光波導脈沖耦合器及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種光波導脈沖耦合器及其制造方法，采用As2S8-B270玻璃復合波導的非飽和光阻斷效應實現對輸入作用電脈沖信號的耦合響應，利用光學反相非對稱輸入的波導分支模式耦合效應提供閾值限制。通過將非飽和光阻斷效應表現的光學粒子性和分支波導模式耦合表現的光學波動性在光波導載體上的有機結合，用全光學方式實現了輸入作用電脈沖與輸出同步電脈沖之間的脈沖耦合動力學過程，采用全光學方法實現脈沖耦合神經網絡PCNN要求的脈沖耦合動力學過程。
【專利說明】光波導脈沖耦合器及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種集成光學和光波導技術，特別涉及一種光波導脈沖耦合器及其制造方法。
【背景技術】
[0002]對外部脈沖刺激信號的響應表現出程度上的非線性積累和泄漏是脈沖耦合神經網絡(PCNN)對仿神經元的特征性要求，積累和泄漏的競爭結果用閾值來判別，閾值之上的興奮態表現為響應脈沖的同步發放，低于閾值則顯示沉寂。這種輸入脈沖與輸出脈沖之間的耦合動力學建立在生物大腦視覺皮層研究的實驗基礎上，PCNN為研發更精確的仿生視覺系統提供了很有潛力的途徑。盡管PCNN的軟件實現方法有很多，PCNN的實時響應操作需要通過硬件來實現。在硬件實現方面，已見報道的電路技術包括CMOS技術(Y.0ta等:IEEETransactions on Neural Networks, 10 (3)，539-544，1999 ；Y.0ta 等:Proc.0f the28th Annual Conference of Industrial Electronics Society, Vol.4, 3221-3226，2002)、基于 FPGA 的技術(Μ.Schafer 等:Proc.0f the Seventh InternationalConference on Microelectronics for Neural, Fuzzy and Bio-1nspired Systems,316-323, 1999 ；J.Vega-Pineda 等:Proc.0f International Joint Conference onNeural Networks, 4051-4055，2006)和超混沌發生器電路技術(Y.Takahashi 等:IEEETransactions on Circuits and Systems—I1: Express Briefs, 51 (9)，468 - 542，2004)等。利用光信號的可并行處理、無干擾和高速性，用光學或光電結合的手段構造脈沖耦合模型對提高PCNN的系統規模和并行處理速度顯然有利。R.Wang等實驗了一種光學脈沖發生器，脈沖構造利用了光學雙穩態，頻率變動利用了反饋控制的光折變光柵，輸出脈沖的頻率與輸入光的強度構成響應關系(Ruibo Wang等:Proc.SPIE, 3715(46)，46?52，1999)。N.Clark等將光學微透鏡的自適應波前校正與PCNN的平滑機制結合起來，顯示了降低噪聲干擾的效果(N.Clark 等:IEEE Transactions on Neural Networks, 10 (3)，599-603，1999)。R.Wang等的工作實質上構造了一種光學形式的脈沖發生器，而并非脈沖耦合器。N.Clark等的工作實質上是把PCNN電路應用于控制一個光學成像系統，以求得到高的信噪比。采用全光學方法實現PCNN要求的脈沖耦合動力學過程的工作成果，迄今未見報道。
【發明內容】
[0003]本發明是針對PCNN的脈沖耦合動力學過程的光學實現的問題，提出了一種光波導脈沖耦合器及其制造方法，將非飽和光阻斷效應表現的光學粒子性和分支模式耦合表現的光學波動性在光波導載體上有機結合起來，用全光學方式實現輸入作用電脈沖與輸出同步電脈沖之間的脈沖耦合動力學過程。
[0004]本發明的技術方案為:一種光波導脈沖稱合器，包括光波導脈沖稱合器核心光路
