[發明專利]一種非易失可編程的集成光子器件及其設計方法

有效

• 申請號: 202010804918.7
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111999802B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 張敏明;楊思康;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B27/00;G02F1/01
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種非易失可編程的集成光子器件及其設計方法，屬于光子器件領域，集成光子器件的多模波導包括N×M個可獨立調節調諧狀態的邏輯單元，N和M均為正整數；每個邏輯單元包括具有凹槽且材料為硅的長方體結構以及填充在凹槽中且材料為相變材料的填充結構，且每個邏輯單元為亞波長尺寸結構。通過調節每個邏輯單元的調諧狀態，在亞波長尺度調控器件折射率的分布，實現不同功能的光子器件。將相變材料與類光子晶體結構相結合，利用相變材料的非易失性、可重構特性，以及利用類光子晶體結構亞波長尺度的光場調控能力，實現非易失、可編程的超小型集成光子器件，降低器件尺寸及能耗，具有更多的調諧功能，從而實現不同功能用途。

技術領域

本發明屬于光子器件領域，更具體地，涉及一種非易失可編程的集成光子器件及其設計方法。

背景技術

隨著高性能計算和高速互連的發展，銅線逐漸無法滿足高速數據傳輸的需求。全光互連具有大帶寬和長距離傳輸的優點，被認為是一種有前途的解決方案。為實現低成本的全光互連，集成光子器件已成為學術界和工業界的熱門研究領域。硅基集成光子器件具有高度集成化以及能和COMS 平臺兼容的特性，是光電子領域最熱門的研究方向之一。如何在有限面積上集成更多器件，實現器件間的智慧互聯，并降低芯片能耗，是硅基光子領域的一項重大挑戰。因此，實現一種非易失可編程的超小型集成光子器件至關重要。

現有技術中，可調諧光子器件主要通過電光效應和熱光效應實現。通過加熱或者電注入的方式改變材料的有效折射率，從而控制光場分布。電光效應和熱光效應引起的材料折射率改變較小，因此，基于這兩種效應的器件尺寸通常較大。此外，電光效應和熱光效應具有易失性，即使在不調諧時，也需要額外的能量注入來維持既有狀態，因此，基于這兩種效應的器件能耗較高。現有可調諧光子器件通常只有少數幾個設計參量，可重構的功能較為單一，不利于實現器件間的智慧互聯。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種非易失可編程的集成光子器件及其設計方法，其目的在于實現非易失、可編程的超小型集成光子器件，并使器件具有更多的功能以及更低的能耗。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種非易失可編程的集成光子器件，所述集成光子器件的多模波導包括N×M個可獨立調節調諧狀態的邏輯單元11，N和M均為正整數；每個所述邏輯單元包括具有凹槽且材料為硅的長方體結構以及填充在所述凹槽中且材料為相變材料的填充結構，且每個所述邏輯單元為亞波長尺寸結構。

更進一步地，所述相變材料為VO₂、GST或GSST。

更進一步地，所述凹槽為圓柱形凹槽或矩形凹槽。

更進一步地，每個所述邏輯單元的尺寸不大于λ/2，其中，λ為所述集成光子器件的工作波長。

更進一步地，所述邏輯單元的調諧狀態包括所述相變材料的晶態、非晶態和中間態，所述邏輯單元的調諧方式為電加熱或激光加熱。

更進一步地，所述集成光子器件還包括襯底、二氧化硅氧化層、輸入波導、第一輸出波導、第二輸出波導和亞波長光柵結構；所述二氧化硅氧化層位于所述襯底的兩側區域上；所述亞波長光柵結構位于所述二氧化硅氧化層上，并連接支撐所述多模波導、輸入波導、第一輸出波導以及第二輸出波導，使得所述多模波導、輸入波導、第一輸出波導以及第二輸出波導懸空。

更進一步地，所述輸入波導、第一輸出波導、第二輸出波導的有效折射率與所述亞波長光柵結構有效折射率之間的差值均大于預設值。

更進一步地，所述第一輸出波導和第二輸出波導軸對稱。