CN111999802B - 一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法，属于光子器件领域，集成光子器件的多模波导包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元，N和M均为正整数；每个逻辑单元包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个逻辑单元为亚波长尺寸结构。通过调节每个逻辑单元的调谐状态，在亚波长尺度调控器件折射率的分布，实现不同功能的光子器件。将相变材料与类光子晶体结构相结合，利用相变材料的非易失性、可重构特性，以及利用类光子晶体结构亚波长尺度的光场调控能力，实现非易失、可编程的超小型集成光子器件，降低器件尺寸及能耗，具有更多的调谐功能，从而实现不同功能用途。

Description

一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法

技术领域

本发明属于光子器件领域，更具体地，涉及一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法。

背景技术

随着高性能计算和高速互连的发展，铜线逐渐无法满足高速数据传输的需求。全光互连具有大带宽和长距离传输的优点，被认为是一种有前途的解决方案。为实现低成本的全光互连，集成光子器件已成为学术界和工业界的热门研究领域。硅基集成光子器件具有高度集成化以及能和COMS 平台兼容的特性，是光电子领域最热门的研究方向之一。如何在有限面积上集成更多器件，实现器件间的智慧互联，并降低芯片能耗，是硅基光子领域的一项重大挑战。因此，实现一种非易失可编程的超小型集成光子器件至关重要。

现有技术中，可调谐光子器件主要通过电光效应和热光效应实现。通过加热或者电注入的方式改变材料的有效折射率，从而控制光场分布。电光效应和热光效应引起的材料折射率改变较小，因此，基于这两种效应的器件尺寸通常较大。此外，电光效应和热光效应具有易失性，即使在不调谐时，也需要额外的能量注入来维持既有状态，因此，基于这两种效应的器件能耗较高。现有可调谐光子器件通常只有少数几个设计参量，可重构的功能较为单一，不利于实现器件间的智慧互联。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法，其目的在于实现非易失、可编程的超小型集成光子器件，并使器件具有更多的功能以及更低的能耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非易失可编程的集成光子器件，所述集成光子器件的多模波导包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元11，N和M均为正整数；每个所述逻辑单元包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在所述凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个所述逻辑单元为亚波长尺寸结构。

更进一步地，所述相变材料为VO₂、GST或GSST。

更进一步地，所述凹槽为圆柱形凹槽或矩形凹槽。

更进一步地，每个所述逻辑单元的尺寸不大于λ/2，其中，λ为所述集成光子器件的工作波长。

更进一步地，所述逻辑单元的调谐状态包括所述相变材料的晶态、非晶态和中间态，所述逻辑单元的调谐方式为电加热或激光加热。

更进一步地，所述集成光子器件还包括衬底、二氧化硅氧化层、输入波导、第一输出波导、第二输出波导和亚波长光栅结构；所述二氧化硅氧化层位于所述衬底的两侧区域上；所述亚波长光栅结构位于所述二氧化硅氧化层上，并连接支撑所述多模波导、输入波导、第一输出波导以及第二输出波导，使得所述多模波导、输入波导、第一输出波导以及第二输出波导悬空。

更进一步地，所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导的有效折射率与所述亚波长光栅结构有效折射率之间的差值均大于预设值。

更进一步地，所述第一输出波导和第二输出波导轴对称。

按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的非易失可编程的集成光子器件的设计方法，包括：S110，随机设置所述集成光子器件中N×M 个逻辑单元的初始调谐状态；S120，改变任一逻辑单元的调谐状态，根据所述集成光子器件在状态改变后的目标函数与状态改变前的目标函数，确定是否保留所述任一逻辑单元的状态改变；S130，重复执行操作S120，以对每个逻辑单元的调谐状态进行调节；S140，重复执行所述操作S120-操作 S130，直至最后一次执行所述操作S120-操作S130时，每次状态改变时目标函数变化量均小于预设阈值。

更进一步地，所述操作S120包括：仿真获取状态改变前所述集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变前的多个性能参数计算状态改变前的目标函数；改变任一逻辑单元的调谐状态，仿真获取状态改变后所述集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变后的多个性能参数计算状态改变后的目标函数；当状态改变后的目标函数优于状态改变前的目标函数时，保留所述任一逻辑单元的状态改变，否则，将所述任一逻辑单元恢复为状态改变前的状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)将相变材料与类光子晶体结构相结合，利用相变材料的非易失性、可重构特性，以及利用类光子晶体结构亚波长尺度的光场调控能力，实现非易失、可编程的超小型集成光子器件，降低器件能耗；

(2)将多模波导设置成包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元，提高了器件的设计自由度，使得器件具有更多的功能；

