CN103293713B - 一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构 - Google Patents

Abstract

一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，属于集成光学领域。包括输入波导I（1）和输入波导II（2），互相垂直交汇成十字型结构，在交汇处刻蚀分光微纳沟槽（3），相邻的波导的两端作为光开关的输入端I（1a）和输入端II（2a），另外两端作为输出端分别与L型参考臂（5）和L型相移臂（6）的一端相连；输出波导I（9）和输出波导II（10），互相垂直交汇成十字型结构，在交汇处刻蚀合光微纳沟槽（8），十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输出端I（9b）和输出端II（10b），另外两端作为输入端分别与L型参考臂（5）和L型相移臂（6）的另一端相连。本发明结构紧凑，便于器件布局配置易于向二维方向扩展集成。

Description

一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构

技术领域

本发明涉及光开关器件，特别是涉及一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，属于集成光学领域。

背景技术

光开关是实现光传输路径变换的关键器件，被广泛应用于光链路层的路由/波长选择、光交叉连接器、光分插复用器、光网络监控以及片上光互连等方面。新一代器件的特征是它们在光域性能的提高和多功能的集成。大规模基于光子集成技术的开关阵列是光网络节点实现光交叉连接和光上下路复用器的核心部件，通常由2×2光开关单元按一定的拓补结构级联而成。同时光开关器件也在光信息处理、光计算、光传感以及光存储等领域有很大的用途。

目前光通信网络中实用化的光开关主要有机械式光开关、微机电光开关和波导型光开关。基于集成波导技术的光开关在响应速度、器件体积和性能稳定性等方面显示了极高的应用前景，对构成高密度光子集成回路或者片上光互连系统而言具有独特的优势。典型的波导型光开关有定向耦合器型、马赫-曾德尔干涉型、多模干涉型和X结/Y分支全内反射型等。这些结构的光开关呈现了各自的特点。其中马赫-曾德尔干涉型是最为广泛应用的开关结构，由一个3dB分光器，两条波导相移臂和一个3dB合光器构成。3dB分光器/合光器通常由定向耦合器、多模干涉耦合器或者Y分支耦合器构成，且相移臂大多由一段长度的直条光波导构成。但是上述结构的光开关普遍存在占据的单片尺寸较大或者一维方向上尺度仍然较长的问题，至少都是在毫米量级，不利于提高光子回路芯片或者片上光互连系统内分立元件的集成数量。同时功耗和响应时间相互制约，不利于集成二维光开关阵列。因此在技术上需要实现一种二维方向上占据面积更小的高速低功耗2×2光开关器件。

发明内容

本发明针对目前马赫-曾德尔型光开关器件本身占据的单片尺寸较大或者在一维方向上尺度较长的缺点，提供了一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，可以在二维方向上高度集成，极大地减小了器件尺寸。

本发明所采用的技术方案是：一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，其包括输入波导I1和输入波导II2，互相垂直交汇成十字型结构，在交汇处刻蚀分光微纳沟槽3，所述的十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输入端I1a和输入端II2a，十字型结构的另外两端作为输出端分别与L型参考臂5和L型相移臂6的一端相连；所述的L型参考臂5和L型相移臂6分别构成马赫-曾德尔干涉结构中所需的一条光路；输出波导I9和输出波导II10，互相垂直交汇成十字型结构，在所述的交汇处刻蚀合光微纳沟槽8，所述的十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输出端I9b和输出端II10b，另外两端作为输入端分别与L型参考臂5和L型相移臂6的另一端相连。

分光微纳沟槽3和合光微纳沟槽8中填充沟槽填充介质材料4；所述的分光微纳沟槽3与输入波导I1和输入波导II2的角度大于输入波导I1和输入波导II2所用的波导材料和分光微纳沟槽3中填充的沟槽填充介质材料4所构成的介质界面的全反射角度；所述的合光微纳沟槽8与输出波导I9和输出波导II10的角度大于输出波导I9和输出波导II10所用的波导材料和合光微纳沟槽8中填充的沟槽填充介质材料4所构成的介质界面的全反射角度。

所述的L型参考臂5和L型相移臂6分别在拐角位置刻蚀与光波传播方向成45°角的切面构成全反射镜7。

所述的光路的输入端为输入端I1a和输入端II2a两条或者仅仅为输入端I1a和输入端II2a中其中的一条，分别构成2×2和1×2光开关结构。

一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构制作在硅、绝缘体上硅（Silicononinsulator，SOI）、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子耦合器替代马赫-曾德尔干涉结构中的分光器/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等。由于沟槽型微纳光子耦合器的平面尺寸和交叉波导的面积相当，极大地减小了马赫-曾德尔光开关结构在一维方向上的尺寸，使开关结构更加高效紧凑。二、本发明的马赫-曾德尔型光开关的参考臂和相移臂是采用了嵌入全反射镜的L型结构。在拐角位置利用刻蚀波导层形成的反射镜面，借助全内反射现象可以在小区域范围内低损耗地实现光场传输方向的90°改变。跟传统参考臂或者相移臂长度只能在一维方向级联比较，L型结构便于器件布局配置易于向二维方向扩展集成，有利于推动最小面积的N×N级单片波导型光开关的发展。

