CN115598865A - 一种热光移相器、光开关、调制器、滤波器及芯片 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种热光移相器、光开关、调制器、滤波器及芯片，用于提升通信质量。本申请实施例提供的热光移相器包括：光波导、第一加热区域和第一电极组。光波导包括中间区域，第一侧边区域和第二侧边区域，第一侧边区域的高度和第二侧边区域的高度均小于中间区域的高度，第二侧边区域位于中间区域的第二侧。第一侧边区域在中间区域的第一侧，位于中间区域和第一加热区域的中间，第一加热区域的材料为导电材料。第一电极组位于第一侧边区域的第一侧，并与第一加热区域连接。其中，第一电极组包括第一正电极和第一负电极。

Description

一种热光移相器、光开关、调制器、滤波器及芯片

技术领域

本申请实施例涉及通信领域，尤其涉及一种热光移相器、光开关、调制器、滤波器及芯片。

背景技术

随着科技的发展，面向未来的数据中心，云计算和大规模人工智能(artificialintelligence，AI)集群都可能将计算资源分散到多个服务器中，以减小服务器的负担。因此服务器之间的大容量高速率的信息数据交换能力就成为了限制系统性能的主要瓶颈。大规模的数据交互给光互连架构提出了严苛的要求，要求光互连系统中的可重构结构不仅在稳态时保持良好的性能，又能够在重构时尽可能快速完成信道或者状态的切换。也即对可重构器件的信道重构技术提出了严格的要求。

在已有的热光调谐结构中，可以通过热光效应(thermo-optic effect，TO)改变光波导的折射率，从而实现信道重构。具体的，可以在光波导中加入杂质得到波导加热器，光波导两侧连接有平面波导，平面波导与金属电极相连。当一端电极通电，另一端电极接地时，由于光波导被掺杂，电流可以横穿光波导，使得光波导升温，从而改变折射率，实现信道重构。

在这种结构中，由于光波导被加入杂质，同时，电信号也会进入光波导中，会对光模场产生影响，使得光信号在传播过程中产生损耗，降低了通信质量。

发明内容

本申请实施例提供了一种热光移相器、光开关、调制器、滤波器及芯片，通过将电极组和加热区域放置在波导的同一侧，使得电流沿着平行于光波导的方向传递，减小了加热电流对光模场的影响，提升了通信质量。

本申请实施例第一方面提供了一种热光移相器，包括光波导、第一加热区域和第一电极组。其中，光波导包括中间区域、第一侧边区域和第二侧边区域。

第一侧边区域和第二侧边区域均是对光波导进行刻蚀得到的，因此第一侧边区域的高度和第二侧边区域的高度均小于中间区域的高度。第二侧边区域位于中间波导的第二侧。在中间区域的第一侧，依次排列第一侧边区域和第一加热区域，也就是说，第一侧边区域位于中间区域和第一加热区域之间。其中，第一加热区域的材料为导电材料。由于第一侧边区域的高度小于中间区域的高度，因此第一侧边区域可以将光模场限制在中间区域中，减小加热电流对光模场的影响。第一电极组在第一侧边区域的第一侧，且第一电极组与第一加热区域连接。第一电极组包括第一正电极和第一负电极，第一电极组可以外接电源，使得电流从第一正电极出发，经由第一加热区域，流向第一负电极。第一加热区域在有电流流过时，会产生热量，这些热量可以经过第一侧边区域传递到光波导的中间区域上，由此改变光波导的折射率，以实现信道重构。

本申请实施例中，将电极组和加热区域放在光波导的同一侧，使得电流沿着平行于光波导的方向传递，减小了加热电流对光模场的影响，提升了通信质量。

结合第一方面，本申请实施例第一方面的第一种实现方式中，热光移相器还包括第一散热片，第一散热片与第一加热区域连接。可以理解的是，在实际应用中，在设计热光移相器时，除了会考虑如何升高温度以改变光的相位，也会考虑散热问题，以使得热光移相器的温度可以及时降低。

本申请实施例中，除了设置加热区域之外，还可以在热光移相器中设置散热片，以实现加热与散热之间的平衡，提升了热光移相器的可实用性。

结合第一方面或者第一方面的第一种实现方式，本申请实施例第一方面的第二种实现方式中，热光移相器还可以包括第二散热片，第二散热片与第二侧边区域连接。

本申请实施例中，散热片的排布方式有多种可能，既可以将散热片与加热区域放在光波导的同一侧，也可以将散热片和加热区域分别放置在光波导的两侧，还可以在光波导的两侧同时放置散热片，可以根据实际应用的需要选择，提升了技术方案的灵活性。

结合第一方面或者第一方面的第一种实现方式，本申请实施例第一方面的第三种实现方式中，热光移相器还包括第二加热区域和第二电极组。

在中间区域的第二侧，依次排列第二侧边区域和第二加热区域，也就是说，第二侧边区域位于中间区域和第二加热区域之间。其中，第二加热区域的材料为导电材料。第二侧边区域可以是对光波导进行刻蚀后得到的，使得第二侧边区域的高度小于中间区域的高度，其作用在于隔离光模场和加热电流，减小加热电流对光模场的影响。第二电极组在第二侧边区域的第二侧，且第二电极组与第二加热区域连接。第二电极组包括第二正电极和第二负电极，第二电极组可以外接电源，使得电流从第二正电极出发，经由第二加热区域，流向第二负电极。第二加热区域在有电流流过时，会产生热量，这些热量可以经过第二侧边区域传递到光波导的中间区域上，由此改变光波导的折射率，以实现信道重构。