1、一個非對稱光纖功分器2和一根單模光纖3,非對稱光纖功分器2由632.8nm波長單模光纖構成，632.8nm波長的輸入光波經非對稱光纖功分器2后,按輸入光波的設定光功率比例分為兩支非等分相干光波，非對稱光纖功分器2的兩根輸出光纖的光軸與光波導脈沖I禹合器核心光路I的兩根輸入光波導的光軸兩兩對準后，用紫外固化粘結劑對接固定，光波導脈沖耦合器核心光路I的輸出光波導的光軸與單模光纖3的光軸對準對接后，用紫外固化粘結劑對接固定，單模光纖3的輸出端為光波導脈沖耦合器的輸出端。
[0005]所述光波導脈沖耦合器核心光路I由一個倒置的Y分支波導4以及在倒置的Y分支波導4的兩分支位置上對稱制備的兩支復合波導5構成，所述倒置的Y分支波導4制備在一塊玻璃基板的上表層，所述Y分支波導4由兩支長度為5_的輸入直波導4-1、兩支截止直波導4-2、兩支傳遞直波導4-3、兩支彎曲波導4-4、一個楔形過渡波導4-5和一支輸出直波導4-6按Y字形依次對稱貫通構成，所述玻璃基板可以是B270玻璃，也可以是BK7或K9光學玻璃。
[0006]所述倒置的Y分支波導4用常規二次離子交換技術制備在B270玻璃基板上表層，所述兩支輸入直波導4-1、兩支截止直波導4-2、兩支傳遞直波導4-3、兩支彎曲波導4-4和一支輸出直波導4-6的寬度均為5 μ m，所述兩支輸入直波導4-1的軸線間距是127 μ m，所述楔形過渡波導4-5與所述兩支彎曲波導4-4連接的寬端的寬度是10 μ m，所述楔形過渡波導4-5與所述輸出直波導4-6連接的窄端的寬度是5 μ m，所述兩支截止直波導4_2的長度L3=3mm,所述兩支截止直波導4_2對632.8nm波長截止，所述兩支輸入直波導4_1、兩支傳遞直波導4-3、兩支彎曲波導4-4和一支輸出直波導4-6均對632.8nm波長構成單模波導。
[0007]所述所述兩支復合波導5由所述兩支截止直波導4-2和對稱制備在兩支截止直波導4-2上的開窗的金屬Al膜5-1以及制備在所述開窗的金屬Al膜5-1上的As2S8薄膜5-2構成,所述開窗的金屬Al膜5-1沿波導軸方向的長度是4.5mm、厚度是1.9 μ m、寬度與B270玻璃基板的寬度相同，所述開窗的金屬Al膜5-1的兩個開窗位置在所述兩支截止直波導4-2的正上方、在開窗位置露出所述截止直波導4-2的上表面，所述開窗的金屬Al膜5-1的兩個開窗的寬度均為5 μ m、兩個開窗長度均為4.5mm,所述制備在開窗的金屬Al膜5-1上的As2S8薄膜5-2的厚度是1.7 μ m、沿波導軸方向的長度是4.16 mm，所述As2S8薄膜5-2在所述金屬Al膜5-1的兩個開窗區域與所述兩支截止直波導4-2的上表面直接接觸。
[0008]所述光波導脈沖耦合器核心光路I的制造步驟為:
1)在潔凈干燥的B270玻璃基板上，采用常規真空鍍膜技術制備厚度為1.9 μ m的金屬Al膜；
2)采用常規光刻技術在所述金屬Al膜上開窗，開窗圖形除了涉及所述兩支截止直波導4-2的、長度為L3=3mm的區域保持被金屬Al膜遮蔽的狀態以外，所述開窗圖形的其余部分的幾何尺寸與所述Y分支波導4中除去所述兩支截止直波導4-2以外的圖形的幾何尺寸完全相同，開窗區域露出B270玻璃基板的上表面，完成上述開窗的金屬Al膜作為后續步驟3)實施的第一次離子交換工藝的金屬掩膜；
3)對上述步驟2)完成的樣品做第一次離子交換，離子源是0.08%AgN03-99.92% NaNO3混合熔融鹽，離子交換溫度是350°C，離子交換恒溫時間是40min ；
4)對上述步驟3)完成的樣品，采用常規光刻套刻技術開窗打通涉及所述兩支截止直波導4-2的、長度為L3=3_的區域，形成與所述Y分支波導4的圖形的幾何尺寸完全相同的金屬Al膜開窗圖形，該開窗的金屬Al膜作為后續步驟5)實施的第二次離子交換工藝的金屬掩膜；
5)對上述步驟4)完成的樣品做第二次離子交換，離子源以及離子交換溫度與所述第一次離子交換的相同，離子交換恒溫時間是20min，至此在所述B270玻璃基板的上表層形成所述Y分支波導4;