附图说明

图1是本发明所提出的一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构示意图。

图2是图1沉积介质材料覆盖层11和相移臂相位调制金属薄膜电极12后的光开关器件示意图。

图3是图2沿A-A′方向的纵向剖面示意图。

图4是填充微纳沟槽不同的介质材料实现3dB分光器/合光器所需要的沟槽宽度。

图5是计算机仿真模拟的未施加电压条件下马赫-曾德尔热光开关的结果图。

图6是计算机仿真模拟的施加电压条件下马赫-曾德尔热光开关的结果图。

图中：1输入波导I，1a输入波导I端口，2是输入波导II，2a输入波导II端口，3分光微纳沟槽，4沟槽填充介质材料，5L型参考臂，6L型相移臂，7全反射镜，8合光微纳沟槽，9输出波导I，9b输出波导I端口，10是输出波导II，10b是输出波导II端口，11介质覆盖层，12相位调制金属薄膜电极，13脊形光波导的横截面，14脊形光波导的下包层，15半导体材料基底。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构可以制作在硅、绝缘体上硅（Silicononinsulator，SOI）、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。作为具体实施的一个例子，本发明的两条输入波导和两条输出波导形成了马赫-曾德尔2×2四端口热光开关器件，并在SOI材料上制备。利用光波导材料的热光效应特性改变由温度诱导的马赫-曾德尔波导相移臂的折射率，从而改变参考臂和相移臂的相位关系，进而控制光路在直通状态（Bar：输入端口1a->输出端口10b或者输入端口2a->输出端口9b）与交叉状态（Cross：输入端口1a->输出端口9b或者输入端口2a->输出端口10b）之间切换。

参阅图1、图2及图3，本发明提出的一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，其中包括：输入波导1，输入波导端口1a,输入波导2，输入波导端口2a,分光微纳沟槽3，沟槽填充介质材料4，L型参考臂5，L型相移臂6，全反射镜7，合光微纳沟槽8，输出波导9，输出波导端口9b,输出波导10，输出波导端口10b,介质覆盖层11，相位调制金属薄膜电极12。其输入波导1和输入波导2，互相垂直交汇成十字型，在所述的交汇处与光波的传播方向成45°角刻蚀分光微纳沟槽3构成沟槽型分光器；其输出波导9和输入波导10，互相垂直交汇成十字型，在所述的交汇处与光波的传播方向成45°角刻蚀合光微纳沟槽8构成沟槽型合光器。所述的分光器和合光器的工作原理均是采用光波的受抑全内反射现象，即从输入波导进入沟槽的光倏逝波与沟槽的宽度相比拟时，一部分倏逝波穿过沟槽到达对面的介质界面而形成穿透光波；另一部分倏逝波通过古斯-汉欣位移现象而形成反射光波。分光器用于将一路输入光信号分为两路，分别耦合到马赫-曾德尔干涉结构的L型参考臂5和L型相移臂6，其静态分光比设计为1:1，即构成3dB分光器。合光器用于将两路输出光信号合为一路，合并马赫-曾德尔干涉结构的L型参考臂5和L型相移臂6的输出光信号进入其中的一条输出波导中，其静态合光比设计为1:1，即构成3dB合光器。

图3中单模SOI基脊形光波导13可以通过半导体器件处理工艺中的反应离子刻蚀方法获得；脊形光波导的下包层14是采用二氧化硅材料，脊形光波导13上面沉积二氧化硅介质材料覆盖层11形成上包层，然后相位调制金属薄膜电极12制作在介质材料覆盖层11之上。通过施加电压在该金属薄膜电极12内流经电流而产生焦耳热，由于电流的热效应将使介质覆盖层和波导层的温度上升，硅材料的热光效应将引起波导层的有效折射率发生变化，从而对通过的光波产生相位调节的作用。跟L型参考臂5的相位比较，当L型相移臂6的相位改变了π时，就实现了开关功能。

根据波导模式的平面波近似法计算填充微纳沟槽不同的介质材料时，在等分光比条件下沟槽宽度将会不同。图4所示在TE偏振模式下3dB等分光比时的沟槽宽度与光波导折射率的关系，其中Air，n=1.0;PMMA,n=1.48;SU-8,n=1.57;Sapphire,n=1.75;Zr0₂,n=2.1。在选定某种波导材料的情况下，填充折射率大的介质材料使沟槽开口宽度增大，进而缓解器件加工工艺的难度。对于采用SOI材料制备光波导而言，本发明的沟槽填充介质材料4采用了SU-8聚合物，从而实现分光1:1和合光1:1功能时所需要的沟槽开口宽度拓宽为120nm。

