CN103605216B - 基于光子晶体波导的阵列化光开关 - Google Patents
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Landscapes
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体波导的阵列化光开关,该光开关包括:硅衬底1,用于承载整个器件结构;二氧化硅衬底2,覆盖于硅衬底1上,用于隔离硅衬底与硅平板;硅平板3,位于二氧化硅衬底上2,用于形成二维硅光子晶体波导、多模干涉波导、续接波导;二氧化硅隔离层4,位于硅平板3上方,并填充于二维硅光子晶体波导的孔内,用于隔离二维光子晶体波导与钛金属电极5,提供光隔离与电绝缘;钛金属平板电极5位于二氧化硅隔离层上,用于加热二维光子晶体波导;铝金属平板电极6位于钛金属平板上,作为接触电极。通过设计光子晶体波导结构实现光通信波段(波长1微米至2微米)特定波长光信号的阵列开关功能,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光子器件技术领域,特别涉及一种基于光子晶体波导的阵列化光开关。
背景技术
光开关是片上光网络的必要器件。随着芯片集成度不断提高,对同一芯片上集成的光开关的数量与开关阵列规模的要求不断提高。
传统的硅基光开关通常由光波导构成。近年来,基于光子晶体波导实现光功率调控的研究进展迅速,例如通过在光子晶体波导中引入马赫-曾德干涉仪型双臂结构,可以实现长度仅为50微米的光调制器,然而,受限于制备工艺,其动态消光比为1.2dB,对功率的改变有限。
在微纳光开关设计与制备领域,为实现宽带调控,通常需要进行大功率(百毫瓦量级)调控。如何增强大功率调控下电极的稳定性是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于光子晶体波导的阵列化光开关,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。
本发明实施例采用如下技术方案:
一种基于光子晶体波导的阵列化光开关,包括:
硅衬底,用于承载整个器件结构;
二氧化硅衬底,覆盖于所述硅衬底上,用于隔离所述硅衬底与硅平板;
所述硅平板,位于所述二氧化硅衬底上,用于形成二维硅光子晶体波导、多模干涉波导、续接波导;
二氧化硅隔离层,位于所述硅平板上方,并填充于所述二维硅光子晶体波导的孔内,用于隔离所述二维光子晶体波导与钛金属电极,提供光隔离与电绝缘;
所述钛金属平板电极,位于所述二氧化硅隔离层上,用于加热所述二维光子晶体波导。
可选的,所述钛金属平板电极的左侧及右侧为电极连接点,所述钛金属平板电极的中部为发热部分,所述发热部分覆盖所述二维硅光子晶体波导的光子晶体区。
可选的,所述钛金属电极上方覆盖铝金属电极,所述铝金属电极厚度为300nm~1μm。
可选的,采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成所述二维硅光子晶体波导、所述多模干涉波导及所述续接波导。
可选的,所述二维硅光子晶体的孔的直径、孔的排列周期的设定方法为,在所述二维硅光子晶体中除去一行空气孔并调节波导宽度形成直通波导,所述直通波导的宽度调节范围为0.1W0~3.0W0;在所述直通波导加入横向对称分布的纵向细槽形成双槽波导,所述双槽波导的槽宽调节范围为0.1r~3r,r为空气孔的半径,所述双槽波导的宽度调节范围为0.1W0~3.0W0,W0=1.732a,W0为普通单行线缺陷的宽度,W0=1.732a,a为晶格周期。
可选的,所述多模干涉波导用于实现光信号分束,所述多模干涉波导末端从不同的续接波导输出,所述续接波导位于所述二维光子晶体波导与所述多模干涉波导的输入端及输出端,用以传输光信号,所述续接波导宽度与所述硅平板上的低群折射率波导相同。
可选的,所述二氧化硅隔离层的厚度为600nm~1μm。
可选的,所述钛金属电极的厚度为100nm~200nm。
可选的,所述二维硅光子晶体波导形成的波导结构包括圆孔阵列,线缺陷。
可选的,所述二维硅光子晶体波导形成的波导结构具有光子带隙效应。
