一种非对称定向耦合器及可调控模式产生器、光环行器

1.本实用新型属于微纳光电子元器件技术领域，具体是涉及到一种非对称定向耦合器及可调控模式产生器、光环行器。


背景技术：

2.由于与现有的互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor,cmos) 技术和密集集成技术的兼容性，硅光子学是一个非常有潜力的光学互连平台。光子集成电路(photonics integrated circuit,pics)在过去的十年中也取得了巨大的发展。
3.如今，最先进的光子集成电路已经可以集成成百上千的光学器件。其中，光学开关是必不可少的组成成分，其用于光在不同路径的动态路由。片上的光学可调控器件通常是基于电光或热光效应而实现，这两种效应都是利用电或热作用于波导，从而微小地改变波导的折射率来实现光传输通道的切换，即开关作用。但是，这种光开关机制是易失性的，需要持续不断的能量来维持开关的状态，并且这种机制所设计的光学开关工艺复杂、尺寸较大，不适合大规模集成。
4.为了扩大数据容量，模分复用(mode division multiplexing,mdm)技术被广泛关注。其中，模式产生器必是不可少的组成成分，其可激发和切换光波导内载波的不同模式。此外，光隔离器(optical isolator)和光环行器(optical circulator)是一种可以使光单向传播的非互易装置。其中，光隔离器是一种双端口器件，一种光的单行道，在防止不必要的反向反射和光相互作用方面发挥至关重要。类似地，光环行器是一个多端口的器件，是光路的一个迂回器，光在每个输入端口以非互易的方式路由到一个输出端口。它们都是光网络中不可缺少的组成部分。虽然，模式产生器和光环行器已有被报道，但是它们大多有不可调控、尺寸较大和设计方法复杂等不足。
5.近年来，集成在硅波导上的锗锑碲化合物光学相变材料，比如ge2sb2te5(gst)和 ge2sb2se4te1(gsst)，展示了设计可调控器件的可行性。与利用电或热作用于波导微小地改变折射率的电光或热光效应不同地是，锗锑碲化合物不仅可以大幅度地改变波导的折射率有利于设计小尺寸的光学调控器件，而且这种相变是非易失的，不需要外界持续的能量来维持其状态。可见，基于相变材料来实现可调控器件是一种十分有潜力的方案。
6.鉴于此，设计一种基于相变材料的可调控模式产生器和环形器，对于解决现有器件不可调控、尺寸较大的问题具有重要意义。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题是克服针现有光学开关易失性、尺寸较大等不足，提供一种基于相变材料的硅基非对称定向耦合器。
8.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下，一种非对称定向耦合器，包括衬底，所述衬底上设有顶层硅，所述顶层硅包括第一端口、耦合区域、第一输出波导和第二输
出波导，所述耦合区域的一端与第一端口连接，另一端与第一输出波导和第二输出波导连接，所述耦合区域上覆盖有相变材料层，耦合区域被划分为n
×
m个矩形单元，通过调整所述矩形单元的状态，形成一个满足预定第一输出目标的非周期性第一打孔阵列，所述第一输出目标是指第一输出波导和第二输出波导的透过率之和。
9.优选的，所述耦合区域包括上波导、波导间隙和下波导，所述第一端口、上波导及第一输出波导依次连接，所述下波导与第二输出波导连接，所述相变材料层覆盖于下波导的顶面，所述上波导和下波导之间设有波导间隙。
10.优选的，所述相变材料层为gsst材料。
11.优选的，所述第一输出波导和第二输出波导至少有一个为弯曲的波导。
12.优选的，所述衬底厚度为3μm，所述顶层硅厚度为220nm，所述耦合区域的长度为10μm，所述上波导的宽度380nm，上波导被划分为4
×
100个第一矩形单元，每个第一矩形单元大小为95nm
×
100nm，深度为220nm，初始状态为不打孔；所述下波导和相变材料层的宽度同为 350nm，所述相变材料层的厚度为40nm，相变材料层被划分为4
×
100个第二矩形单元，每个第二矩形单元大小为87.5nm
×
100nm，深度为40nm，初始状态为不打孔；所述波导间距被划分为2
×
100个第三矩形单元，每个第三矩形单元大小为100nm
×
