CN116300242B - 一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关及其制备方法。微环光波导开关包括衬底层和光开关层，所述光开关层设置在所述衬底层上，所述光开关层包括微环谐振腔、总线波导和相变材料块，所述总线波导包括输入区波导和输出区波导，所述输入区波导的输出端与相变材料块的输入端连接，所述相变材料块的输出端与输出区波导的输入端连接，所述总线波导与微环谐振腔侧耦合，所述相变材料块位于输入区波导和输出区波导之间。本发明当相变材料在不同相态之间切换，且满足模式匹配条件时，光波模式会在总线波导和微环腔的耦合区域发生耦合，由于输出的两束光发生了干涉，从而实现光开关的开通或关断。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关及其制备方法。
背景技术
在过去的研究中，由于与CMOS技术相兼容，光互联已成功发展成为一门新兴的技术，克服了传统的电互联延时大、功耗大、传输速率和传输距离有限的缺点，而其中光开关是实现全光信号路由和交换的必不可少的结构。在可编程光子学中，光开关需要具备低损耗、开关速度快以及结构紧凑、尺寸小等特点。目前，在传统硅光子平台上，基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的光开关得到了充分利用，这种类型的光开关大多所采用的机制是自由载流子等离子色散效应或热光效应。但上述机制都是不稳定的，需要恒定电源来维持相变状态。由此，当前非常需要非易失性开关技术，在不需要额外电源的前提下来维持开关状态，并且在光学损耗、转换速度和紧凑性等方面具有让人满意的性能。
在可重构光子学中使用非易失性相变材料(PCM)可以实现光子调制和共振调谐，其中Ge2Sb2Te5(GST)和最近的Ge2Sb2Se4Te1(GSST)是常常被考虑的材料，这两种材料基于晶态和非晶态之间复折射率的较大变化。尽管材料设计有所改进，但由于其在通信波段较高的吸收损耗，增加了光开关插入损耗，影响了应用。在最近的几项研究中，锑基化合物Sb2Se3已被确定为光子应用中极具前景的超低损耗PCM材料。该材料在通信波段几乎没有本征吸收损失(k<10-5)，并且在Sb2Se3的200℃左右显示低开关温度，同时在工作温度下保持非易失性。此外，该材料的折射率与硅的折射率接近，允许PCM贴片在标准绝缘体上硅(SOI)集成光子平台上直接集成，具有与SOI波导的出色模式匹配。
目前，Sb2Se3已经在不同的领域，包括光开关、光学调制器、光子记忆和光学计算等方面有所应用。有技术人员提出了一种Sb2Se3辅助MZI的波长选择2x2光开关，每个臂具有6微米长的Sb2Se3光学移相器，通过改变Sb2Se3的状态，达到光定向选择传输通道的作用，但是该光开关存在结构复杂庞大、附加器件多、测试复杂、运行功耗高等问题，使得其性能并不突出，难以大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关及其制备方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关，包括衬底层和光开关层，所述光开关层设置在所述衬底层上，所述光开关层包括微环谐振腔、总线波导和相变材料块，所述总线波导包括输入区波导和输出区波导，所述输入区波导的输出端与相变材料块的输入端连接，所述相变材料块的输出端与输出区波导的输入端连接，所述总线波导与微环谐振腔侧耦合，所述相变材料块位于输入区波导和输出区波导之间。
进一步地，所述相变材料块位于总线波导与微环谐振腔的耦合区域。
进一步地，所述相变材料块为沉积的低损耗相变材料Sb2Se3。
本发明还提供一种用于根据上述的基于低损耗相变材料的微环光波导开关的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取220纳米厚的SOI片作为衬底层，进行清洗、去除表面、背面的灰尘颗粒及附着的有机和无机杂质；
S2、将所述衬底层置于加工平台上并覆盖光刻胶，采用电子束曝光得到器件结构，所述器件结构为总线波导和微环腔，所述总线波导包括输入区波导和输出区波导，总线波导的宽度为500纳米，采用等离子体刻蚀技术对衬底层进行刻蚀；
S3、对步骤S2中得到的器件结构覆盖光刻胶，在曝光显影后利用磁控溅射沉积厚度为220纳米左右的相变材料Sb2Se3薄膜；
S4、剥离光刻胶，得到基于低损耗相变材料的微环光波导开关。
进一步地，所述相变材料Sb2Se3薄膜在激光信号的激励作用下改变应激位置的相变状态。