基于上述技术方案,本发明实施例的基于光子晶体波导的阵列化光开关通过设计光子晶体波导结构,实现光通信波段(波长1微米至2微米)特定波长光信号的阵列开关功能,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。利用光子晶体波导的截止模式对通光损耗的调控,通过引入低群折射率耦合波导能够降低器件的插入损耗。实现利用光子晶体波导的带隙缺陷模式耦合产生的微带隙对通光损耗的调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,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为本发明实施例1提供的一种基于光子晶体波导的阵列化光开关结构示意图;
图2为本发明实施例1提供的另一种基于光子晶体波导的阵列化光开关结构示意图;
图3为本发明实施例1提供的又一种基于光子晶体波导的阵列化光开关结构示意图;
图4为本发明实施例2提供的一种硅平板的结构示意图;
图5为本发明实施例2提供的一种透射谱示意图;
图6为本发明实施例3提供的一种硅平板的结构示意图;
图7为本发明实施例3提供的一种透射谱示意图;
图8为本发明实施例4提供的一种硅平板的结构示意图;
图9为本发明实施例4提供的一种透射谱示意图。
附图中:1为硅衬底;2为二氧化硅衬底;3为硅平板;4为二氧化硅隔离层;5为钛金属电极;6为铝金属电极;7为二维硅光子晶体波导;8为多模干涉波导;9为续接波导;10为低群折射率耦合波导。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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地描述,显然,所描述的实施例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。
本发明实施例中,需要进行结构的设计,确定二维硅光子晶体的孔径、周期以及波导的宽度,以获得所需的传输谱凹陷。在硅衬底上依次生长出二氧化硅衬底层和用来形成二维硅光子晶体的光波导层。在光波导层上采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺制作出带有线缺陷图形的二维硅光子晶体波导、低群折射率耦合波导与续接波导,利用等离子体增强化学气相沉积法在表面沉淀一层二氧化硅隔离层。用光刻、蒸镀与湿法抬离的方式制备钛/铝金属电极结构。
下面结合附图,对优选实施例作详细说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种基于光子晶体波导的阵列化光开关,包括:
硅衬底1,用于承载整个器件结构;
二氧化硅衬底2,覆盖于硅衬底1上,用于隔离硅衬底与硅平板;
硅平板3,位于二氧化硅衬底上2,用于形成二维硅光子晶体波导、多模干涉波导、续接波导;
二氧化硅隔离层4,位于硅平板3上方,并填充于二维硅光子晶体波导的孔内,用于隔离二维光子晶体波导与钛金属电极5,提供光隔离与电绝缘;
钛金属平板电极5位于二氧化硅隔离层上,用于加热二维光子晶体波导。
可选的,如图2所示,钛金属电极上方覆盖铝金属电极6,铝金属电极6厚度为300nm~1μm。
应当理解铝金属电极6的厚度可以根据不同的场景进行调整,例如300nm~400nm、400nm~500nm、500nm~600nm、600nm~700nm、700nm~800nm、800nm~900nm、900nm~1μm等。
可选的,钛金属平板电极的左侧及右侧为电极连接点,钛金属平板电极5的中部为发热部分,发热部分覆盖二维硅光子晶体波导的光子晶体区。
可选的,采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在硅平板上3形成二维硅光子晶体波导、多模干涉波导及续接波导。
可选的,二维硅光子晶体的孔的直径、孔的排列周期的设定方法为,在二维硅光子晶体中除去一行空气孔并调节波导宽度形成直通波导,直通波导的宽度调节范围为0.1W0~3.0W0;在直通波导加入横向对称分布的纵向细槽形成双槽波导,双槽波导的槽宽调节范围为0.1r~3r,r为空气孔的半径,双槽波导的宽度调节范围为0.1W0~3.0W0,W0=1.732a,W0为普通单行线缺陷的宽度,W0=1.732a,a为晶格周期。
可选的,如图3所示,多模干涉波导8用于实现光信号分束,多模干涉波导8末端从不同的续接波导9输出,续接波导9位于二维光子晶体波导与多模干涉波导8的输入端及输出端,用以传输光信号,续接波导宽度与硅平板上的低群折射率波导相同。