根据公式ΔΦ=(2π/λ)L_W(dn/dt)ΔT可以计算通过马赫-曾德尔结构L型相移臂的光波的相移，式中λ是光波的波长，L_W是相移臂相位调制区域的长度，dn/dt=1.86×10^-4/K是硅材料的热光系数，ΔT是相移臂相位调制区域的温度变化。实施例1，计算表明当温度上升10°C，L型相移臂相位调制区域的长度约等于418μm时，通过相移臂的光波的相位变化为π，从而实现开关的切换。实施例2，当温度上升50°C，L型相移臂相位调制区域的长度约等于84μm时，通过相移臂的光波的相位变化为π，从而实现开关的切换。

为了说明这种采用沟槽结构的马赫-曾德尔2×2热光开关器件的工作效果，用美国Rsoft公司FullWAVE导波光学设计软件得出计算机仿真模拟的结果，即电压控制实现开关器件输出端口切换的光传输过程的电场Ey分量的时域有限差分（FDTD）模拟图。图5和图6分别是相位调制金属薄膜电极12未施加电压和施加电压3.75V两种情况下的光场传输分布的对比图。采用的仿真参数如下：输入光波长1.55μm，脊形波导宽度4.0μm，内脊高3.0μm，外脊高2.0μm；介质覆盖层二氧化硅的厚度1.5μm；脊形光波导的下包层二氧化硅的厚度2.0μm；分光/合光微纳沟槽的宽度0.12μm；沟槽填充介质材料SU-8聚合物的折射率是1.57;L型相移臂长度84μm;相位调制金属薄膜电极NiCr合金的厚度0.75μm。在本实施例中，从光场分布情况可以看出，光波从波导输入端口1a进入器件，由于未施加电压参考臂5和相移臂6等折射率，所以光波从波导输出端口10b输出。施加电压值3.75V时，由于硅材料的热光效应增大了相移臂6的折射率，当光波的相移变化为π时，光波从波导输出端口10b切换到波导输出端口9b输出，实现了输出端口10b或者输出端口9b的开关功能，从而证明本发明设计构思的正确性和有效性。在本实施例中，保持L型波导臂总长度84μm不变的情况下，任意调节马赫-曾德尔L型波导臂的垂直部分和水平部分长度，该器件的有效面积可以根据需求在84μm²至1764μm²之间变化，具备灵活设计和高效紧凑的特点，适用于平面光子集成回路及片上光互连系统。

Claims (3)

1.一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，其特征在于：其包括输入波导I(1)和输入波导II(2)，互相垂直交汇成十字型结构，在交汇处刻蚀分光微纳沟槽(3)，所述的十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输入端I(1a)和输入端II(2a)，十字型结构的另外两端作为输出端分别与L型参考臂(5)和L型相移臂(6)的一端相连；所述的L型参考臂(5)和L型相移臂(6)分别构成马赫-曾德尔干涉结构中所需的一条光路；输出波导I(9)和输出波导II(10)，互相垂直交汇成十字型结构，在所述的交汇处刻蚀合光微纳沟槽(8)，所述的十字型结构中相邻的波导的两端作为光开关的输出端I(9b)和输出端II(10b)，另外两端作为输入端分别与L型参考臂(5)和L型相移臂(6)的另一端相连；所述的L型参考臂(5)和L型相移臂(6)分别在拐角位置刻蚀与光波传播方向成45°角的切面构成全反射镜(7)；所述的光路的输入端为输入端I(1a)和输入端II(2a)两条或者仅仅为输入端I(1a)和输入端II(2a)中其中的一条，分别构成2×2和1×2光开关结构。

2.根据权利要求1所述的一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，其特征在于：分光微纳沟槽(3)和合光微纳沟槽(8)中填充沟槽填充介质材料(4)；所述的分光微纳沟槽(3)与输入波导I(1)和输入波导II(2)的角度大于输入波导I(1)和输入波导II(2)所用的波导材料和分光微纳沟槽(3)中填充的沟槽填充介质材料(4)所构成的介质界面的全反射角度；所述的合光微纳沟槽(8)与输出波导I(9)和输出波导II(10)的角度大于输出波导I(9)和输出波导II(10)所用的波导材料和合光微纳沟槽(8)中填充的沟槽填充介质材料(4)所构成的介质界面的全反射角度。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效紧凑的马赫-曾德尔光开关结构，其特征在于：其制作在硅、绝缘体上硅(Silicononinsulator，SOI)、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。