CN115220248A - 一种基于相变材料的非易失性移相器 - Google Patents

一种基于相变材料的非易失性移相器 Download PDF

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张杰英
靳慧敏
吕业刚
张巍
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Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的非易失性移相器，包括基底以及固定设置在基底上的第一硅波导和混合波导，混合波导包括第二硅波导和Ge2Sb2Te5层，第二硅波导固定设置在基底上，第二硅波导与第一硅波导间隔设置，且第二硅波导的长度方向与第一硅波导的长度方向相平行，Ge2Sb2Te5层固定设置在第二硅波导层上且Ge2Sb2Te5层的长度方向与第二硅波导的长度方向相平行，本发明具有如下优点：本发明移相器具有非易失性，小尺寸、较宽的工作带宽、低插入损耗和串扰等特点，将其构造马赫曾德尔干涉仪2x2光开关，开关插损和串扰都较小。

Description

一种基于相变材料的非易失性移相器
技术领域
本发明涉及移相器技术领域，具体而言，涉及一种基于相变材料的非易失性移相器。
背景技术
随着人们对信息处理速度，数据传输速率，数据存储容量等要求的不断提高，信息网络以爆炸性的速度增长，为了满足大容量、超高速的信息互联互通需求，往往需要性能优越的电光信号处理器件，移相器作为光通信传输中实现信息调制和传输的核心器件，其具有广阔的发展和应用前景，引起了科研人员的极大兴趣。
硅光子器件中光开关的相移主要通过自由载流子注入和热光效应实现。这些影响导致折射率的微小变化，从而导致获得所需相变的器件长度变长。另一种选择是使用谐振结构来获得具有较小占位面积的器件，但是要以低带宽和高灵敏度为代价，也已经报道了基于三波导定向耦合器的紧凑型混合等离子-光子开关，但是相关的插入损耗很高。
自从GST(Ge2Sb2Te5)相变材料被发现以来，在电子、物理、材料等领域都得到了广泛的应用。特别是在光存储领域获得了非常成功的商业化应用。相变材料GST具有优良的光学特性和电学特性。在晶态和非晶态特性差异巨大、纳秒级的相态转变速度以及不需要额外能量供给即可保持相态稳定，这些优点使得相变材料GST成为新型电光调制器的理想候选材料。但是，目前国内外还没有公开任何关于基于相变材料的低损耗非易失性移相器的相关研究报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有尺寸小便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较低插入损耗的基于相变材料的非易失性移相器。
为解决上述问题，本发明提供一种基于相变材料的非易失性移相器，包括基底以及固定设置在所述基底上的第一硅波导和混合波导，所述混合波导包括第二硅波导和Ge2Sb2Te5层，所述第二硅波导固定设置在所述基底上,所述第二硅波导与所述第一硅波导间隔设置，且所述第二硅波导的长度方向与所述第一硅波导的长度方向相平行，所述Ge2Sb2Te5层固定设置在所述第二硅波导层上且所述Ge2Sb2Te5层的长度方向与所述第二硅波导的长度方向相平行。
作为优选，所述第一硅波导的高度范围为200-240nm、宽度范围为400-500nm，所述第二硅波导的高度与所述第一硅波导的高度相等且所述第二硅波导的宽度范围为350-400nm、长度范围为25-30μm，所述Ge2Sb2Te5层的长度与所述第二硅波导的长度相等且所述Ge2Sb2Te5层的宽度范围为250-300nm、高度范围为15-25nm，所述第二硅波导与所述第一硅波导之间的距离范围为100-200nm。为了满足TE模式下光在硅波导的有效传输，一般选择硅波导宽度在400nm-500nm，波导厚度一般设定为200-240nm。根据相位匹配条件，可仿真计算出第一硅波导与混合波导的有效折射率相近时混合波导的尺寸，由于混合波导中Ge2Sb2Te5的限制作用，使得一般情况下所述混合波导宽度要小于所述第一硅波导宽度。因此第一硅波导与混合波导尺寸并非固定不变，在满足在波导宽度对光的限制及相位匹配条件下，可进行适当调整。