(3)在硅长方体结构中设置凹槽，将相变材料填充在凹槽中所形成的逻辑单元结构，使得可以在亚波长尺度对光场进行调控，从而实现了小尺寸的可调器件；

(4)利用亚波长光栅结构支撑多模波导、输入波导以及输出波导，形成悬空波导结构，避免二氧化硅吸收光场，降低传输损耗，提高器件性能。

附图说明

图1为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件的结构示意图；

图2为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件中逻辑单元的结构示意图；

图3为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件的设计方法的流程图；

图4A-4D分别为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件在不同功分比下的输出功率示意图；

图5A-5D分别为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件在不同功分比下输出波导侧的光场强度分布示意图；

图6A-6B分别为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件在不同入射光波长下输出波导侧的光场强度分布示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为多模波导，11为逻辑单元，2为衬底，3为二氧化硅氧化层，4为输入波导，5为第一输出波导，6为第二输出波导，7为亚波长光栅结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件的结构示意图。参阅图1，结合图2，对本实施例中的非易失可编程的集成光子器件(以下称为集成光子器件)进行详细说明。

集成光子器件包括多模波导1。多模波导1用于对输入光束进行多模传输。不同折射率分布的多模波导1可以使集成光子器件实现不同功能，例如实现任意比功分器、波分复用器的功能等。

本发明实施例中，多模波导1包括N×M个逻辑单元11，每个逻辑单元11的调谐状态可独立调节，N和M均为正整数，N和M既可以相同，也可以不同。该N×M个逻辑单元11形成为一个N行M列的阵列结构， N和M均为10时，形成的多模波导1如图1所示。本实施例中，可以根据集成光子器件的功能及应用场景需求设计N和M的值，在保证集成光子器件性能满足要求的基础上，避免N和M值过大而增大器件尺寸。优选地，多模波导1包括20×20个逻辑单元11，即N和M均为20。

参阅图2，每个逻辑单元11包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构，以及包括填充在凹槽中且材料为相变材料的填充结构。每个逻辑单元11均为亚波长尺寸结构，以在亚波长尺度调控集成光子器件的折射率分布。其中，亚波长尺寸结构是指逻辑单元11的尺寸远小于集成光子器件的工作波长。

本发明实施例中，每个逻辑单元11的尺寸不大于λ/2，其中，λ为集成光子器件的工作波长。优选地，长方体结构的长度和宽度例如均为800nm，长方体结构的高度例如为1.4μm。其中，长方体结构高度方向是指与输入光束传输方向相垂直的方向。凹槽为圆柱形凹槽或矩形凹槽。以图2中示出的圆柱形凹槽为例，利用硅材料形成多模波导1对应的长方体结构，其长度为逻辑单元11中长方体结构长度的M倍，其宽度为逻辑单元11中长方体结构宽度的N倍，其深度与逻辑单元11中长方体结构的深度相同；从多模波导1对应长方体结构的上表面指定位置处向下挖N×M个圆柱形凹槽，这N×M个圆柱形凹槽均匀分布在多模波导1对应长方体结构中；分别在这N×M个凹槽中填满相变材料，以形成N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元11。优选地，圆柱形凹槽的圆孔直径例如为700nm，圆柱形凹槽的深度例如为700nm。其中，圆柱形凹槽的深度与长方体结构高度处于同一方向。

本发明实施例中，相变材料为二氧化钒(VO₂)、GST或GSST。GST 是指含有锗(Ge)、锑(Sb)、碲(Te)元素的相变材料合金。GSST是指含有锗(Ge)、锑(Sb)、硒(Se)和碲(Te)元素的相变材料合金。优选地，相变材料为 Ge₂Sb₂Se₄Te₁。

相变材料具有晶态、非晶态和中间态，通过电加热或激光加热的方式调节相变材料的状态，使得其对应逻辑单元11工作在晶态或非晶态，以改变其对应逻辑单元11的折射率，即调节其对应逻辑单元11的调谐状态，从而在亚波长尺度调控多模波导1的折射率分布，实现不同功能的集成光子器件。

集成光子器件还包括衬底2、二氧化硅氧化层3、输入波导4、第一输出波导5、第二输出波导6和亚波长光栅结构7。

衬底2位于底层。二氧化硅氧化层3设置在衬底2上，具体地，二氧化硅氧化层3分为两个独立部分，这两个独立部分分别位于衬底2两侧的区域上，使得两侧区域之间的衬底2上方处于空置状态。亚波长光栅结构7 包括位于二氧化硅氧化层3上的固定部分和一端与该固定部分连接的亚波长光栅，亚波长光栅的另一端连接多模波导1、输入波导4、第一输出波导 5和第二输出波导6，以对多模波导1、输入波导4、第一输出波导5和第二输出波导6进行支撑，使得多模波导1、输入波导4、第一输出波导5和第二输出波导6下方悬空，从而形成悬空波导结构。

