CN117289493A - 一种偏振不敏感的硅基光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振不敏感的硅基光开关，包括硅光芯片本体，所述硅光芯片本体上集成有若干光开关组件；所述光开关组件包括并排设置的两条硅光波导，所述两条硅光波导上均设置有热光调相区域；两条硅光波导上位于热光调相区域前后均连接有2输入2输出的光分束器；还包括玻璃转换波导，所述玻璃转换波导的芯层包括用于与光纤芯层耦合的光纤耦合端以及用于与光开关组件的硅光波导耦合的波导耦合端；所述光纤耦合端到波导耦合端的横截面面积递减。具有上述结构的光开关，利用横截面积递减的玻璃转换波导的大端(光纤耦合端)连接光纤、小端(波导耦合端)连接硅光波导，用于桥接光纤和硅光波导，消除了二者连接点的尺寸差，避免了由于尺寸差引起的耦合损耗。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，尤其涉及一种偏振不敏感的硅基光开关。
背景技术
光开关(Optical Switch)是一种用于控制和调节光信号的设备或器件。它可以将光信号进行切换、分配、调制或调节实现光信号的灵活控制和管理。光开关在光通信、光网络以及光传感等领域有着广泛的应用。它可以用于光纤网络中的信号路由，光分布式传感等应用。光开关的工作原理通常基于电光效应、热光效应或机械机制。总的来说，光开关是一种关键光学元件，可以对光信号进行非常精确的控制和处理。
光开关可以集成在硅光芯片上，硅光芯片能够利用集成电路的工艺技术进行制造，从而实现高度集成和大规模生产。它具有面积小重量轻、功耗低等优点，适用于数据通信、传输、激光雷达测距、生化传感等领域。随着技术的不断发展，硅光芯片的性能和应用领域不断扩展，在很多领域起着越来越重要的作用。
在很多应用场景中，光开关在使用的时候需要和光纤进行耦合，由于硅光芯片上的波导与光纤尺寸差异较大，因此在耦合的时候存在较大的耦合损耗，从而降低光开关的性能。此外，绝大多数硅光芯片器件的性能对光信号的偏振态敏感，光信号偏振态偏离会严重恶化器件性能，硅光芯片的偏振敏感性限制了其应用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种偏振不敏感的硅基光开关，一方面能够有效减少由于光纤和硅光波导之间由于尺寸差产生的耦合损耗，另一方面降低了光开关器件性能对光信号偏振态的敏感程度。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种光开关，包括硅光芯片本体，所述硅光芯片本体上集成有若干光开关组件；所述光开关组件包括并排设置的两条硅光波导，所述两条硅光波导上均设置有热光调相区域；两条硅光波导上位于热光调相区域前后均连接有2输入2输出的光分束器；还包括玻璃转换波导，所述玻璃转换波导的芯层包括用于与光纤芯层耦合的光纤耦合端以及用于与光开关组件的硅光波导耦合的波导耦合端；所述光纤耦合端到波导耦合端的横截面面积递减。
作为一种改进，所述波导耦合端的厚度为1～5μm，所述光纤耦合端的厚度为8～12μm；所述硅光波导的厚度为1～5μm，所述光纤芯层的直径为8～12μm。
作为一种进一步的改进，所述光纤耦合端与光纤芯层耦合后玻璃转换波导芯层与光纤芯层不在同一平面上；所述波导耦合端与硅光波导耦合后玻璃转换波导芯层与硅光波导不在同一平面上。
作为另一种更进一步的改进，所述光纤耦合端、光纤上用于耦合的端面、波导耦合端、硅光芯片本体上用于耦合的端面均有0～40°的斜面；并且光纤耦合端、光纤上用于耦合的端面的斜面倾斜方向一致，波导耦合端、硅光芯片本体上用于耦合的端面的斜面倾斜方向一致。
作为一种改进，所述光纤耦合端、光纤上用于耦合的端面、波导耦合端、硅光芯片本体上用于耦合的端面为上下方向倾斜或/和左右方向倾斜。
作为一种改进，所述硅光芯片本体上用于耦合的端面镀有光学薄膜。
作为一种改进，所述光热调相区域包括设置在硅光波导两侧的金属电极；所述金属电极下方设置有载流子注入区域，外侧设置有深刻蚀区域；所述硅光波导上方设置有加热电极。
作为一种改进，所述硅光波导位于2输入2输出的光分束器与光热调相区域之间设置有膨胀段，所述膨胀段两端利用锥形结构与硅光波导连接。
作为一种改进，两条硅光波导的膨胀段长度不相等。