本申请实施例中，可以在光波导的两侧均连接加热区域，更进一步提升加热效率，加快信道重构的速度。

结合第一方面的第三种实现方式，本申请实施例第一方面的第四种实现方式中，热光移相器还可以包括第二散热片，第二散热片与第二加热区域连接。

本申请实施例中，在光波导的两侧都有加热区域的情况下，既可以在光波导的一侧设置散热片，也可以在两侧都设置散热片，可以根据实际应用的需要选择，提升了技术方案的灵活性。

结合第一方面、第一方面的第一种至第四种实现方式中的任一种，本申请实施例第一方面的第五种实现方式中，光波导的材料有多种情况，可以是硅，也可以是碳化硅，在这些情况下，加热区域所使用的导电材料可以是掺杂材料，该掺杂材料包括跟光波导的材料相同的材料。

结合第一方面、第一方面的第一种至第四种实现方式中的任一种，本申请实施例第一方面的第六种实现方式中，光波导的材料还可以是氮化硅。不论光波导的材料是硅，还是碳化硅，还是氮化硅，加热区域所使用的导电材料都可以是高导热材料。

本申请实施例中，光波导的材料，以及加热区域使用的导电材料都可以有多种选择，可以灵活选择合适的材料，提升了技术方案的可实用性和灵活性。

结合第一方面、第一方面的第一种至第六种实现方式中的任一种，本申请实施例第一方面的第七种实现方式中，光波导的形状也有多种情况，既可以是柱状，也可以是环状。

本申请实施例中，光波导的形状有多种可能，可以根据实际应用的需要选择，提升了技术方案的灵活性。

本申请实施例第二方面提供了一种光开关，该光开关中包括第一方面所示的热光移相器。

本申请实施例第三方面提供了一种调制器，该调制器中包括第一方面所示的热光移相器。

本申请实施例第四方面提供了一种滤波器，该滤波器中包括第一方面所示的热光移相器。

本申请实施例第五方面提供了一种芯片，该芯片中包括第一方面所示的热光移相器。

本申请实施例第二方面至第五方面中任一方面所示的有益效果如第一方面所述，详见第一方面，此处不再赘述。

附图说明

图1a为本申请实施例提供的热光移相器的一个结构示意图；

图1b为本申请实施例提供的热光移相器的一个俯视图；

图1c为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图2a为本申请实施例提供的热光移相器的另一个结构示意图；

图2b为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图2c为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图2d为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图3a为本申请实施例提供的热光移相器的另一个结构示意图；

图3b为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图4a为本申请实施例提供的热光移相器的另一个结构示意图；

图4b为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图4c为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图4d为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图5a为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图5b为本申请实施例提供的热光移相器的另一个俯视图；

图6为本申请实施例提供的热光移相器的另一个结构示意图；

图7a为本申请实施例仿真实验的一个实验结果示意图；

图7b为本申请实施例仿真实验的另一个实验结果示意图；

图8a为本申请实施例仿真实验的另一个实验结果示意图；

图8b为本申请实施例仿真实验的另一个实验结果示意图；

图9为本申请实施例提供的光开关的一个结构示意图；

图10为本申请实施例提供的光互连开关阵列的一个结构示意图；

图11为本申请实施例提供的大规模数据交换系统的一个结构示意图；

图12为本申请实施例提供的调制器的一个结构示意图；

图13a为本申请实施例提供的滤波器的一个结构示意图；

图13b为本申请实施例提供的滤波器的另一个结构示意图；

图13c为本申请实施例提供的波分复用系统的一个示意图；

图14为本申请实施例提供的干涉器件的一个结构示意图；

图15为本申请实施例提供的芯片的一个结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种热光移相器、光开关、调制器、滤波器及芯片，将电极组和加热区域放在光波导的同一侧，使得电流沿着平行于光波导的方向传递，减小了加热电流对光模场的影响，提升了通信质量。

首先，对本申请实施例中可能涉及到的专有名词进行解释。

1、可重构器件(reconfigurable device)。

本申请实施例中的可重构器件是指工作特性(例如工作波长)可以根据应用的需要重新定义的器件，包括热光移相器，以及应用热光移相器的光开关、调制器、滤波器和芯片等器件。在光互连结构中，对可重构器件提出了严格的要求，希望可重构器件可以快速完成信道的切换。

2、热光效应(thermo-optic effect)。

能够对可重构器件进行重构的方式有多种，例如改变材料折射率、半导体方法和微机电悬臂梁等。在在这些方式中，改变材料折射率具有不需要机械部件，也不需要异质集成，在功耗、体积、成本和速度上都具有明显优势，得到了广泛应用。热光效应是可以改变材料折射率的一种效应，具体表现为指材料的折射率随着温度变化而变化。可以理解的是，不同的材料在一定的波长范围内，折射率和温度之间的关系有所不同，以硅(Si)为例，硅的折射率与温度变化之间是呈正相关的。本申请实施例提供的可重构器件也是基于热光效应实现信道重构的。

在大多数的半导体材料中，例如硅、碳化硅(SiC)和氮化硅(SiN)中，热光效应能够提供足够的折射率改变量，从而移动相位，达到信道重构的目标。因此，热光效应是大多数可重构器件进行信道重构和频谱优化的首选方式。

3、SOI(silicon on insulator)工艺。

SOI工艺是对半导体材料进行加工的一种工艺，其原理是在硅晶体管之间加入绝缘体物质，以实现集成电路中的介质隔离。使用SOI工艺得到的器件，在性能上也有许多优势，例如减少了寄生电容，提高了运行速度；功耗更低；与现有硅工艺兼容，降低工序的复杂度等。本申请实施例提供的芯片也可以使用SOI工艺制作得到。