进一步地，所述相变材料Sb2Se3薄膜在不经过外部激光信号激励的情况下处于非晶态，在施加外部激光信号时相变材料转变为晶态。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关，将相变材料Sb2Se3沉积于SOI平台上，形成了微环型波导式光开关。当相变材料在不同相态之间切换，且满足模式匹配条件时，光波模式会在总线波导和微环腔的耦合区域发生耦合，由于输出的两束光发生了干涉，从而实现光开关的开通或关断。本发明通过磁控溅射的方法制备Sb2Se3薄膜，沉积的初始态薄膜为低折射率的非晶状态，通过施加外部激光激励信号的方式可触发薄膜晶化至高折射率的晶态，进一步的去晶化则需要利用高脉冲能量，从而完成了相变材料重构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于相变材料的微环型光波导开关的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于相变材料的微环型光波导开关结构中相变材料为非晶态时的折射率曲线；
图3是本发明实施例提供的基于相变材料的微环型光波导开关结构中相变材料为晶态时的折射率曲线；
图4是本发明实施例提供的基于相变材料的微环型光波导开关结构在相变材料分别为晶态和非晶态时从总线波导端口输入、输出时的透射率曲线图；
图中：输入区波导1、相变材料块2、输出区波导3、微环谐振腔4、衬底层5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1和图2所示，本实施例公开了一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关，包括衬底层5和光开关层，其中，光开关层设置在衬底层上，光开关层包括微环谐振腔4、总线波导和相变材料块2，总线波导包括输入区波导1和输出区波导3，输入区波导1的输出端与相变材料块2的输入端连接，相变材料块2的输出端与输出区波导3的输入端连接，总线波导与微环谐振腔4侧耦合，相变材料块2位于输入区波导1和输出区波导3之间，且相变材料块2位于总线波导与微环谐振腔4的耦合区域。
本实施例中，所述相变材料块2为沉积的低损耗相变材料Sb2Se3。
本发明中，光信号由总线波导的输入区波导1输入，一部分光继续沿总线波导方向传输，由相变材料块2进入总线波导的输出区波导3，另一部分光耦合进入微环谐振腔4中，经过在微环谐振腔4中的循环传输后，耦合回到总线波导的输出区波导3；两部分光在总线波导的输出区波导3相遇后发生干涉，输出光信号。
参见附图2，本实施例提供的基于低损耗相变材料的微环光波导开关中，相变材料块2为非晶态时的折射率曲线图；曲线1和2分别代表折射率和消光系数。在通讯波段1550纳米附近的Sb2Se3折射率分布在3.280左右，消光系数为0。
参见附图3，本实施例提供的基于低损耗相变材料的微环光波导开关中，相变材料2为晶态时的折射率曲线图；曲线1和2分别代表折射率和消光系数。在通讯波段1550纳米附近的Sb2Se3折射率分布在4.050左右，消光系数则低至10-5量级。相对于非晶态，晶态Sb2Se3的折射率有很大变化，但消光系数并没有增加，这也是该材料最主要的特征之一，说明其是可编程光子学中很理想的PCM。
在本实施例中，微环谐振腔4与总线波导的共振耦合是通过用相干的背景路径干扰共振路径来实现的。相变材料块2作为相位调制器置于背景路径中，通过切换其相变状态，可以为总线波导引入不同的相位延迟，使微环谐振腔4中的输出光和相变材料块2中的输出光相位差能够在0-π之间转换。
参见附图4，是本实施例提供的基于低损耗相变材料的微环光波导开关在相变材料分别为晶态和非晶态时从总线波导端口输入、输出时的透射率曲线图，曲线1和曲线2分别代表相变材料为晶态和非晶态时的透射率。晶态相变材料为高折射率，在工作波长(1551.31nm)位置处，光经过微环谐振腔和相变材料之间产生的相位差为π，由微环谐振腔和相变材料出射的两束光干涉相消，输出区波导中无光输出，光开关为off状态；而相变材料切换至非晶态时，折射率变化，使在同一工作波长位置处，光经过微环谐振腔和相变材料之间产生的相位差为0，由微环谐振腔和相变材料出射的两束光干涉相长，输出区波导中有光输出，光开关为on状态。此光开关在工作波长处可实现20dB的高消光比。
本实施例通过改变总线波导的输入区波导1、输出区波导3、沉积的低损耗相变材料Sb2Se3和微环谐振腔4的结构参数可以改变波导的模式匹配条件，因此可以通过调整相应的结构参数从而实现不同的应用。在本实施例技术方案中，采用波导的宽度为500纳米，高度为220纳米，相变材料Sb2Se3长度为1.3微米，宽度为700纳米，高度为220纳米，微环谐振腔半径为10微米，整个器件长度为30微米，宽度为30微米，满足模式匹配条件。
本发明提供一种用于根据上述的基于低损耗相变材料的微环光波导开关的制备方法，采用标准的220纳米厚的SOI平台，即在绝缘硅芯片上用220纳米厚的顶部硅层和2微米厚的埋入氧化物层制备其设计器件，制备方法具体包括以下步骤：
步骤S1、选取220纳米厚的SOI片作为衬底层5，进行清洗、去除表面、背面的灰尘颗粒及附着的有机和无机杂质；
