CN115185109A - 一种中红外移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中红外移相器。包括衬底；平板光波导形成在衬底之上；图形化加热层位于平板光波导的中部上；脊波导形成在平板光波导和图形化加热层的中间上；两个图形化电极分别形成在图形化加热层的两侧上；包层形成脊波导上。本发明将中红外光信号经输入波导输入移相器件，通过加热控制结构给石墨烯通电产生热能加热波导，调制波导的折射率从而改变经过移相器的光信号的输出相位，解决了传统绝缘体上硅基器件在中红外损耗过大无法工作的问题。
Description
技术领域
本发明属于光通讯技术、光探测技术及激光雷达领域的一种移相器件，尤其涉及一种中红外的硫系玻璃/硅混合波导移相器件。
背景技术
二十一世纪以来，互联网、物联网、云计算、大数据等技术迅速发展，对信息的产生和需求急剧增长，导致通信数据量逐年增加，带宽需求持续增长。片上光互联由于其具有低串扰、低延时、高集成度、大容量等优势，契合下一代数据中心对互联技术的需求，因此近年来被大量研究和报道。片上集成光开关是光交换网络中心的核心器件，相较于传统的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)光开关，具有体积小、功耗小、无惯性、响应速度快及精度高等优势。而光开关的核心器件则是光移相器，因此移相器的性能对光交换网络至关重要。另外，物联网、云计算等也同样促进了三维感知技术的发展与繁荣，而三维感知的主要硬件结构是激光雷达。目前激光雷达主要采用机械扫描方式，其结构较大、速度较慢且具有惯性而扫描精度不高。相控阵技术是避免机械结构缺陷的一种绝佳技术途径，而近年来片上光学雷达的发展更是如火如荼。而移相器是片上集成光学相控阵雷达的一个重要组成部件，是实现相控阵雷达扫描的重要途径之一，因此移相器的研究是非常必要的。
发明内容
为了解决在中红外波段基于SOI平台制备的移相器损耗过大而无法工作的问题，本发明提供一种基于硫系玻璃/硅混合平台的移相器件，从而克服现有的技术平台缺陷。
本发明通过在硅和硫系玻璃之间夹置石墨烯实现高效热调光相移器。利用硫系玻璃/硅混合波导结构引入透明加热层，结合低折射率硫系材料包层能够有效保护波导不受外界环境干扰且不引起额外的光损耗，采用电极引出结构隔绝电极对光场分布的影响且便于电学布线，能够拓展光网络的集成度。通过不同强度的电信号控制石墨烯产生不同功率加热硫系玻璃/硅混合波导，从而实现对输入光信号进行调制，改变混合波导输出光的相位。
本发明所采用的技术方案是包括：
包括衬底；
包括平板光波导，形成在衬底之上；
包括图形化加热层，位于平板光波导的中部上；
包括脊波导，形成在平板光波导和图形化加热层的中间上；
包括两个图形化电极，分别形成在图形化加热层的两侧上；
包括包层，形成于脊波导上。
所述的脊波导位于平板光波导中上，硫系包层形成在平板光波导上，且包覆图形化加热层、图形化电极和脊波导，提供波导保护。
还包括两个图形化电极，两个图形化电极分别经各自的一个电极引出结构连接到外部的电极控制电路。
所述衬底材质为蓝宝石、氟化钙、氟化镁等中红外透明材质。
所述平板光波导的材质为硅等热敏材料。
所述图形化加热层的材质为石墨烯。
所述图形化电极的材质为任何导电材料，包括但不限于金属。
所述脊波导的材质为高折射率硫系玻璃材料，高折射率是指折射率与硅相近。
所述包层的材质为低折射率硫系玻璃材料，低折射率是指折射率小于脊波导的折射率。
所述的电极引出结构为任何导电材料，包括但不限于金属。
本发明的有益效果如下：
本发明中使用的衬底、波导和包层的材料在中红外均具有透明窗口，因此可以在中红外高效工作；本发明使用石墨烯作为加热层，其对的光场分布无任何影响；本发明的设计可以将电极与波导隔离，从而减小电极等对波导内光场分布的影响，另外包层的应用可以使得大型光电互联结构布线方便。
本发明中，中红外光信号经输入波导输入移相器件，通过加热控制结构给石墨烯通电产生热能加热波导，调制波导的折射率从而改变经过移相器的光信号的输出相位。
本发明在中红外实现了移相器件，解决了传统绝缘体上硅基器件在中红外损耗过大无法工作的问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的横截面示意图。
图2是本发明的工艺流程图。
图3是一种基于移相器的马赫曾德干涉光开关的结构示意图。
图3R是基于移相器的马赫曾德干涉光开关的工作示意图。
图4是一种基于相移器的微环滤波器的结构示意图。
图4R是基于移相器的微环滤波器的工作示意图。
图5是一种基于相移器的相控阵雷达的结构示意图。
为了更直观的示意器件结构，图3、图4、图5将光波导透视到结构表面，其余多层结构未画出，器件截面图均与图1一致。
具体实施方式
这里将对本发明的部分实施实例进行示例性说明，其示例表示在附图中。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如附权利要求书中所详述的本发明在一些方面相一致的装置和方法的例子。
如图1所示，器件结构包括：
包括衬底1-1；
包括平板光波导1-2，形成在衬底1-1之上，使用键合等工艺与在衬底1-1集成制备；
包括图形化加热层1-3，位于平板光波导1-2的中部上，转移制备在平板光波导1-2上；
包括脊波导1-5，形成在平板光波导1-2和图形化加热层1-3的中间上，具体是使用热蒸发生长在图形化加热层1-3上；