接下来，对本申请实施例提供的热光移相器进行说明，请参阅图1a，图1a为本申请实施例提供的热光移相器的一个结构示意图。

如图1a所示，热光移相器包括光波导100，第一加热区域200和第一电极组300。其中，光波导100包括中间区域101，第一侧边区域102和第二侧边区域103。第一电极组300包括第一正电极301和第一负电极302。

可以理解的是，第一侧边区域102和第二侧边103可以是对光波导100进行刻蚀得到的，因此第一侧边区域102的高度和第二侧边区域103的高度均小于中间区域101的高度。可选的，第一侧边区域102的高度与第二侧边区域103的高度，既可以是相同的，也可以是不同的，只要小于中间区域101的高度即可，具体此处不做限定。

如图1a所示，第一加热区域200与第一侧边区域102和第一电极组300具有连接关系。为了能够产生加热电流，第一加热区域200的材料为导电材料。当第一电极组300外接电源时，电流可以从第一正电极301触发，流经第一加热区域200，到达第一负电极302。第一加热区域200在有电流流过时，会产生热量，这些热量可以经过第一侧边区域102的传递，到达中间区域101，从而改变光波导100的折射率，实现信道重构。

可以理解的是第一正电极301和第一负电极302的位置有多种可能，图1a只是一个示例，在实际应用中，只要使得第一电极301和第一负电极302均位于第一侧边区域103的第一侧，且第一电极301和第一负电极302均与第一加热区域200连接即可，具体此处不做限定。

可选的，光波导100的材料有多种情况，可以是硅，也可以是碳化硅，除此之外，还可以是其他能够基于热光效应改变折射率的材料，例如氮化硅，光波导100的材料根据实际应的需要选择，具体此处不做限定。

可选的，对于不同材料的光波导100，第一加热区域200所使用的导电材料也有所不同。如果光波导100的材料是硅或者碳化硅，导电材料既可以是掺杂材料，也可以是其他的高导热材料。如果光波导100的材料是氮化硅，由于氮化硅无法被掺杂，所以导电材料为高导热材料。

可选的，当光波导100的材料是硅时，掺杂材料可以是在硅中掺杂磷原子(P)，或者硼原子(B)，或者铝原子(Al)。除此之外，掺杂材料还可以是其他能够导电的材料，例如硅中掺杂铟原子(In)，或者镓原子(Ga)，具体此处不做限定。由于加热区域的电阻如果过高，会降低加热时间，为了使得加热时间维持在一个较快的水平，需要确保加热区域的电阻较低。因此，上述原子的掺杂程度应为中重度，即掺杂原子的密度大于或者等于5×10¹⁸/cm³。优选的，当掺杂原子为磷原子或硼原子时，可以将这两种原子的密度设置为5×10²⁰/cm³。

可选的，当光波导100的材料是碳化硅时，掺杂材料可以是在碳化硅中掺杂磷原子(P)，或者铝原子(Al)。除此之外，掺杂材料还可以是其他能够导电的材料，例如碳化硅中掺杂氮原子(N)，具体此处不做限定。这些原子的掺杂程度也可以是中重度，即掺杂原子的密度大于或者等于5×10¹⁸/cm³。

可选的，第一加热区域200所使用的高导热材料也有多种情况，可以是石墨烯，也可以是金属材料，例如铝或者铜，除此之外，还可以是其他的金属材料，例如金，具体此处不做限定。第一加热区域200使用金属材料时，与已有的SOI工艺流程相同，并不会改变现有工艺的顺序，使得本申请技术方案提供的器件具有良好的兼容性。

本申请实施例中，光波导的材料，以及加热区域使用的导电材料都有多种可能，可以根据实际应用的需要灵活选择合适的材料，提升了技术方案的可实用性和灵活性。

在实际应用中，图1a所示的热光移相器外部常常会被二氧化硅(SiO₂)包裹，由于二氧化硅的折射率小于光波导100使用的硅、碳化硅和氮化硅三者中任一种材料的折射率，因此，光模场会被限制在折射率高的光波导100中，甚至是限制在中间区域101中。也就是说，同时，由于光模场受限于光波导100的形状，第一侧边区域102的高度小于中间区域101的高度，可以防止光模场泄漏，起到隔离光模场和加热电流的作用，避免了由于光模场泄漏带来的损耗。

本申请实施中，将电极组和加热区域放在光波导的同一侧，使得电流沿着平行于光波导的方向传递，减小了加热电流对光模场的影响，提升了通信质量。

为了更加清楚地说明本申请实施例提供的热光移相器，请参阅图1b和图1c，图1b和图1c均为本申请实施例提供的热光移相器的俯视图。

如图1b所示，第一正电极301和第一负电极302可以位于第一加热区域200两端的边缘区域。可选的，在实际应用中，第一正电极301和第一负电极302也可以如图1a所示，并不在第一加热区域200两端的边缘区域。第一正电极301和第一负电极302之间的距离可以根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

可选的，在第一侧边区域102的第一侧，可以分布多个第一电极组300。图1a中仅示出了一个第一电极组300。如图1c所示，热光移相器中可以包括两个第一电极组300，可以理解的是，在实际应用中，热光移相器中还可以包括更多数量的第一电极组300，例如三个，第一电极组300的数量根据实际应用的需要确定，具体此处不做限定。

