CN113238397A - 一种用于片上网络互连的光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于片上网络互连的光开关，由二氧化硅衬底、开关波导和2个总线波导组成；开关波导由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成；2个总线波导均为硅层；开关波导和2个总线波导在二氧化硅衬底的上表面呈相互平行设置，且2个总线波导分别位于开关波导的两侧，2个总线波导与开关波导均存在间隙；开关波导的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导的氧化铟锡层与负电极相接。本发明具有尺寸小和功耗低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及片上网络技术领域，具体涉及一种用于片上网络互连的光开关。
背景技术
传统基于电互连的电片上网络(ENoC)，由于受到芯片中金属线远少于晶体管的数量的限制，因此存在数据信息交互延时长、功耗大和数据处理量少等不足。随着光子学技术的进展，基于光互连的光片上网络上(ONoC)应运而生。基于光互连的光片上网络上，利用光作为传输介质，具有能耗低、传输速率大和低时延等优点。
在基于光互连的光片上网络上中，光开关作为构成路由器的关键部件，其性能的优劣将直接影响路由器的性能，进而影响整个片上路由的性能。目前构成光片上网络的路由器的光开关主要有基于微环谐振器的光开关或基于马赫-曾德尔干涉仪的光开关。然而，这两种光开关却存在以下不足：1、基于马赫-曾德尔干涉仪的光开关，它的开关单元集成有热电阻和二极管来分别用以进行波长对准和开关状态快速切换，结构尺寸大，导致设计后的集成器件尺寸更大；2、基于微环谐振器的光开关，它的每个可调谐微环谐振器只作用于一个特定波长。每个可调谐微环谐振器使进入其输入端的具有特定波长的光的传播方向保持或偏转,即完成光的路径切换功能，功耗大和灵活性差，导致路由器的可扩展性不强且能耗高。
发明内容
本发明所要解决的是现有片上网络中所使用的光开关存在尺寸大和功耗大的问题，提供一种用于片上网络互连的光开关。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于片上网络互连的光开关，由二氧化硅衬底、开关波导和2个总线波导组成；开关波导由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成；2个总线波导均为硅层；开关波导和2个总线波导均为长条形直波导；开关波导和2个总线波导在二氧化硅衬底的上表面呈相互平行设置，且2个总线波导分别位于开关波导的两侧，2个总线波导与开关波导均存在间隙；开关波导的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导的氧化铟锡层与负电极相接；2个总线波导的同一端分别形成光开关的2个输入端口，2个总线波导的另一端分别形成光开关的2个输出端口，由此形成一个2×2的光开关。
上述方案中，开关波导的金属电极层为金层。
上述方案中，开关波导和2个总线波导的长度和宽度均相等。
上述方案中，2个总线波导与开关波导的间距相等。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、完全自主设计了用于光片上网络的光开关的结构，并将表面等离子激元和活性材料ITO引入到光开关中，并且能够将其作为路由器之间通信的接口。
2、采用了电压调控的微纳器件光开关，不需要热调谐，从而节省了能耗，引进的光互连技术从而提高了调制速率并且减少电磁干扰，解决了用于片上网络中电互连的局限性。
3、采用了微纳级的光开关器件，解决了用于光片上网络中普通光开关的尺寸过大，在网络级联时路由器开关灵活性差、可扩展性不强的缺点。
4、解决了用于光片上网络中的普通光开关器件不能进行波分复用技术的问题，提高了网络的通信吞吐量，不再受通信距离的限制，传输带宽大。
附图说明
图1为一种用于片上网络互连的光开关的立体结构示意图。
图2为一种用于片上网络互连的光开关的侧视示意图。
图3为一种用于片上网络互连的光开关的俯视示意图。
图4为开关波导施加偏置电压的示意图。
图5为开关波导在施加偏置电压的等效电路图。
图6为图5的简化电路图。
图中标号：1、二氧化硅衬底；2、开关波导；3、总线波导。
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明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1-3，一种用于片上网络互连的光开关，由二氧化硅衬底、开关波导和2个总线波导组成。
开关波导由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成。2个总线波导均为硅层。开关波导的下二氧化铪层和上二氧化铪层均采用二氧化铪(HfO2)制成。HfO2是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，其能够替代硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极绝缘层二氧化硅(SiO2)，以解决MOSFET中传统SiO2/Si结构的发展的尺寸极限问题，其能够有效减小光开关的尺寸。开关波导的氧化铟锡层采用活性材料氧化铟锡(ITO)制成。ITO具有介电常数电调特性的透明导电氧化物(Transparent Conductor Oxides,TCOs)，其能够增加下二氧化铪层和上二氧化铪层之间的活性。开关波导的金属电极层为金属导电材料制成，如金、铝或铜等，在本实施例中，开关波导的金属电极层由金(Au)制成。开关波导的硅层和2个总线波导的硅层均由硅(Si)制成。
