CN109445132B - 一种基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，包括SOI基片，SOI基片上沿水平方向设置有平行分布的输入硅波导和输出硅波导，特点是输出硅波导的上表面沿长度方向设置有相变材料GST波导层，GST波导层位于耦合区域内且均匀的分为N段，每一段均能工作在晶态或非晶态状态，其中N为3‑20内的任意自然数，耦合器通过改变处于晶态和非晶态的GST波导层的段数实现任意比例的功率耦合，优点是便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较低的插入损耗以及输出功率可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种非易失性可调谐耦合器，尤其是涉及一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器。
背景技术
基于绝缘体上硅（SOI）的光子器件由于其紧凑性以及与成熟的CMOS工艺的兼容性而备受关注，这使得其成本较低，而且具备大规模集成的潜力。由于其超高的折射率差和亚微米的结构尺寸使得基于SOI平台的集成光学器件往往是偏振相关的。方向耦合器是光子集成电路中最重要的器件之一，因为它具有分光和组合光的能力。得益于绝缘体上硅结构的简单和易于设计的特性，方向耦合器已经广泛应用于光开关、光功率分配器以及偏振处理器件。
特别地，可调谐的方向耦合器是一种分光比可动态调节的光子器件，在可编程光子回路具中有重要的应用价值。可编程光学回路借助电子芯片领域的现场可编程门阵列（FPGA）的概念，并将其应用于集成光学领域。其核心的编程单元可通过外接电路或者光路调节其分光比，实现可调谐的光功率耦合或者简单的cross或者bar态光开关。现有的可编程性光子回路中的编程单元依赖于电光或是热光效应。然而，这两种效应均会导致极小的折射率差（Δn < 0.01），进而导致器件具有很大的尺寸（毫米 × 毫米），以及较高的能量消耗（一般为几毫瓦）。而且调节机制是易失性的，需要持续的能量供给才能保持可编程的光学状态。
自从Ge2Sb2Te5(GST)相变材料被发现以来，在电子、物理、材料等领域都得到了广泛的应用。特别是在光存储领域获得了非常成功的商业化应用。相变材料GST具有优良的光学特性和电学特性。在晶态和非晶态特性差异巨大、纳秒级的相态转变速度以及不需要额外能量供给即可保持相态稳定，这些优点使得相变材料GST成为新型光调制器的理想候选材料。目前，国内外还没有公开任何关于基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器的相关研究报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较低的插入损耗以及输出功率可调的基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，包括SOI基片，所述的SOI基片上沿水平方向设置有平行分布的输入硅波导和输出硅波导，所述的输出硅波导的上表面沿长度方向设置有相变材料GST波导层，所述的GST波导层位于耦合区域内且均匀的分为N段，每一段均能工作在晶态或非晶态状态，其中N为3-20内的任意自然数。
所述的耦合器通过改变处于晶态和非晶态的GST波导层的段数实现任意比例的功率耦合。
所述的SOI基片包括一层厚度为 220 nm的硅衬底和一层厚度为 3 μm的二氧化硅层，所述的二氧化硅层设置在所述的硅衬底上表面，所述的输入硅波导和所述的输出硅波导设置在所述的二氧化硅层的上表面。
在耦合区域内所述的输入硅波导与所述的输出硅波导之间的间距为 150 nm。
所述的输入硅波导厚度为 220 nm、宽度为 450 nm，所述的输出硅波导的厚度为220 nm，宽度为 450 nm。
所述的GST波导层首尾长度等于耦合区长度，每段所述的GST波导层的厚度为 20nm，相邻段的所述的GST波导层之间的间距大于10nm。
所述的GST波导层在耦合区域内均匀的分为5段。
所述的可调耦合器的耦合长度为 24 μm。
基于相变材料的非易失性可调方向耦合器工作原理：利用了相变材料GST在非晶态、晶态下具有差异较大的折射率。当GST为非晶态时，其折射率较小。此时输入的TE偏振光满足相位匹配条件，并与GST/Si组成的混合波导发生较强耦合，最终从输出波导的cross端输出。当GST从非晶态转换为晶态时，折射率急剧增大，此时输入的TE偏振光不再满足相位匹配条件，即不再与相邻的混合波导发生耦合，最终从输入波导的bar端输出。即当N个GST段全部工作在非晶态时，输入的TE偏振光会耦合到输出波导进行输出；当N个GST段全部工作在晶态时，输入的TE偏振光不会与输出波导发生耦合，从输入波导的bar端输出。当改变处于晶态和非晶态的GST段的数量时，可以实现任意比例的功率耦合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开了一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，该耦合器由输入硅波导、输出硅波导和GST波导组成。相变材料GST分布于输出Si波导的上层，与输出Si波导一起可视为混合波导。当通过电或者光施加不同的脉冲信号激励相变材料GST时，GST相态发生相应的转变，以致混合波导的折射率也会随之发生改变，引起输出光信号的变化，通过控制GST波导层中处于晶态与非晶态的数量，可以在波导的bar端口和cross端口获得任意比例的功率分配，最终实现光信号的功率分配。优点如下：
1、与传统的耦合器相比，基于相变材料的新型可调耦合器具有较大的折射率差，极大地缩小了器件尺寸，使得器件结构更加紧凑，耦合长度仅为 24 μm，便于片上集成。此外，整个器件制作简单并且兼容CMOS工艺，有利于实现产业化。
2、相变材料GST在不同相态的转换速度快（纳秒级），使得新型可调谐耦合器具有较高的调制速率。
3、基于相变材料的非易失性可调谐耦合器，相变材料GST在晶态、非晶态下无需额外的能量供给，即可保证相态的稳定性。只在相变材料相态转换时消耗能量，且能量消耗极低为J/bit量级，器件极低的能量消耗符合器件向低功耗发展的趋势。
4、基于相变材料的非易失性可调谐耦合器的工作带宽大于C波段，在整个C波段的波长范围内有较低的插入损耗，具有广阔应用前景。