可选的，第一电极组300中的正负电极的排列方式有多种，若第一电极组300的数量为两个，那么正负电极的排列方式可以如图1c所示，按照“正—负、正—负”的顺序排列；在实际应用中，还可以有其他的排列方式，例如按照“正—负、负—正”的顺序排列，具体此处不做限定。

可选的，多个第一电极组300之间的距离大小也可以根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

本申请实施例中提供的热光移相器中，还可以包括散热片，下面结合图2a，对热光移相器的结构进行说明。请参阅图2a，图2a为本申请实施例提供的热光移相器的一个结构示意图。

如图2a所示，热光移相器还包括第一散热片400，第一散热片400位于光波导100的第一侧，与第一加热区域200连接。在实际应用中，不仅需要考虑如何快速地升高光波导的温度以改变光的相位，还需要考虑如何加快温度下降的速度，以使得光波导可以尽快回归到稳态，因此散热片的用途即为加快温度下降的时间，以实现温度上升和温度下降之间的平衡。

示例性的，图2a所示实施例中，是以第一散热片的数量为4个为例的。在实际应用中，热光移相器还可以包括更多或者更少数量第一散热片400，且第一散热片400的厚度、材料、以及各个第一散热片400之间的距离均可以根据实际应用的需要进行选择，具体此处不做限定。

可选的，第一散热片400的材料是高导热材料，可以是金属，例如铜、钢或者铝；也可以是不导电的材料，例如导热硅胶片或者导热陶瓷片，具体此处不做限定。

需要注意的是，当第一散热片400的材料是导电材料时，第一散热片400与第一正电极301和第一负电极302之间需要保持开路状态，避免第一散热片400中流过加热电流而难以发挥散热作用。

本申请实施例中，热光移相器中除了包括加热区域之外，还可以包括散热片，以实现加热与散热之间的平衡，提升了热光移相器的可实用性。

可以理解的是，图2a所示实施例中除了第一散热片400的结构在图1a所示实施例中没有介绍之外，其他的结构均在图1a所示实施例中，进行了说明，此处不再赘述。

为了说明的简单，在接下来的说明中，均采用热光移相器的俯视图，对热光移相器的多种结构进行说明。请参阅图2b、图2c和图2d，图2b、图2c和图2d均为本申请实施例提供的热光移相器的俯视图。

本申请实施例中，第一散热片400可以放置在不同的位置，既可以如图2b所示，位于中间区域101的第一侧，与第一加热区域200连接；也可以如图2c所示，位于中间区域102的第二侧，与第二侧边区域103连接，具体此处不做限定。

可选的，在对散热要求较高的场景中，可以在中间区域101的两侧均分布散热片，具体来说，可以如图2d所示，在中间区域101的第一侧放置第一散热片400，在中间区域101的第二侧放置第二散热片500。可以理解是的，图2d仅仅是热光移相器的一个示例，在实际应用中，第一散热片400的数量、材料、以及各个第一散热片400之间的距离，可以与第二散热片500的数量、材料、以及各个第二散热片500之间的距离相同，也可以不同，根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

本申请实施例中，热光移相器所包括的散热片的数量，以及散热片的位置均有多种情况，既可以将散热片与加热区域放在光波导的同一侧，也可以将散热片和加热区域分别放置在光波导的两侧，还可以在光波导的两侧同时放置散热片，可以根据实际应用的需要进行选择，提升了本申请技术方案的灵活性。

可选的，为了更进一步地提升加热速度，可以在光波导的两侧均分布加热区域，下面对这种情况进行说明，请参阅图3a，图3a为本申请实施例提供的热光移相器的一个结构示意图。

如图3a所示，在光波导的第二侧连接有第二加热区域600，第二加热区域600是上连接有第二电极组700，其中，第二电极组700包括第二正电极701和第二正电极702。

可选的，第二加热区域600的材料与第一加热区域200的材料可以是相同的，也可以不同，根据实际应用的需要进行选择，具体此处不做限定。

可选的，第二电极组700的数量也可以有多个，且每个第二电极组700中第二正电极701和第二负电极702的数量也可以根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

可选的，第一侧边区域102和第二侧边区域103的宽度可以相同，也可以不同，根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。第二侧边区域103的作用与第一侧边区域102的作用类似，可以将第二加热区域600中的加热电流与光波导100中的光模场隔离开，减少加热电流对于光模场的影响。

可以理解的是，图3a中其他结构在图1a所示实施例中，进行了说明，此处不再赘述。

为了更加清楚地说明本申请实施例提供的热光移相器，请参阅图3b，图3b为本申请实施例提供的热光移相器的俯视图。

如图3b所示，第二正电极701和第二负电极702可以位于第二加热区域600两端的边缘区域。可选的，在实际应用中，第二正电极701和第二负电极702也可以如图3a所示，并不在第二加热区域600两端的边缘区域。第二正电极701和第二负电极702之间的距离可以根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

本申请实施例中，可以在光波导的两侧均连接加热区域，更进一步提升加热效率，加快信道重构的速度。

本申请实施例提供的热光移相器中，在光波导的两侧都连接加热区域的情况下，热光移相器中还可以包括散热片。下面对这种情况进行说明。请参阅图4a，图4a为本申请实施例提供的热光移相器的一个结构示意图。

如图4a所示，在中间区域101的第一侧有第一散热片400，第一散热片400与第一加热区域200连接。第一散热片400用于平衡加热时间与降温时间，提高了热光移相器的可实用性。

可选的，在光波导100的两侧均有加热区域的情况下，散热片的分布方式也有多种可能，下面分别对可能的情况进行说明。请参阅图4b、图4c和图4d，图4b、图4c和图4d均为本申请实施例提供的热光移相器的俯视图。

