CN115390193A - 一种基于相变材料的多模式切换的1×3光开关及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于相变材料的多模式切换的1×3光开关及其制备方法。光开关结构为在衬底上平行设置三根直条形Si波导和两根直条形复合波导，形成单直波导区域、上行耦合波导区域和下行耦合波导区域；依据设计的波导结构，先采用聚焦电子束曝光工艺，得到五根Si波导，再对复合波导的Si波导进行磁控溅射，在复合波导的Si波导上沉积多元硫化物相变薄膜开关单元。本发明由覆盖在光开关耦合区域复合波导之上的相变材料薄膜控制，通过切换相变薄膜的相态可对输入的电磁场基模，由三根条形Si波导分别进行基模、一阶模和二阶模的三路选通和模式切换，实现模式分离和复用的光开关切换功能，具有模式选通、集成度高、体积小和切换速率高等特点。

Description

一种基于相变材料的多模式切换的1×3光开关及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别涉及的是一种基于相变材料的多模式切换的1×3光开关及其制备方法。
背景技术
随着虚拟现实、大数据和人工智能等领域的技术发展，对于通信的容量提出了越来越高的要求。提高光通信传输容量、降低损耗、提高集成密度和调节效率等均是光通信及硅基光开关技术进一步发展中亟待解决的关键问题。在短数据中心网络中，通常要根据动态需求进行网络重构，而目前的重配置主要由高速电交换开关完成，即输入信号被转换成电信号，在电域完成交换之后再被转换回光信号。这种光/电/光（O/E/O）转换通常需要接收机和发射机，且每条光路都要通过复用器、解复用器及多路O/E/O转换，增加了交换节点的数据链路重构的复杂性，并具有高功耗和高硬件成本。硅基光波导开关是一种公认的低成本光交换技术，在电信网络和数据中心等领域中具有非常广泛的应用前景。光开关是光交换网络中用于数据交换的核心单元，可以在多模式频道实现数据和信号的切换，是构建更加灵活、有效的模分复用网络，及实现硅芯片全光网络功能必不可少的一部分。
目前，硅基光波导开关的研究主要集中在基于光干涉原理的马赫-曾德尔干涉仪型光波导开关（参见文献：Lin Y ,Zhou T ,Hao J , et al. General architectures foron-chip optical space and mode switching[J]. Optica, 2018, 5(2):180.）、微环谐振器型光波导开关（参见文献：Nikolova D, Calhoun D M, Liu Y, Rumley S, et. Al.Modular architecture for fully non-blocking silicon photonic switch fabricMicrosystems & Nanoengineering 3 1-9 16071,2017）和微电子机械系统（MEMS）驱动波导型光开关（参见文献：T. J. Seok, N. Quack, S. Han, et. Al., Large-scalebroadband digital silicon photonic switches with vertical adiabatic couplers,Optica, vol. 3, no. 1, pp. 64, Jan. 2016）。马赫-曾德尔型或微环谐振器型硅基光波导开关中的相移器，由硅掺杂PN结材料构成；通过电光调制对相移干涉臂施加电压引起的折射率变化进而形成相位差；由于硅材料的折射率变化很小（一般为：∆n<0.01），造成光干涉的臂长及波导结构尺寸达到数百微米，使得整个单元开关结构尺寸偏大；并且，开关状态需要不断的电压维持致使该器件具有易失性。MEMS光波导开关，是一种新型低串扰的波长选择开关，但它的缺点是其可移动部件的质量很大，相应时间较慢（约300微秒），而且驱动电压也非常高。
