CN110426865B - 在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关 - Google Patents

在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关 Download PDF

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Abstract

在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关涉及光通信技术领域，该热光开关包括：绝缘体上硅基体、单模入射波导、转角镜、楔形多模干涉波导、加热片和至少一个单模输出波导；绝缘体上硅基体由下至上依次为硅基底、二氧化硅绝缘层和硅层；单模入射波导、楔形多模干涉波导和至少一个单模输出波导都是在硅层表面一次性制备的；在单模入射波导的输出端设置转角镜，在转角镜的反射端制作楔形多模干涉波导，光信号从单模入射波导输入，经过转角镜界面全反射后，进入楔形多模干涉波导，通过任意一个单模输出波导输出信号。本发明在光纤通信和计算机数值通信中可作为一个单元用于构成大规模的矩阵光开关，也可以构成波长选择开关。

Description

在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的 热光开关
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关。
背景技术
当前，光通信网络要求超大信息量数据传输与处理，云计算对计算机的容量和速度也在提出越来越高的要求，现代计算机的数据计算、传输和存储使电子线路芯片承载超大信息量并由此引起的热能耗和电磁干扰是下一代计算机所面临的主要压力。光子学技术是解决这些问题最明智的选择，由光互连和光学线路开关实现数据存储与传输，是光学数据中心(Optical Datacenter)和数据通信(Datacom)的主要功能。因此，超高速低功耗微型光开关和矩阵光开关是达到以上要求的关键一个核心部件。我们知道，下一代(5G)光通信网络对光开关器件的要求是高速度、低功耗与高集成度，波导技术产品将逐渐发挥作用，而由此产生的高速光集成器件正在快速占领光网络市场。
目前，在绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)波导平台上基于自由载流子色散(free-carrier dispersion,FCD)电光调制波导的光子集成线路(opto-electroniccircuit,POEC)高速集成光电子器件引起了广泛的关注。从而，光网络中应用最广泛的部件-光开关、矩阵光开关及波长选择光开关虽然也得到了广泛的研究，但主要是基于麦克-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)和微环谐振器(Micro-ring resonator,MRR)结构作为光开关单元，然而光学干涉和电光调制本身所带来的缺陷是限制产品性能的主要因素，所以迄今为止尚未被广泛接受和应用。从而一个至关重要的结论是：基于SOI-POEC的微型高速光开关器件尚未在光交换系统中发挥出应有的优越性。比如，MZI结构的模拟型电光开关有FCD调制和SOI波导本身引起的光损耗和过长的器件结构等缺陷；MRR结构的数字式电光开关是对一个波长操作的，不可能作为宽带的矩阵光开关单元，所以在ROADM中的应用难度更大，从而成为发展单芯片硅基高速光网络开关矩阵与模块的桎梏。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，以解决背景技术中所述的当前光开关所面临的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，该热光开关包括：绝缘体上硅基体、单模入射波导、转角镜、楔形多模干涉波导、加热片和至少一个单模输出波导；所述绝缘体上硅基体由下至上依次为硅基底、二氧化硅绝缘层和硅层；所述单模入射波导、楔形多模干涉波导和至少一个单模输出波导都是在硅层表面一次性制备的；在所述单模入射波导的输出端设置转角镜，在转角镜的反射端制作楔形多模干涉波导，所述加热片设置在靠近转角镜的楔形多模干涉波导上表面处；光信号从单模入射波导输入，经过转角镜界面全反射后，进入楔形多模干涉波导，通过任意一个单模输出波导输出信号。
优选的，所述单模入射波导、楔形多模干涉波导和单模输出波导为脊型波导或者通道式波导。
优选的，所述转角镜为二氧化硅或氮化硅。
优选的，所述单模入射波导、楔形多模干涉波导和至少一个单模输出波导都是在硅膜表面通过光刻或者刻蚀，或者CMOS一次性制备。
优选的，所述加热片为电阻两极施加电压而成，材料为金属钛。
优选的，所述单模输出波导的个数为两个或者三个。
优选的，该热光开关还包括覆盖在绝缘体上硅基体、单模入射波导、转角镜、楔形多模干涉波导、加热片和至少一个单模输出波导整体上面的的二氧化硅或氮化硅包层。
优选的，所述绝缘体上硅基体中的二氧化硅绝缘层厚度为1-2微米，硅层的厚度为1-2微米。
本发明的有益效果是：本发明公开了在SOI波导转角镜中利用反射导模位移效应与多模干涉相匹配的数字式高速热光开关。该器件通过一波导转角界面使反射导模产生一个移动，进而与多模干涉波导结构相匹配，在热光折射率调制作用下实现输出信号对多个端口的选择，开关速度为几十微秒量级，开关功耗可达十几到几十毫瓦，器件面积可以在0.25-0.50平方毫米范围内。由于光开关功能是基于光导模在反射中具有量子化效果的空间位移和角度位移与MMI结构的量子化导波模式相结合过程，所以开关操作具有数字式开关效果。因此，将在光纤通信和计算机数值通信中可作为一个单元用于构成大规模的矩阵光开关，也可以构成波长选择开关。