可选的,二氧化硅隔离层4的厚度为600nm~1μm。
应当理解二氧化硅隔离层4的厚度可以根据不同的场景进行调整,例如600nm~700nm、700nm~800nm、800nm~900nm、900nm~1μm等。
可选的,钛金属电极5的厚度为100nm~200nm。
应当理解钛金属电极5的厚度可以根据不同的场景进行调整,例如100nm~200nm、200nm~300nm、300nm~400nm、400nm~500nm、500nm~600nm、600nm~700nm、700nm~800nm、800nm~900nm、900nm~1μm等。
可选的,二维硅光子晶体波导形成的波导结构包括圆孔阵列、线缺陷。
可选的,二维硅光子晶体波导形成的波导结构具有光子带隙效应。
本实施例通过设计光子晶体波导结构,实现光通信波段(波长1微米至2微米)特定波长光信号的阵列开关功能,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。利用光子晶体波导的截止模式对通光损耗的调控,通过引入低群折射率耦合波导能够降低器件的插入损耗。实现利用光子晶体波导的带隙缺陷模式耦合产生的微带隙对通光损耗的调控。
实施例2
如图3所示,选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片,其中的二氧化硅层厚度为3μm,上部的硅厚220nm。如图4所示,采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺在硅平板3上制作出缺陷宽度为W0的二维硅光子晶体周期孔结构7,缺陷宽度为1.2W0的低群折射率耦合波导10,多模干涉波导8和续接波导9。单个光子晶体波导的图形结构如图4所示。利用等离子体增强化学气相沉积法在表面沉淀一层二氧化硅隔离层4,依次用光刻、蒸镀与湿法剥离的方式制备钛金属电极5与铝金属电极6。由续接波导9导入各个光开关的输出光场,通过二维硅光子晶体波导7时,由于截止模式作用,在输出续接波导处会观测到图5所示的透射谱。透射谱上发生凹陷的频率随着外加电场引发硅光子晶体波导的折射率的变化而变化,从而在特定频率上实现光开关功能。
本实施例通过设计光子晶体波导结构,实现光通信波段(波长1微米至2微米)特定波长光信号的阵列开关功能,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。利用光子晶体波导的截止模式对通光损耗的调控,通过引入低群折射率耦合波导能够降低器件的插入损耗。实现利用光子晶体波导的带隙缺陷模式耦合产生的微带隙对通光损耗的调控。
实施例3
如图3所示,选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片,其中的二氧化硅层厚度为3μm,上部的硅厚220nm。如图6所示,采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺,在硅平板3上制作出宽度为1.5W0的二维硅光子晶体周期孔结构7和续接波导9。单个光子晶体波导的图形结构如图6所示。利用等离子体增强化学气相沉积法在表面沉淀一层二氧化硅隔离层4,依次用光刻、蒸镀与湿法剥离的方式制备钛金属电极结构5、铝金属电极结构6。由续接波导9导入各个光开关的输出光场,通过二维硅光子晶体波导7时,由于微带隙效应,在输出续接波导处会观测到图7所示的透射谱。透射谱上发生凹陷的频率随着外加电场引发硅光子晶体波导的折射率的变化而变化,从而在特定频率上实现宽带光开关功能。
本实施例通过设计光子晶体波导结构,实现光通信波段(波长1微米至2微米)特定波长光信号的阵列开关功能,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。利用光子晶体波导的截止模式对通光损耗的调控,通过引入低群折射率耦合波导能够降低器件的插入损耗。实现利用光子晶体波导的带隙缺陷模式耦合产生的微带隙对通光损耗的调控。
实施例4