开关波导和2个总线波导均为长条形直波导，开关波导和2个总线波导的长度和宽度可以根据需求进行调整。开关波导和2个总线波导在二氧化硅衬底的上表面呈相互平行设置，且2个总线波导分别位于开关波导的两侧，开关波导与2个总线波导均存在一定的间隙，开关波导与2个总线波导之间的间距可以根据耦合性能而确定。
在本实施例中，开关波导和2个总线波导的硅层蚀刻在薄膜状的二氧化硅衬底上，开关波导的下二氧化铪(HfO2)层、氧化铟锡(ITO)层、上二氧化铪层(HfO2)和金属电极层采用溅射工艺顺序沉积而成，整个光开关为微纳光开关器件。二氧化硅衬底的厚度W＝100nm。开关波导和2个总线波导的长度均为L＝8000nm，宽度均为Wg＝400nm。2个总线波导的厚度均为Hg＝15nm。开关波导的硅层的厚度Hg＝15nm，下二氧化铪层和上二氧化铪层的厚度HHfO2＝20nm，金属电极层的厚度HAu＝500nm。开关波导与总线波导a之间的间距及开关波导与总线波导b之间的间距Wgap＝150nm。
光开关的2个总线波导的同一端分别形成光开关的2个输入端口(Port1和Port4)，2个总线波导的另一端分别形成光开关的2个输出端口(Port2和Port3)，由此形成一个2×2的光开关。光开关的开关波导作为2个总线波导的耦合桥梁，利用混合表面等离子激元，在金属氧化物半导体结构中添加了一个可调谐的ITO层，以形成一个电容器，是光开关的可调谐的位置。参见图4，开关波导的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导的氧化铟锡层与负电极相接，以实现偏置电压的施加。当开关波导施加偏置电压时，硅层和金属电极层会形成正极自由电子的聚集，氧化铟锡层会形成负极自由电子的聚集，这样开关波导本质上是一个硅基金属－氧化物－半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)。由于施加电压的过程中，硅基金属—氧化物—半导体具有类似场效应，中间形成一个电容器，因此开关波导的等效电路如图5所示，其简化电路如图6所示。
当开关波导外加电压时，TCOS材料层(即氧化铟锡层)在与介质层(硅层)接触的界面处可以迅速形成载流子积累区或者耗尽区，通过外加偏压可调控积累区或耗尽区载流子的浓度，进而实现TCOS介电常数(折射率)的改变。只有使得折射率发生改变，才能方便我们光开关进行不同状态的切换。
通过控制偏置电压对光开关实现条形直通(BAR)和交叉耦合(CROSS)两个状态的双偏置操作：
当光从光开关的输入端口Port1输入时到总线波导a时：若开关波导上施加的偏置电压为0时，光保持在总线波导a内，并从光开关的输出端口Port2输出，此时为条形直通状态；若开关波导上施加的偏置电压为Vdd时，光从总线波导a经由开关波导b耦合到总线波导c内，并从光开关的输出端口Port3输出，此时为交叉耦合状态。
当光从光开关的输入端口Port4输入时到总线波导c时：若开关波导上施加的偏置电压为0时，光保持在总线波导c内，并从光开关的输出端口Port3输出，此时为条形直通状态；若开关波导上施加的偏置电压为Vdd时，光从总线波导c经由开关波导b耦合到总线波导a内，并从光开关的输出端口Port2输出，此时为交叉耦合状态。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种用于片上网络互连的光开关，其特征是，由二氧化硅衬底、开关波导和2个总线波导组成；
开关波导由硅层、下二氧化铪层、氧化铟锡层、上二氧化铪层和金属电极层自上而下叠加而成；2个总线波导均为硅层；
开关波导和2个总线波导均为长条形直波导；开关波导和2个总线波导在二氧化硅衬底的上表面呈相互平行设置，且2个总线波导分别位于开关波导的两侧，2个总线波导与开关波导均存在间隙；
开关波导的硅层和金属电极层同时与正电极相接，开关波导的氧化铟锡层与负电极相接；2个总线波导的同一端分别形成光开关的2个输入端口，2个总线波导的另一端分别形成光开关的2个输出端口，由此形成一个2×2的光开关。
2.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的光开关，其特征是，开关波导的金属电极层为金层。
3.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的光开关，其特征是，开关波导和2个总线波导的长度和宽度均相等。
4.根据权利要求1所述的一种用于片上网络互连的光开关，其特征是，2个总线波导与开关波导的间距相等。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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