附图说明
图1本发明在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关结构示意图。
图2本发明在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关俯视图。
图3本发明在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关级联结构示意图。
图4本发明单一转角镜结构引起的总输出位移对折射率调制量的依赖关系到理论模拟值图。
图5是本发明利用两个级联转角镜结构且只利用空间位移获得的实验结果。
图中：1、硅基底，2、二氧化硅绝缘层，3、硅层，4、单模入射波导，5、转角镜，6、楔形多模干涉波导，7a、第一单模输出波导，7b、第二单模输出波导，7c、第三单模输出波导，8、加热片，9、输入光信号，10、输出光信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，该热光开关包括：绝缘体上硅(SOI)基体、单模入射波导4、转角镜5、楔形多模干涉(MMI)波导6、加热片8和三个单模输出波导；所述SOI基体由下至上依次为硅基底1、二氧化硅绝缘层2和硅层3，其中二氧化硅绝缘层2的厚度为1-2微米，硅层3可以为单晶硅膜，其厚度为1-2微米；所述单模入射波导4、楔形多模干涉波导6和至少一个单模输出波导7都是在硅层3表面一次性制备的，可以选用光刻或者刻蚀，或者CMOS一次性制备而成，所以所述单模入射波导4、楔形多模干涉波导6和单模输出波导7的高度为0.3-0.5微米，其中所述单模入射波导4和单模输出波导的宽度为2-4微米，所述楔形多模干涉波导6的射入端宽度为2-8微米，输出端的宽度为10-20微米；所述单模入射波导4、楔形多模干涉波导6和单模输出波导为脊型波导或者埋入式通道式波导。所述单模入射波导4的输出端设置转角镜5，在导模反射端制作楔形多模干涉波导6，所述楔形多模干涉波导6的一个面紧密贴合所述转角镜5；所述加热片8设置在靠近转角镜5的楔形多模干涉波导6上表面处；所述转角镜5的材料为二氧化硅或氮化硅。入射光信号9从单模入射波导4输入，由于硅波导材料折射率远远大于转角镜5材料折射率，所以当输入光信号9进入单模输入波导4形成波导模式，也称为导模时，在转角镜5界面上满足全反射条件，而且临界角较小，经过转角镜5界面全反射后，进入楔形多模干涉波导6，通过第一单模输出波导7a输出信号。本实施例中，单模输出波导的个数为三个，分别为第一单模输出波导7a，第二单模输出波导7b，第三单模输出波导7c。所述加热片8材料为金属钛，在正负电极施加电压后形成电流，从而可以在波导通道处产生热量并从楔形多模干涉波导6层到硅基底1形成热流，该热流通过单晶硅层的热光效应改变这部分硅层3的折射率，从而改变了反射导模在界面上的古斯-汉欣空间位移和角度位移，结果输出信号从原来的第一单模输出波导7a可切换到第二单模输出波导7b或第三单模输出波导7c。
为了实现密封的效果，可以通过蒸镀或者溅射在绝缘体上硅基体、单模入射波导4、转角镜5、楔形多模干涉波导6、加热片8和第一单模输出波导7a，第二单模输出波导7b，第三单模输出波导7c上封装一层二氧化硅或氮化硅包层。
当一个输入光信号9输入到单模入射波导4通道时形成波导模式(也称导模)，然后传输到转角镜5界面，在波导材料转角镜5界面处形成全反射。这样，在不考虑界面反射损耗的条件下，反射导模的相位则发生变化。如果，输入光信号9是归一化的，则对于TE和TM模式的反射率则为：
其中θ为入射角，η＝Neff/nm，而Neff是单模输入波导4的有效折射率，nm是转角镜5材料折射率。
其中反射导模在反射面上有一个空间位移，称为古斯-汉欣(GH)空间位移，当反射导模的相位φ对入射角θ的偏导数为零时，即入射角θ必须对应一个有效折射率本征值，从而产生一个导模波函数的极限值，同时产生一个角度位移量。如果反射系数为r＝R·exp(iφ)，输入导模模式的传输常数为kin，高斯光束的束腰为wo，则方程(2a)和(2b)分别是定义空间位移和角度位移与反射导模相位之间的关系的，很明显它们分别对应函数lnr的虚部和实部：
我们知道，图1所示的结构中输入波导是单模的，所以有效折射率Neff是GH的角度位移的唯一本征值。
图2所示的是此光开关结构的俯视图，用于说明器件中各功能部件之间的关系。从中可以看出，光导模在输出端的总位移量ST受空间位移Δ和角度位移Θ影响，如果Lmmi是MMI结构的长度，则最后输出导模的总位移量为：
ST＝(Δ+LmmiΘ)/cosθ (3)
按方程(3)所决定的位移量，最后反射导模经过楔形多模干涉波导6结构后在一个单模输出波导出端形成输出信号10。在加热片8两端电极施加一个电压后形成电流，从而可以在波导通道处产生热量并从楔形多模干涉波导6到硅基底形成热流，该热流使这部分硅层3的折射率增加，从而改变了反射导模在界面上的古斯-汉欣空间位移和角度位移，即改变了方程(3)所定义的结果，从而输出信号从原来的输出波导切换到另一个。
在应用中为了实现对开关性能的进一步优化，或者为了测试实验的方便，图1和图2所示的基于单波导转角镜热光开关结构可以改进为图3所示的级联型双转角镜结构。这时，光反射导模在输出端的输出和热光调制对输出位置的控制能力和可优化的空间会大幅提高。
对于转角镜5材料为二氧化硅的光开关，选择单一转角镜5结构，由于光导模传输条件与GH位移条件只能满足空间位移，全反射临界角约39°，选择了三个入射角：44°、45°和46°，从而利用方程(3)获得了如图4所示的总位移量与折射率位移量的依赖关系图。
同样对于转角镜5材料为二氧化硅的光开关，选择级联双转角镜5结构，虽然光导模传输条件与GH位移条件还只能满足空间位移，选择了一个入射角45°，从而获得了如图5所示的光输出模式测试结果。

