一种基于相变材料的2

一种基于相变材料的2
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2光波导开关
技术领域
1.本实用新型属于光电子技术领域，特别涉及一种基于相变材料的2
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2光波导开关。


背景技术：

2.光开关是模式复用与数据交换的核心单元,目前硅基光波导开关主要为基于光干涉原理的马赫-曾德尔干涉仪型（参见文献：lin y ,zhou t ,hao j , et al. general architectures for on-chip optical space and mode switching[j]. optica, 2018, 5(2):180.），其主要是通过电光调制对干涉臂施加电压引起的折射率变化进而形成相位差。但由于折射率调制较为微弱，造成器件尺寸过大，而且状态需要不断的电压维持致使该器件具有易失性。
[0003]
随着人们对光开关器件的探索，出现了基于相变材料的光开关。将相变材料覆盖在波导上形成复合波导，利用相变材料在晶态和非晶态可逆复相变，且相变前后可形成巨大的折射率差异来改变光信号的传播路径。目前常见的2
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2光开关很多都是机械式，其体积大、插入损耗大、且光路切换不稳定。而常见的基于相变材料的2
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2光开关虽然解决了这些问题，但是由于其耦合区域是基于三波导耦合所设计的(参见文献：zhang q ,zhang y ,li j , et al. broadband nonvolatile photonic switching based on optical phase change materials: beyond the classical figure-of-merit[j]. optics letters, 2018, 43(1):94.)，相变材料覆盖于中间波导之上，加大了器件的实验难度。且目前所研究的此类光开关器件的输入端口基本上仅支持单一的横电模或者横磁模式的输入，对于横电模和横磁模的混合模式输入无法形成开关效果，因此限制了这类开关的应用。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型目针对现有技术存在的不足，提供一种尺寸小、切换速率快，可通过改变复合波导上相变材料的相态，实现双通道选择输入和双路选通、混合模式分离的功能的2
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2光波导开关。
[0005]
实现本实用新型发明目的的技术方案是提供一种基于相变材料的2
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2光波导开关，在二氧化硅衬底上，两根硅波导呈轴对称分布，所述硅波导的两端呈弯曲状，一端为输入端口，另一端为输出端口，硅波导的中间耦合区域呈直线状，耦合区域覆盖相变薄膜材料；所述硅波导的横截面为矩形状，宽度为0.25~ 0.4微米，高度为0.25~ 0.4微米；耦合区域的长度为15～20微米；相变薄膜的覆盖宽度与硅波导宽度相等，相变薄膜的厚度为10～300纳米。
[0006]
本实用新型的技术方案中，两根硅波导的直线段的间距为100~500纳米。
[0007]
本实用新型的技术方案中，相变材料可以是ge、sb、te或se组成的二元、三元或四元化合物，例如gete2、ge2sb2te5或ge2sb2se4te1等；入射光源采用的是通讯波段(1530~1565nm)。
[0008]
本实用新型基于相变材料，形成了双进-双出的对称波导式光开关结构，当相变材料为低射率低损耗的非晶态，且满足最佳耦合长度时，光波模式会在两根波导的耦合区域发生耦合进而可以选择性的切换输出端口。
[0009]
与现有技术相比，本实用新型由于采用了双波导结构，其有益效果在于：入射光可从输入端口选择性的输入，根据输入端口的不同可以选择性的切换其中一个相变材料的相态从而改变不同模式的基膜传输路径。本实用新型提供的2
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2光波导开关，可通过改变复合波导上相变材料的相态，实现双通道选择输入和双路选通、混合模式分离的功能，具有尺寸小、切换速率快的特点。
附图说明
[0010]
图1是本实用新型实施例提供的一种基于相变材料的2
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2光波导开关的结构示意图；
[0011]
图2是本实用新型实施例提供基于相变材料的2
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2光波导开关结构的俯视图；
[0012]
图3是本实用新型实施例提供基于相变材料的2
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2光波导开关结构在te基膜从一根波导的输入端口输入时的电场分布图；
