CN112946967A - 一种基于相变材料的2×4光波导开关 - Google Patents

一种基于相变材料的2×4光波导开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的2×4光波导开关，包括衬底和设置在衬底上的2×2第一级光开关单元和两个1×2并行的第三级光开关单元和第五级光开关单元；所述第一级光开关单元中的开断输出位置由第一开断结构控制，所述第一级光开关单元由第一波导(1)、第二波导(2)组成，第一开断结构由第三相变材料(3)和第四相变材料(4)组成；所述第三级光开关单元和第五级光开关单元中的开断输出位置分别由第二开断结构、第三开断结构控制。通过上述方式，本发明当切换复合波导中的相变材料的相态时，即可完成双通道选择输入和四路选通、模式切换的功能。具有高消光比、低插入损耗、尺寸小、信号切换速率快等特点。

Description

一种基于相变材料的2×4光波导开关
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及一种基于相变材料的2×4光波导开关。
背景技术
移动互联网、云计算、大数据处理技术的不断的发展前进，这对光通信的传输容量提出了一个新的要求，随着传输容量逐渐逼近香浓极限，寻找新的参数维度成为了新的研究热点，对于目前的光通信系统中，空间维度是一种尚未被有效利用的物理维度。同样，对于信息传输、处理的要求也越来越高。集成化、损耗小、功能多样化、抗干扰能力强成了光波导器件研发者的追求目标。模分复用系统作为一种可以显著提高传输容量的方法受到了广泛的关注，利用正交的空间模式为每个工作波长提供多个信号通道，为光网络提供了一个新的维度。为了能够在芯片上构建模分复用网络，需要模式多路复用器/解复器，模式滤波器，模式转换器，双模功率分配器，模式开关等等。一种可重构的模式复用/开关是模分复用网络中最基本，可集成化和可编程性成为实现片上光网络的全功能是必不可少的一部分，可以在多模式频道中自由的切换路由数据信号。
对于普通的基于马赫曾德尔干涉仪光开关，引起该干涉臂发生相移变化大多数是采用的电光调制，通过对干涉臂施加电压可以引起干涉臂的材料折射率的变化，从而可以使得干涉臂产生一个光学相位差，但是电光调制引起的折射率调制量很小，这就导致干涉臂变得很长，使得整体的器件的尺寸变得很大。该器件具有易失性，这就导致一直需要能量维持开关当前的状态。
随着技术的发展，一种新型的光学相变材料，逐渐的应用到光波导器件中，这种相变材料有两种状态：晶态和非晶态。当相变材料在晶态时，折射率大，消光系数大，当相变材料为非晶态时，折射率小，消光系数小，这种材料相变前后差异大，且非晶态与晶态之间转变具有非易失性，通过将该材料覆盖至硅波导上形成复合波导结构，切换相变材料的相态就可以切换光信号的传播。
目前常见的2×4光开关大多是都是机械式，其体积大、插入损耗大、切换光元件多、光路切换不稳定、重复性差等诸多问题。除此以为目前光开关体积较大，集成度不高，多应用于1×2，2×2的低端口切换系统，只能实现光在两个出射端口之间的光路转换，且不能实现模式之间的相互转换，应用到模分复用系统中需要额外的模阶转换器，这就导致器件尺寸大集成度和芯片的利用率都不高。因此有必要开发新的器件以及新的材料的触发机制去实现尺寸小且尽可能多的端口之间的数据切换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相变材料的2×4光波导开关，能够当切换复合波导中的相变材料的相态时，即可完成双通道选择输入和四路选通、模式切换的功能。具有高消光比、低插入损耗、尺寸小、信号切换速率快等特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于相变材料的2×4光波导开关，包括衬底和设置在衬底上的2×2第一级光开关单元和两个1×2并行的第一个第二级光开关单元和第二个第二级光开关单元；
所述第一级光开关单元中的开断输出位置由第一开断结构控制，所述第一个第二级光开关单元和第二个第二级光开关单元中的开断输出位置分别由第二开断结构、第三开断结构控制；
所述第一级光开关单元由第一波导、第二波导组成；
所述第一开断结构由第三相变材料和第四相变材料组成；
所述第一个第二级光开关单元由第五输出波导和第九输出波导组成；
所述第二开断结构由第六相变材料、第七相变材料和第八相变材料组成；
所述第二个第二级光开关单元由第十输出波导和第十二输出波导组成；
所述第三开断结构由第十一相变材料、第十三相变材料和第十四相变材料组成。
进一步的是，所述衬底是二氧化硅。
进一步的是，所述当第四相变材料为非晶态时，第一波导耦合至第三相变材料和第四相变材料为第一模式。
进一步的是，所述当第四相变材料为晶态时，第二波导耦合至第三相变材料和第四相变材料为第二模式。