将相变材料薄膜用于光波导开关的相移单元，取代干涉臂，制作可重构的模式复用光波导开关单元器件，逐渐浮现。将相变材料覆盖在硅基条形波导上形成复合波导，并利用相变材料在晶态和非晶态可逆复相变和相变前后形成巨大的折射率差异来改变光信号的传播路径。目前，能查到的利用相变材料薄膜与硅基结合的1×3光波导开关的结构（参见文献：He, Jie, Junbo Yang, Hansi Ma, et al. Design of a Multi-FunctionalIntegrated Optical Switch Based on Phase Change Materials, Photonics 2022, 9(320):1-13.)，这一结构包含三根长波导，其中两根为弯曲波导。弯曲波导容易带来更大的光损耗和串扰，并且加大了器件的实验难度，因此也限制了此类光开关的更大的复用和集成度，这一技术还有待于进一步开发和利用。
发明内容
本发明针对现有现有技术存在的不足，提供一种高消光比、尺寸小、切换速率快，具有单进-三出的多通道选择输入、选通和模式任意切换功能的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关及其制备方法。
实现本发明目的技术方案是提供一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1×3型光开关的制备方法，包括如下步骤：
（1）波导结构的设计
将中行Si直波导设置于光开关的中间，一侧设置为上行耦合波导区域，包括上行Si直波导和上行复合波导，另一侧为由下行复合波导和下行Si直波导组成的下行耦合波导区域；各波导相互平行，间距为100～200纳米，Si直波导与复合波导相间分布，上行复合波导位于中行Si直波导的前端区域，下行复合波导位于中行Si直波导的后端区域；光输入端口和光波的基模输出端口分别设置于中行Si直波导的前、后端；光波的一阶模输出端口设置于上行Si直波导的后端；光波的二阶模输出端口设置于下行Si直波导的后端；所述的上行复合波导和下行复合波导为在Si波导上沉积一层相变材料薄膜构成；
（2）波导结构的制备
在SiO2衬底材料上覆盖光刻胶，采用聚焦电子束曝光工艺，按步骤（1）设计的波导结构，在基底上制备得到3根Si直波导和2根复合波导的Si波导；
(3)相变材料的集成
对步骤（2）得到的波导结构进行光刻胶旋涂，对复合波导的Si波导进行电子束曝光后，再采用磁控溅射工艺在复合波导的Si波导上沉积厚度为10～300纳米的多元硫化物相变薄膜；磁控溅射工艺参数包括：通入流速为50sccm的Ar气体，硫化物靶材溅射功率为20～50W，溅射压强为0.8～1.2Pa，溅射时间为2～10分钟；所述的硫化物靶材为Ge、Sb、Se和Te元素中的任意两种或多种；
（4）剥离光刻胶，得到一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1×3型光开关。
本发明技术方案中，衬底的厚度为1微米～100微米；波导结构中，各波导之间的距离为100～200纳米；中行Si直波导、上行Si直波导和下行Si直波导的厚度为100～400纳米，宽度分别为200～600纳米、600～1100纳米和1100～1900纳米，长度分别为10～80微米、20～80微米和10～30微米；上行复合波导和下行复合波导的宽度为200～600纳米，长度为5～30微米，它们的Si波导的厚度为100～400纳米，相变材料薄膜层的厚度为10～100纳米。
本发明技术方案还包括按上述制备方法得到的一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关。
在本发明技术方案中，光开关利用了硫化物相变薄膜的相变特性，实现光波模式三种路径的选择性输出，使得横电模（TE）或横磁模（TM）的基模、一阶模和二阶模可任意切换。波导中模式的有效折射率与波导的尺寸息息相关。基模与高阶模的有效折射率随着波导宽度增大都在逐渐变大，有效折射率相同的情况下，需要容纳高阶模波导宽度就越大。通过偏振模式的色散曲线，确定条形波导的尺寸。
本发明提供的1×3 光开关中有两个三波导定向耦合器，都包含了A，B 和C 三种超模。当波导尺寸确定后，耦合间距和最佳耦合长度的确定可依据模式传导满足三波导相位匹配条件原理，即，三种超模的有效折射率需满足以下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，NA，NB 和NC 分别为A，B和C三种超模的有效折射率。
三波导最佳耦合长度满足以下条件：
Figure 815701DEST_PATH_IMAGE002