热光移相器中的散热片有多种分布方式，可以如图4b所示在光波导100的第一侧分布第一散热片400；也可以如图4c所示，在光波导100的第二侧分布第二散热片500，除此之外，还可以如图4d所示，同时在光波导100的第一侧分布第一散热片400，并在光波导100的第二侧分布第二散热片500。

本申请实施例中，在光波导的两侧都有加热区域的情况下，散热片的分布方式也有多种可能，既可以在光波导的某一侧设置散热片，也可以在两侧都设置散热片，可以根据实际应用的需要选择，提升了技术方案的灵活性。

可选的，图1a至图4d所示的实施例中，热光移相器中，光波导100所包括的中间区域101的形状均是柱状的，在实际应用中，中间区域101还可以是其他的形状。下面对这种情况进行说明，请参阅图5a和图5b，图5a和图5b均为本申请实施例提供的热光移相器的俯视图。

如图5a所示，热光移相器中的各个部件与图1a所示的各个部件相同，此处不再赘述。不同之处在于，在图5a所示实施例中，中间区域101的形状为环状。因此，图5a所示的热光移相器的结构可以称为微环波导结构。

可以理解的是，在实际应用中，对相同长度的中间区域101进行加热，中间区域101为环状的热光移相器的总长度小于中间区域101为柱状的热光移相器，从而节约了热光移相器所在的芯片的空间资源。

如图5a所示，在中间区域101的内侧，连接有第一加热区域200，第一加热区域200的材料在图1a所示实施例中已经说明，此处不再赘述。

可选的，中间区域101的外侧也可以设置有加热区域，图5a所示实施例只是微环波导结构的一个示例，在实际应用中，中间区域101的外侧也可以连接有加热区域，其原理与图4a至图4d类似，此处不再赘述。

可以理解的是，当中间区域101为环状时，光模场是在较靠近中间区域101的环外一侧传播的，如果加热区域也在中间区域101的外侧，即使有第二侧边区域102的隔离，加热电流对光模场产生影响的概率也高于加热区域在中间区域101的内侧。也就是说，在加热区域与中间区域101的间隔相同的情况下，加热区域在中间区域101的内侧会更好地防止加热电流对光模场产生影响。

本申请实施例中，在热光移相器采用微环波导结构的情况下，热光移相器中还可以包括散热片。

如图5b所示，在中间区域101的外侧分布有第二散热片500。可选的，在实际应用中，散热片有多种分布方式，还可以在中间区域101的内侧分布第一散热片；也可以同时在中间区域101的内侧分布第一散热片，在中间区域101的外侧分布第二散热片500，散热片的分布方式根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

本申请实施例提供的热光移相器中的中间区域既可以是柱状，也可以是环状，同时，在这两种情况中，加热区域和散热片的分布均有多种情况，在实际应用中，可以灵活选择，具体此处不做限定。

本申请实施例提供的热光移相器可以达到百纳秒或者亚微米级别的热调谐机制，其中，亚微秒级别是指1微秒到1纳秒之间的数量级。下面以图6所示的结构为例，结合仿真实验结果，对本申请实施例提供的热光移相器的加热时间和降温时间进行说明。假设图6所示实施例中光波导使用的材料为硅。

首先对光波导两侧加热区域的分隔距离(S)对光波导传输损耗的影响以及加热上升时间的影响进行说明。请参阅图7a和图7b，图7a和图7b为本申请实施例的实验结果示意图。

对分隔距离S对光波导加热上升时间的影响进行仿真，得到如图7a所示的结果。通过压缩分隔距离S，光波导温度上升时间可从微秒(μs)量级下降到小于100纳秒(ns)，性能提升两个数量级。另一方面，过近的分隔距离S将导致额外插损。因此存在一个区间[A，B],使波导加热时间处于百纳秒或亚微秒，同时不引起可见的额外传播损耗。如图7b所示，以温度从10开尔文(K)上升到90K为例，图7b中的A图，在分隔距离S为1600nm时，所需要的时间为100ns；图7b中的B图，在分隔距离S为2000nm时，所需要的时间为270ns。再结合图7a可知，在分隔距离S为2000nm时所引起的损耗小于0.1dB/cm，是一个较为理想的状态。因此，在后续的仿真实验中，均以分隔距离S为2000nm为例。

接下来，对光波导两侧的散热片间距D对热光移相器的加热效率和温度下降时间的影响进行说明。请参阅图8a和图8b，图8a和图8b为本申请实施例的实验结果示意图。

图8a反映了散热片间距D对加热时间的影响，图8b反映了散热片间距D对降温时间的影响。结合图8a和图8b可知，散热片对加热时间和降温时间都有显著的影响。在没有散热片的情况下，光波导的加热时间约为200ns，降温时间达到了将近1μs，加热时间与降温时间之间的差距过大。在不改变其他条件的情况下，散热片间隔D越小，散热片的散热效率越高，使得加热时间越慢，同时降温时间越快。因此，可以通过设置散热片，并改变散热片间距D，以实现加热时间和降温时间之间的平衡。例如，可以将散热片间距设置为3μm，在这种情况下，如图8a和图8b所示，光波导加热时间在300ns左右，降温时间在600ns左右，加热时间和散热时间处于一个较为平衡的状态。可选的，在实际应用中，可以通过进一步增加散热片所使用的材料的导热性能，例如使用金或者石墨烯作为散热片，可以进一步均衡加热时间与降温时间，达到严格意义上的亚微秒或者百纳秒级别的热调谐机制。