6)對上述步驟5)完成的樣品，采用常規光刻技術套刻去除輸入和輸出兩側的金屬Al膜，保留對稱覆蓋在所述截止波導4-2上面的開窗的金屬Al膜5-1 ；
7)在上述步驟6)完成的樣品上表面，用帶有鋒利刀口的刀片遮蔽B270玻璃露出區域后，采用常規真空鍍膜技術淀積一層厚度為1.7μπκ沿波導軸方向的長度為4.16 mm的所述As2S8薄膜5-2,構成所述光波導脈沖稱合器核心光路I。
[0009]本發明的有益效果在于:本發明光波導脈沖耦合器及其制造方法，采用As2S8-B270玻璃復合波導的非飽和光阻斷效應實現對輸入作用電脈沖信號的耦合響應，利用光學反相非對稱輸入的波導分支模式耦合效應提供閾值限制。通過將非飽和光阻斷效應表現的光學粒子性和分支波導模式耦合表現的光學波動性在光波導載體上的有機結合，用全光學方式實現了輸入作用電脈沖與輸出同步電脈沖之間的脈沖耦合動力學過程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明光波導脈沖耦合器的核心光路的基本結構圖；
圖2為本發明分支波導模式耦合圖；
圖3為本發明As2S8 - B270離子交換復合波導軸向剖面圖；
圖4為本發明耦合效率Ii1與L1的關聯性示意圖；
圖5為本發明耦合效率Ii1與L2的關聯性示意圖；
圖6為本發明耦合效率Il1與As2S8膜厚h的關聯性示意圖；
圖7為本發明復合波導的插入損耗與L3的關聯性示意圖；
圖8為本發明光波導脈沖耦合器核心光路的制備工藝步驟圖；
圖9為本發明試制樣品的局部顯微照片圖；
圖10為本發明光阻斷實驗結構示意圖；
圖11為本發明非飽和光阻斷實驗結果圖；
圖12為本發明光波導脈沖耦合器結構示意圖；
圖13為本發明光阻斷脈沖耦合效應實驗結構示意圖；
圖14為本發明光阻斷脈沖耦合效應實驗結果示意圖。
【具體實施方式】
[0011]光波導脈沖耦合器的核心光路的基本結構如圖1所示，由一個倒置的Y分支波導4以及在倒置的Y分支波導4的兩分支位置上對稱制備的兩支復合波導5構成，倒置的Y分支波導4制備在一塊玻璃基板的上表層，該玻璃基板可以是諸如B270玻璃，也可以是諸如BK7或K9等光學玻璃。Y分支波導4由兩支長度為5mm的輸入直波導4_1、兩支截止直波導4-2、兩支傳遞直波導4-3、兩支彎曲波導4-4、一個楔形過渡波導4-5和一支輸出直波導
4-6按Y字形依次對稱貫通構成。兩支輸入直波導4-1、兩支截止直波導4-2、兩支傳遞直波導4-3、兩支彎曲波導4-4和一支輸出直波導4-6的寬度均為5 μ m,兩支輸入直波導4_1的軸線間距是127 μ m,楔形過渡波導4-5與兩支彎曲波導4_4連接的寬端的寬度是10 μ m,楔形過渡波導4-5與輸出直波導4-6連接的窄端的寬度是5 μ m。兩支截止直波導4_2的長度L3=3mm，對632.8nm波長截止。兩支輸入直波導4_1、兩支傳遞直波導4_3、兩支彎曲波導
4-4、和一支輸出直波導4-6均對632.Snm波長構成單模波導。倒置的Y分支波導4用常規二次離子交換技術制備在SCHOTT公司的B270玻璃基板上表層。如圖1中復合波導5的放大圖，其中I為垂直于波導光軸的截面放大圖，II為沿波導光軸的截面放大圖，兩支復合波導5由兩支截止直波導4-2和對稱制備在兩支截止直波導4-2上的開窗的金屬Al膜5-1以及制備在開窗的金屬Al膜5-1上的As2S8薄膜5-2構成。開窗的金屬Al膜5_1沿波導軸方向的長度是4.5_、厚度是1.9 μ m、寬度與B270玻璃基板的寬度相同。開窗的金屬Al膜
5-1的兩個開窗位置在兩支截止直波導4-2的正上方，在開窗位置露出截止直波導4-2的上表面，開窗的金屬Al膜5-1的兩個開窗的寬度均為5 μ m、兩個開窗長度均為4.5mm。制備在開窗的金屬Al膜5-1上的As2S8薄膜5-2的厚度是1.7 μ m、沿波導軸方向的長度是4.16_。As2S8薄膜5-2在金屬Al膜5-1的兩個開窗區域與兩支截止直波導4_2的上表面直接接觸。由于金屬膜的隔離作用，金屬Al膜5-1上的As2S8薄膜5-2對導波不作用。兩支復合波導5對632.8nm波長構成多模波導。