进一步的是，所述第六相变材料为非晶态时，所述第一波导的第一模式将耦合第五输出波导中并转换为第二模式从第五输出波导端口输出。
进一步的是，所述当第六相变材料为晶态时，所述第一波导中的第一模式将耦合至第九输出波导中转换为第二模式从第九输出波导端口出射。
进一步的是，所述所述当第四相变材料为晶态时，第一模式将沿着第二波导传播，然后耦合至第十输出波导并转换为第二模式从第十输出波导端口出射。
进一步的是，所述第十三相变材料为非晶态时，第一模式模将耦合至第十二输出波导并转换为第二模式从第十二输出波导端口出射。
进一步的是，所述相变材料层厚度的范围是几十纳米–几百十纳米，相变材料为Ge、Sb、Te或Se元素组成的二元、三元或四元化合物。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于相变材料的2×4光波导开关，能够当切换复合波导中的相变材料的相态时，即可完成双通道选择输入和四路选通、模式切换的功能。具有高消光比、低插入损耗、尺寸小、信号切换速率快等特点。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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是本发明一种基于相变材料的2×4光波导开关的结构示意图；
图2是本发明一种基于相变材料的2×4光波导开关的俯视分模块图例；
图3是本发明一种基于相变材料的2×4光波导开关的仿真模拟结果图例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1至图3，本发明实施例包括：一种基于相变材料的2×4光波导开关，包括衬底15和设置在衬底15上的2×2第一级光开关单元Ⅰ和两个 1×2并行的第一个第二级光开关单元Ⅲ和第二个第二级光开关单元Ⅴ；
所述第一级光开关单元中Ⅰ的开断输出位置由第一开断结构Ⅱ控制，所述第一个第二级光开关单元Ⅲ和第二个第二级光开关单元Ⅴ中的开断输出位置分别由第二开断结构Ⅳ、第三开断结构Ⅵ控制；
所述第一级光开关单元Ⅰ由第一波导1、第二波导2组成；
所述第一开断结构Ⅱ由第三相变材料3和第四相变材料4组成；
所述第一个第二级光开关单元Ⅲ由第五输出波导5和第九输出波导9组成；
所述第二开断结构Ⅳ由第六相变材料6、第七相变材料7和第八相变材料 8组成；
所述第二个第二级光开关单元Ⅴ由第十输出波导10和第十二输出波导12 组成；
所述第三开断结构Ⅵ由第十一相变材料11、第十三相变材料13和第十四相变材料14组成。
进一步的是，所述衬底是二氧化硅。
进一步的是，所述当第四相变材料4为非晶态时，第一波导1耦合至第三相变材料3和第四相变材料4为第一模式。
进一步的是，所述当第四相变材料4为晶态时，第二波导2耦合至第三相变材料3和第四相变材料4为第二模式。
进一步的是，所述第六相变材料6为非晶态时，所述第一波导1的第一模式将耦合第五输出波导5中并转换为第二模式从第五输出波导5端口输出。
进一步的是，所述当第六相变材料6为晶态时，所述第一波导1中的第一模式将耦合至第九输出波导9中转换为第二模式从第九输出波导9端口出射。
进一步的是，所述所述当第四相变材料4为晶态时，第一模式将沿着第二波导2传播，然后耦合至第十输出波导10并转换为第二模式从第十输出波导 10端口出射。
进一步的是，所述第十三相变材料13为非晶态时，第一模式模将耦合至第十二输出波导12并转换为第二模式从第十二输出波导12端口出射。
本发明的具体实施例如下：
如图1所示，本发明一种基于相变材料的2×4光波导开关，由二氧化硅衬底15，四路输出硅波导第五输出波导5、第九输出波导9、第十输出波导 10和第十二输出波导12构成，所述第一级光开关单元由波导第一波导1、第二波导2和第三相变材料3和第四相变材料4组成。相变材料第四相变材料4 为非晶态时，模式1将沿着单模第一波导1传播，模式1耦合至第三相变材料 3和第四相变材料4。当所述的第五输出波导5、第六相变材料6、第七相变材料7、第八相变材料8和第九输出波导9组成的第一个第二级光开关单元Ⅲ中的相变材料第六相变材料6为非晶态时，单模第一波导1中的模式1将耦合第五输出波导5中并转换为模式2从第五输出波导5端口输出。当所述的第二级光开关中的相变材料第六相变材料6为晶态时，单模第一波导1中的模式1将耦合至第九输出波导9中，转换为模式2从第九输出波导9端口出射。当第一级光开关中的相变材料第四相变材料4为晶态时，模式1将沿着第二波导2传播，然后耦合至第十输出波导10并转换为模式2从第十输出波导 10端口出射。当所述的第九输出波导9、第十输出波导10、第十一相变材料 11、第十二输出波导12和第十三相变材料13组成的第二个第二级光开关中相变材料第十三相变材料13为非晶态时，模式1模将耦合至第十二输出波导 12并转换为模式2从第十二输出波导12端口出射。通过控制所述开关单元中相变材料的状态，实现四路开关选通的功能。
