CN114137745A - 一种三硒化二锑硅基电调光开关、光开关阵列及芯片 - Google Patents

一种三硒化二锑硅基电调光开关、光开关阵列及芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种三硒化二锑硅基电调光开关、光开关阵列及芯片。包括将三硒化二锑相变材料覆盖在基于马赫‑曾德尔干涉仪结构的干涉臂光波导上构成一种三硒化二锑硅基电调光开关，将将三硒化二锑相变材料覆盖在基于微环结构的微环光波导上构成一种三硒化二锑硅基电调光开关，将若干两种三硒化二锑硅基电调光开关分别级联构成两种三硒化二锑硅基电调光开关阵列。本发明通过采用三硒化二锑想变材料，可以有效降低能耗，缩小器件尺寸，并且在保证较小插损的前提下使得电致相变性能达到更优。

Description

一种三硒化二锑硅基电调光开关、光开关阵列及芯片
技术领域
本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种三硒化二锑硅基电调光开关、光开关阵列及芯片。
背景技术
传统的光开关方案大多基于硅基光电子技术的热光调谐或电光调谐原理，采用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构或微环(MRR)结构实现的。这些方案能够较好的与CMOS工艺兼容，能够在相对较小的体积(百微米级)上实现较快的开关速度(纳秒量级)，但也存在以下不足：1、光开关芯片的损耗和串扰较大。硅波导的传输损耗较大(通常约为3dB/cm)，且载流子色散效应电光调谐时对光的隔离度较低，串扰较大。2、光开关芯片的驱动功耗较高，具有易失性。热调和电调都需要消耗很大的功耗来保持某一种开关状态，断电后开关状态则无法保持。3、开关单元调谐效率低，尺寸较大。通常范围只有0.001～0.01量级，因此为了达到π相位的变化，需要几百微米长度，导致光开关尺寸较大、集成度较低。此外，在进行大规模阵列集成的过程中，不仅损耗、串扰、功耗等方面的问题会指数级积累，还需保持相当高的晶圆均匀性和低缺陷，以确保大尺寸芯片中各个单元器件性能的一致性、重复性以及光路的连续性，这对芯片的加工工艺的精度要求十分严苛。这些问题的存在大大限制了传统硅基光开关规模化拓展，降低了它在光通信系统中的实用性。
现有的相变材料光开关技术：相变材料具有读写速度快(纳秒量级)、循环次数高、功耗低等特点，可与现有的CMOS工艺兼容，技术实现难度和产业成本较低。相变材料在晶态和非晶态时折射率差别巨大，利用两种不同状态造成的光传输率差异可实现光开关效果，可以通过热、光、电等多种方式诱导进行相变，且具有稳定的特性。相变材料对于光场的静态非易失性的影响不需要静态偏置电压的保持，在室温下可以保持某一个状态不改变。因此光相变交叉连接器的理论静态控制能耗为零，大大降低了系统的能耗。也提高了系统的耐久性，强稳定性和对环境的适应性，这些特性使得相变材料有潜力成为新兴高性能光开关的基础功能材料。
目前的电致可重构相变光子器件技术方案仍存在以下问题亟待解决：1、现有方案所采用的相变材料在通信波段内的光学常数反差不够大，且损耗较高；2、相变材料普遍存在相转变过程随机性比较大，准确度不高，重构稳定性差的缺点；3、等离子体电致相变优点在于调控所需能量小，器件尺寸小，但对光路的静态插损大，不适于集成；4、微型加热器致相变的方案器件尺寸中等，对于光路有一定的插损。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种三硒化二锑硅基电调光开关、光开关阵列及芯片，其应用时，通过采用三硒化二锑想变材料，可以有效降低能耗，缩小器件尺寸，并且在保证较小插损的前提下使得电致相变性能达到更优。
本发明所采用的技术方案为：
一种三硒化二锑硅基电调光开关，包括第一输入光波导、1×2分支光波导、干涉臂光波导、参考臂光波导、定向耦合器、第一输出光波导和第二输出光波导，所述第一输入光波导的输出端连接1×2分支光波导的输入端，所述1×2分支光波导的两个输出端分别连接干涉臂光波导和参考臂光波导的输入端，所述干涉臂光波导和参考臂光波导的输出端分别连接定向耦合器的两个输入端，所述定向耦合器的两个输出端分别连接第一输出光波导和第二输出光波导的输入端，所述干涉臂光波导的其中一段表面覆盖有第一相变材料层，所述第一相变材料层为三硒化二锑材料层，所述第一相变材料层上连接有电极。
在一个可能的设计中，所述第一相变材料层的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层为二氧化硅材料层。