本实施例中，集成光子器件的工作波段为中红外波段，利用形成的悬空波导结构，可以避免二氧化硅吸收光场而降低传输损耗，提高器件性能。器件制备过程中，利用亚波长光栅结构7支撑多模波导1、输入波导4、第一输出波导5和第二输出波导6，并利用亚波长光栅作为湿法腐蚀通道，刻蚀多模波导1、输入波导4、第一输出波导5和第二输出波导6下方的二氧化硅氧化层2，使得二氧化硅氧化层2仅包括位于衬底2两侧区域上的两个部分，从而形成悬空波导结构。

本发明实施例中，输入波导4、第一输出波导5、第二输出波导6的有效折射率与亚波长光栅结构7的有效折射率之间的差值均大于预设值。可以根据集成光子器件的功能及应用场景需求设计预设值，使得亚波长光栅结构7中的亚波长光栅的有效折射率远远小于输入波导4、第一输出波导5 以及第二输出波导6的有效折射率。优选地，亚波长光栅的周期例如为 1150nm，占空比例如为21.7％。

输入波导4、第一输出波导5、第二输出波导6的宽度相同，例如均为 3μm。第一输出波导5与第二输出波导6为轴对称结构，且二者之间的间隔例如为6μm。

图3为本发明提出的非易失可编程的集成光子器件的设计方法的流程图。非易失可编程的集成光子器件的设计方法包括操作S110-操作S140。

操作S110，随机设置集成光子器件中N×M个逻辑单元11的初始调谐状态。将每个逻辑单元11中相变材料的状态随机设置为晶态或非晶态，以随机设置每个逻辑单元11的初始调谐状态。

操作S120，改变任一逻辑单元11的调谐状态，根据集成光子器件在状态改变后的目标函数与状态改变前的目标函数，确定是否保留该任一逻辑单元11的状态改变。

具体地，操作S120包括子操作S121-子操作S123。

在子操作S121中，仿真获取状态改变前集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变前的多个性能参数计算状态改变前的目标函数。

以集成光子器件为功分器为例，仿真获取状态改变前功分器两个输出端口的透过率，根据这两个输出端口的透过率计算功分器的插损和两个输出端口的功率比值，并根据插损、功率比值及其对应的权重因子计算状态改变前功分器的目标函数。

当集成光子器件为波分复用器时，仿真获取状态改变前不同波长输入时波分复用器的插损和串扰，并根据插损、串扰及其对应的权重因子计算状态改变前波分复用器的目标函数。

在子操作S122中，改变任一逻辑单元11的调谐状态，仿真获取状态改变后集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变后的多个性能参数计算状态改变后的目标函数。

以该任一逻辑单元11的初始调谐状态为晶态为例，则将该任一逻辑单元11的调谐状态更改为非晶态，从而改变该任一逻辑单元11的折射率。仍以集成光子器件为功分器为例，仿真获取状态改变后功分器两个输出端口的透过率，根据这两个输出端口的透过率计算功分器的插损和两个输出端口的功率比值，并根据插损、功率比值及其对应的权重因子计算状态改变后功分器的目标函数。

在子操作S123中，当状态改变后的目标函数优于状态改变前的目标函数时，保留该任一逻辑单元11的状态改变，否则，将该任一逻辑单元11 恢复为状态改变前的状态。

当状态改变后的目标函数更接近预期目标函数时，表明器件性能得到改善，则保留该任一逻辑单元11的状态改变；当状态改变后的目标函数更偏离预期目标函数时，表明器件性能变差，则将该任一逻辑单元11恢复为状态改变前的状态，以协同优化功分器的插损和功率比值。对于功分器而言，可以根据功分器的期望插损和期望功率比值设置预期目标函数。

操作S130，重复执行操作S120，以对每个逻辑单元11的调谐状态进行调节。

本实施例中，优选地，从第一个逻辑单元11开始调节，并依次调节多模波导1中的其他逻辑单元11，以对所有逻辑单元11遍历一次。

操作S140，重复执行操作S120-操作S130，直至最后一次执行操作S120- 操作S130时，每次状态改变时目标函数变化量小于预设阈值。

对所有逻辑单元11遍历一次后，一轮迭代结束，回到第一个逻辑单元 11，重复执行操作S120-操作S130，开始下一轮迭代，直至最后一轮迭代时，每次状态改变对应的目标函数变化量小于预设阈值。仍以功分器为例，最后一轮迭代时，每次状态改变对应的器件插损变化量和功率比值变化量小于预设阈值。本实施例中，可以根据具体集成光子器件的功能及应用场景需求设计预设阈值，以保证最后一轮迭代时，器件性能不再有明显改善，从而完成集成光子器件的设计。