Claims (6)

1.在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，其特征在于，该热光开关包括：绝缘体上硅基体、单模入射波导、转角镜、楔形多模干涉波导、加热片和至少一个单模输出波导；所述绝缘体上硅基体由下至上依次为硅基底、二氧化硅绝缘层和硅层；所述单模入射波导、楔形多模干涉波导和至少一个单模输出波导都是在硅层表面通过光刻或者刻蚀，或者CMOS一次性制备的，所述单模入射波导、楔形多模干涉波导和单模输出波导为脊型波导或者通道式波导；在所述单模入射波导的输出端设置转角镜，在转角镜的反射端制作楔形多模干涉波导，所述加热片设置在靠近转角镜的楔形多模干涉波导上表面处，所述加热片为电阻两极施加电压而成，材料为金属钛；光信号从单模入射波导输入，经过转角镜界面全反射后，进入楔形多模干涉波导，通过任意一个单模输出波导输出信号；该热光开关还包括覆盖在绝缘体上硅基体、单模入射波导、转角镜、楔形多模干涉波导、加热片和至少一个单模输出波导整体上面的二氧化硅或氮化硅包层。
2.根据权利要求1所述的在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，其特征在于，所述转角镜的材料为二氧化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，其特征在于，所述单模输出波导的个数为两个或者三个。
4.根据权利要求1所述的在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，其特征在于，所述绝缘体上硅基体中的二氧化硅绝缘层厚度为1-2微米，硅层的厚度为1-2微米。
5.根据权利要求1所述的在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，其特征在于，所述单模入射波导和单模输出波导的高度为0.3-0.5微米，宽度为2-4微米。
6.根据权利要求1所述的在硅波导转角镜中利用导模反射位移效应与多模干涉效应的热光开关，其特征在于，所述楔形多模干涉波导的射入端宽度为2-8微米，输出端的宽度为10-20微米。
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