[發明專利]一種基于相變材料的雙模干涉2×2光波導開關

有效

• 申請號: 202210811047.0
• 申請日: 2022-07-11
• 公開（公告）號: CN115308847B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 高一驍;宋春萌;沈祥
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G02B6/35
• 分類號: G02B6/35;G02B6/12;G02F1/01
• 代理公司: 寧波甬致專利代理有限公司 33228
• 代理人: 張密密

本發明提供一種基于相變材料的雙模干涉2×2光波導開關，包括一硅薄膜基座、一輸入波導、一雙模混合波導以及一輸出波導，其中，硅薄膜基座包括未摻雜區域和重度摻雜區域，雙模混合波導中間設有相變材料，輸入波導和輸出波導分別對稱設置于雙模混合波導的前后兩端，輸入波導、雙模混合波導和輸出波導均設置于未摻雜區域的頂部表面，重度摻雜區域對稱地分布于雙模混合波導的兩側，且重度摻雜區域分別設有一金屬接觸區域。本發明提供的光波導開關結構緊湊、尺寸小、消光比高、插入損耗低以及能耗低，具有自保持的特性，以適用于可重構、可多級編程的光子集成電路或光子神經網絡中。

技術領域

本發明涉及光學元器件技術領域，具體而言，涉及一種基于相變材料的雙模干涉2×2光波導開關。

背景技術

隨著電子集成電路逐漸達到馮諾依曼數據傳輸瓶頸，可編程光子集成電路需要具有更大的帶寬密度和更高的傳輸速度，并且不僅限于單一功能。光開關作為可編程光子電路中動態選擇光路的關鍵部件，一般通過熱光效應或電光效應實現，但這往往會導致高功耗和大的器件尺寸，此外，這些方法都是易失性的，需要持續的電源來維持特定的狀態。

光子電路與功能材料的混合集是豐富光子電路的一個切實可效的方案，相變材料薄膜具有非晶態和晶態之間的高折射率對比和納秒時間尺度上的可逆切換等優點，且相變材料所保持的相態是非易失的，不需要電源持續維持，通過調控光波導上的相變材料薄膜的相態可以實現對光場調諧，這一特性已經在光開關、光調制器和濾波器等有著廣泛應用。然而，這類調諧方式往往是利用薄膜對波導中的倏逝場進行調制，調制的范圍有限，同時傳統的相變材料，例如Ge₂Sb₂Te₅和Ge₂Sb₂Se₄Te₂等，在晶態有著不可忽視的損耗。

新型硫系二元化合物相變材料Sb₂S₃和Sb₂Se₃，與傳統相變材料相比，在晶態和非晶態有著適中的折射率差(～0.6和0.77)以及極低的消光系數 (10^-5)。將這種新型相變材料直接應用在狹縫波導結構中，大大增強了光與材料的相互作用，在不影響器件性能的同時大大縮短器件尺寸。

發明內容

本發明要解決的技術問題是如何提供一種基于相變材料的雙模干涉2×2光波導開關，以降低傳輸損耗和功耗，保持高性能同時實現小尺寸，且便于大規模集成。

為解決上述問題，本發明提供一種基于相變材料的雙模干涉2×2光波導開關，包括一硅薄膜基座、一輸入波導、一雙模混合波導以及輸出波導，硅薄膜基座包括未摻雜區域和重度摻雜區域，重度摻雜區域包括第一重度摻雜區域和第二重度摻雜區域；輸入波導包括第一輸入波導和第二輸入波導；雙模混合波導包括相變材料、第一脊型波導和第二脊型波導，第一脊型波導和第二脊型波導對稱地設置于相變材料的兩側；輸出波導包括第一輸出波導和第二輸出波導；其中，輸入波導和輸出波導分別設置于雙模混合波導的兩端，第一輸入波導、第一脊型波導和第一輸出波導依次相連，第二輸入波導、第二脊型波導和第二輸出波導依次相連，輸入波導、雙模混合波和輸出波導均設置于未摻雜區域的頂部表面，第一重度摻雜區域和第二重度摻雜區域對稱地分布于雙模混合波導的兩側，且第一重度摻雜區域和第二重度摻雜區域的頂表面分別設有一金屬接觸區域。重度摻雜區域和金屬接觸區域用于施加不同的電脈沖，以實現相變材料在晶態和非晶態之間的轉變，通過切換相變材料的相態狀態，從而調控光路，實現開關路由。本發明提供的光波導開關結構緊湊、尺寸小、消光比高、插入損耗低以及能耗低，具有自保持的特性，可適用于可重構、可多級編程的光子集成電路或光子神經網絡中。

進一步地，第一輸入波導、第二輸入波導、第一輸出波導和第二輸出波導均呈S彎型，且第一輸入波導和第二輸入波導的S彎型對稱設置，第一輸出波導和第二輸出波導的S彎型對稱設置。

進一步地，第一輸入波導和第一輸出波導對稱地設置于雙模混合波導的兩端，第二輸入波導和第二輸出波導對稱地設置于雙模混合波導的兩端。