式中，其中Lc为耦合长度，λ是工作波长。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明将条形Si波导和硫族化合物相变薄膜刻蚀沉积于SiO2衬底上形成了单进-三出的全直波导式光开关，波导开关具有选模功能，条形直波导结构大大的降低了实验难度，提高效率，具有高消光比、尺寸小、切换速率快等特点。
2.本发明通过改变复合条形波导上相变材料的相态即可完成单进-三出的多通道选择输入、选通和模式任意切换的功能。当上行复合波导或下行复合波导中的相变薄膜为低射率低损耗的非晶态，且满足最佳耦合长度时，光波模式将在上行Si直波导中以一阶模形式输出，或在下行Si直波导中以二阶模形式输出；当两根复合直波导中的相变薄膜均为高折射率的晶态时，输入的基模光波将沿着输入端口的直波导进行传输至输出端口。
附图说明
图1、2分别是本发明实施例提供基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关的结构示意俯视图和侧视立体图；
图中，1.单直波导区域；2.上行耦合波导区域；3.下行耦合波导区域；4.上行Si直波导；5.上行复合波导；6.中行Si直波导；7.下行复合波导；8.下行Si直波导；9.二氧化硅衬底；10.复合波导中的Si波导；11.复合波导中的相变材料薄膜；12.光输入端口；13.光波的基模输出端口；14.光波的一阶模输出端口，或称上行输出端口；15.光波的二阶模输出端口，或称下行输出端口。
图3是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构中的光波模式的有效折射率随波导宽度变化的色散曲线和光波模场分布图。
图4是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构在TE模从光输入端口12输入、从光波的基模输出端口13输出时光强分布图。
图5是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构在TE模从光输入端口12输入、从上行耦合波导区域的一阶模输出端口14输出时光强分布图。
图6是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构在TE模从光输入端口12输入、从下行耦合波导区域的二阶模输出端口15输出时光强分布图。
图7是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构中TE模从光输入端口12输入、从基模输出端口13输出时的消光比和插入损耗曲线。
图8是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构中TE模从光输入端口12输入、从上行耦合波导区域的一阶模输出端口14输出时的消光比和插入损耗曲线。
图9是本发明实施例提供的基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关结构中TE模从光输入端口12输入、从下行耦合波导区域的二阶模输出端口15输出时的消光比和插入损耗曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本发明提供一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关及其制备方法。光波导开关由五根平行设置的条形直波导构成，其中三根为Si波导，两根为相变材料薄膜和Si复合的波导，形成一个单直波导区域和两个耦合波导区域。光波导开关的制备方法步骤如下：
（1）波导结构的设计
参见附图1、2，分别为本实施例提供的1×3光波导开关结构俯视示意图和立体示意图；在二氧化硅衬底9上设置Si波导和复合波导，具体结构为：由中行Si直波导6组成的单直波导区域1设置于光开关的中间，一侧为由上行Si直波导4和上行复合波导5组成的上行耦合波导区域2，另一侧为由下行复合波导7和下行Si直波导8组成的下行耦合波导区域3。各波导相互平行，间距为100～200纳米，Si直波导与复合波导相间分布，上行复合波导5位于中行Si直波导6的前端区域，下行复合波导7位于中行Si直波导6的后端区域。光输入端口12和光波的基模输出端口13分别位于中行Si直波导6的前、后端；光波的一阶模输出端口14位于上行Si直波导4的后端；光波的二阶模输出端口15位于下行Si直波导8的后端。