综上所述，本发明基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器，该方向耦合器具有便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较低的插入损耗和任意的功率分配比等特点。此外，该器件的制作简单，兼容CMOS工艺，有利于实现产业化，非常适合运用于集成光子线路中的可编程逻辑控制器件，具有广阔的发展与应用前景。
附图说明
图 1为本发明基于相变材料的非易失性可调方向耦合器的结构示意图；
图 2为本发明中GST段在不同状态下的归一化功率；
图 3为本发明可调方向耦合器的具体制作流程。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例
一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，包括SOI基片，由图1所示，SOI基片上沿水平方向设置有平行分布的输入硅波导1和输出硅波导2，输出硅波导2的上表面沿长度方向设置有GST波导层3，GST波导层3位于耦合区域内且均匀的分为N段，每一段均能工作在晶态或非晶态状态，其中N为3-20内的任意自然数。该耦合器通过改变处于晶态和非晶态的GST波导层3的段数实现任意比例的功率耦合。
在此具体实施例中，SOI基片包括一层厚度为 220 nm的硅衬底4和一层厚度为 3μm的二氧化硅层5，二氧化硅层5设置在硅衬底4上表面，输入硅波导1和输出硅波导2设置在二氧化硅层5的上表面。在耦合区域内输入硅波导1与输出硅波导2之间的间距为 150 nm，输入硅波导1厚度为 220 nm、宽度为 450 nm，输出硅波导2的厚度为 220 nm，宽度为 450nm。GST波导层3首尾长度等于耦合区长度，每段GST波导层3的厚度为 20 nm，相邻段的GST波导层3之间的间距大于10nm，GST-on-Silicon的混合波导的有效折射率应该与输入波导的有效折射率相等，此时满足相位匹配条件，由此来确定GST层的宽度（高度20nm的情况下）；可调耦合器的耦合长度为 24 μm。
GST波导层3从非晶态到晶态转换，可以通过施加适当电脉冲或光脉冲激励加热GST，使其温度高于其结晶温度（413K）并低于其熔点（819Ｋ）实现。GST波导层3从晶态转换到非晶态，可以通过施加适当电脉冲或光脉冲激励加热GST，使其温度高于其熔点（819K）并迅速骤冷实现。GST相态的变化引起由输出硅波导2层和GST波导层3组成的混合波导的折射率变化，进而导致输出光信号的变化，从而实现对光信号耦合强度的调制。
例如，GST波导层3在耦合区域内均匀的分为5段，当5个GST段全部工作在非晶态时，输入的TE偏振光会耦合到输出波导进行输出；当5个GST段全部工作在晶态时，输入的TE偏振光不会与输出波导发生耦合，从输入波导的bar端输出。当改变处于晶态和非晶态的GST段的数量时（1个晶态+4个非晶态，2个晶态+3个非晶态，3个晶态+2个非晶态，4个晶态+1个非晶态），可以实现任意比例的功率耦合，如图2所示。除该例子外，GST波导层3在耦合区域内还可以均匀的分为3-20内的其它段数。
整个相变材料的非易失性可调方向耦合器的详细制作过程如图3所示，具体步骤如下：
1. 首先清洗标准SOI基片，烘干；
2. 第一次旋涂电子胶；
3. 进行第一轮电子束光刻，在电子胶上形成波导图形；
4. 进行刻蚀，将电子胶上的图形转移到SOI基片的器件层中；
5. 第二次在样品上旋涂电子胶，进行第二轮电子束光刻，形成GST沉积的窗口；
6. 利用磁控溅射沉积相变材料GST波导层3，通过剥离法得到器件。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范畴。
Claims (5)
1.一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，包括SOI基片，所述的SOI基片上沿水平方向设置有平行分布的输入硅波导和输出硅波导，TE偏振光由输入硅波导输入，其特征在于：所述的输出硅波导的上表面沿长度方向设置有相变材料GST波导层，所述的GST波导层位于耦合区域内且均匀的分为N段，每一段均能工作在晶态或非晶态状态，这样的相态变化能够相应改变相变材料GST和输出硅波导共同构成的混合波导的折射率，使得输入的TE偏振光对应的不满足或满足相位匹配条件，与混合波导不耦合或耦合，从而引起输出光信号的变化，其中N取值为3-20内的任意自然数，所述的耦合器通过改变处于晶态和非晶态的GST波导层的段数实现TE偏振光任意比例的功率耦合，在耦合区域内所述的输入硅波导与所述的输出硅波导之间的间距为150nm，所述的GST波导层首尾长度等于耦合区长度，每段所述的GST波导层的厚度为20nm，相邻段的所述的GST波导层之间的间距大于10nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，其特征在于：所述的SOI基片包括一层厚度为220nm的硅衬底和一层厚度为3μm的二氧化硅层，所述的二氧化硅层设置在所述的硅衬底上表面，所述的输入硅波导和所述的输出硅波导设置在所述的二氧化硅层的上表面。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，其特征在于：所述的输入硅波导厚度为220nm、宽度为450nm，所述的输出硅波导的厚度为220nm，宽度为450nm。
4.根据权利要求3所述的一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，其特征在于：所述的GST波导层在耦合区域内均匀的分为5段。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，其特征在于：所述的可调耦合器的耦合长度为24μm。
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| Design of ultra-low insertion loss active transverse electric-pass polarizer based Ge2Sb2Te5 on silicon waveguide;Yipeng Song etc.;《Optics Communications》;20180518;正文第1-2部分，图1 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109445132A (zh) | 2019-03-08 |
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Legal Events
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