供的带有锯齿阵列共面电极的芯层波导的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导的一种结构示意图。

图3为图2的波导芯层的部分示意图。

图4为本发明实施例提供的带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导的另一种结构示意图。

图5为图4的波导芯层的部分示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2及图3，本发明实施例提供了一种带有弯曲形阵列共面电极的芯层波导，其包括：

衬底层10。

在本实施例中，衬底层10用于提供整个芯层波导的支撑。

第一掩膜板11以及第二掩膜板12，所述第一掩膜板11与所述第二掩膜板12间隔设置在所述衬底层10上，并于间隔处形成喇叭状的波导槽14。

在本实施例中，通过基于cmos工艺的刻蚀掩膜板工序，将波导槽14对应的区域进行覆盖，在覆盖面以外的衬底层10上覆盖预设厚度的掩膜板，即可在衬底层10上形成所述第一掩膜板11以及第二掩膜板12。

其中，第一掩膜板11与第二掩膜板12的厚度相等。基于此，波导槽14的深度与第一掩膜板11的厚度相同，所述波导槽14的宽度为第一掩膜板11与第二掩膜板12的间隔宽度，所述波导槽14的底部为衬底10。

其中，可选的，所述第一掩膜板11与第二掩膜板12的形状相同，并关于波导槽14的中心线对称。当然，应当说明的是，所述第一掩膜板11与第二掩膜板12的形状也可以是不同的，只需其能够形成本实施例所需形状的波导槽14即可，这些方案均在本发明的保护范围之内。

其中，可选地，第一掩膜板11与第二掩膜板12为二氧化硅，且第一掩膜板11与第二掩膜板12的厚度介于600nm至1mm之间。

波导芯层13，设置在所述波导槽14的底部。

在本实施例中，波导芯层13设置在波导槽14底部，其顶端表面形状与波导槽14的槽平面形状相同。所述波导芯层13具有光输入端a以及光输出端b，并包括光束输入区A、光束过渡区B和光束调制区C。待调光束从光输入端a输入至光束输入区A，再经光束过渡区B1传递至光束调制区C，最后从光输出端b输出。

在本实施例中，波导芯层13为基于退火质子交换技术的铌酸锂波导芯层。以下对波导芯层13的制备步骤进行说明：

首先，利用退火质子交换技术，形成铌酸锂退火质子交换波导芯层。

然后，使用苯甲酸为质子交换的质子源，将铌酸锂晶片浸入180℃的苯甲酸溶液，进行2小时的Li+和H+交换。

最后，对交换后的波导芯层进行退火温度为333℃，退火时间为6小时的退火处理。

如图3所示，基于退火质子交换技术得到的铌酸锂波导芯层的横截面呈半圆形。本实施例通过选用衬底10为铌酸锂晶片，波导芯层13为铌酸锂波导芯层，以提高波导芯层13的光学性能。

第一偏转电极24，其设置在波导槽14内，并位于所述波导芯层13上；所述第一偏转电极24具有多个弯曲部。

第二偏转电极22，设置在所述第一掩膜板11的靠近所述波导槽14的边缘处；

第三偏转电极26，设置在所述第二掩膜板12的靠近所述波导槽14的边缘处。

在本实施例中，第一偏转电极24、第二偏转电极22、第三偏转电极26可选用金属电极，如金或铜电极等。特别地，选用厚度为200nm的金电极。

在本实施例中，第一偏转电极24设置在光束调制区C内，其形成有多个带有弯曲弧度的弯曲部，所述弯曲部在光传输方向上来回弯曲，且弯曲部的宽度大致等于光束调制区C的宽度。其中，弯曲部的数量、弯曲部的弯曲弧度和宽度可以根据实际的需要进行设置，并不限于本实施例附图所示的形状，这些方案均在本发明的保护范围之内，在此不做赘述。特别的，在本实施例中，所述弯曲部为多个连续弯曲部。

在本实施例中，所述第二偏转电极22和第三偏转电极26设置在两个掩膜板的边缘，并分别设置在第一偏转电极24两侧。

馈电组件，分别电连接第一偏转电极24、第二偏转电极22以及第三偏转电极26的两端，以向第一偏转电极24、第二偏转电极22以及第三偏转电极26提供电压。

在本实施例中，馈电方式至少包括如下两种，其一为使用馈电探针将驱动信号加载到第一偏转电极24、第二偏转电极22以及第三偏转电极26；其二为在电极上的触脚位置进行引线，通过引线将驱动信号加载到第一偏转电极24、第二偏转电极22以及第三偏转电极26上。以下以第二种方式为例进行详细的说明，但应当理解的是，其他的馈电方式均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，所述馈电组件包括第一触点电极25、第二触点电极23以及第三触点电极27，其中，第一触点电极25、第二触点电极23以及第三触点电极27同样选用金属电极，如金或铜电极等。

具体地，所述第一触点电极25包括第一触脚e以及第二触脚c；所述第一触脚e置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘中段靠近光输入端a的位置处，并与所述第一偏转电极24的一端电连接，所述第二触脚c置于第二掩膜板12远离波导芯层13一侧的长边边缘尾端靠近光输出端b的位置处，并与所述第一偏转电极24的另一端电连接。

所述第二触点电极23包括第三触脚f以及第四触脚h，所述第三触脚f置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘中段靠近光输入端a的位置处，其与所述第二偏转电极22的一端电连接，且与第一触脚e临近但不交叉重叠。第四触脚h置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘尾端靠近光输出端b的位置处，并与所述第二偏转电极22的另一端电连接。