作为优选，所述基底包括硅衬底层和固定设置在所述硅衬底层上的二氧化硅层，所述第一硅波导和所述混合波导固定设置在所述二氧化硅层上。
作为优选，所述硅衬底层的高度范围为200-300μm，所述二氧化硅层的高度范围为2-4μm。
作为优选，当所述移相器中的Ge2Sb2Te5层处于晶态时，π弧度相位差为：
Figure BDA0003678380960000021
其中，
Figure BDA0003678380960000022
代表所述Ge2Sb2Te5层处于晶态时的奇数超模的有效折射率，
Figure BDA0003678380960000031
代表所述Ge2Sb2Te5层处于非晶态的偶数超模的有效折射率，
Figure BDA0003678380960000032
代表所述Ge2Sb2Te5层处于非晶态的奇数超模的有效折射率，π代表Ge2Sb2Te5层处于晶态时波导的奇数超模与非晶态时的奇数超模和偶数超模之间存在的π弧度相位差。
作为优选，当所述移相器中的Ge2Sb2Te5层处于非晶态时，所述混合波导的长度计算公式为：
Figure BDA0003678380960000033
其中，Lp代表混合波导的长度，λ代表入射光的光波长。
本发明的另一个目的在于提供一种马赫曾德尔干涉仪光开关，所述马赫曾德尔干涉仪光开关应用上述基于相变材料的非易失性移相器。
作为优选，所述马赫曾德尔干涉仪光开关包括固定设置在所述基底上的两个输入波导、两个输出波导和硅波导臂，且两个所述输入波导均固定设置在所述基底的上表面的一侧，两个所述输出波导均固定设置在所述基底的上表面的另一侧，两个所述输入波导的输出端通过第一定向耦合器耦合连接，两个所述输出波导的输入端通过第二定向耦合器耦合连接，所述硅波导臂的两端分别与所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器相连接，所述第一硅波导的两端分别与所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器相连接。
基于相变材料的新型移相器工作原理：利用了相变材料Ge2Sb2Te5在非晶态、晶态下具有差异较大的折射率和光吸收系数。当Ge2Sb2Te5为非晶态时，其折射率和吸收系数较小，混合波导与第一硅波导的基本模式在Ge2Sb2Te5处于非晶态时达到相位匹配，两波导之间发生强烈相互作用，光从硅波导耦合到混合波导，然后又从混合波导耦合回硅波导，从而形成输入光与输出光之间π弧度的相位差。当Ge2Sb2Te5从非晶态转换为晶态时，折射率和吸收系数急剧增大，所述硅波导与混合波导之间发生相位失配，两波导之间不发生相互作用，光直接通过硅波导输入输出，不经过混合波导，此时光的相位不变。特点在于：两种状态下，光都以低损耗通过移相器。因此，通过给相变材料Ge2Sb2Te5施加适当的电脉冲信号实现Ge2Sb2Te5在晶态、非晶态之间转换，从而实现光信号的调制。
作为优选，所述硅波导臂与所述第一硅波导的长度相等且所述硅波导臂与所述第一硅波导的横截面尺寸相同。
作为优选，两个所述输入波导的厚度与两个所述输出波导的厚度相同，且两个所述输入波导的厚度与两个所述输出波导的厚度范围为200-240nm，两个所述输入波导的宽度与两个所述输出波导的宽度相同，且两个所述输入波导的宽度与两个所述输出波导的宽度范围为400-500nm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
第一、本发明移相器具有非易失性，小尺寸、较宽的工作带宽、低插入损耗和串扰等特点，将其构造马赫曾德尔干涉仪2x2光开关，开关插损和串扰都较小。