本申请实施例提供的热光移相器还可以提高热调谐的功耗表现，根据仿真实验，得到热光移相器的功耗表现如表1所示。

表1

根据表1可知，热调谐的效率会受到散热片间距D的影响，散热片间距D越小，热调谐的效率越低，但是仍然优于传统金属加热器大约1K/mW的加热效率。

本申请实施例提供的热光移相器，将加热区域集成在光波导边缘，省略了长距离的热量传输和低导热率的二氧化硅介质。利用硅的高导热性，可以将波导加热时间从10μs减少到亚微秒。同时为防止温度上升和下降失衡，在加热区域附近连接散热片。增加散热片虽然可能降低加热效率并减缓温度上升速度，但有利于提高散热速度。这样可以使加热器的加热/散热时间平衡，在总体时间上仍然相对于传统加热器有巨大优势。另外，由于加热器材料是高导热材料，覆盖层为低导热或绝热材料，热量传播集中在高导热材料中。因此本发明同样提高了热调谐的功耗表现。

本申请实施例中，通过调节分隔距离S、散热片间距D或者散热片的材料，能够改变热光移相器的加热时间和降温时间，从而实现加热时间与降温时间之间的均衡。

本申请实施例还提供了一种光开关，该光开光中包括图1a至图6所示实施例中的任一种热光移相器。下面对光开关的结构进行说明，请参阅图9，图9为本申请实施例提供的光开关的一个结构示意图。

如图9所示，光开关包括输入端口801，分束器901，调制臂1000，热光移相器1100，合束器902和输出端口802。

示例性的，图9所示的光开关可以称之为2×2MZ光开关。输入光可以经过其中一个输入端口801进入到光开关的结构中，然后经过分束器901，分成两束光路，分别光开关的上、下两个调制臂1000。然后经过热光移相器1100，改变光束的相位。再经过合束器902，合成一束光，从某一个输出端口802输出。

可以理解的是，光束在热光移相器1100未加热波导之前，会有初始的光程差，此光程差可能会使得光束在进入合束器902之后，有一部分光从上面的输出端口802离开，有一部分光从下面的输出端口802离开。当上臂和/或下臂的热光移相器1100加热光波导时，两臂间的光程差发生改变，因此在上面的输出端口802和下面的输出端口802输出的光强度发生改变，由此实现对光路进行切换和开关动作。具体来说，光路的干涉会导致输出端口的光强度发生变化，当相消干涉发生时，某一输出端口802光强度可能不存在，使得该输出端口802没有光束输出，相当于开关闭合。当相长干涉发生时，某一输出端口802的光强度可能为最大光强度，该输出端口802可以输出光束，相当于开关打开。由此实现了开关动作。

可选的，在实际应用中，输入端口801、输出端口802以及调制臂1000的数量有多种可能，除了如图9所示的两个之外，还可以是三个，或者其他的数量，根据实际应用的需要进行选，具体此处不做限定。

可选的，各个调制臂1000上连接的热光移相器1100的数量可以相同，也可以不同，具体此处不做限定，但需要保证光开光中，至少有一条调制臂1000上存在一个热光移相器1100。

可选的，各个调制臂1000上连接的热光移相器1100的结构可以相同，也可以不同，只要满足图1a至图6所示实施例中的热光移相器的结构即可，具体此处不做限定。

可选的，在实际应用中，分束器901还可以是其他具有分离光束功能的器件，例如耦合器；合束器902还可以是其他具有分并光束功能的器件，例如耦合器，具体此处不做限定。

本申请实施例中，由于不需要特殊工艺，热光移相器1100和整体光开关的制备方法可参考标准SOI器件制备工艺流程。制备工艺并不是本申请实施例中的重点，此处不再赘述。

本申请实施例提供的光开关，可以应用中光互连系统中，下面对光互连系统进行简单说明。请参阅图10，图10为光互连系统的一个结构示意图。

如图10所示，光互连系统可以包括多个光开关1200，各个光开关1200之间可以互相连接。在光互连系统中，不同输入端口和输出端口之间的切换依赖于每个光开关1200的相位调制，因此每个光开关1200中的热光移相器的性能关系到整个光开关阵列的切换速度，功耗和插入损耗。在上文对热光移相器的介绍中，已经说明本申请实施例提供的热光移相器，不仅能够减少加热电流对光模场的影响，提升通信质量，也能在快速实现相位改变的同时达到加热时间和降温时间之间的平衡。也就是说，本申请实施例提供的热光移相器具有良好的性能，因此，应用了该热光移相器的光互连系统也有良好的性能。

随着科技的飞速发展，大规模数据交换的系统必然会得到广泛的应用。本申请实施例提供的热光移相器便可以作为光开关的一部分，应用在大规模数据交换系统中。下面对光大规模数据交换系统进行说明。请参阅图11，图11为大规模数据交换系统的一个结构示意图。

如图11所示，大规模数据交换系统可以包括光开关1200、偏振分束旋转器(polarization beam-splitting rotator，PSR)1301、可调光衰减器(variable opticalattenuator，VOA)1400、偏振分束旋转器1302和服务器。

如图11所示，多个数量的光开关1200可以组成一个光开关阵列。光开关阵列的两端分别部署着服务器，通过将每个服务器连入光开关阵列，每一个服务器都可与其他任意一个服务器建立连接通道传送数据，由此实现大规模的数据交换。