所述第三触点电极27包括第五触脚g以及第六触脚d，所述第五触脚g置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘中段靠近光输入端a的位置处，其与所述第三偏转电极26的一端电连接，且与第一触脚e临近但不交叉重叠，第六触脚d置于第二掩膜板12远离波导芯层13一侧的长边边缘尾端靠近光输出端b的位置处，其与所述第三偏转电极26的另一端电连接，且与第二触脚d临近但不交叉重叠。

以下详述本实施例的具体工作过程：

在本实施例中，待调光束从光输入端a输入至光束输入区A，再经光束过渡区B传递至光束调制区C，最后从光输出端b输出。

当对第一触点电极25、第二触点电极23以及第三触点电极27接入驱动电压后，第一偏转电极24，第二偏转电极22和第三偏转电极26将随之接入电压。第一偏转电极24，第二偏转电极22和第三偏转电极26共同组合构成弯曲形阵列共面电极结构，弯曲形阵列共面电极结构能使处于电极两侧的波导同时参与工作，提高了波导的工作面积。同时弯曲形阵列共面电极会对其左右两侧下方的波导分别产生梯度分布的正负电场从而使两侧的波导产生梯度分布的正负折射率差，这种梯度分布的正负折射率差使得波导两侧分别对光束产生推拉式的作用，即波导的一侧推动光束，另一侧拉拽光束，两者共同作用最终大大提高了波导的效率，如此有效降低实现光场偏转所需的驱动电压，缩小实现光场偏转所需的光波导的尺寸。

此外，与现有技术相比，第一偏转电极24的弯曲部设计由于没有锯齿电极那样的尖端构造，因而可以降低对高频信号的阻碍，利于高频调制。

为便于对本发明的理解，下面对本发明的一些优选实施例做更进一步的描述。

优选的，还包括：

缓冲层21，设置在所述波导芯层13与所述第一偏转电极24之间。

其中，缓冲层21由光折射率低的缓冲材料制成，如采用二氧化硅制成。缓冲层21设置在波导芯层13与所述第一偏转电极24之间，起到降低电极对波导芯层13的光学性能的影响。其中，特别的，缓冲层21的厚度介于0至600nm之间。

优选的，所述波导槽14以及所述波导芯层13均成喇叭状。

如图2所示，波导芯层13在光束输入a处横截面积最小，在光束输出端b处横截面积最大，即喇叭型结构的波导芯层13的横截面积，从光束输入端a至光束输出端b逐渐增大

其中，在一种实现方式中，所述光束过渡区B的横截面积随光传输方向逐渐增大；所述光束输入区A的宽度等于所述光束过渡区B的起始段的宽度，所述光束调制区C的宽度等于所述光束过渡区的末尾段的宽度。波导芯层13为喇叭型结构的波导芯层；其中，光束输入区A的宽度小于光束调制区C的宽度。此种情况下，光束输入区A的长度为5mm，宽度为8μm；光束调制区C的长度为10.5mm，宽度为80μm；光束过渡区B的长度为5mm。

但应当理解的是，在本发明的其他实施例中，光束输入区A、光束过渡区B、光束调制区C的长度以及宽度是根据实际需要来设定的，并不局限于上述的数值，这些方案均在本发明的保护范围之内。

本实施例中，采用喇叭状结构的波导芯层13，增加了光纤模式输入模式向波导传输模式的转换效率。

其中，如图4和图5所示，在另一种实现方式中，所述波导芯层13还包括光束模式选择区D和延长区E；其中，所述光束模式选择区D位于光束过渡区B和光束调整区C之间，所述延长区E位于光束调整区C的末尾端。则此种情况下，光束过渡区B以及光束调制区C的波导芯层呈喇叭状，其横截面积随光传输方向逐渐增大；所述光束过渡区B的起始端的宽度与光束输入区A的宽度相等，所述光束过渡区B的末尾端的宽度与光束模式选择区D的宽度相等，所述光束调制区C的起始端宽度与光束模式选择区D的宽度相等，所述延长区E的宽度与光束调制区C的末尾端的宽度相等。

其中，特别的，光束输入区的长度为5mm，宽度为8μm；光束过渡区B的长度为5mm；光束模式选择区的长度为7mm，宽度为80μm；光束调制区的长度为9mm；延长区E的长度为0.5mm，宽度为184μm。

应当理解的是，在本发明的其他实施例中，光束输入区A、光束过渡区B、光束模式选择区D、光束调制区C以及延长区E的长度以及宽度可以根据实际需要来设定，并不局限于上述的数值，这些方案均在本发明的保护范围之内。

在本实施例中，所述第一偏转电极24设置在所述光束调制区处；所述第二偏转电极22以及第三偏转电极26设置在光束调制区的两侧。其中，特别的，所述第一偏转电极24的弯曲部在光传输方向上来回弯曲，且弯曲部的宽度沿着光束调制区C的边缘不断变大直至光束调制区C的尾部。

相较于上一种实现方式，本实施例采用级联喇叭状结构的波导芯层13，使得波导边缘对光斑的束缚变小，在波导工作状态下光斑不易受波导边缘的束缚而变形；采用不断扩大的弯曲部结构，能使其两侧的波导面积也会随之扩大，从而能够更好的提高波导的工作面积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。