[0012]如圖2分支波導模式耦合圖，脈沖耦合動作利用了上述光波導脈沖耦合器核心光路基本結構的兩個基本功能，一個是倒置的單模Y分支波導的模式耦合，另一個是多模復合波導的非飽和光阻斷效應。圖2 (a)給出了由單模波導構成的一個倒置的Y分支耦合光路，兩支相干輸入光A和B在波導輸入端的相位相反、且B光的功率大于A光的。根據模式耦合原理，在楔形過渡波導的入口處激發齊對稱I階模和基模，齊對稱I階模是高階模，隨著楔形波導逐漸變窄，高階模最終被耦合成輻射模而消散，結果唯有基模從輸出端出射。若B光的功率降低至與A光的相等，如圖2 (b)所示，在楔形過渡波導的入口處只激發齊對稱I階模，該高階模被輸出波導截止，輸出光功率接近零。A光在這里發揮了閾值作用。兩支輸入光的相對光功率的調節利用了復合波導的非飽和光阻斷效應，Y分支耦合光路的輸出舉動表現為對非飽和光阻斷效應的響應。非飽和光阻斷效應是As2S8材料特有的一種光-光作用，利用了次能級電子躍遷過程對632.8nm波長的信號光的吸收，向次能級抽運電子的工作由441.6nm波長的帶隙光激勵來完成。復合波導除了要求有低的插入損耗以外，光場分布盡可能集中在As2S8層中傳輸是有效實現非飽和光阻斷效應的關鍵。圖3是前述As2S8- B270離子交換多模復合波導沿波導軸芯切開的剖面圖(圖中略去了對導波不作用的金屬Al膜背載的As2S8薄膜)，在B270玻璃襯底上，采用選擇性二次離子交換技術制備厚度變化的折射率漸變條波導，其中過渡區域L2通過側向擴散自然形成，長度與離子交換的溫度和時間有關,約為1μ m量級。輸入和輸出兩端的波導提供632.8nm波長單模傳輸,中間較薄的、長度為L3的條波導在不覆蓋As2S8薄膜時對632.8nm波長截止，因此長度為L3的條波導是截止波導。632.8nm入射光在輸入波導中激勵基模傳輸，在復合波導的入射端激發多模，經L1長度的多模干涉傳輸后，通過L2區域的模式相位調節，光波被耦合到L3區域，且光場分布主要集中在As2S8薄膜中傳輸。L3被設計成輸入場的鏡像距離，由于光路結構對稱，根據互易原理，光波通過復合波導后被耦合到輸出波導出射。
[0013]制備離子交換波導的離子源是0.08 % AgN03-99.92 % NaNO3混合鹽，Ag+的摩爾比為0.0398 %。理論和實驗表明，Ag+的摩爾比小于0.5 %時，擴散系數%和表面折射率增量Δμ是由Ag+摩爾比和離子交換溫度T決定的近似常數。對于Β270
玻璃，T=350°C時，加=0.019以及￡?從=4.09 X IO-4 μΜ2/s。制備條波導時，金屬Al膜
的開窗寬度為5 μ m，單模波導和截止波導的累計交換時間Δ?分別是60min和20min，有效
擴散深度
【權利要求】
1.一種光波導脈沖稱合器，其特征在于，包括光波導脈沖稱合器核心光路(I)、一個非對稱光纖功分器(2)和一根單模光纖(3),非對稱光纖功分器(2)由632.8nm波長單模光纖構成,632.8nm波長的輸入光波經非對稱光纖功分器(2)后,按輸入光波的設定光功率比例分為兩支非等分相干光波，非對稱光纖功分器(2)的兩根輸出光纖的光軸與光波導脈沖率禹合器核心光路(I)的兩根輸入光波導的光軸兩兩對準后，用紫外固化粘結劑對接固定，光波導脈沖耦合器核心光路(I)的輸出光波導的光軸與單模光纖(3)光軸對準對接后，用紫外固化粘結劑對接固定，單模光纖(3)的輸出端為光波導脈沖耦合器的輸出端。
2.根據權利要求1所述 光波導脈沖耦合器，其特征在于，所述光波導脈沖耦合器核心光路(I)由一個倒置的Y分支波導(4)以及在倒置的Y分支波導(4)的兩分支位置上對稱制備的兩支復合波導(5)構成，所述倒置的Y分支波導(4)制備在一塊玻璃基板的上表層，所述Y分支波導(4)由兩支長度為5_的輸入直波導(4-1)、兩支截止直波導(4-2)、兩支傳遞直波導(4-3)、兩支彎曲波導(4-4)、一個楔形過渡波導(4-5)和一支輸出直波導(4-6)按Y字形依次對稱貫通構成，所述玻璃基板可以是B270玻璃，也可以是BK7或K9光學玻璃。