可选的，光开关1200的结构，可以和图9所示的光开关结构相同，为2×2MZ光开关。在这种情况下，每个发送端服务器可以连接一个偏振分束旋转器1301，偏振分束旋转器1301用于将光束一分为二，分别输入到不同的光开关中。偏振分束旋转器1302可以将两个光束合为一束之后，再发送给接收端服务器。每个输出光路中还可以连接一个偏振分可调光衰减器1400(图11中只示出了一个)，可调光衰减器1400用于调节光开关阵列输出的光束，使得经过所述可调光衰减器1400调节后的光束保持相同或者相近的光强，保证了数据交换系统性能的一致性。

可选的，在实际应用中，光开关阵列处理可以实现服务器之间的数据交换之外，还可以连接其他需要数据交互的设备，例如处理器，显卡等，具体此处不做限定。

本申请实施例还提供了一种调制器，下面对调制器的结构进行说明，请参阅图12，图12为本申请实施例提供的调制器的一个结构示意图。

图12所示的调制器可以被称为MZ调制器。与图9所示的光开关的结构大致相同，不同之处在于，调制臂1000上还可以连接调制器件1500，该调制器件1500对经过移相后的光束进行调节，并使得经过合束器902之后输出的光信号。调制器件1500的形式不是重点，因此种类不受限制不做赘述。

具体来说，输入光经过分束器901分成上下两路，经过调制器件1500对任意一路或两路的调制，在合束器902后在输出端口802输出调制后的光信号。由于调制器件1500的工作波长对温度敏感，因此需要一个热光移相器1100将光束的波长调整至调制器件1500的工作波长。也就是说热光移相器1100在调制器中被用作波长调节器，使MZ调制器具备波长锁定的功能。

可选的，各个调制臂1000上连接的热光移相器1100的数量可以相同，也可以不同，具体此处不做限定，但需要保证调制器中，至少有一条调制臂1000上存在一个热光移相器1100。若调制器中只有一条臂具备移相功能，此时调制器具有单向波长调节功能。若调制器中两臂都具备移相功能，此时调制器可能具有双向波长调节功能。其中，单向波长调节功能是指，单向改变光的相位，也即只能左移或者右移相位。双向波长调节是指，既可以左移相位，又可以右移相位。在实际应用中，可以双向调节波长的调制器又可以称为推挽式调制器。相较于单向调节，双向调节波长能够提升调制器的效率。例如，假如调制器件1500的工作波长在右，如果MZ调制器只能单向左移的话，需要移动较大的幅度才能到达上一个相位，相较于右移花费的时间较多。如果是可以双向调节波长的调制器，可以直接右移以达到工作波长。

可选的，各个调制臂1000的长度可以相同，此时调制器的工作带宽最宽，频谱最平坦。各个调制臂1000的长度可以不相同，此时调制器工作带宽变窄。

可选的，在实际应用中，输入端口801、输出端口802以及调制臂1000的数量有多种可能，除了如图11所示的两个之外，还可以是三个，或者其他的数量，根据实际应用的需要进行选，具体此处不做限定。

可选的，各个调制臂1000上连接的热光移相器1100的结构可以相同，也可以不同，只要满足图1a至图6所示实施例中的热光移相器的结构即可，具体此处不做限定。

可选的，在实际应用中，分束器901还可以是其他具有分离光束功能的器件，例如耦合器；合束器902还可以是其他具有分并光束功能的器件，例如耦合器，具体此处不做限定。

本申请实施例还提供了一种滤波器，下面对滤波器的结构进行说明，请参阅图13a和图13b，图13a和图13b为本申请实施例提供的滤波器的结构示意图。

图13a所示的滤波器可以称为带通滤波器。如图13a所示，滤波器可以包括多个热光移相器1700和波导1600。热光移相器1700也可以称为微环波导，多个微环波导可以通过没有掺杂的区域进行耦合，得到图13a所示的结构。当波导1600中的耦合波长为微环的共振波长时，带通滤波器可以利用干涉效应将共振波长由输入端通过微环波导耦合至输出端。

可选的，带通滤波器中的热光移相器1700结构除了如图13a所示，在中间区域101的外侧设置第二加热区域600，在中间区域101的内侧设置第一散热片400之外，还可以如图5b所示，在中间区域101的内侧设置第一加热区域，在中间区域101的外侧设置第二散热片；也可以如图5a所示，不包括散热片；还可以是其他的情况，例如同时在中间区域101的内侧和外侧设置加热区域和/或散热片。带通滤波器中各个热光移相器1700的结构可以根据实际应用的需要选择，只要使得中间区域101的形状是环状即可，具体此处不做限定。

需要注意的是，图13a所示的带通滤波器中只示出了两个热光移相器，在实际应用中，还可以有更多数量的热光移相器耦合在带通滤波器中，而且各个热光移相器的结构可以相同，也可以不同，具体此处不做限定。

图13b所示的滤波器可以称为带阻滤波器。如图13b所示，滤波器可以包括热光移相器1700、热光移相器1800和波导1600。带阻滤波器则可以通过微环波导内的干涉效应阻止波导1600中的共振波长由输入端到输出端。通过单独调节每个微环的谐振波长，整个微环滤波器的工作波长就可以被重构。可以理解的是

可选的，带阻滤波器中包括的热光移相器的结构有多种可能，既可以如图13b所示，在中间区域的内侧设置散热片，在中间区域的外侧设置加热区域；也可以与之相反，在中间区域的内侧设置加热区域，在中间区域的外侧设置散热片；还可以不包括散热片；除此之外，还可以有其他的结构，例如，同时在中间区域的内侧和外侧设置加热区域和/或散热片。带阻滤波器中各个热光移相器的结构可以根据实际应用的需要选择，只要使得中间区域的形状是环状即可，具体此处不做限定。