步骤S2、将所述衬底层5置于加工平台上并覆盖光刻胶，采用电子束曝光得到器件结构，所述器件结构为总线波导和微环腔，所述总线波导包括输入区波导和输出区波导，总线波导的宽度为500纳米，采用等离子体刻蚀技术对衬底层5进行刻蚀；
步骤S3、对步骤S2中得到的器件结构覆盖光刻胶，在曝光显影后利用磁控溅射沉积厚度为220纳米左右的相变材料Sb2Se3薄膜；
步骤S4、剥离光刻胶，得到基于低损耗相变材料的微环光波导开关。
其中，所述相变材料Sb2Se3薄膜在激光信号的激励作用下，能够改变应激位置的相变状态：相变材料Sb2Se3薄膜在不经过外部激光信号激励的情况下处于非晶态，而当施加外部激光信号时，相变材料转变为晶态；通过改变外部激励信号的能量密度时，能够控制相变材料薄膜的晶化程度，从而得到任意的中间相态；且此过程为非易失性的，不需要额外能量来维持这一状态。
其中，当需要对微环型光开关的结构进行重构时，利用高能量的外部激光信号激励光开关上晶化的区域，从而进行去晶化，此时相变材料恢复到非晶态，以实现结构的重构。
本发明将相变材料Sb2Se3沉积于SOI平台上，形成了微环型波导式光开关。当相变材料在不同相态之间切换，且满足模式匹配条件时，光波模式会在总线波导和微环腔的耦合区域发生耦合，由于输出的两束光发生了干涉，从而实现光开关的开通或关断。本发明通过磁控溅射的方法制备Sb2Se3薄膜，沉积的初始态薄膜为低折射率的非晶状态，通过施加外部激光激励信号的方式可触发薄膜晶化至高折射率的晶态，进一步的去晶化则需要利用高脉冲能量，从而完成了相变材料重构。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于低损耗相变材料的微环光波导开关，其特征在于，包括衬底层和光开关层，所述光开关层设置在所述衬底层上，所述光开关层包括微环谐振腔、总线波导和相变材料块，所述总线波导包括输入区波导和输出区波导，所述输入区波导的输出端与相变材料块的输入端连接，所述相变材料块的输出端与输出区波导的输入端连接，所述总线波导与微环谐振腔侧耦合，所述相变材料块位于输入区波导和输出区波导之间；
相变材料块作为相位调制器置于背景路径中，通过切换其相变状态，可以为总线波导引入不同的相位延迟，使微环谐振腔中的输出光和相变材料块中的输出光相位差能够在0-π之间转换，两束光产生不同的干涉现象，以此实现光开关的开通或关断；
用于所述的基于低损耗相变材料的微环光波导开关的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取220纳米厚的SOI片作为衬底层，进行清洗、去除表面、背面的灰尘颗粒及附着的有机和无机杂质；
S2、将所述衬底层置于加工平台上并覆盖光刻胶，采用电子束曝光得到器件结构，所述器件结构为总线波导和微环腔，所述总线波导包括输入区波导和输出区波导，总线波导的宽度为500纳米，采用等离子体刻蚀技术对衬底层进行刻蚀；
S3、对步骤S2中得到的器件结构覆盖光刻胶，在曝光显影后利用磁控溅射沉积厚度为220纳米左右的相变材料Sb2Se3薄膜；
S4、剥离光刻胶，得到基于低损耗相变材料的微环光波导开关。
2.根据权利要求1所述的基于低损耗相变材料的微环光波导开关，其特征在于，所述相变材料块位于总线波导与微环谐振腔的耦合区域。
3.根据权利要求1所述的基于低损耗相变材料的微环光波导开关，其特征在于，所述相变材料Sb2Se3薄膜在激光信号的激励作用下改变应激位置的相变状态。
4.根据权利要求1所述的基于低损耗相变材料的微环光波导开关，其特征在于，所述相变材料Sb2Se3薄膜在不经过外部激光信号激励的情况下处于非晶态，在施加外部激光信号时相变材料转变为晶态。
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- 2023-02-28 CN CN202310176564.XA patent/CN116300242B/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ultra-compact nonvolatile phase shifter based on electrically reprogrammable transparent phase change materials;Carlos Ríos, Qingyang Du, Yifei Zhang等;PhotoniX(第3期);26 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116300242A (zh) | 2023-06-23 |
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Legal Events
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