实际生产时，利用激光加热或电加热的方式调节各逻辑单元11中相变材料的状态，使得各逻辑单元11的调谐状态与上述设计方法所设计的多模波导1中各个逻辑单元11的调谐状态相同。

本实施例中的集成光子器件例如可以实现任意比功分器的功能。如图 4A中所实现的功分比为1∶1的功分器，其插损为1.3dB，其对应的光场强度分布如图5A所示。如图4B中所实现的功分比为2∶1的功分器，其插损为1.6dB，其对应的光场强度分布如图5B所示。如图4C中所实现的功分比为3∶1的功分器，其插损为2dB，其对应的光场强度分布如图5C所示。如图4D中所实现的功分比为1∶0的功分器，其插损为2.2dB，其对应的光场强度分布如图5D所示。参阅图4A-5D，可以看出，本实施例中集成光子器件的分光比满足需求。

本实施例中的集成光子器件例如还可以实现波分复用器的功能，可以将两种不同波长的光分开。当入射光波长为6μm时，光从第一输出波导5 输出，其对应的光场强度分布如图6A所示。当入射光波长为7.67μm时，光从第二输出波导6输出，其对应的光场强度分布如图6B所示。参阅图 6A-6B，可以看出，本实施例中集成光子器件可以实现良好的波分复用功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述集成光子器件的多模波导(1)包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元(11)，N和M均为正整数；

每个所述逻辑单元(11)包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在所述凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个所述逻辑单元(11)为亚波长尺寸结构，通过调节所述相变材料的状态以使相应逻辑单元(11)工作在晶态或非晶态；

通过独立调节各所述逻辑单元(11)的调谐状态，以在亚波长尺度调控所述多模波导(1)的折射率分布，实现不同功能的集成光子器件的动态可调，所述不同功能包括任意比功分器功能和波分复用器功能。

2.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述相变材料为VO₂、GST或GSST。

3.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，每个所述逻辑单元(11)的尺寸不大于λ/2，其中，λ为所述集成光子器件的工作波长。

4.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述凹槽为圆柱形凹槽或矩形凹槽。

5.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述逻辑单元(11)的调谐状态包括所述相变材料的晶态、非晶态和中间态，所述逻辑单元(11)的调谐方式为电加热或激光加热。

6.如权利要求1-5任一项所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述集成光子器件还包括衬底(2)、二氧化硅氧化层(3)、输入波导(4)、第一输出波导(5)、第二输出波导(6)和亚波长光栅结构(7)；

所述二氧化硅氧化层(3)位于所述衬底(2)的两侧区域上；

所述亚波长光栅结构(7)位于所述二氧化硅氧化层(3)上，并连接支撑所述多模波导(1)、输入波导(4)、第一输出波导(5)以及第二输出波导(6)，使得所述多模波导(1)、输入波导(4)、第一输出波导(5)以及第二输出波导(6)悬空。

7.如权利要求6所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述输入波导(4)、第一输出波导(5)、第二输出波导(6)的有效折射率与所述亚波长光栅结构(7)的有效折射率之间的差值均大于预设值。

8.如权利要求6所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述第一输出波导(5)和第二输出波导(6)轴对称。

9.如权利要求1-8任一项所述的非易失可编程的集成光子器件的设计方法，其特征在于，包括：

S110，随机设置所述集成光子器件中N×M个逻辑单元(11)的初始调谐状态；

S120，改变任一逻辑单元(11)的调谐状态，根据所述集成光子器件在状态改变后的目标函数与状态改变前的目标函数，确定是否保留所述任一逻辑单元(11)的状态改变；

S130，重复执行操作S120，以对每个逻辑单元(11)的调谐状态进行调节；

S140，重复执行所述操作S120-操作S130，直至最后一次执行所述操作S120-操作S130时，每次状态改变时目标函数变化量均小于预设阈值。

10.如权利要求9所述的非易失可编程的集成光子器件的设计方法，其特征在于，所述操作S120包括：

仿真获取状态改变前所述集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变前的多个性能参数计算状态改变前的目标函数；

改变任一逻辑单元(11)的调谐状态，仿真获取状态改变后所述集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变后的多个性能参数计算状态改变后的目标函数；

当状态改变后的目标函数优于状态改变前的目标函数时，保留所述任一逻辑单元(11)的状态改变，否则，将所述任一逻辑单元(11)恢复为状态改变前的状态。

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