一种基于相变材料的双模干涉2

一种基于相变材料的双模干涉2
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2光波导开关
技术领域
1.本发明涉及光学元器件技术领域，具体而言，涉及一种基于相变材料的双模干涉2
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2光波导开关。


背景技术：

2.随着电子集成电路逐渐达到冯诺依曼数据传输瓶颈，可编程光子集成电路需要具有更大的带宽密度和更高的传输速度，并且不仅限于单一功能。光开关作为可编程光子电路中动态选择光路的关键部件，一般通过热光效应或电光效应实现，但这往往会导致高功耗和大的器件尺寸，此外，这些方法都是易失性的，需要持续的电源来维持特定的状态。
3.光子电路与功能材料的混合集是丰富光子电路的一个切实可效的方案，相变材料薄膜具有非晶态和晶态之间的高折射率对比和纳秒时间尺度上的可逆切换等优点，且相变材料所保持的相态是非易失的，不需要电源持续维持，通过调控光波导上的相变材料薄膜的相态可以实现对光场调谐，这一特性已经在光开关、光调制器和滤波器等有着广泛应用。然而，这类调谐方式往往是利用薄膜对波导中的倏逝场进行调制，调制的范围有限，同时传统的相变材料，例如ge2sb2te5和ge2sb2se4te2等，在晶态有着不可忽视的损耗。
4.新型硫系二元化合物相变材料sb2s3和sb2se3，与传统相变材料相比，在晶态和非晶态有着适中的折射率差(～0.6和0.77)以及极低的消光系数 (《10-5
)。将这种新型相变材料直接应用在狭缝波导结构中，大大增强了光与材料的相互作用，在不影响器件性能的同时大大缩短器件尺寸。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于相变材料的双模干涉2
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2光波导开关，以降低传输损耗和功耗，保持高性能同时实现小尺寸，且便于大规模集成。
6.为解决上述问题，本发明提供一种基于相变材料的双模干涉2
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2光波导开关，包括一硅薄膜基座、一输入波导、一双模混合波导以及输出波导，硅薄膜基座包括未掺杂区域和重度掺杂区域，重度掺杂区域包括第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域；输入波导包括第一输入波导和第二输入波导；双模混合波导包括相变材料、第一脊型波导和第二脊型波导，第一脊型波导和第二脊型波导对称地设置于相变材料的两侧；输出波导包括第一输出波导和第二输出波导；其中，输入波导和输出波导分别设置于双模混合波导的两端，第一输入波导、第一脊型波导和第一输出波导依次相连，第二输入波导、第二脊型波导和第二输出波导依次相连，输入波导、双模混合波和输出波导均设置于未掺杂区域的顶部表面，第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域对称地分布于双模混合波导的两侧，且第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域的顶表面分别设有一金属接触区域。重度掺杂区域和金属接触区域用于施加不同的电脉冲，以实现相变材料在晶态和非晶态之间的转变，通过切换相变材料的相态状态，从而调控光路，实现开关路由。本发明提供的光波导开关结构紧凑、尺寸小、消光比高、插入损耗低以及能耗低，具有自保持的特性，可适用于可重构、可多级编程的光子
集成电路或光子神经网络中。
7.进一步地，第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导和第二输出波导均呈s弯型，且第一输入波导和第二输入波导的s弯型对称设置，第一输出波导和第二输出波导的s弯型对称设置。
8.进一步地，第一输入波导和第一输出波导对称地设置于双模混合波导的两端，第二输入波导和第二输出波导对称地设置于双模混合波导的两端。