[0013]
图4是本实用新型实施例提供基于相变材料的2
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2光波导开关结构在tm基膜从一根波导的输入端口输入时的磁场分布图；
[0014]
图5是本实用新型实施例提供基于相变材料的2
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2光波导开关结构在te基膜从另一根波导的输入端口输入时的电场分布图；
[0015]
图6是本实用新型实施例提供的基于相变材料的2
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2光波导开关结构在tm基膜从另一根波导的输入端口输入时的磁场分布图。
[0016]
图中，1、2.波导的输入端口；3、4.相变材料；5、6波导的.输出端口；7.衬底；8.开关区域；9.耦合区域。
具体实施方式
[0017]
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。
[0018]
实施例1
[0019]
参见附图1，是本实施例提供的一种基于相变材料的2
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2光波导开关的结构示意图。它由两个呈轴对称分布的波导构成，波导的两端呈弯曲状，一端为输入端口，另一端为输出端口，硅波导的中间耦合区域呈直线状，耦合区域覆盖相变薄膜材料；本实施例中，波导的输入端口1和2，对应的输出端口5和6，相变材料3、4可以是ge、sb、te或se组成的二元、三元或四元化合物，例如gete2、ge2sb2te5或ge2sb2se4te1等；本实施例为ge2sb2se4te1，器件的衬底7的材料为二氧化硅，波导材料为硅。整个器件长度为29微米，宽度为8.5微米。
[0020]
波导的横截面为矩形状，宽度为0.25~ 0.4微米，高度为0.25~ 0.4微米；耦合区域的长度为15～20微米；相变薄膜的覆盖宽度与硅波导宽度相等，相变薄膜的厚度为10～300纳米。两根硅波导的直线段的间距为100~500纳米。
[0021]
本实施例中，波导的宽度和高度为0. 38微米，耦合长度为18.5微米，两根波导的直线段的间距为300纳米。
[0022]
参见附图2，是本实施例提供的基于相变材料的2
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2光波导开关结构的俯视图。8
为开关区域，9为覆盖相变材料的耦合区域；根据输入端口的不同，可通过改变图1中相变材料3和4的相态，实现光信号输出端口的改变。
[0023]
参见附图3，是本实施例提供的基于相变材料的2
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2光波导开关结构在te基膜从波导的输入端口2输入时的电场分布图。其中，a图中，当相变材料3、4均为低损耗的非晶态时，由于耦合区域满足匹配条件，te基膜耦合至另一跟复合波导并从波导的输出端口6输出；b图中，当相变材料3为非晶态、相变材料4为晶态时，波导输入端口2输入的te基膜由于晶态相变材料较高的折射率产生的模式失配，te基模直接从波导的输出端口5输出。
[0024]
参见附图4，是本实施例提供的基于相变材料的2
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2光波导开关结构在tm基膜从波导的输入端口2输入时的磁场分布图。其中，a图中，当相变材料3、4均为低损耗的非晶态时，由于耦合区域满足特定的匹配条件，tm基膜耦合至另一跟复合波导且再次耦合回原来的复合波导并直接从波导的输出端口5输出；b图中，当相变材料3为非晶态、相变材料4为晶态时，波导的输入端口2输入的tm基膜由于晶态相变材料较高的折射率产生的模式失配和较大的吸收，tm基膜无法产生耦合直接从波导的输出端口5输出。
[0025]
参见附图5，是本实施例的提供基于相变材料的2
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2光波导开关结构在te基膜从波导的输入端口1输入时的电场分布图。其中，a图中，当相变材料3、4均为低损耗的非晶态时，由于耦合区域满足匹配条件，te基膜耦合至另一根复合波导并从波导的输出端口5输出；b图中，当相变材料4为非晶态、相变材料3为晶态时，波导的输入端口1输入的te基膜由于晶态相变材料较高的折射率产生的模式失配，te基膜直接从波导的输出端口6输出。
[0026]
参见附图6，是本实施例提供的基于相变材料的2
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2光波导开关结构在tm基膜从波导的输入端口1输入时的磁场分布图。其中，a图中，当相变材料3和4均为低损耗的非晶态时，由于耦合区域满足特定的匹配条件，tm基膜耦合至另一根复合波导且再次耦合回原来的复合波导并从波导的输出端口6输出；b图中，当相变材料4为非晶态、相变材料3为晶态时，波导的输入端口1输入的tm基膜由于晶态相变材料较高的折射率产生的模式失配和较大的吸收，tm基膜无法产生耦合直接从波导的输出端口6输出。