第二、与传统的移相器相比，基于相变材料的新型移相器具有较大的折射率虚部反差，极大地缩小了器件尺寸，使得器件结构更加紧凑，便于片上集成，由于相变材料被设计成在低损耗马赫曾德尔干涉仪臂的一侧，因此，不论低损耗马赫曾德尔干涉仪处于哪种状态，与传统低损耗马赫曾德尔干涉仪相比，其损耗都非常低，此外，整个器件制作简单并且兼容CMOS工艺，有利于实现产业化。
第三、基于相变材料的新型移相器，相变材料Ge2Sb2Te5在晶态、非晶态下无需额外的能量供给，即可保证相态的稳定性，只在相变材料相态转换时消耗能量，且能量消耗极低为亚nJ/bit量级，器件的极低的能量消耗符合器件向低功耗发展的趋势。
第四、相变材料Ge2Sb2Te5在不同相态的转换速度快(纳秒级)，使得新型移相器具有较高的调制速率。
第五、基于相变材料的新型移相器的工作带宽大于100nm，在1500nm-1600nm波长范围内有极低的插入损耗功耗，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明基于相变材料的低损耗非易失性移相器的立体结构示意图；
图2为本发明基于相变材料的低损耗非易失性移相器的TE模式传播场分布图，其中(a)为Ge2Sb2Te5层处于晶态，(b)为Ge2Sb2Te5层处于非晶态；
图3为将本发明应用基于相变材料的非易失性移相器的低损耗马赫曾德尔干涉仪光开关的结构示意图；
图4为本发明应用基于相变材料的非易失性移相器的低损耗马赫曾德尔干涉仪光开关的传输光谱，其中(a)为Ge2Sb2Te5层处于晶态，(b)为Ge2Sb2Te5层处于非晶态。
附图标记说明：
基体1、第一硅波导2、第二硅波导3、Ge2Sb2Te5层4、二氧化硅层12、硅衬底层11、输入波导5、输出波导6、第一定向耦合器7、第二定向耦合器8、硅波导臂9。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
如图1所示：一种基于相变材料的非易失性移相器，包括基底1，基底1包括硅衬底层11和固定设置在硅衬底层11上的二氧化硅层12，二氧化硅层12上固定设置有第一硅波导2和混合波导，混合波导包括第二硅波导3和Ge2Sb2Te5层4，第二硅波导3固定设置在基底1上,第二硅波导3与第一硅波导2间隔设置，第二硅波导3的长度方向与第一硅波导2的长度方向相平行，Ge2Sb2Te5层4固定设置在第二硅波导层3上且Ge2Sb2Te5层4的长度方向与第二硅波导3的长度方向相平行。
在本发明移相器中，由于第一硅波导2与混合波导在选定参数附近处于非晶态相位匹配，因此功率从第一硅波导2耦合到混合波导，为了确保功率能耦合回第一硅波导2，移相器的长度必须能满足耦合的条件。此外，我们还需在相变材料Ge2Sb2Te5层4处于晶态的奇数超模与非晶态的偶数超模和奇数超模之间存在π弧度的相位差，这需要满足以下条件：
Figure BDA0003678380960000061
可得：
Figure BDA0003678380960000062
其由于
Figure BDA0003678380960000063
且
Figure BDA0003678380960000064
可得：n1≈n2，其中n1为第一硅波导2的有效折射率；n2为相变材料为非晶态时混合波导的有效折射率，即当第一硅波导2与混合波导的有效折射率相近时，可满足相位匹配条件。
上述公式中的参数，随第一硅波导2与混合波导的间距大小的变化而改变。对于不同的间距值，可使用超模的有效指标来计算移相器的耦合长度：
Figure BDA0003678380960000065
其中,
Figure BDA0003678380960000066
表示相变材料Ge2Sb2Te5处于结晶态的奇数超模的有效折射率，
Figure BDA0003678380960000067
是相变材料Ge2Sb2Te5处于非晶态的偶数超模的有效折射率和
Figure BDA0003678380960000068
是相变材料Ge2Sb2Te5处于非晶态的奇数超模的有效折射率，Lp为耦合长度即混合波导长度，λ为入射光的光波长。
第一硅波导2与混合波导之间的间隔及耦合长度的值并非固定不变。当第一硅波导2与混合波导之间的间隔Wg的变化会引起公式中所述参数的变化，包括：相变材料Ge2Sb2Te5处于结晶态的奇数超模的有效折射率
