CN116736564A - 一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关 - Google Patents

一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关 Download PDF

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Abstract

一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，属于集成光电子学技术领域。该模式光开关由衬底、包层、芯层和掩埋在包层中的石墨烯电极构成，芯层被包覆在包导之中，芯层分为下层芯层和上层芯层二部分，下层芯层为Core1单直波导结构，上层芯层为输入端和输出端带有S型弯曲的Core2和Core3双直波导结构，Core2和Core3位于同一平面内；石墨烯电极位于Core2和Core3直波导的上方，与Core2和Core3直波导保持一定的垂直距离。通过设置不同的波导结构尺寸，可以分别实现TE11与TE12，TE11与TE22两对模式之间的复用/解复用；通过石墨烯电极产生的热量改变聚合物材料的折射率，可以实现模式光开关功能。器件功耗低，消光比高，可应用于可重构模分复用光网络中。

Description

一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关
技术领域
本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，该器件在光信息处理、模分复用光网络等领域具有重要的应用价值和发展前景。
背景技术
伴随着信息时代的飞速发展，人工智能等大量移动终端对于大数据的需求呈现爆发式的增长，为了在不增加传输通道数量的情况下增加系统的传输容量，将模分复用技术引入板级互连系统，克服传统电互连技术难以突破的传输带宽、互连密度及功耗方面的问题，实现大容量信息传输。随着板级光集成系统功能和复杂度的不断提高，在有限的板面积上，二维平面光子器件集成的瓶颈日益凸显。三维集成在有效提高集成度的同时，可避免板尺寸的持续增大，特别是模式复用技术与三维光子集成的结合，可进一步提高板级互连系统中光信号处理能力和传输带宽。
目前以多芯-少模光纤为传输媒介的超大容量、长距离的模分复用光纤通信实验系统绝大多数只实现了无源的点到点通信，实际应用的光纤通信以光网络的形式呈现，未来的智能光网络应具有动态的可重构特性，应具备信道的开关路由和分插复用等功能，以方便网络的管理者进行信息管理和资源分配。为满足智能光网络的发展需求，需要发展可重构的模分复用光网络，需要开发具有可重构特性的光器件来实现不同模式信道的开关路由和分插复用。目前，模分复用系统中已经集成了各种可重构器件，比如通过集成微环谐振器(MRR)或马赫曾德尔干涉仪(MZI)，可以实现模式复用/解复用和模式开关功能，来处理不同模式的光信号。然而，尽管基于MZI的光开关具有较大的带宽，但由于聚合物热光效应对折射率的弱调制，基于MZI的光开关将具有较大的尺寸，不利于器件的集成化；对于基于MRR的光开关，虽然体积较小，但也存在器件带宽相对较窄、对波长更敏感的问题，并且对于这两种开关结构，可扩展性不高。使用非对称定向耦合器结构也能实现模式复用/解复用的功能，这种结构具有相对较大的带宽和较小的尺寸，易于设计。对于一般的聚合物波导定向耦合器结构，都是采用低热光系数的聚合物材料，电极多数采用铝(Al)材料，这样的器件往往功耗较大。通过聚合物Norland Optical Adhesive(NOA)材料和石墨烯材料，可以很好地解决这个问题。Norland Optical Adhesive(NOA)是一种具有高热光系数(～-3×10-4/K)的聚合物材料，对于热调谐的开关器件，可以有效的降低器件的功耗。二维材料石墨烯烯凭借着优异的物理、光学、电学特性成为了近几年研究的焦点，由于石墨烯材料相比于金属电极具有更低的光吸收损耗和超高的热导率，因此采用石墨烯材料作为热光开关的微加热器可以在一定程度上降低微加热器和波导芯层之间的距离，使得器件的功耗显著的降低，进一步推动热光开关器件低功耗的发展。
发明内容
实现模式复用/解复用器的技术方法包括非对称定向耦合器、光子灯笼和多模光栅辅助耦合器等，其中非对称定向耦合器的结构和工艺都比较简单，耦合效率较高并且器件结构尺寸小，符合本发明的要求。本发明利用非对称定向耦合技术使单模波导中的基模与少模波导中的高阶模式之间完成有效折射率匹配，从而实现模式复用与解复用，通过石墨烯电极产生的热量改变聚合物材料的折射率，来实现模式光开关功能。
本发明的目的在于提供一种易于集成、低功耗的基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，从下至上依次由衬底、包层、芯层和掩埋在包层中的石墨烯电极构成，芯层被包覆在包导之中；芯层分为下层芯层和上层芯层二部分，下层芯层为Core1单直波导结构，上层芯层为输入端和输出端带有S型弯曲的Core2和Core3双直波导结构，Core2和Core3双直波导位于同一平面内；衬底的材料为硅，包层的材料为聚合物Norland OpticalAdhesive(NOA)和位于Core2和Core3直波导上方的石墨烯，Core1单直波导的材料为聚合物Norland Optical Adhesive(NOA)，Core2和Core3 S型弯曲部分、直波导部分的材料为聚合物Norland Optical Adhesive(NOA)；除S型弯曲部分外，Core1、Core2和Core3间相互平行，沿光的输入方向Core2和Core3分别位于Core1上方的左右两侧；S型弯曲的作用是使Core1和Core2、Core1和Core3在输入端和输出端分离开，S型弯曲对于耦合效率和串扰的影响可以忽略。