由图2可见，上行复合波导5和下行复合波导7为在Si波导10上沉积或覆盖一层相变材料薄膜11构成。
（2）波导结构的制备
在SiO2衬底材料(厚度为1微米～100微米)上覆盖光刻胶，采用聚焦电子束曝光工艺，按步骤（1）设计的波导结构，在基底上制备得到3根Si直波导和2根复合波导的Si波导10；
(3)相变材料的集成
对步骤（2）得到的波导结构进行光刻胶旋涂，对复合波导的Si波导10进行电子束曝光后，再采用磁控溅射工艺在复合波导的Si波导10上沉积厚度为10～300纳米的多元硫化物相变薄膜11；磁控溅射工艺参数包括：通入流速为50sccm的Ar气体，硫化物靶材溅射功率为20～50W，溅射压强为0.8～1.2Pa，溅射时间为2～10分钟；所述的硫化物靶材为Ge、Sb、Se和Te元素中的任意两种或多种；
（4）剥离光刻胶，得到一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1×3型光开关。
本发明提供的1×3光波导开关，其中行Si直波导6、上行Si直波导4和下行Si直波导8的厚度为100～400纳米，宽度分别为200～600纳米、600～1100纳米和1100～1900纳米，长度分别为10～80微米、20～80微米和10～30微米。上行复合波导5和下行复合波导7的宽度为200～600纳米，长度为5～30微米；它们的Si波导10的厚度为100～400纳米，相变材料薄膜11的厚度为10～100纳米。
本实施例提供的1×3光波导开关结构，可根据上行或下行区域中复合波导的相变材料薄膜的相态实现改变光信号的输出模式和选择输出的端口。
本实施例中，三根Si直波导和两根复合波导中的Si直波导的厚度均为300纳米；中行Si直波导6、上行Si直波导4和下行Si直波导8的宽度分别为400纳米、832纳米和1263纳米；两复合波导的宽度均为370纳米，硫化物相变材料层厚度均为65纳米，上行复合波导5长度为20.5微米，下行复合波导7长度为21.5微米；五根直波导之间的间距均为150纳米。整个器件宽度为3.5微米，长度为50微米。
本实施例中，磁控溅射靶材组分由Ge-Sb-Se-Te四元材料组成，其元素比为2:2:4:1，溅射成膜后的折射率分别为：5.03+0.4i（晶态）和2.86+0.003i（非晶态）。
参见附图3，是本实施例提供基于多模式切换的1×3光波导开关结构中的光波模式的有效折射率随波导宽度变化的色散曲线和光波模场分布图。图中，曲线1、2和3分别为横电模TE光波输入情况下，波导中激发的零阶基模、一阶模和二阶模的色散曲线。满足超模有效折射率匹配的情况下，波导的尺寸越大，能激发的模式数越多。由图3可见，在通讯波段1550纳米处，当有效折射率为2.466时，基模对应的Si波导宽度为400纳米，一阶模对应宽度832纳米，二阶模对应宽度1263纳米。图3中的a、b、c图分别对应为零阶基模、一阶模和二阶模的模场分布图，即能量分布图。
参见图4，是本实施例提供基于多模式切换的1×3光波导开关结构在TE模从光输入端口12输入、从光波的基模输出端口13输出时光强分布图。此时，上行复合波导5和下行复合波导7中的相变材料均为晶态，光波的基模输出端口13输出为零阶基模。
参见图5，是本实施例提供基于多模式切换的1×3光波导开关结构在TE模从光输入端口12输入、从上行输出端口14输出时光强分布图。此时上行复合波导5中的相变材料为非晶态，下行复合波导7中的相变材料为晶态，上行耦合波导区域2满足超模耦合条件，上行输出端口14输出为一阶模。
参见图6，是本实施例提供基于多模式切换的1×3光波导开关结构在TE模从光输入端口12输入、从下行端口15输出时光强分布图。此时上行复合波导5中的相变材料为晶态，下行复合波导7中的相变材料为非晶态，下行耦合波导区域3满足超模耦合条件，下行输出端口15输出为二阶模。
参见附图7，是本实施例提供基于多模式切换的1×3光波导开关结构中TE模从光输入端口12输入、从光波的基模输出端口13输出时的消光比和插入损耗曲线。曲线1为消光比，曲线2为插入损耗。此时，上行复合波导5和下行复合波导7中的相变材料均为晶态，对应的输出端口为零阶基模；光通讯波段1550纳米处，光开关的消光比和插入损耗分别是16.19dB和1.19dB。
