[發明專利]一種基于相變材料三維集成光開關

有效

• 申請號: 201610694617.7
• 申請日: 2016-08-19
• 公開（公告）號: CN106324865B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 張涵予;周林杰;陸梁軍;陳建平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02F1/00
• 分類號: G02F1/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種基于相變材料三維集成光開關，包括：一下波導層；一上波導層，該上層波導與下層波導呈垂直交叉分布；一中間混合波導層，該波導層由介質波導和相變材料構成，中間混合波導層由三部分組成：輸入錐形波導、90度彎曲波導和輸出錐形波導，其中90度彎曲波導內側制作由摻雜硅構成的電極，通過外加電脈沖使中間波導層形成局部熱點，從而誘導相變材料進行相變。相對于傳統的1×2或者2×2光開關單元，本發明將相變材料與傳統波導結合來構成一種復合波導以此實現超緊湊的光開關，具有數字式調節、功耗低、集成度高等特點。此外，制備工藝與現有的CMOS工藝兼容，因此該技術具有大規模低成本生產潛力。

技術領域

本發明涉及一種基于相變材料三維集成光開關，屬于集成光電子學領域。

背景技術

全光交換直接在光域對光信號進行處理，無需經過光－電－光轉換，因而不受“電子瓶頸”的限制，具有高速、寬帶、透明、低功耗以及潛在的低成本等諸多優點。其中，N×N高速光開關芯片和模塊是光交換最基本和最核心的部件，其重要性等同于電子設備中的處理器。未來全光交換要滿足高速大容量和低時延交換要求，大端口、快速切換的光交換芯片和模塊是必需的，實驗系統中主要是由1×2或2×2的光開關器件搭建而成，1×2或2×2的光開關單元的開關性能，影響了N×N光開關的性能，所以發展1×2和2×2的光開關單元至關重要。

光子集成技術能夠大幅度減小設備體積、降低耗能、節約成本，因此光子集成技術非常適合來實現全光交換網絡中使用的大規模光交換。由于硅基光電子器件具有尺寸小、集成度高、制作工藝與傳統微電子CMOS工藝相兼容的優點，因此硅基光電子技術可以大幅度降低光開關芯片成本。硅基光開關是近年來國內外的熱門研究領域。IBM公司的研究人員在JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY(VOL.32,NO.4)上報道了4端口和8端口的光開關集成芯片，該芯片利用IBM 90nm硅光工藝，芯片中包含有CMOS邏輯門、開關驅動、多級光開關陣列和熱光相位調節器等，實現了光路與電路的單片集成。為了解決電光調節串擾大的問題，他們又在JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY(VOL.33,NO.20)上，采用推挽式驅動實現了低串擾的4×4馬赫-增德爾干涉器(MZI)光開關芯片。貝爾實驗室2012在OPTICS EXPRESS(Vol.20,No.17)上報道了基于硅基MZI的8×8光開關芯片，芯片利用switch-and-select拓撲方案，由112個MZI構成，開關調節采用熱光效應。加州大學伯克利分校的M.C.Wu小組在OPTICA(Vol.3,No.1)利用MEMS驅動來控制平面光路，芯片采用Crossbar拓撲結構，實現了64×64光開關芯片。與此同時，浙江大學在OPTICS LETTERS(Vol.37,No.12)報道了一種基于多模干涉器(MMI)結構的硅基3×3光開關。上海交通大學在OPTICS EXPRESS(VOL.24,NO.9)上實現了16×16無阻塞光開關芯片。該芯片基于Benes拓撲結構，總共包含了56個交換單元，每個單元上均集成了熱光和電光調節電極，可實現相位誤差補償和ns量級高速光交換，整個開關芯片總共集成了幾百個光電元件，很好地展現了硅光技術的高密度光電集成能力。

通常情況下，硅基光電子集成器件通過熱光效應或者載流子色散效應來改變硅材料的特性，從而實現對硅波導的調節。但熱光效應的響應速度比較慢，通常在微秒量級；載流子色散效應雖然響應時間快，但其折射率的調節范圍有限，通常折射率改變在0.001量級，因此為了達到180度相位的變化，需要毫米量級的長度，導致光開關通常很長、功耗很高。雖然采用高Q值諧振腔結構或光子晶體慢光結構可以減小器 件尺寸，但其工作帶寬通常很小、損耗較大，無法大規模級聯，且對環境溫度變化非常敏感。因此需要尋找一種可以實現對折射率大幅度、快速調節的材料，以此來彌補硅材料的不足，從而大幅度減小硅光開關的尺寸和功耗。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，結合相變材料的優點，提出一種基于相變材料三維集成光開關，通過將相變材料與傳統波導結合來構成復合波導以此實現超緊湊的光開關。