波导Core1和Core2构成层间第一非对称定向耦合器1，波导Core1和Core3构成导层间第二非对称定向耦合器2；沿光的输入方向，第一非对称定向耦合器1和第二非对称定向耦合器2间具有一定的间隔，使2个非对称定向耦合器在空间位置上不重复。通过对Core1和Core2、Core1和Core3设置不同的尺寸，可以分别实现TE11与TE12，TE11与TE22两对模式之间的复用/解复用。通过石墨烯电极产生的热量改变聚合物材料的折射率，可以实现模式光开关功能。在1550nm波长处，聚合物Norland Optical Adhesive(NOA)的折射率为1.559，聚合物Norland Optical Adhesive(NOA)下层芯层的折射率为1.566，聚合物NorlandOptical Adhesive(NOA)上层芯层的折射率为1.569，石墨烯材料的折射率为2.98+2.79i；Core1为少模波导，支持TE11、TE12、TE22三种模式；Core2和Core3为单模波导，支持TE11模式。
通过热诱导方式，可以将改变聚合物材料的有效折射率。当给石墨烯电极施加电压时，基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关的状态为开，Core1、Core2和Core3分别具有输入端口Input1、Input2和Input3，具有输出端口Output1、Output2和Output3；从Input2端口向Core2输入TE11模式，TE11模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core2耦合到Core1并由TE11模式转化为TE12模式，从Output1端口输出TE12模式；当从Input3端口向Core3输入TE11模式，TE11模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core3耦合到Core1并由TE11模式转化为TE22模式，从Output1端口输出TE22模式，从而实现TE11、TE12、TE22三种模式复用的功能；从Core1输入端口Input1输入TE11、TE12、TE22三种模式，少模波导Core1中的TE12模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core1耦合到单模波导Core2中并由TE12模式转化为TE11模式，从Output2端口输出TE11模式；少模波导Core1中的TE22模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core1耦合到单模波导Core3中并由TE22模式转化为TE11模式，从Output3端口输出TE11模式；TE11模式仍保留在少模波导Core1中进行传输，并由Output1端输出，从而实现TE11、TE12、TE22三种模式解复用功能。
当不给石墨烯电极施加电压时，基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关状态为关，从少模波导Core1输入端口Input1输入TE11、TE12、TE22三种模式，只在少模波导Core1中传输，不发生模式的复用/解复用，从而在Output1端口接收TE11、TE12、TE22三种模式，而在Output2和Output3端口没有输出信号。本发明所述的基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关为多层结构，Core1波导为第一层结构，Core2和Core3波导为第二层结构，下层波导采用硅材料，上层波导采用聚合物材料与石墨烯材料。
相比于微环谐振器或马赫曾德尔干涉仪型光开关，本发明有着更大的带宽、更小的器件尺寸和更低的功率损耗。相比于传统的二维模式复用/解复用器，本发明所述的基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关具有更高的集成度，并可以与其他三维器件进行集成，最主要的是可以传输二维模分复用器难以传输的TE12模式，扩展了信道容量。相比传统的三维模式复用/解复用器，本发明所述的基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关通过引入石墨烯材料，可以通过热调谐的方式控制波导间的相位匹配，达到模式光开关的功能。
