CN115755442A - 一种基于波导上硫化锑的o波段多模干涉型硅基光开关 - Google Patents
一种基于波导上硫化锑的o波段多模干涉型硅基光开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，包括硅基波导、多模干涉区和相变材料薄膜，所述硅基波导包括输入波导、相移调制波导和输出波导，所述多模干涉区包括调制前多模干涉区和相移调制后多模干涉区构成，与硅基波导皆为脊波导，并位于SOI结构的顶硅层，所述相变材料薄膜由硫化锑制备，位于相移调制波导顶部，两者构成调制光传输相位的复合区，通过激发相变材料硫化锑进行相变，从而改变不同波导之间的光波相位差，实现开关状态的调制，通过本发明可以实现输入光的开关状态调制，可应用于光通信等领域，具有占用面积小、开关速度快和能量消耗小等特点。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关。
背景技术
全光开关是克服数据中心和高性能计算机传输瓶颈的最有希望的选择之一，而尺寸和能效是光开关基本单元的最重要参数。标准CMOS电路可以提供低驱动电压，而无需进一步放大；同时，器件还需要提供快速的电光响应以及大的光学操作带宽，以确保波分复用系统的高速传输和灵活性；此外，密集集成是必不可少的，需要较小的设备占用空间。硅光子学是目前实现此类器件的最有前途的技术，它利用成熟的高产CMOS工艺，并在大面积硅晶片上提供了光子-电子协同集成的潜力。
然而，由于晶格的反转对称性，体硅中不存在二阶非线性。因此，当前的电光开关基本元件——硅基调制器必须依赖于CMOS结构中的自由载流子耗尽或注入，包括正向偏置P-I-N结构和反向偏置P-N结。这导致在实现具有小尺寸的快速和节能设备时需要进行各种权衡：虽然正向偏置P-I-N结构中的载流子注入可实现电压长度乘积低至0.36伏特毫米，但是由于自由载流子的寿命限制，目前调制速度只能限制在25G比特每秒，并且需要对驱动信号进行强预加重；相比之下，基于反向偏置P-N结中的载流子耗尽可实现可忽略的偏置电流和高达50的波特率，但典型的电压长度乘积超过10伏特毫米。调制能量和器件占用空间可以通过使用谐振来降低，如使用微环、微盘或光子晶体波导等结构。然而，谐振器件的光带宽本质上是有限的，并且谐振波长通常会受到强烈的温度漂移影响。
发明内容
为了克服传统基于载流子耗尽或注入的硅基调制器光开关的器件尺寸大和能耗高的问题，本发明提出一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，该发明可以缩小硅基调制器的尺寸，且同时具有切换速度快和能耗低的特点，可应用于硅基光电子器件的大规模集成光交换系统。
本发明采用以下技术方案：
一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，包括硅衬底、埋氧层、硅基波导、多模干涉区以及由硫化锑制备而成的相变材料薄膜，所述硅基波导包括输入波导、相移调制波导和输出波导，所述多模干涉区包括调制前多模干涉区和调制后多模干涉区，所述硅基波导和多模干涉区皆为位于SOI结构的顶硅层且刻蚀深度相同的脊波导，所述埋氧层位于硅衬底的顶部，所述相移调制波导位于埋氧层的顶部中间，所述输入波导和输出波导分别位于埋氧层的顶部两端，所述调制前多模干涉区位于输入波导和相移调制波导之间，所述调制后多模干涉区位于输出波导和相移调制波导之间；所述相变材料薄膜位于相移调制波导顶部，相变材料薄膜和相移调制波导组成调制光传输相位的复合区，通过激发相变材料薄膜进行相变，改变不同波导之间的光波相位差，实现开关状态的调制。
进一步的，所述输入波导的输出端与调制前多模干涉区的输入端相连，用于O 波段TE模待调制光的输入。
进一步的，所述调制前多模干涉区输出端与相移调制波导的输入端相连，用于输入光的一比一分束。
进一步的，所述相移调制波导的输出端与调制后多模干涉区的输入端相连，且两个相移调制波导顶部均放置所述相变材料薄膜，通过调整两臂的相变材料薄膜的物理状态来改变对应相移调制波导内部光场的有效折射率，进而改变两臂硅波导内光波的相位差，使得在经调制后多模干涉区内合束后实现光开关的功能。
进一步的，所述调制后多模干涉区的输出端与输出波导的输入端相连，用于经相位调制后的两束光进行相干合束。
进一步的，所述输出波导用于导出相干合束后的光场，输出波导的输出口用于对光场进行检测，获取光开关的状态。
进一步的，所述硅基波导、多模干涉区和相变材料薄膜均由二氧化硅包裹，形成保护结构。
进一步的，所述埋氧层由二氧化硅制备而成。
本发明与现有技术相比，其有益效果和特点是：