需要注意的是，图13b所示的带阻滤波器中只示出了两个热光移相器，在实际应用中，还可以有更多数量的热光移相器耦合在带阻滤波器中，而且各个热光移相器的结构可以相同，也可以不同，具体此处不做限定。

可以理解的是，本申请实施例提供的滤波器可以应用在图13c所示的波分复用系统中，不同微环滤波器可以工作在不同的波长频段。当需要重构滤波器信道波长时，热光移相器将被用于改变微环波导的折射率，进而改变微环谐振腔的共振波长。以此在不同信道之间切换。

本申请实施例还提供了一种干涉器件，下面对干涉器件的结构进行说明，请参阅图14，图14为本申请实施例提供的干涉器件的结构示意图。

图14所示的干涉器件可以被称为微环协助的MZ干涉器件(MRR-MZI)。如图14所示，入射光首先被耦合器分成两束，两束光通过各自调制臂上的微环移相器导致幅值和相位改变，再经过各自调制臂上的MZ移相器，在第二个耦合器处发生干涉，从而起到光路开关或光路调制的作用。

如图14所示，每个微环移相器只与一条波导耦合，组成全通微环，也即图13b所示的结构中输入和输出为同一根波导的情况。若有其他波导与微环移相器耦合，但只作为观测或者矫正用途，也可以认为是全通微环结构。

当图14所示实施例作为开关、调制器或者滤波器使用时，微环移相器的作用是控制整个MRR-MZI器件的波长，MZ移相器的作用是补偿由于制备造成的误差，或者是补偿耦合器造成的色散。

可选的，在实际应用中，微环移相器和MZ移相器的数量有多种情况，只要使得至少一条调制臂有一个微环移相器，同时在至少一条调制臂上有一个MZ移相器即可。

可选的，微环移相器的结构还可以与图5a或图5b所示实施例类似，MZ移相器的结构可以如图1a至图4d，以及图6所示实施例类似，各个移相器的结构可以根据实际应用的需要选择，具体此处不做限定。

本申请实施例还提供了一种芯片，下面对芯片的结构进行说明，请参阅图15，图15为本申请实施例提供的芯片的结构示意图。

如图15所示，芯片上连接有热光移相器。可选的，该热光移相器的结构可以如图1a至图6所示实施例中的任一种结构。在热光移相器的四周，可以填充覆盖层2100，使得该热光移相器不容易被破坏，也能够防止灰尘、触碰等带来的不良影响。在实际应用中，覆盖层2100的材料有多种可能，可以是二氧化硅(SiO₂)，也可以是其他的有机聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，或者光刻胶SU8。只要是绝缘且稳定性好的材料即可，具体此处不做限定。其中，稳定性好是指材料的性能随着温度或者其他因素的改变而发生变化的幅度较小。

可选的，在芯片上还存在有其他的器件的情况下，为了防止热光移相器在工作时产生的热量对其他的器件产生不良影响，使得其他器件无法正常工作，芯片上还可以包括绝热槽2000，绝热槽2000可以减小芯片上各个器件之间的串扰。

可选的，芯片可以是基于SOI工艺得到的，在这种情况下，芯片基底1900的材料可以为硅。

Claims (12)

1.一种热光移相器，其特征在于，包括：光波导，第一加热区域和第一电极组；

所述光波导包括中间区域、第一侧边区域和第二侧边区域，所述第一侧边区域的高度和所述第二侧边区域的高度均小于所述中间区域的高度，所述第一侧边区域位于所述中间区域的第一侧，所述第二侧边区域位于所述中间区域的第二侧；

所述第一侧边区域与所述第一加热区域连接，所述第一侧边区域位于所述中间区域和所述第一加热区域之间，所述第一加热区域的材料为导电材料；

所述第一电极组位于所述第一侧边区域的第一侧，且所述第一电极组与所述第一加热区域连接，其中，所述第一电极组包括第一正电极和第一负电极。

2.根据权利要求1所述的热光移相器，其特征在于，所述热光移相器还包括第一散热片，且所述第一散热片与所述第一加热区域连接。

3.根据权利要求1或2所述的热光移相器，其特征在于，所述热光移相器还包括第二散热片，所述第二散热片与所述第二侧边区域连接。

4.根据权利要求1或2所述的热光移相器，其特征在于，所述热光移相器还包括第二加热区域和第二电极组；

所述第二侧边区域与所述第二加热区域连接，所述第二侧边区域位于所述中间区域和所述第二加热区域之间，所述第二加热区域的材料为导电材料；

所述第二电极组位于所述第二侧边区域的第二侧，且所述第二电极组与所述第二加热区域连接，所述第二电极组包括第二正电极和第二负电极。

5.根据权利要求4所述的热光移相器，其特征在于，所述热光移相器还包括第二散热片，且所述第二散热片与所述第二加热区域连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热光移相器，其特征在于，所述光波导的材料为硅或者碳化硅，所述导电材料包括掺杂材料，所述掺杂材料包括与所述光波导的材料相同的材料。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的热光移相器，其特征在于，所述光波导的材料为硅或碳化硅或者氮化硅，所述导电材料包括高导热材料。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的热光移相器，其特征在于，所述中间区域的形状为柱状或环状。

9.一种光开关，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的热光移相器。

10.一种调制器，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的热光移相器。

11.一种滤波器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的热光移相器，且所述热光移相器中光波导的形状为环状。

12.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的热光移相器。

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