与现有器件相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，相比于微环谐振器或马赫曾德尔干涉仪型光开关，本发明有着更大的带宽、更小的器件尺寸和更低的功率损耗。相比于传统二维聚合物模式复用/解复用器，本发明加入了TE12模式，扩展了传输信息容量，在相同的平面面积和结构尺寸下，可以比二维的聚合物模分复用器提高一倍的传输信道和容量。相比于传统三维聚合物模式复用/解复用器，通过引入高热光系数的聚合物材料和高热导率的石墨烯材料，可以达到模式光开关功能，且具有更低的功耗。综上所述本发明有着更加宽广的应用范围，并且器件功耗低，尺寸小，更利于集成化。
附图说明
图1：本发明所述的基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关3维结构示意图；
图2：(a)在图1实线处，Core1和Core2构成三维空间的第一非对称定向耦合器1的横截面结构示意图；(b)在图1虚线处，Core1和Core3构成三维空间的第二非对称定向耦合器2的横截面结构示意图；
图3(a)：Core1中的TE11、TE12、TE22模式有效折射率(纵坐标)和波导宽度(横坐标)的关系曲线；
图3(b)：Core2和Core3中的TE11的模式有效折射率(纵坐标)和波导宽度(横坐标)的关系曲线；
图4(a)：石墨烯电极与Core2波导的间距d1导致的TE和TM偏振光吸收损耗；图4(b)：石墨烯电极与Core3波导的间距d2导致的TE和TM偏振光吸收损耗；
图5(a)：Core1和Core2波导中心间距D1与耦合效率的关系曲线，耦合区长度为800μm；
图5(b)：Core1和Core3波导中心间距D2与耦合效率的关系曲线耦合区长度为1000μm；
图6(a)：当从Core1输入TE12模式时，模式开关归一化输出功率随石墨烯电极温度(ΔT)的变化情况；
图6(b)：当从Core1输入TE22模式时，模式开关归一化输出功率随石墨烯电极温度(ΔT)的变化情况；
图7(a)：当给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器一在Input1端口输入TE12模式时下层波导Core1的光场图；
图7(b)：当给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器一在Input1端口输入TE12模式时上层波导Core2的光场图；
图7(c)：当给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器二在Input1端口输入TE22模式时下层波导Core1的光场图；
图7(d)：当给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器二在Input1端口输入TE22模式时上层波导Core3的光场图；
图7(e)：当不给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于关的工作状态时在Input1端口输入TE12模式时下层波导Core1的光场图；
图7(f)：当不给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于关的工作状态时在Input1端口输入TE22模式时下层波导Core1的光场图。
具体实施方式
如附图1所示，本发明为实现三维波导模式光开关的功能，采用了非对称定向耦合的方法。其原理是通过控制石墨烯加热电极的通断，实现了控制两个定向耦合结构的模式复用/解复用功能以及开关的调控。本发明所使用的石墨烯材料化学势为0.3eV。在石墨烯电极处于工作状态为开时，三根尺寸参数不同波导间的模式通过有效折射率匹配的方法，构成两个非对称定向耦合器，从而使得模式的转换和能量的耦合可以在非对称定向耦合器中完成。在石墨烯电极处于工作状态为关时，三根尺寸参数不同波导间的模式有效折射率不匹配匹配，输入的光继续在Core1中进行传播。少模波导Core1与单模波导Core2，Core3处于不同的水平面上，Core2和Core3高度相同，通过特定的波导宽度来分别实现单模波导Core2和Core3的TE11模式与少模波导Core1的TE12，TE22模式之间的模式转换和能量耦合。
为实现模式光开关处于开状态时的模分复用/解复用功能需要实现不同模式之间的有效折射率匹配。首先要确定少模波导的结构参数，在石墨烯电极处于工作状态为开时，让少模波导Core1的TE12模式和TE22模式的有效折射率分别与单模波导Core2的TE11模式有效折射率和单模波导Core3的TE11模式的有效折射率相匹配。为了满足存在TE12模式和TE11模式，利用Rsoft软件对于少模波导Core1的高度和宽度与模式有效折射率的关系进行模拟计算，得出存在TE12模式的尺寸高度为12μm，存在TE12模式的尺寸宽度为13μm。在附图3中展现了计算的少模波导Core1和单模波导Core2、Core3的波导宽度和模式的有效折射率的关系，使得少模波导Core1的TE12模式的模式有效折射率与单模波导Core2的TE11模式的模式有效折射率相匹配，少模波导Core1的TE22模式的模式有效折射率与单模波导Core3的TE11模式的有效折射率相匹配。从附图3(a)中可以看出，当少模波导Core1的高度为12μm，宽度为13μm时，少模波导中存在TE11，TE12模式和TE22模式。根据所选择的少模波导参数尺寸，来决定单模波导Core2和Core3的参数，即在图3(a)中确定少模波导Core1的宽度为13μm时，对应的TE12模式的有效折射率为1.56216，对应的TE22模式的有效折射率为1.560207。对于单模波导Core2和Core3中的聚合物波导，选择波导高度为4μm。利用Rsoft软件计算出单模波导Core2和Core3的宽度，其中单模波导Core2的高度为4，宽度为5.6μm；单模波导Core3的高度为4μm，宽度为3μm。两个定向耦合器波导的横截面的示意图如附图2所示。