如图2所示，其中光波导开关包括由一个2×2的第一级光开关单元Ⅰ和两个并行的1×2的第二级光开关单元Ⅲ和第五级光开关单元V组成。第一级光开关中的开断输出位置由复合波导结构II控制。两个并行的第二级光开关单元中的开断输出位置分别由复合波导结构IV和VI组成。根据导模传输和倐逝波耦合的相位匹配条件，可以任意选择2×4路开关的输入-输出导通关系。
如图3所示，表明光在波导开关中进-出的8个通道中行进和选择模式。实例中选用的波长通道为光通信C波段。波导层是硅材料，衬底是二氧化硅，相变材料层厚度可以是几十纳米到几百十纳米，相变材料可以由Ge、Sb、Te 或Se元素组成的二元、三元或四元化合物，比如Ge2Sb2Te5、GeTe、GeSe、 Ge2Sb2Se4Te1等。该器件的一个设计的结果是，各光路的插入损耗均低于1dB，消光比大于20dB，器件的尺寸可以达到10微米×70微米。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于相变材料的2×4光波导开关，能够当切换复合波导中的相变材料的相态时，即可完成双通道选择输入和四路选通、模式切换的功能。具有高消光比、低插入损耗、尺寸小、信号切换速率快等特点。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于包括衬底(15)和设置在衬底(15)上的2×2第一级光开关单元(Ⅰ)和两个1×2并行的第一个第二级光开关单元(Ⅲ)和第二个第二级光开关单元(Ⅴ)；
所述第一级光开关单元中(Ⅰ)的开断输出位置由第一开断结构(Ⅱ)控制，所述第一个第二级光开关单元(Ⅲ)和第二个第二级光开关单元(Ⅴ)中的开断输出位置分别由第二开断结构(Ⅳ)、第三开断结构(Ⅵ)控制；
所述第一级光开关单元(Ⅰ)由第一波导(1)、第二波导(2)组成；
所述第一开断结构(Ⅱ)由第三相变材料(3)和第四相变材料(4)组成；
所述第一个第二级光开关单元(Ⅲ)由第五输出波导(5)和第九输出波导(9)组成；
所述第二开断结构(Ⅳ)由第六相变材料(6)、第七相变材料(7)和第八相变材料(8)组成；
所述第二个第二级光开关单元(Ⅴ)由第十输出波导(10)和第十二输出波导(12)组成；
所述第三开断结构(Ⅵ)由第十一相变材料(11)、第十三相变材料(13)和第十四相变材料(14)组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述衬底(15)是二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述当第四相变材料(4)为非晶态时，第一波导(1)耦合至第三相变材料(3)和第四相变材料(4)为第一模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述当第四相变材料(4)为晶态时，第二波导(2)耦合至第三相变材料(3)和第四相变材料(4)为第二模式。
5.根据权利要求1或4任一所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述第六相变材料(6)为非晶态时，所述第一波导(1)的第一模式将耦合第五输出波导(5)中并转换为第二模式从第五输出波导(5)端口输出。
6.根据权利要求1或4任一所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述当第六相变材料(6)为晶态时，所述第一波导(1)中的第一模式将耦合至第九输出波导(9)中转换为第二模式从第九输出波导(9)端口出射。
7.根据权利要求1或4任一所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述所述当第四相变材料(4)为晶态时，第一模式将沿着第二波导(2)传播，然后耦合至第十输出波导(10)并转换为第二模式从第十输出波导(10)端口出射。
8.根据权利要求1或4任一所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述第十三相变材料(13)为非晶态时，第一模式模将耦合至第十二输出波导(12)并转换为第二模式从第十二输出波导(12)端口出射。
9.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的2×4光波导开关，其特征在于：所述相变材料层厚度的范围是几十纳米–几百十纳米，相变材料为Ge、Sb、Te或Se元素组成的二元、三元或四元化合物。
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