作为一种改进，所述硅光波导的两端均连接有玻璃转换波导且设置在硅光芯片本体两侧；或者，硅光波导一端连接玻璃转换波导，另一端弯折至同侧后连接玻璃转换波导。
本发明的有益之处在于：
具有上述结构的硅光芯片利用横截面积递减的玻璃转换波导的大端(光纤耦合端)连接光纤、小端(波导耦合端)连接硅光波导，用于桥接光纤和硅光波导，消除了二者连接点的尺寸差，避免了由于尺寸差引起的耦合损耗。
在本发明中所述光纤耦合端与光纤芯层耦合后玻璃转换波导芯层与光纤芯层不在同一平面上；所述波导耦合端与硅光波导耦合后玻璃转换波导芯层与硅光波导不在同一平面上，玻璃转换波导芯层与光纤芯层之间、玻璃转换波导芯层与硅光波导之间具有一定的夹角，能够减小其间的光学折射率失配，增加光透射率。
另外，本发明中将硅光波导的厚度提升至1～5μm，其目的在于能够与玻璃转换波导的波导耦合端适配。另外，达到上述厚度后，可以减少硅光波导在垂直和水平两个方向上的尺寸失配，降低波导对光信号的偏振态敏感程度，易于实现光偏振不敏感的功能器件。
附图说明
图1为实施例1的俯视图。
图2为光开关组件的结构示意图。
图3为硅光芯片本体的剖视图。
图4为实施例1中玻璃转换波导和硅光芯片本体耦合处的侧视图。
图5为实施例1中玻璃转换波导和硅光芯片本体耦合处的俯视图。
图6为实施例1中玻璃转换波导和光纤耦合出的俯视图。
图7为实施例2的俯视图。
图中标记：1硅光芯片本体、2玻璃转换波导、3光纤、4光学薄膜、5固化胶、11光开关组件、101硅光波导、1022输入2输出光分束器、103膨胀段、104金属电极、105加热电极、106载流子注入区域、107深刻蚀区域、108硅基层、109第一二氧化硅层、110第二二氧化硅层、21芯层、22包层、31芯层、32包层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种偏振不敏感的硅基光开关，包括硅光芯片本体1，所述硅光芯片本体1上集成有若干光开关组件11；所述光开关组件11包括并排设置的两条硅光波导101，所述两条硅光波导101上均设置有热光调相区域；两条硅光波导101上位于光热调相区域前后均连接有2输入2输出光分束器102；还包括玻璃转换波导2，所述玻璃转换波导2的芯层21包括用于与光纤3芯层31耦合的光纤耦合端以及用于与光开关组件11的硅光波导101耦合的波导耦合端；所述光纤耦合端到波导耦合端的横截面面积递减。
本发明的原理是通过玻璃转换波导2两端可以尺寸不一致且光衰减极低的特性，将玻璃转换波导2作为光纤3与硅光芯片本体1之间的桥接，降低或者消除了二者之间的尺寸差，避免其因为尺寸不匹配导致的耦合衰减。
现在市面上的波导横截面一般为圆形或者矩形，因此可以预见的是，本发明中所述的横截面面积递减，是指在保持相同形状的前提下等比例缩减。
本实施例中，所述波导耦合端的厚度为1～5μm，所述光纤耦合端的厚度为8～12μm；所述硅光波导11的厚度为1～5μm，所述光纤芯层31的直径为8～12μm。波导耦合端和光纤耦合端的具体尺寸需要根据其耦合的芯片和光纤的尺寸来进行适应性调整。
市面上现有的硅光波导的厚度一般为220nm或者400～500nm两个尺寸规格，而玻璃转换波导2由于其材质特性的缘故，其小端最小的厚度也在1～5μm左右。因此为了与玻璃转换波导2配合，本发明中将硅光波导11的厚度即图2中标注的尺寸H也加厚至1～5μm，不仅能够与玻璃转换波导2的小端进行匹配，并且在硅光波导11增厚以后，更容易实现光偏振不敏感的功能器件。
另外，可以预见的是对于此处所述的“厚度”对于圆形波导来说就是波导横截面的直径，而对于矩形波导来说就是波导横截面的边长。
在本实施例中，所述光纤耦合端与光纤芯层31耦合后玻璃转换波导2芯层21与光纤3芯层31不在同一平面上；所述波导耦合端与硅光波导11耦合后玻璃转换波导2芯层21与硅光波导11不在同一平面上。所谓的“不在一个平面上”是指玻璃转换波导2芯层21与光纤3芯层31或者玻璃转换波导2芯层21与硅光波导11的端部连接在一起且形成一定的夹角，其目的在于通过夹角减小二者之间的光学折射率失配，增加透光率，从而减小光的损耗。