9.进一步地，第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导和第二输出波导的宽度为双模混合波导总宽度的一半，相变材料的宽度为双模混合波导总宽度的7/36。
10.进一步地，双模混合波导的总宽度为900nm，第一脊型波导和第二脊型波导的长度为9.44μm，厚度为170nm，第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导和第二输出波导的长度为8μm，宽度为450nm，厚度为170nm，第一输入波导和第二输入波导的两个s弯之间最大距离为4μm，第一输入波导和第二输入波导的s弯角度α均为90
°
，第一输出波导和第二输出波导的两个s弯之间最大距离为4μm，第一输出波导和第二输出波导的s弯角度β均为90
°
，相变材料的宽度为175nm，厚度为170nm。
11.进一步地，相变材料为硫系二元化合物sb2s3和sb2se3中的一种或两种，第一脊型波导和第二脊型波导为si半导体材料。
12.进一步地，第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域分别为p型和n型掺杂。通过原子掺杂，构成pin加热器，在加热器上施加不同的电脉冲可以实现相变材料晶态和非晶态的相互转变。
13.进一步地，掺杂于第一重度掺杂区域或第二重度掺杂区域的原子为硼原子和磷原子，掺杂原子浓度为1
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10
19-1
×
10
20
cm-3
。
14.进一步地，光波导开关还包括硅衬底和二氧化硅层，硅衬底、二氧化硅层和硅薄膜基座依次紧凑重合叠加，硅衬底为底层，二氧化硅层为中间层，硅薄膜基座为顶层。
15.进一步地，硅衬底的厚度为220nm，二氧化硅层的厚度为2μm，硅薄膜基座的厚度为50nm。
16.本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明提出的光波导开关，能极大增强相变材料与导模模式之间的相互作用，具有更强的光场调控能力，极大地缩小了器件尺寸，从而减小器件尺寸，更利于器件集成工艺。
18.2、本发明提出的光波导开关，在双模混合波导中设置极低损耗的相变材料，进一步降低了器件的插入损耗，提高了开关性能。
19.3、本发明提出的光波导开关，利用相变材料相态的转换实现开关功能，无需额外的能量供给，能量消耗在nj量级，符合低功耗器件的发展要求。
20.4、本发明提出的光波导开关，在电信c波段(1530nm-1565nm)中，串扰小于-13.6db，插入损耗小于0.26db，且在1550nm波长处，非晶态和晶态下开关串扰分别为-36.1db和-31.1db，插入损耗分别0.073db和0.055db，光波导开关具有良好的宽波段特性，具有较好的应用前景。
21.5、本发明提出的光波导开关，在双模混合波导中设置极低损耗的相变材料，相变材料选择为硫系二元化合物sb2s3或sb2se3，在通信c波段 (1530-1565nm)，本发明选择的相
变材料与传统相变材料相比在晶态和非晶态有着适中的折射率差(～0.6和0.77)以及极低的消光系数(《10-5
)，且两个相态下的折射率与脊型si波导折射率相近，同时由于第一脊型波导和第二脊型波导组成的狭缝结构，使得相变材料跟光场的相互作用大大增强。
附图说明
22.图1示出了本发明提出的光波导开关的整体结构示意图。
23.图2示出了本发明上述光波导开关的双模混合波导区域的截面图。
24.图3示出了本发明上述光波导开关的相变材料宽度为100nm时，双模混合波导中导模模式的有效折射率随双模混合波导宽度变化的示意图。
25.图4示出了本发明上述光波导开关的双模混合波导宽度为900nm时，双模混合波导横截面在非晶态和晶态对应的te
00
模式和te
01
模式的模场分布示意图。
26.图5示出了本发明上述光波导开关的双模混合波导宽度为900nm，双模混合波导的长度在非晶态和晶态时随着相变材料宽度的变化示意图。
27.图6示出了本发明上述光波导开关的双模混合波导长度相同时，相变材料非晶态和晶态的光场传播示意图。