在一个可能的设计中，所述电极包括正电极和负电极，用于向第一相变材料层通入纳秒级的电脉冲。
一种低功耗硅基相变电调光开关阵列，所述光开关阵列由若干上述任意一种所述的三硒化二锑硅基电调光开关级联组成。
一种三硒化二锑硅基电调光开关，包括微环光波导以及分别与微环光波导耦合的第二输入光波导和第三输出光波导，所述第二输入光波导和第三输出光波导分别置于微环光波导的两侧，所述微环光波导的其中一段表面覆盖有第二相变材料层，所述第二相变材料层为三硒化二锑材料层，所述第二相变材料层上连接有电极。
在一个可能的设计中，所述第二相变材料层的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层为二氧化硅材料层。
在一个可能的设计中，所述电极包括正电极和负电极，用于向第二相变材料层通入纳秒级的电脉冲。
一种低功耗硅基相变电调光开关阵列，所述光开关阵列由若干上述任意一种所述的三硒化二锑硅基电调光开关级联组成。
一种低功耗硅基相变电调光开关芯片，包括掺杂硅衬底，所述掺杂硅衬底上集成有上述任意一种所述的低功耗硅基相变电调光开关阵列。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了马赫-曾德尔干涉仪和微环两种结构的相变材料光开关方案，成果展示出不同器件结构的开关比、损耗等等性质，在不同应用场景下可灵活选择。
2、本发明通过将三硒化二锑相变材料与硅光结构马赫-曾德尔干涉仪和微环结构结合起来，优化了该材料在光学芯片波导中的具体设计与应用，大大降低能耗，缩小了光开关的尺寸。可以实现高性能电致相变光开关器件非易失多态光开关插损小于0.5dB，串扰小于-20dB，重构开关功耗小于1nJ，开关比大于30dB的效果。首次针对器件无法简便有效控制问题，设计了具有高速率、低能耗、可扩展、可微缩性能的电控相变器件，实现了对相变过程精准、高效控制，降低器件调控能耗一个数量级以上，数倍提高了单个器件存储密度，减小器件尺寸从毫米降低到微米级别。
3、本发明设计了电学调控和光学处理阵列的有效结合模式，在保证系统插损最小的前提下使得电致相变性能达到最优，达到最快开关速度，最大开关比，最小串扰，最小重构开关能耗。提高了系统的制备及测试兼容性，开发了CMOS和现存硅基加工工艺生产线相兼容的电致相变光学信号处理芯片的成熟加工工艺，加工过程简单可靠，加工成本低，有效摆脱设备操作不便的局限，实现了整个系统缩微和实用性的大大提升。
4、本发明光开关为高稳定性、高重复性、高精确度、低能耗、极小尺寸、极大集成密度，高可靠性，高循环寿命的电致相变光开关。能够提高光学开关阵列的并行性、能效和鲁棒性，由于其结构简单，尺寸小，加工难度低，与CMOS工艺兼容，可通过先进微纳工艺制备器件及阵列，可减少集成过程中出现的泄漏电流、热量聚集、高频失真等问题，为实现相变光路由大规模阵列提供有利支撑。跟现有光开关相比可以极大降低能耗，缩小器件尺寸。
5、本光开关可以作为具有非易失特性的光交换芯片的单元器件，可以为构建高速率，大带宽，实时性强，稳定性好的光纤通信，信号处理网络提供有力支撑，有助于进一步促进信息化社会建设，满足大数据时代对于即时信息处理传递的高要求。
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为本发明第一种三硒化二锑硅基电调光开关的结构示意图；
图2为本发明第二种三硒化二锑硅基电调光开关的结构示意图；
图3为实施例中两种相变材料的消光系数对比示意图；
图4为实施例中两种相变材料的折射率对比示意图；
图5为三硒化二锑相变材料的吸光试验示意图；
图6为本发明第一种三硒化二锑硅基电调光开关阵列结构示意图；
图7为本发明第二种三硒化二锑硅基电调光开关阵列结构示意图。
图中：1、第一输入光波导；2、1×2分支光波导；3、干涉臂光波导；4、参考臂光波导；5、第一相变材料层；6、定向耦合器；7、第一输出光波导；8、第二输出光波导；9、微环光波导；10、第二输入光波导；11、第三输出光波导；12、第二相变材料层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1：