为了达到二者“不在一个平面上”的目的，所述光纤耦合端、光纤3上用于耦合的端面、波导耦合端、硅光芯片本体1上用于耦合的端面均有0～40°的斜面；并且光纤耦合端、光纤3上用于耦合的端面的斜面倾斜方向一致，波导耦合端、硅光芯片本体1上用于耦合的端面的斜面倾斜方向一致。当然，为了保证耦合具有最优效果，进行耦合的双方端面的角度可以是相等的，也可以是不相等的。假如波导耦合端的斜面倾斜角度θ5是15°，那么硅光芯片本体1的端面倾斜角度θ6可以是0～40°中的任意角度。光纤耦合端的倾斜角度θ7以及光纤3上用于耦合的端面的倾斜角度θ8同理。
另外上述的“倾斜方向一致”是指在设置斜面时，为了方便布置，斜面一般上下方向的倾斜或者左右方向的倾斜。当用于耦合的一个端面选择了上下方向的倾斜，另一个端面同样也应该选择上下方向的倾斜。如图5、图6所示，本实施例中，光纤耦合端、光纤3上用于耦合的端面选择的就是左右方向的倾斜方式，同样波导耦合端、硅光芯片本体1上用于耦合的端面选择的也是左右方向倾斜的方式。当然，也可以是光纤耦合端、光纤3上用于耦合的端面选择上下方向的倾斜方式，而波导耦合端、硅光芯片本体1上用于耦合的端面选择左右方向的倾斜方式。或者两组耦合端均选择一样的倾斜方式均可。
如图4所示，为了进一步提高光透射率，硅光波导11端面上镀有光学薄膜4。在进行耦合的时候，只需要将玻璃转换波导2波导耦合端的芯层21与硅光波导11对齐后利用固化胶5粘结在一起即可。玻璃转换波导2光纤耦合端与光纤3的连接方式也相同，不在赘述。由于选择了左右倾斜的方式，为了方便耦合，可以在硅光芯片本体1上设置一个与玻璃转换波导2连接的连接点，该连接点刻蚀掉第二二氧化硅层110、硅光波导101、第一二氧化硅层109、并在硅基层108上刻蚀深度Hs，范围为0.1μm到200μm。连接点刻蚀处端面在竖直方向上的角度为90°，同样玻璃转换波导2端面上在竖直方向的角度也为90°，从而便于连接。
本发明中，硅光芯片本体1包括硅基底108，所述硅基底108由下至上沉积有第一二氧化硅层I109、硅光波导101、第二二氧化硅层II110，所述硅光芯片本体1上集成有若干光开关组件形成光开关阵列。每个光开关组件由包括硅光波导101以及设置在硅光波导两侧的金属电极104，所述金属电极104下方设置有载流子注入区域106，外侧设置有深刻蚀区域107；所述硅光波导101上方设置有加热电极105。所述载流子注入区域13与硅光波导11的距离G为0.1～10μm。玻璃转换波导2包括芯层21，所述芯层21由包层22包裹。而波导耦合端和光纤耦合端实际上指的应该是芯层的两端。同样，光纤3也包括芯层31以及包裹芯层31的包层32。
另外，本实施例中，所述硅光波导101位于2输入2输出光分束器102与热光调相区域之间设置有膨胀移相段103，所述膨胀移相段103两端利用锥形结构与硅光波导101连接。膨胀移相段103为宽度较宽的波导，两条硅光波导的膨胀移相段103长度不相等，其长度差G可提供固定的光信号相位差。
本实施例中，每条硅光波导101均作为一个通道其两端均连接有玻璃转换波导2，而玻璃转换波导2再与光纤3连接，这样输入输出分设在硅光芯片本体1的两侧。
实施例2
如图7所示，与实施例1不同的是，本实施例中硅光波导101一端连接玻璃转换波导2，另一端弯折至同侧后连接玻璃转换波导2，这样使得输入输出在硅光芯片本体1的同侧。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：包括硅光芯片本体，所述硅光芯片本体上集成有若干光开关组件；所述光开关组件包括并排设置的两条硅光波导，所述两条硅光波导上均设置有热光调相区域；两条硅光波导上位于热光调相区域前后均连接有2输入2输出的光分束器；还包括玻璃转换波导，所述玻璃转换波导的芯层包括用于与光纤芯层耦合的光纤耦合端以及用于与光开关组件的硅光波导耦合的波导耦合端；所述光纤耦合端到波导耦合端的横截面面积递减。
2.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述波导耦合端的厚度为1～5μm，所述光纤耦合端的厚度为8～12μm；所述硅光波导的厚度为1～5μm，所述光纤芯层的直径为8～12μm。
3.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述光纤耦合端与光纤芯层耦合后玻璃转换波导芯层与光纤芯层不在同一平面上；所述波导耦合端与硅光波导耦合后玻璃转换波导芯层与硅光波导不在同一平面上。