3.根據權利要求2所述光波導脈沖耦合器，其特征在于，所述倒置的Y分支波導(4)用常規二次離子交換技術制備在B270玻璃基板上表層，所述兩支輸入直波導(4-1)、兩支截止直波導(4-2)、兩支傳遞直波導(4-3)、兩支彎曲波導(4-4)和一支輸出直波導(4-6)的寬度均為5 μ m,所述兩支輸入直波導(4-1)的軸線間距是127 μ m,所述楔形過渡波導(4-5)與所述兩支彎曲波導(4-4)連接的寬端的寬度是10 μ m，所述楔形過渡波導(4-5)與所述輸出直波導(4-6)連接的窄端的寬度是5 μ m,所述兩支截止直波導(4-2)的長度L3=3mm，所述兩支截止直波導(4-2)對632.8nm波長截止，所述兩支輸入直波導(4_1 )、兩支傳遞直波導(4-3)、兩支彎曲波導(4-4)和一支輸出直波導(4-6)均對632.8nm波長構成單模波導。
4.根據權利要求2所述光波導脈沖耦合器，其特征在于，所述所述兩支復合波導(5)由所述兩支截止直波導(4-2)和對稱制備在兩支截止直波導(4-2)上的開窗的金屬Al膜(5-1)以及制備在所述開窗的金屬Al膜(5-1)上的As2S8薄膜(5-2)構成,所述開窗的金屬Al膜(5-1)沿波導軸方向的長度是4.5mm、厚度是1.9 μ m、寬度與B270玻璃基板的寬度相同，所述開窗的金屬Al膜(5-1)的兩個開窗位置在所述兩支截止直波導(4-2)的正上方、在開窗位置露出所述截止直波導(4-2)的上表面,所述開窗的金屬Al膜(5-1)的兩個開窗的寬度均為5 μ m、兩個開窗長度均為4.5mm,所述制備在開窗的金屬Al膜(5_1)上的As2S8薄膜(5-2)的厚度是1.7 μ m、沿波導軸方向的長度是4.16 mm，所述As2S8薄膜(5_2)在所述金屬Al膜(5-1)的兩個開窗區域與所述兩支截止直波導(4-2)的上表面直接接觸。
5.根據權利要求2~4中任意一項所述的光波導脈沖耦合器，其特征在于，所述光波導脈沖耦合器核心光路(I)的制造步驟為: 1)在潔凈干燥的B270玻璃基板上，采用常規真空鍍膜技術制備厚度為1.9 μ m的金屬Al膜； 2)采用常規光刻技術在所述金屬Al膜上開窗，開窗圖形除了涉及所述兩支截止直波導(4-2)的、長度為L3=3_的區域保持被金屬Al膜遮蔽的狀態以外，所述開窗圖形的其余部分的幾何尺寸與所述Y分支波導(4)中除去所述兩支截止直波導(4-2)以外的圖形的幾何尺寸完全相同，開窗區域露出B270玻璃基板的上表面,完成上述開窗的金屬Al膜作為后續步驟3)實施的第一次離子交換工藝的金屬掩膜；3)對上述步驟2)完成的樣品做第一次離子交換，離子源是0.08%AgN03-99.92% NaNO3混合熔融鹽，離子交換溫度是350°C，離子交換恒溫時間是40min ； 4)對上述步驟3)完成的樣品，采用常規光刻套刻技術開窗打通涉及所述兩支截止直波導(4-2)的、長度為L3=3mm的區域，形成與所述Y分支波導(4)的圖形的幾何尺寸完全相同的金屬Al膜開窗圖形，該開窗的金屬Al膜作為后續步驟5)實施的第二次離子交換工藝的金屬掩膜； 5)對上述步驟4)完成的樣品做第二次離子交換，離子源以及離子交換溫度與所述第一次離子交換的相同，離子交換恒溫時間是20min，至此在所述B270玻璃基板的上表層形成所述Y分支波導(4); 6)對上述步驟5)完成的樣品，采用常規光刻技術套刻去除輸入和輸出兩側的金屬Al膜，保留對稱覆蓋在所述截止波導(4-2)上面的開窗的金屬Al膜(5-1)； 7)在上述步驟6)完成的樣品上表面，用帶有鋒利刀口的刀片遮蔽B270玻璃露出區域后，采用常規真空鍍膜技術淀積一層厚度為1.7μπκ沿波導軸方向的長度為4.16 mm的所述As2S8薄膜(5-2),構 成所述光波導脈沖稱合器核心光路(I )。
【文檔編號】G02B6/255GK103558665SQ201310567828
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】陳抱雪, 周建忠, 李家韡 申請人:上海理工大學