28.图7示出了本发明上述光波导开关在通信c波段时，非晶态和晶态时输出波导的透射谱图。
29.附图标记说明：
30.1、硅衬底；2、二氧化硅层；3、硅薄膜基座；31、未掺杂区域；321、第一重度掺杂区域；322、第二重度掺杂区域；41、第一输入波导；42、第二输入波导；51、第一输出波导；52、第二输出波导；61、相变材料；62、第一脊型波导；63、第二脊型波导；7、金属接触区域。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.应注意到：相似的标记和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明的实施例的附图中设置有坐标系xyz，其中x轴的正向代表右侧， x轴的反向代表左侧，y轴的正向代表后方，y轴的反向代表前方，z轴的正向代表上方，z轴的反向代表下方。
34.附图1和2示出了一基于相变材料61的双模干涉2
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2光波导开关，包括硅衬底1、二氧化硅层2、硅薄膜基座3、输入波导、双模混合波导和输出波导，其中，硅衬底1、二氧化硅层2和硅薄膜基座3依次紧凑重合叠加，硅衬底1为底层，二氧化硅层2为中间层，硅薄膜基座3
为顶层，输入波导、双模混合波导和输出波导均设置于硅薄膜基座3的顶表面，且输入波导和输出波导分别对称设置于双模混合波导的前后两端。
35.具体地，由图1和图2可知，硅薄膜基座3包括未掺杂区域31和重度掺杂区域，重度掺杂区域包括第一重度掺杂区域321和第二重度掺杂区域322，其中，第一重度掺杂区域321为n型掺杂，对应地，第二重度掺杂区域322为p型掺杂，由此，构成pin加热器，加热器上施加不同的电脉冲可以实现相变材料61晶态和非晶态的相互转变。优选地，掺杂的原子为硼原子和磷原子，且掺杂的浓度为1
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10
19-1
×
10
20
cm-3
，通过重度原子掺杂，增加了硅薄膜基座3的导电性，能够高效地对相变材料61加热，减少了能耗。
36.进一步地，由图1和图2可知，未掺杂区域31分布于硅薄膜基座3的中间区域和前后两端区域，第一重度掺杂区域321和第二重度掺杂区域322分别对称地分布于硅薄膜基座3中间区域的左右两侧，且对称地分布于未掺杂区域31的中间区域的左右两侧。
37.由图1可知，输入波导、双模混合波导和输出波导均设置于未掺杂区域 31的顶部表面，且双模混合波导设置于未掺杂区域31的中间区域的顶部表面，输入波导和输出波导分别设置于未掺杂区域31的前后两端区域，第一重度掺杂区域321和第二重度掺杂区域322对称地分布于双模混合波导的两侧。更进一步地，第一重度掺杂区域321和第二重度掺杂区域322的顶部表面上分别设有一金属接触区域7。重度掺杂区域和金属接触区域7用于施加切换相变所需的电压。通过设置金属接触区域7与硅薄膜基座3接触，可以减少金属对双模混合波导光传输时的影响，减少传输损耗。
38.值得一提的是，左右两侧的金属接触区域7到双模混合波导的最短距离近似等于第一重度掺杂区域321或第二重度掺杂区域322到双模混合波导的最短距离，此最短距离保证重度掺杂区域离双模混合波导足够远，以防止光学模式的扰动和额外损耗的增加。
39.更进一步地，由图1可知，输入波导，双模混合波导和输出波导依次相连，输入波导包括第一输入波导41和第二输入波导42，输出波导包括第一输出波导51和第二输出波导52，双模混合波导包括相变材料61、第一脊型波导62和第二脊型波导63，第一脊型波导62和第二脊型波导63对称地设置于相变材料61的左右两侧。
40.在本实施例中，输入波导的传输模式是te
00
模式，双模混合波导的传输模式是te
00
和te
01
两种模式，双模混合波导中的两种模式会发生双模干涉，通过切换相变材料61的相态，以调控双模干涉行为，从而调控光路，实现开关路由。
41.具体地，在本实施例中，相变材料61为硫系二元化合物sb2s3和sb2se3中的一种或两种，第一脊型波导62和第二脊型波导63为半导体材料si。