（1）缩小了基于马赫-曾德尔型硅基调制器的光开关尺寸，有助于实现硅基光电子器件的大规模集成。由于晶格的反转对称性，体硅中不存在二阶非线性，因此，当前的电光开关基本元件——硅基调制器必须依赖于CMOS结构中的自由载流子耗尽或注入，包括正向偏置P-I-N结构和反向偏置P-N结，使得传统的硅基调制器尺寸和功耗都较大，而本发明中，利用相变材料硫化锑来控制硅波导的有效折射率，大大降低了调制器长度。
（2）具有能耗低的特点。相变材料，在无外界能量刺激下，状态会维持在原有状态，因此，在切换要求不频繁的系统中，可以大大降低功耗。
附图说明
图 1 为本发明的整体示意图；
图 2 为本发明的俯视平面示意图；
图 3 为本发明的垂直于光传输方向的剖面示意图；
图 4 为本发明在对应O波段TE模的输入光下，当硫化锑在两个不同状态之间切换时，整体结构的电场分布仿真计算结果；
图 5 为本发明在对应O波段TM模的输入光从1-2波导输入时，在输出区6-1和6-2处检测到的透射率仿真计算结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。
相反，提供这些实施例以便使本发明公开透明且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1-图2所示，一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，包括硅衬底、埋氧层、硅基波导、多模干涉区以及由硫化锑制备而成的相变材料薄膜3，所述硅基波导包括输入波导1、相移调制波导4和输出波导6，所述多模干涉区包括调制前多模干涉区2和调制后多模干涉区5，所述硅基波导和多模干涉区皆为位于SOI结构的顶硅层且刻蚀深度相同的脊波导，所述埋氧层位于硅衬底的顶部，所述相移调制波导4位于埋氧层的顶部中间，所述输入波导1和输出波导6分别位于埋氧层的顶部两端，所述调制前多模干涉区2位于输入波导1和相移调制波导4之间，所述调制后多模干涉区5位于输出波导6和相移调制波导4之间；所述相变材料薄膜3位于相移调制波导4顶部，相变材料薄膜3和相移调制波导4组成调制光传输相位的复合区，通过激发相变材料薄膜3进行相变，改变不同波导之间的光波相位差，实现开关状态的调制。所述硅基波导、多模干涉区和相变材料薄膜3均由二氧化硅包裹，形成保护结构；所述埋氧层由二氧化硅制备而成。
所述输入波导1输出端与调制前多模干涉区2输入端相连，用于O波段TE模待调制光的输入；所述调制前多模干涉区2输出端与相移调制波导3输入端相连，用于输入光的一比一分束，以便进行之后的相位调制；所述相移调制波导4输出端与调制后多模干涉区5输入端相连，且相移调制波导4顶部均放置所述相变材料薄膜3，通过调整两臂的相变材料的物理状态来改变对应相移调制波导4内部光场的有效折射率，进而改变两臂硅波导内光波的相位差，以使在经调制后多模干涉区5内合束后实现光开关的功能；所述调制后多模干涉区5输出端与输出波导6输入端相连，用于经相位调制后的两束光进行相干合束；所述输出波导6用于导出相干合束后的光场，在所述输出波导6输出口可对光场进行检测，获取光开关的状态。
本实施例中，输入波导1包括第一输入子波导1-1和第二输入输入子波导1-2，相移调制波导4包括第一相移调制子波导4-1和第二相移调制子波导4-2，输出波导6包括第一输出子波导6-1和第二输出子波导6-2，相变材料薄膜3包括第一相变材料子薄膜3-1和第二相变材料子薄膜3-2。其中第一输入子波导1-1、第一相移调制子波导4-1、第一输出子波导6-1组成第一传输通道，第一相变材料子薄膜3-1覆盖在第一相移调制子波导4-1顶部，第二输入子波导1-2、第二相移调制子波导4-2、第二输出子波导6-2组成第二传输通道，第二相变材料子薄膜3-2覆盖在第二相移调制子波导4-2顶部。
如图3所示，所述硅基波导和多模干涉区以标准 SOI 平台制备，以使所述波导结构各部位高度相等，所述相变材料薄膜3由相变材料硫化锑制备。
本发明的工作原理为：硫化锑的显着特征是通过外界温度刺激，可以进行晶态与非晶态之间的状态转换，从而获得高折射率和低折射率的强烈光学对比。将硫化锑与硅波导进行集成后，硫化锑的折射率转变会带来波导的有效折射率的变化，当光波经过硅-硫化锑混合波导时，其相位可通过硫化锑在晶态与非晶态之间的切换进行调制。将硅-硫化锑混合波导放置于马赫-曾德尔调制器内两个多模干涉区之间，可以实现上下两臂的相位差变化，从而在马赫-曾德尔调制器输出端可以检测到光开关切换的状态。