Figure BDA0003678380960000069
相变材料Ge2Sb2Te5处于非晶态的偶数超模的有效折射率
Figure BDA00036783809600000610
相变材料Ge2Sb2Te5处于非晶态的奇数超模的有效折射率
Figure BDA00036783809600000611
的值的改变，从而导致耦合长度的变化。当入射光波长不变时，一般
Figure BDA00036783809600000612
与
Figure BDA00036783809600000613
的值会随间隔Wg的增大而减小，因此，耦合长度Lp会随间隔Wg的增大而增长，增大时，耦合长度会增长，两者呈正比例关系。
为了满足TE模式下光在硅波导的有效传输，一般选择第一硅波导2宽度范围在400nm-500nm，高度范围一般为200-240nm。根据相位匹配条件，可仿真计算出第一硅波导2与混合波导的有效折射率相近时混合波导的尺寸，由于混合波导中Ge2Sb2Te5的限制作用，使得一般情况下混合波导宽度要小于第一硅波导2宽度。因此第一硅波导2与混合波导尺寸并非固定不变，在满足在波导宽度对光的限制及相位匹配条件下，可进行适当调整。本实施例中，第一柜波导和混合波导可采用如下尺寸：第一硅波导2的厚度(HS)为220nm且宽度(W0)为400-500nm；混合波导的总厚度为240nm，其中上层相变材料Ge2Sb2Te5层4的厚度(HGST)为20nm，宽度(WGST)为281nm，长度为29.41μm；下层第二硅波导3(HS)的厚度为220nm，宽度(W1)为381nm，长度(Lp)为29.41μm，第二硅波导3与第一硅波导2之间的间隔Wg为150nm。硅衬底的厚度为250μm，二氧化硅层12的厚度为3μm。当相变材料Ge2Sb2Te5层4处于晶态时，第一硅波导2要与混合波导相位失配，光直接通过第一硅波导2，如图2(a)。当相变材料Ge2Sb2Te5处于非晶态时，在混合波导长度Lp为29.41μm，第二硅波导3宽度381nm和第一硅波导2宽度400nm的条件下，第一硅波导2与混合波导达到相位匹配。光从第一硅波导2输入后耦合到混合波导，然后再以很小的损耗从混合波导耦合回第一硅波导2，如图2(b)所示。
本发明的移相器器件体积小，串扰低且能实现低损耗传输，相变材料Ge2Sb2Te5层4的引入，有效加强了光与波导的相互作用，在改变耦合强度的同时缩小了器件的尺寸，Ge2Sb2Te5在晶态、非晶态具有差异较大的折射率和吸收系数。Ge2Sb2Te5在晶态和非晶态两种相态之间转换，可以通过施加电脉冲或光脉冲激励实现，并且Ge2Sb2Te5具有纳秒级的相态转变速度。此外，Ge2Sb2Te5具有良好的非易失性，不需额外能量即可保持相态稳定。Ge2Sb2Te5相态的变化引起混合波导的折射率和光吸收系数变化，进而导致输出光信号的变化，从而实现对光信号耦合强度的调制。
具体实施例二
如图3所示，一种马赫曾德尔干涉仪光开关，其应用本发明所述的基于相变材料的非易失性移相器，包括固定设置在基底1上的两个输入波导5、两个输出波导6和硅波导臂9，且两个输入波导5均固定设置在基底1的上表面的一侧，两个输出波导6均固定设置在基底1的上表面的另一侧，两个输入波导5的输出端通过第一定向耦合器7耦合连接，两个输出波导6的输入端通过第二定向耦合器8耦合连接，硅波导臂9的两端分别与第一定向耦合器7和第二定向耦合器8相连接，第一硅波导2的两端分别与第一定向耦合器7和所述第二定向耦合器8相连接。
在本实施例中，硅波导臂9与第一硅波导2长度相等且两者的横截面尺寸相同，输入波导5的厚度和输出波导6的厚度均为220nm且两者的宽度均为450nm。
图4中绘制了低损耗马赫曾德尔干涉仪光开关两种状态下的插入损耗IL和串扰CT随波长的变化关系，可以看到两种状态下都有较小的损耗、串扰和较平坦的带宽。