如附图4(a)和4(b)所示，在石墨烯材料的化学势为0.3eV，有效折射率为2.98+2.79i时，利用Lumerical FDTD软件计算石墨烯电极与单模波导间距导致的TE和TM偏振光吸收损耗，随着d1、d2的增大，光吸收损耗减小，综合考虑模式开关对偏振光不敏感性和大的间距会导致高的功耗等因素，选择d1为5μm，d2为5μm。
如附图5(a)和5(b)所示，计算给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时，少模波导Core1与单模波导Core2、Core3的波导中心间距分别为D1，D2时，不同波导中心间距与耦合效率的关系，其中为了满足制备工艺的需要，首先将两层波导之间的层间距设为4.3μm。首先计算少模波导Core1和单模波导Core2之间的最优波导中心间距和耦合长度来得到最大的耦合效率。随着D1的增大，耦合长度也随之增大。为了减小传输损耗，耦合长度不宜过长等综合因素考虑，选择的D1为0μm，耦合区长度800μm是指Core2的直波导部分，Core2还包括弯曲波导，不单纯为耦合长度，耦合效率为96.32％；再计算Core1与Core3的之间的最优波导中心间距和耦合长度，来获得最大的耦合效率。最终选择D2为5.4μm，耦合区长度为1000μm是指Core3的直波导部分，Core3还包括弯曲波导，不单纯为耦合长度，耦合效率为96.93％。Core1理论上要比Core2与Core3长度之和大就可以，不是很重要。
附图6(a)和6(b)给出了模式开关归一化输出功率随石墨烯电极温度(ΔT)的变化情况。利用Rsoft软件，在1550nm波长下，在少模波导Core1的Input1端口传输TE12模式，在少模波导Core1和单模波导Core2上的Output1、Output2端口监测输出功率，通过公式：归一化功率＝10log(输出端口的功率/输入的总功率)，可以计算得到在不同的电极温度下TE12模式和TE11模式的归一化功率；在少模波导Core1的Input1端口传输TE22模式，在少模波导Core1和单模波导Core3上的Output1、Output3端口监测输出功率，通过公式：归一化功率＝10log(输出端口的功率/输入的总功率)，可以计算得到在不同的电极温度下TE22模式和TE11模式的归一化功率。结果可以从附图6(a)中得出在电极温度为8K时，模式的消光比为36dB，此时的电功率消耗通过公式：P＝LeWeKΔT(1+0.88H/We)/H计算得到，为2.38mW(Le为耦合长度，We为Core1的宽度，K为聚合物材料的热导率，为0.2W·m-1·K-1，H为单模波导高度+石墨烯电极与单模波导垂直间距+单模波导和少模波导的垂直间距)；从附图6(b)中得出对于在电极温度为6.5K时，模式的消光比为33dB，即模式开关处于开状态，此时的电功率消耗为2.41mW。
附图7(a)(f)是光场的仿真结果图。图7(a)和图7(b)为定向耦合器一在给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时的光场图，其中图7(a)为在Input1端口输入TE12模式的光下层波导Core1的光场图；图7(b)为在Input1端口输入TE12模式的光经过定向耦合器一完成模式转换和能量耦合，转换为上层波导Core2中TE11模式的光场图。图7(c)和图7(d)为定向耦合器二在给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于开的工作状态时的光场图，其中图7(c)为在Input1端口输入TE22模式的光下层波导Core1的光场图；图7(d)为在Input1端口输入TE22模式的光经过定向耦合器二完成模式转换和能量耦合，转换为上层波导Core3中TE11模式的光场图。图7(e)为定向耦合器一当不给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于关的工作状态时光场图，在Input1端口输入TE12模式的光，Core1波导中的TE12模式与Core2波导中的TE11模式有效折射率不匹配，由Input1端口输入TE12模式的光在Core1中继续传播。图7(f)为定向耦合器二当不给石墨烯电极施加电压时，模式开关处于关的工作状态时光场图，在Input1端口输入TE22模式的光，Core1波导中的TE22模式与Core3波导中的TE11模式有效折射率不匹配，由Input1端口输入TE22模式的光在Core1中继续传播。