本发明结构下，当输入光脉冲从所述第二输入子波导1-2输入后，通过调制前多模干涉区2，分为两束，在相变材料薄膜3的调制下，第一相移调制子波导4-1和第二相移调制子波导4-2中传输的光波得到了相位的调制，通过调制后多模干涉区5的干涉后，在第一输出子波导6-1和第二输出子波导6-2输出，“cross”状态对应光从第二输入子波导1-2输入，大部分从第一输出子波导6-1输出；“bar”状态对应光从第二输入子波导1-2输入，大部分从第二输出子波导6-2输出。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的关键参数包括：相变材料薄膜3的长度、宽度和厚度，分别为8微米、400纳米和50纳米；相移调制波导4的总高度、脊波导刻蚀深度和宽度，分别为220纳米、70纳米和400纳米；调制前多模干涉区2和相移调制后多模干涉区5的长度和宽度，分别为57.5 微米和6微米。
从图4中可以看出，对应光从输入区输入时，通过调节相变材料薄膜3的状态，可以分别得到光从第二输入子波导1-2输入，大部分从第二输出子波导6-2输出的“bar”状态；光从第二输入子波导1-2输入，大部分从第一输出子波导6-1输出的“cross”状态；进而实现了不同外界条件下的光开关功能。从图5中可以看出，对应O波段TM模的输入光从第二输入子波导1-2输入时，在波长为1310nm处，输出区第一输出子波导6-1和第二输出子波导6-2处检测到的透射率分别为-30dB左右和0dB左右，实现了“bar”状态的开关功能，“bar”状态只需第一相移调制子波导4-1和第二相移调制子波导4-2的相移一致，即第一相变材料子薄膜3-1和第二相变材料子薄膜3-2的折射率一致，因此不在此赘述。
综上，本发明提供的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关可以弥补硅基调制器必须依赖于CMOS结构中的自由载流子耗尽或注入，带来的尺寸和功耗都较大的不足，缩小硅基调制器的尺寸，且同时具有切换速度快和能耗低的特点，硅基光电子器件的大规模集成光交换系统。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述不能理解为本发明专利分为的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：包括硅衬底、埋氧层、硅基波导、多模干涉区以及由硫化锑制备而成的相变材料薄膜，所述硅基波导包括输入波导、相移调制波导和输出波导，所述多模干涉区包括调制前多模干涉区和调制后多模干涉区，所述硅基波导和多模干涉区皆为位于SOI结构的顶硅层且刻蚀深度相同的脊波导，所述埋氧层位于硅衬底的顶部，所述相移调制波导位于埋氧层的顶部中间，所述输入波导和输出波导分别位于埋氧层的顶部两端，所述调制前多模干涉区位于输入波导和相移调制波导之间，所述调制后多模干涉区位于输出波导和相移调制波导之间；所述相变材料薄膜位于相移调制波导顶部，相变材料薄膜和相移调制波导组成调制光传输相位的复合区，通过激发相变材料薄膜进行相变，改变不同波导之间的光波相位差，实现开关状态的调制。
2.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述输入波导的输出端与调制前多模干涉区的输入端相连，用于O 波段TE模待调制光的输入。
3.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述调制前多模干涉区输出端与相移调制波导的输入端相连，用于输入光的一比一分束。
4.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述相移调制波导的输出端与调制后多模干涉区的输入端相连，且两个相移调制波导顶部均放置所述相变材料薄膜，通过调整两臂的相变材料薄膜的物理状态来改变对应相移调制波导内部光场的有效折射率，进而改变两臂硅波导内光波的相位差，使得在经调制后多模干涉区内合束后实现光开关的功能。
5.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述调制后多模干涉区的输出端与输出波导的输入端相连，用于经相位调制后的两束光进行相干合束。
6.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述输出波导用于导出相干合束后的光场，输出波导的输出口用于对光场进行检测，获取光开关的状态。
7.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述硅基波导、多模干涉区和相变材料薄膜均由二氧化硅包裹，形成保护结构。
8.如权利要求 1 所述的一种基于波导上硫化锑的O波段多模干涉型硅基光开关，其特征在于：所述埋氧层由二氧化硅制备而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230307 |