当相变材料发生相变时，会导致移相器中混合波导的有效折射率发生改变，引起第一硅波导2与混合波导的相位匹配与相位失配。从而实现对光相位的调制。本发明的应用价值：该移相器具有尺寸小便于片上集成、损耗小，串扰低，较高工作带宽和速度快等特点，非常适用于光子信息处理、可重构光子器件、光子神经网络等众多富有前景的研究领域。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：包括基底(1)以及固定设置在所述基底(1)上的第一硅波导(2)和混合波导，所述混合波导包括第二硅波导(3)和Ge2Sb2Te5层(4)，所述第二硅波导(3)固定设置在所述基底(1)上，所述第二硅波导(3)与所述第一硅波导(2)间隔设置，且所述第二硅波导(3)的长度方向与所述第一硅波导(2)的长度方向相平行，所述Ge2Sb2Te5层(4)固定设置在所述第二硅波导层(3)上且所述Ge2Sb2Te5层(4)的长度方向与所述第二硅波导(3)的长度方向相平行。
2.如权利要求1所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述第一硅波导(2)的高度范围为200-240nm、宽度范围为400-500nm。
3.如权利要求2所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述第二硅波导(3)的高度与所述第一硅波导(2)的高度相等。
4.如权利要求3所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述第二硅波导(3)的宽度范围为350-400nm、长度范围为25-30μm。
5.如权利要求4所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述Ge2Sb2Te5层(4)的长度与所述第二硅波导(3)的长度相等且所述Ge2Sb2Te5层(4)的宽度范围为250-300nm、高度范围为15-25nm。
6.如权利要求5所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述第二硅波导(3)与所述第一硅波导(2)之间的距离范围为100-200nm。
7.如权利要求1所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述基底(1)包括硅衬底层(11)和固定设置在所述硅衬底层(11)上的二氧化硅层(12)，所述第一硅波导(2)和所述混合波导固定设置在所述二氧化硅层(12)上。
8.如权利要求7所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：所述硅衬底层(11)的高度范围为200-300μm，所述二氧化硅层(12)的高度范围为2-4μm。
9.如权利要求1所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：当所述移相器中的Ge2Sb2Te5层(4)处于晶态时，π弧度相位差为：
Figure FDA0003678380950000021
在上述公式中，
Figure FDA0003678380950000022
代表所述Ge2Sb2Te5层(4)处于晶态时的奇数超模的有效折射率，
Figure FDA0003678380950000023
代表所述Ge2Sb2Te5层(4)处于非晶态的偶数超模的有效折射率，
Figure FDA0003678380950000024
代表所述Ge2Sb2Te5层(4)处于非晶态的奇数超模的有效折射率，π代表Ge2Sb2Te5层(4)处于晶态时波导的奇数超模与非晶态时的奇数超模和偶数超模之间存在的π弧度相位差。
10.如权利要求9所述的基于相变材料的非易失性移相器，其特征在于：当所述移相器中的Ge2Sb2Te5层(4)处于非晶态时，所述混合波导的长度计算公式为：
Figure FDA0003678380950000025
在上述公式中，Lp代表混合波导的长度，λ代表入射光的光波长。
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