如图3所示,选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片,其中的二氧化硅层厚度为3μm,上部的硅厚220nm。如图8所示,采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺,在最上层硅平板3上制作出带有双槽的缺陷宽度为2W0的二维硅光子晶体波导7和续接波导9。单个光子晶体波导的图形结构如图8所示,。利用等离子体增强化学气相沉积法在表面沉淀一层二氧化硅隔离层4,最后依次用光刻、蒸镀与湿法剥离的方式制备钛金属电极结构5、铝金属电极结构6。由各个光开关的输入续接波导9导入的光场,通过带有双槽的缺陷宽度为2W0的二维硅光子晶体波导10时由于微带隙效应,在输出续接波导处会观测到图9所示的透射谱。透射谱上发生凹陷的频率随着外加电场引发二维硅光子晶体波导的折射率的变化而变化,从而在特定频率上实现光开关功能。
本实施例通过设计光子晶体波导结构,实现光通信波段(波长1微米至2微米)特定波长光信号的阵列开关功能,能够增强大调控功率调控下电极的稳定性。利用光子晶体波导的截止模式对通光损耗的调控,通过引入低群折射率耦合波导能够降低器件的插入损耗。实现利用光子晶体波导的带隙缺陷模式耦合产生的微带隙对通光损耗的调控。
本发明结合光子晶体波导的带隙效应(包括宽光子晶体波导的带隙缺陷模式耦合效应,窄光子晶体波导的慢光效应和频率截止效应),利用硅基材料的热光效应,实现了超小尺寸下的可集成光开关。当然,本发明还可以有其他多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于光子晶体波导的阵列化光开关,其特征在于,包括:
硅衬底,用于承载整个器件结构;
二氧化硅衬底,覆盖于所述硅衬底上,用于隔离所述硅衬底与硅平板;
所述硅平板,位于所述二氧化硅衬底上,用于形成二维硅光子晶体波导、多模干涉波导、续接波导;
二氧化硅隔离层,位于所述硅平板上方,并填充于所述二维硅光子晶体波导的孔内,用于隔离所述二维硅光子晶体波导与钛金属平板电极,提供光隔离与电绝缘;
所述钛金属平板电极,位于所述二氧化硅隔离层上,用于加热所述二维光子晶体波导;
所述二维硅光子晶体的孔的直径、孔的排列周期的设定方法为,在所述二维硅光子晶体中除去一行空气孔并调节波导宽度形成直通波导,所述直通波导的宽度调节范围为0.1W0~3.0W0;在所述直通波导加入横向对称分布的纵向细槽形成双槽波导,所述双槽波导的槽宽调节范围为0.1r~3r,r为空气孔的半径,所述双槽波导的宽度调节范围为0.1W0~3.0W0,W0为普通单行线缺陷的宽度,W0=1.732a,a为晶格周期。
2.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述钛金属平板电极的左侧及右侧为电极连接点,所述钛金属平板电极的中部为发热部分,所述发热部分覆盖所述二维硅光子晶体波导的光子晶体区。
3.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述钛金属平板电极上方覆盖铝金属电极,所述铝金属电极厚度为300nm~1μm。
4.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成所述二维硅光子晶体波导、所述多模干涉波导及所述续接波导。
5.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述多模干涉波导用于实现光信号分束,所述多模干涉波导末端从不同的续接波导输出,所述续接波导位于所述二维硅光子晶体波导与所述多模干涉波导的输入端及输出端,用以传输光信号,所述续接波导宽度与所述硅平板上的低群折射率波导相同。
6.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述二氧化硅隔离层的厚度为600nm~1μm。
7.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述钛金属平板电极的厚度为100nm~200nm。
8.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述二维硅光子晶体波导形成的波导结构包括圆孔阵列,线缺陷。
9.根据权利要求1所述的光开关,其特征在于,所述二维硅光子晶体波导形成的波导结构具有光子带隙效应。
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2013
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