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，其特征在于：从下至上依次由衬底、包层、芯层和掩埋在包层中的石墨烯电极构成，芯层被包覆在包导之中；芯层分为下层芯层和上层芯层二部分，下层芯层为Core1单直波导结构，上层芯层为输入端和输出端带有S型弯曲的Core2和Core3双直波导结构，Core2和Core3双直波导位于同一平面内；衬底的材料为硅，包层的材料为聚合物Norland Optical Adhesive（NOA）和位于Core2和Core3直波导上方的石墨烯，Core1单直波导的材料为聚合物Norland Optical Adhesive（NOA），Core2和Core3 S型弯曲部分、直波导部分的材料为聚合物Norland Optical Adhesive（NOA）；除S型弯曲部分外，Core1、Core2和Core3间相互平行，沿光的输入方向Core2和Core3分别位于Core1上方的左右两侧；波导Core1和Core2构成层间第一非对称定向耦合器1，波导Core1和Core3构成层间第二非对称定向耦合器2；沿光的输入方向，第一非对称定向耦合器1和第二非对称定向耦合器2间具有一定的间隔，使2个非对称定向耦合器在空间位置上不重叠；Core1为少模波导，支持TE11、TE12、TE22三种模式；Core2和Core3为单模波导，支持TE11模式；通过对Core1和Core2、Core1和Core3设置不同的尺寸，可以分别实现TE11与TE12，TE11与TE22两对模式之间的复用/解复用；通过石墨烯电极产生的热量改变聚合物材料的折射率，可以实现模式光开关功能。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，其特征在于：在1550nm波长处，聚合物Norland Optical Adhesive（NOA）包层的折射率为1.559，聚合物Norland Optical Adhesive（NOA）下层芯层的折射率为1.566，聚合物Norland OpticalAdhesive（NOA）上层芯层的折射率为1.569，热光系数为−3 × 10−4/K，热导率为0.2W·m−1·K−1，石墨烯材料的折射率为2.98+2.79i，化学势为0.3eV。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，其特征在于：当给石墨烯电极施加电压时，基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关的状态为开，Core1、Core2和Core3分别具有输入端口Input1、Input2和Input3，具有输出端口Output1、Output2和Output3；从Input2端口向Core2输入TE11模式，TE11模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core2耦合到Core1并由TE11模式转化为TE12模式，从Output1端口输出TE12模式；当从Input3端口向Core3输入TE11模式，TE11模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core3耦合到Core1并由TE11模式转化为TE22模式，从Output1端口输出TE22模式，从而实现TE11、TE12、TE22三种模式复用的功能；从Core1输入端口Input1输入TE11、TE12、TE22三种模式，少模波导Core1中的TE12模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core1耦合到单模波导Core2中并由TE12模式转化为TE11模式，从Output2端口输出TE11模式；少模波导Core1中的TE22模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core1耦合到单模波导Core3中并由TE22模式转化为TE11模式，从Output3端口输出TE11模式；TE11模式仍保留在少模波导Core1中进行传输，并由Output1端输出，从而实现TE11、TE12、TE22三种模式解复用功能；当不给石墨烯电极施加电压时，基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关状态为关，从少模波导Core1输入端口Input1输入TE11、TE12、TE22三种模式，只在少模波导Core1中传输，不发生模式的复用/解复用，从而在Output1端口接收TE11、TE12、TE22三种模式，而在Output2和Output3端口没有输出信号。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯电极的聚合物三维波导模式光开关，其特征在于：Core1的高度为12μm，宽度为13μm；Core2和Core3中聚合物波导芯层的高度为4μm，石墨烯电极的高度为0 .034μm；Core2的宽度为5.6μm，Core3的宽度为3μm；Core1与Core2、Core3波导中心的间距分别为0μm和5.2μm，Core2直波导的长度为1000μm，Core3直波导的长度为1100μm。
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CN117724205A (zh) * 2024-01-26 2024-03-19 希烽光电科技(南京)有限公司 一种低损耗无谐振的级联层间耦合结构

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