本实施例提供第一种三硒化二锑硅基电调光开关，基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构实现，如图1所示，包括第一输入光波导1、1×2分支光波导2、干涉臂光波导3、参考臂光波导4、定向耦合器6、第一输出光波导7和第二输出光波导8，所述第一输入光波导1的输出端连接1×2分支光波导2的输入端，所述1×2分支光波导2的两个输出端分别连接干涉臂光波导3和参考臂光波导4的输入端，所述干涉臂光波导3和参考臂光波导4的输出端分别连接定向耦合器6的两个输入端，所述定向耦合器6的两个输出端分别连接第一输出光波导7和第二输出光波导8的输入端，所述干涉臂光波导3的其中一段表面覆盖有第一相变材料层5，所述第一相变材料层5为三硒化二锑材料层，所述第一相变材料层5上连接有电极。所述第一相变材料层5的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层为二氧化硅材料层。所述定向耦合器6的耦合效率可变，可选的包括50/50、10/90、1/99或其他比例，具体可依据实际的光分束要求确定。
本实施例还提供第二种三硒化二锑硅基电调光开关，基于微环(MRR)结构实现，如图2所示，包括微环光波导9以及分别与微环光波导9耦合的第二输入光波导10和第三输出光波导11，所述第二输入光波导10和第三输出光波导11分别置于微环光波导9的两侧，所述微环光波导9的其中一段表面覆盖有第二相变材料层12，所述第二相变材料层12为三硒化二锑材料层，所述第二相变材料层12上连接有电极。所述第二相变材料层12的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层为二氧化硅材料层。
所述第一输入光波导1、1×2分支光波导2、干涉臂光波导3、参考臂光波导4、第一输出光波导7、第二输出光波导8、微环光波导9、第二输入光波导10和第三输出光波导11均可采用由选自下组材料制成的平面光波导：硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、锗(Ge)、铌酸锂(LiNbO3)、氮化铝(AlN)或任何带隙高于光波长的IV族或III-V族半导体；也可以是绝缘体上硅(SOI)衬底的硅层；绝缘体上氮化硅衬底的氮化硅层；或铌酸锂绝缘体衬底的铌酸锂层。
所述电极包括正电极和负电极，用于向第二相变材料层12通入纳秒级的电脉冲，电极由电流控制或电压控制均可，通常施加10V以下的ns级别电脉冲使得三硒化二锑相变材料部分温度超过相变材料的熔化温度和晶化温度，使三硒化二锑相变材料发生状态切换，在晶态和非晶态之间实现切换从而改变光传播方向，实现光开关光路由的效果。
本实施例的两种三硒化二锑硅基电调光开关均采用三硒化二锑作为相变材料，在具体应用时：
(1)损耗低。静态功耗为0，动态功耗低。静态功耗是指光开关在保持开关状态下的能量消耗。动态功耗是指光开关在切换光开关状态时的能量消耗，硅光开关需要持续耗能来维持开关变化，本实施例的两种低功耗相变光开关由晶态切换为非晶态仅需要38.4μJ，从非晶态切换为晶态则仅需176nJ。
静态功耗主要来源于维持光开关状态所需能量和光开关本身插损。对于保持光开关状态所需的能耗，传统光开关需要5V电压控制，而相变材料光开关不需要能量控制。对于光开关本身插损，现有的相变材料技术主要用的是Ge2Sb2Te5(碲锑锗相变材料)。光学开关常使用的光波长为1550nm，而Ge2Sb2Te5在晶态和非晶态两种状态下对光都有一定程度的吸收，因此静态功耗大。在大规模光学集成电路中，降低材料对光的吸收成了核心，因此本市实施例采用相变材料Sb2Se3(三硒化二锑)，经过试验证明，此相变材料在光波长大于1000nm的两种稳定状态下可表现出基本为零的消光系数(“基本为零”可表示在标准测量设备(例如椭圆偏振计)的本底噪声处或之前，其实际上可以处于或低于0.001)，极大的降低了光传播的损耗，并且大量的实验数据也有力的支撑了这一点。如图3所示，为测量所得Ge2Sb2Te5和Sb2Se3(三硒化二锑)的消光系数在两种稳定状态下的对比，可以明显看出Sb2Se3(图中SbSe)在两种稳定状态下的消光系数均优于Ge2Sb2Te5(图中GST)。
(2)使光开关在晶态和非晶态两种状态的折射率差别大，尺寸小于现有光开关尺寸的十分之一。本实施例的Sb2Se3(三硒化二锑)材料在晶态和非晶态状态，1550nm波段的折射率对比Δn＞0.7，极大的折射率反差确保了光开关的小型化和未来的集成度。如图4所示，反映了Sb2Se3(图中SbSe)和Ge2Sb2Te5(图中GST)材料分别在晶态和非静态的折射率，从图中可以看出在大于1000nm光波长时，Sb2Se3的两种稳定状态对光的吸收都基本为0，而Ge2Sb2Te5对光的吸收不可忽略，在常用的1550nm光波长时，Ge2Sb2Te5非晶态吸收系数为0.052，晶态系数高达1.131，而Sb2Se3晶态与非晶态对光的吸收系数则都为0。