42.以相变材料sb2s3为例进行说明，在第一脊型波导62和第二脊型波导63 之间夹设一层具有极低损耗的相变材料sb2s3层，形成si-sb2s
3-si形式的双模混合波导，相变材料sb2s3在非晶态、晶态下具有差异较小且与半导体材料si相近的折射率，同时相变材料sb2s3在非晶态和晶态下具有极低的光吸收系数。在si-sb2s
3-si形式的双模混合波导结构中，相变材料sb2s3对te
00
模式的影响远大于te
01
模式，使得相变材料sb2s3在非晶态和晶态下对应的双模干涉行为不同，这种双模干涉行为的不同会使出射光场分布在双模混合波导的左侧或右侧。通过重度掺杂区域顶部表面的金属接触区域7施加合适的电脉冲信号，使相变材料sb2s3在非晶态和晶态之间可逆的转换，在某个合适的长度下，当相变材料sb2s3为非晶态时，最终的光场在双模混合波导左侧出射，对应于第一输出波导51；当相变材料sb2s3为晶态
时，最终的光场在双模混合波导右侧出射，对应于第二输出波导52，从而实现最终输出光路在第一输出波导51和第二输出波导52之间切换，实现对应的开关功能。
43.优选地，在本实施例中硅衬底11的厚度为220nm，二氧化硅层22的厚度为2μm，硅薄膜基座33的厚度为50nm，输入波导、双模混合波导、相变材料61以及输出波导的厚度均相同，均为170nm，第一输入波导41和第二输入波导42的长度为8μm，第一输入波导41和第二输入波导42两个s弯之间最大距离为4μm，第一输入波导41和第二输入波导42的s弯角度α均为90
°
，第一输出波导51和第二输出波导52的长度为8μm，第一输出波导51和第二输出波导52两个s弯最大距离为4μm，第一输出波导51和第二输出波导52的s弯角度β均为90
°
。
44.由图3可知，通过计算双模混合波导中不同模式有效折射率随着双模混合波导宽度变化的情况来保证双模混合波导中只存在te
00
和te
01
两种模式，在本实施例中，优选地，双模混合波导的总宽度为900nm，第一输入波导41、第二输入波导42、第一输出波导51和第二输出波导52的厚度均为双模混合波导的宽度一半，即450nm。
45.图4给出了双模混合波导总宽度为900nm，相变材料sb2s3的宽度为 100nm时，双模混合波导横截面在非晶态和晶态时对应的te
00
和te
01
模式的模场分布情况。由图可知，在不同电脉冲使相变材料61在非晶态和晶态之间可逆的相变，由于折射率的差异，双模混合波导中te
00
的影响要远大于 te
01
模式，使得相变材料61在非晶态和晶态是对双模干涉行为不同，具体地，在te
00
模式下，相变材料sb2s3在非晶态下的功率为11.7％，在晶态下的功率为13.5％，在te
01
模式下，场节点位于狭缝附近，相变材料sb2s3在非晶态下的功率为0.25％，在晶态下的功率为0.40％。te
00
模式的有效模式指数对比度在相变材料sb2s3的两个相态之间为0.0981，大约是te
01
模式的2.8倍，这种差异提供了一种有效的方式来调控双模混合波导中双模干涉行为，从而实现开关功能。
46.图5示出了双模混合波导的长度在非晶态和晶态时随着相变材料sb2s3宽度变化的情况，由图可知，在双模混合波导的长度为9.4μm，相变材料sb2s3的宽度为175nm时，相变材料sb2s3在非晶态和晶态时均可达到较好的开关效果。
47.图6示出了相变材料sb2s3在非晶态和晶态时光场传播的情况，可以看出通过切换相变材料sb2s3的相态可以很好地实现开关功能，并且保证良好的性能。
48.图7示出了在通信c波段，本实施例提供的光波导开关可以实现宽带操作。具体地，在1530nm-1565nm波段，光波导开关的串扰小于-13.6db，插入损耗小0.26db，且在1550nm波长处，非晶态和晶态下光波导开关的串扰分别为-36.1db和-31.1db，插入损耗为0.073db和0.055db，光波导开关保持较好的宽波段特性，具有较好的应用前景。
49.最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。