包括两个图形化电极1-4，分别形成在图形化加热层1-3的两侧上；
包括包层1-6，形成于脊波导1-5上，包层将图形化加热层1-3、图形化电极1-4及脊波导1-5全部覆盖并提供保护，具体是使用热蒸发生长在脊波导1-5上。
脊波导1-5位于平板光波导中部的上面，硫系包层形成在平板光波导1-2上，具体是使用热蒸发生长在平板光波导1-2上，且包覆图形化加热层1-3、图形化电极1-4和脊波导1-5，提供波导保护。
还包括两个图形化电极1-4，两个图形化电极1-4分别经各自的一个电极引出结构1-7连接到外部的电极控制电路1-8。电极控制电路1-8设置于包层之上，防止其影响波导内光场分布。电极控制电路1-8通过通孔内的电极引出结构1-7与下方电极相连接，形成电学控制结构。具体地，电极引出结构1-7在包层1-6内制备，穿过包层1-6后与图形化电极1-4相连上。
由图形化电极1-4、电极引出结构1-7及电极控制电路1-8组成电学控制结构。光信号经过信号输入波导输入到平板光波导1-2和脊波导1-5组成的混合脊波导中，通过电学控制结构对加热层1-3进行电学控制，使其产生不同的热功率从而加热平板光波导1-2与脊波导1-5组成的混合脊波导，使混合脊波导的等效折射率发生改变，从而调控移相器输出光信号的输出相位。
本发明这样结构下，图形化加热层1-3位于脊波导1-5与平板光波导1-2之间，使得图形化加热层1-3具有更短的热传导距离，加热效率更高，且不影响混合波导内的光场分布。
本发明通过将图形化加热层1-3设置在混合波导内部加热，在中间位置实现移相调制，不仅提高了加热效率，且对混合波导内的光场没有影响。
具体实施中，制备工艺流程如图2，通过外延生长的方式在蓝宝石2-1衬底上生长合适厚度的单晶硅2-2，然后将石墨烯2-3转移到硅表面上并图形化。随后在图形化石墨烯特定位置制备电极2-4。沉积高折射率硫系玻璃并图形化为脊波导2-5。沉积低折射率硫系材料2-6并腐蚀通孔2-7，制备通孔连接结构和表面电路2-8。
实施例1
马赫曾德干涉光开关，参见图3。
光信号从输入波导3-1输入到多模干涉器3-2中进行分束。分束后的两束光一路经过普通波导输入到2*2多模干涉器3-3中，另一路经过移相器3-4输入到多模干涉器中。通过电路结构3-5给相移器中的石墨烯加热层施加不同幅度的电压来改变其加热功率，进而实现光波导中的光波相位调控。通过电路结果给予石墨烯不同电压产生不同的加热温度，从而改变相移器的输出光波相位，进而实现精确控制马赫曾德尔两臂光波导的相位差，最终实现输出端口光信号的开与关。如图3R所示，在时间a处改变相移器电压为V1，即可实现马赫曾德尔光开关由开状态改变为关状态。
实施例2
可调微环滤波器，参见图4。
光信号从直波导4-1输入端输入，当光在微环4-2中的光程满足相长干涉时，光将从直波导另一端输出，当微环中的光程满足相消干涉时，直波导的输出端无光信号输出。在微环内引入一段移相器4-3，通过电路结构4-4给相移器中的石墨烯加热层施加不同的电压，从而改变其加热功率，对硫系玻璃/硅混合波导进行折射率调制，从而改变光在微环中的光程，进而改变直波导输出端口有无信号输出，实现对不同波长的光滤波处理。如图4R所示，改变相移器电压即可改变微环谐振器的光输出实现滤波的功能。
实施例3
光学相控阵雷达，参见图5。
光信号从输入波导5-1输入到多模干涉器5-2中进行级联分束。分束后的每一路光均输入到移相器5-3中。通过电路结构5-4给相移器中的石墨烯加热层施加不同的电压，从而改变其热功率，对硫系玻璃/硅混合波导进行折射率调制，从而改变每一路中的相位。通过移相器调控每一路波导中的输出相位构成特定的相位梯度，再通过耦出光栅5-5将其耦合自由空间中，就可以实现相控阵扫描的功能。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
Claims (6)
1.一种中红外移相器，其特征在于：
包括衬底(1-1)；
包括平板光波导(1-2)，形成在衬底(1-1)之上；
包括图形化加热层(1-3)，位于平板光波导(1-2)的中部上；
包括脊波导(1-5)，形成在平板光波导(1-2)和图形化加热层(1-3)的中间上；
包括两个图形化电极(1-4)，分别形成在图形化加热层(1-3)的两侧上；
包括包层(1-6)，形成于脊波导(1-5)上。
2.根据权利要求1所述的一种中红外移相器，其特征在于：
所述的脊波导(1-5)位于平板光波导(1-2)上，硫系包层形成在平板光波导(1-2)上，且包覆图形化加热层(1-3)、图形化电极(1-4)和脊波导(1-5)。
3.根据权利要求1所述的一种中红外移相器，其特征在于：
还包括两个图形化电极(1-4)，两个图形化电极(1-4)分别经各自的一个电极引出结构(1-7)连接到外部的电极控制电路(1-8)。
4.根据权利要求1所述的一种中红外移相器，其特征在于：
所述图形化加热层(1-3)的材质为石墨烯。
5.根据权利要求1所述的一种中红外移相器，其特征在于：
所述脊波导(1-5)的材质为高折射率硫系玻璃材料，高折射率是指折射率与硅相近。
6.根据权利要求1所述的一种中红外移相器，其特征在于：
所述包层(1-6)的材质为低折射率硫系玻璃材料，低折射率是指折射率小于脊波导(1-5)的折射率。
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