为了进一步验证Sb2Se3材料对光的零吸收，可将不同长度的Sb2Se3材料覆盖在直线光波导上，如图5所示，为在测试Sb2Se3材料对光的零吸收实验中所使用的器件，在显微镜下得到的Sb2Se3覆盖在波导的图片，直线为波导，发光的矩形则是的Sb2Se3材料，并且在上面覆盖了一层二氧化硅作为防氧化层，通过直接测量添加Sb2Se3材料前后，光波导对光传播的吸收数据，得到Sb2Se3两种稳定状态对光的吸收都稳定在每微米0.001及更低。
实施例2：
本实施例提供一种低功耗硅基相变电调光开关阵列，如图6所示，所述光开关阵列由若干上述实施例中的第一种三硒化二锑硅基电调光开关级联组成。即上一级光开关的第一输出光波导7和第二输出光波导8分别连接一个下一级光开关的第一输入光波导1，以此方式级联n个光开关(图中1×2光开关)，形成光开关阵列。1XN光开关阵列可用于多路网络检测、保护、多设备测试，工业自动化，全光交互网络构建。输出端数量可根据用户需求设定，每一个1x2光开关都是固定的设计，比如用户需要1x4光开关，就可以用一个(n＝1)1x2光开关的两个输出端口分别连接两个(n＝2)1x2光开关，两个1x2光开关一共有四个输出端就成了1x4光开关，同理可进行其他数量设定。
本实施例提供另一种低功耗硅基相变电调光开关阵列，如图7所示，所述光开关阵列由若干实施例中的第二种三硒化二锑硅基电调光开关级联组成。即n个光开关(微环光开关)的第二输入光波导10逐次串接，微环光波导9和第三输出光波导11间隔平铺布设。同样可用于多路网络检测、保护、多设备测试，工业自动化，全光交互网络构建，输出端数量可根据用户需求设定。
实施例3：
本实施例提供一种低功耗硅基相变电调光开关芯片，包括掺杂硅衬底，所述掺杂硅衬底上集成有上述实施例2中任意一种低功耗硅基相变电调光开关阵列。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.一种三硒化二锑硅基电调光开关，其特征在于：包括第一输入光波导(1)、1×2分支光波导(2)、干涉臂光波导(3)、参考臂光波导(4)、定向耦合器(6)、第一输出光波导(7)和第二输出光波导(8)，所述第一输入光波导(1)的输出端连接1×2分支光波导(2)的输入端，所述1×2分支光波导(2)的两个输出端分别连接干涉臂光波导(3)和参考臂光波导(4)的输入端，所述干涉臂光波导(3)和参考臂光波导(4)的输出端分别连接定向耦合器(6)的两个输入端，所述定向耦合器(6)的两个输出端分别连接第一输出光波导(7)和第二输出光波导(8)的输入端，所述干涉臂光波导(3)的其中一段表面覆盖有第一相变材料层(5)，所述第一相变材料层(5)为三硒化二锑材料层，所述第一相变材料层(5)上连接有电极。
2.根据权利要求1所述的一种三硒化二锑硅基电调光开关，其特征在于：所述第一相变材料层(5)的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层为二氧化硅材料层。
3.根据权利要求1所述的一种三硒化二锑硅基电调光开关，其特征在于：所述电极包括正电极和负电极，用于向第一相变材料层(5)通入纳秒级的电脉冲。
4.一种三硒化二锑硅基电调光开关，其特征在于：包括微环光波导(9)以及分别与微环光波导(9)耦合的第二输入光波导(10)和第三输出光波导(11)，所述第二输入光波导(10)和第三输出光波导(11)分别置于微环光波导(9)的两侧，所述微环光波导(9)的其中一段表面覆盖有第二相变材料层(12)，所述第二相变材料层(12)为三硒化二锑材料层，所述第二相变材料层(12)上连接有电极。
5.根据权利要求4所述的一种三硒化二锑硅基电调光开关，其特征在于：所述第二相变材料层(12)的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层为二氧化硅材料层。
6.根据权利要求4所述的一种三硒化二锑硅基电调光开关，其特征在于：所述电极包括正电极和负电极，用于向第二相变材料层(12)通入纳秒级的电脉冲。
7.一种低功耗硅基相变电调光开关阵列，其特征在于：所述光开关阵列由若干权利要求1-3任一所述的三硒化二锑硅基电调光开关级联组成。
8.一种低功耗硅基相变电调光开关阵列，其特征在于：所述光开关阵列由若干权利要求4-6任一所述的三硒化二锑硅基电调光开关级联组成。
9.一种低功耗硅基相变电调光开关芯片，其特征在于：包括掺杂硅衬底，所述掺杂硅衬底上集成有权利要求7或8所述的低功耗硅基相变电调光开关阵列。
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