参见附图8，是本实施例提供的基于多模式切换的1×3光波导开关结构中TE模从光输入端口12输入、从上行输出端口14输出时的消光比和插入损耗曲线。曲线1为消光比，曲线2为插入损耗。此时，上行复合波导5中的相变材料为非晶态，下行复合波导7中的相变材料为晶态，上行耦合波导区域2满足超模耦合条件，上行输出端口14的输出端口为一阶模；光通讯波段1550纳米处，光开关的消光比和插入损耗分别是17.2dB和0.148dB。
参见附图9，是本实施例提供基于多模式切换的1×3光波导开关结构中TE模从光输入端口12输入、从下行端口15输出时的消光比和插入损耗曲线。曲线1为消光比，曲线2为插入损耗。此时，上行复合波导5中的相变材料为晶态，下行复合波导7中的相变材料为非晶态，下行耦合波导区域3满足超模耦合条件，下行输出端口15的输出为二阶模；光通讯波段1550纳米处，光开关的消光比和插入损耗分别是16.19dB和0.71dB。

Claims (6)

1.一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1×3型光开关的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）波导结构的设计
将中行Si直波导(6)设置于光开关的中间，一侧设置为上行耦合波导区域(2)，包括上行Si直波导(4)和上行复合波导(5)，另一侧为由下行复合波导(7)和下行Si直波导(8)组成的下行耦合波导区域(3)；各波导相互平行，间距为100～200纳米，Si直波导与复合波导相间分布，上行复合波导(5)位于中行Si直波导(6)的前端区域，下行复合波导(7)位于中行Si直波导(6)的后端区域；光输入端口(12)和光波的基模输出端口(13)分别设置于中行Si直波导(6)的前、后端；光波的一阶模输出端口(14)设置于上行Si直波导(4)的后端；光波的二阶模输出端口(15)设置于下行Si直波导(8) 的后端；所述的上行复合波导(5)和下行复合波导(7)为在Si波导(10)上沉积一层相变材料薄膜(11)构成；
（2）波导结构的制备
在SiO2衬底材料上覆盖光刻胶，采用聚焦电子束曝光工艺，按步骤（1）设计的波导结构，在基底上制备得到3根Si直波导和2根复合波导的Si波导(10)；
(3)相变材料的集成
对步骤（2）得到的波导结构进行光刻胶旋涂，对复合波导的Si波导(10)进行电子束曝光后，再采用磁控溅射工艺在复合波导的Si波导(10)上沉积厚度为10～300纳米的多元硫化物相变薄膜(11)；磁控溅射工艺参数包括：通入流速为50sccm的Ar气体，硫化物靶材溅射功率为20～50W，溅射压强为0.8～1.2Pa，溅射时间为2～10分钟；所述的硫化物靶材为Ge、Sb、Se和Te元素中的任意两种或多种；
（4）剥离光刻胶，得到一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1×3型光开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关的制备方法，其特征在于：衬底的厚度为1微米～100微米。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关的制备方法，其特征在于：中行Si直波导(6)、上行Si直波导(4)和下行Si直波导(8)的厚度为100～400纳米，宽度分别为200～600纳米、600～1100纳米和1100～1900纳米，长度分别为10～80微米、20～80微米和10～30微米。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关的制备方法，其特征在于：上行复合波导(5)和下行复合波导(7) 的宽度为200～600纳米，长度为5～30微米；它们的Si波导(10) 的厚度为100～400纳米，相变材料薄膜层(11)的厚度为10～100纳米。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关的制备方法，其特征在于：各波导之间的距离为100～200纳米。
6.按权利要求1制备方法得到的一种基于相变材料的多模式切换1×3型光波导开关。
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