4.根据权利要求3所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述光纤耦合端、光纤上用于耦合的端面、波导耦合端、硅光芯片本体上用于耦合的端面均有0～40°的斜面；并且光纤耦合端、光纤上用于耦合的端面的斜面倾斜方向一致，波导耦合端、硅光芯片本体上用于耦合的端面的斜面倾斜方向一致。
5.根据权利要求4所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述光纤耦合端、光纤上用于耦合的端面、波导耦合端、硅光芯片本体上用于耦合的端面为上下方向倾斜或/和左右方向倾斜。
6.根据权利要求3所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述硅光芯片本体上用于耦合的端面镀有光学薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述热光调相区域包括设置在硅光波导两侧的金属电极；所述金属电极下方设置有载流子注入区域，外侧设置有深刻蚀区域；所述硅光波导上方设置有加热电极。
8.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述硅光波导位于2输入2输出的分束器与光热调相区域之间设置有膨胀移相段，所述膨胀移相段两端利用锥形结构与硅光波导连接。
9.根据权利要求8所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：两条硅光波导的膨胀移相段长度不相等。
10.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的硅基光开关，其特征在于：所述硅光波导的两端均连接有玻璃转换波导且设置在硅光芯片本体两侧；或者，硅光波导一端连接玻璃转换波导，另一端弯折至同侧后连接玻璃转换波导。
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| CN202311313500.6A CN117289493A (zh) | 2023-10-11 | 2023-10-11 | 一种偏振不敏感的硅基光开关 |
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| Publication Number | Publication Date |
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Family
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Family Applications (1)
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| CN202311313500.6A Pending CN117289493A (zh) | 2023-10-11 | 2023-10-11 | 一种偏振不敏感的硅基光开关 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117538985A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-02-09 | 合肥芯智华光子科技有限公司 | 一种薄膜铌酸锂集成化光引擎 |
-
2023
- 2023-10-11 CN CN202311313500.6A patent/CN117289493A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117538985A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-02-09 | 合肥芯智华光子科技有限公司 | 一种薄膜铌酸锂集成化光引擎 |
| CN117538985B (zh) * | 2024-01-10 | 2024-05-03 | 合肥芯智华光子科技有限公司 | 一种薄膜铌酸锂集成化光引擎 |
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