100nm，深度为220nm，初始状态为打孔。
13.本实用新型还提供一种可调控模式产生器，包括上述的非对称定向耦合器、模分复用器优化区和第三输出波导，所述模分复用器优化区的一端分别与第一输出波导和第二输出波导连接，另一端与第三输出波导连接，所述模分复用器优化区被划分为x
×
y个第四矩形单元，通过调整所述第四矩形单元的状态，形成一个满足预定第二输出目标的非周期性第二打孔阵列，所述第二输出目标是指第三输出波导中两个输出不同模式的透过率之和。
14.优选的，所述第三输出波导的宽度为900nm，所述两个不同模式为自1540nm到1560nm 波段te0模式和自1540nm到1560nm波段te1模式。
15.优选的，所述优化区的尺寸为2400nm
×
3000nm，模分复用器优化区被划分为24
×
30个 100nm
×
100nm的第四矩形单元，第一输出波导和第二输出波导与模分复用器优化区连接端间距为1635nm。
16.本实用新型还提供一种光环行器，包括上述的非对称定向耦合器，多个非对称定向耦合器呈环形阵列，一个所述非对称定向耦合器的第一输出波导与相邻的非对称定向耦合器的第二输出波导连接。
17.优选的，所述环形光模式为自1540nm到1560nm波段te0模式。
18.本实用新型的有益效果是，产品尺寸小且易加工，性能稳定，能实现低损耗传输，解决了现有光学开关不可调控、尺寸较大、设计方法复杂的问题。
附图说明
19.图1为本实用新型其中一实施例提供的非对称定向耦合器的结构示意图。
20.图2为图1所示实施例的初始结构示意图。
21.图3为图1所示实施例的参数扫描结果。
22.图4为图1所示实施例的二维平面结构示意图。
23.图5为图1所示实施例的透射光谱。
24.图6为本实用新型其中一实施例提供的可调控模式产生器的结构示意图。
25.图7为图6所示实施例的二维平面结构示意图。
26.图8为图6所示实施例模分复用器优化区的初始结构示意图。
27.图9为图6所示实施例的透射光谱。
28.图10为本实用新型其中一实施例提供的光环形器的结构示意图。
29.图11为图10所示实施例的二维平面结构示意图。
30.图12为图10所示实施例的透射光谱。
31.在图中，1、第一端口；2、耦合区域；21、上波导；22、下波导；221、第二矩形单元； 23、波导间隙；231、第三矩形单元；24、相变材料层；3、第一输出波导；4、第二输出波导； 5、模分复用器优化区；51、第四矩形单元；6、第三输出波导；7、第二端口；8、第三端口； 9、第四端口；10、第五端口；11、第一非对称定向耦合器；12、第二非对称定向耦合器；13、第三非对称定向耦合器；14、第四非对称定向耦合器；15、第一弯曲波导；16、第二弯曲波导；17、第三弯曲波导；18、第四弯曲波导。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明：
33.实施例一
34.请一并参阅图1-5，本实用新型提供的非对称定向耦合器，包括衬底100，所述衬底100 上设有顶层硅，所述顶层硅包括第一端口1、耦合区域2、第一输出波导3和第二输出波导4，所述耦合区域2的一端与第一端口1连接，另一端与第一输出波导3和第二输出波导4连接，所述耦合区域2上覆盖有相变材料层24，耦合区域2被划分为n
×
m个矩形单元，通过调整所述矩形单元的状态，形成一个满足预定第一输出目标的非周期性第一打孔阵列，所述第一输出目标是指第一输出波导3和第二输出波导4的透过率之和。
35.更具体的，所述耦合区域2包括上波导21、下波导22和波导间隙23，所述第一端口1、上波导21及第一输出波导3依次连接，且保持相同宽度，所述下波导22与第二输出波导4 连接，且保持相同宽度，所述上波导21和下波导22之间为波导间隙23，所述相变材料层24 覆盖于下波导22的顶面。
36.更具体的，所述相变材料层24为gsst材料。
37.更具体的，所述第一输出波导3和第二输出波导4至少有一个为弯曲的波导，目的是为了解耦合，从而降低串扰。
38.更具体的，非对称定向耦合器设计在绝缘体上硅平台(silicon on insulator,soi)，顶层硅厚度为220nm，衬底100二氧化硅的厚度为3μm，上包层为空气，所述耦合区域2的长度 w4为10μm，所述上波导21的宽度w1为380nm，上波导21被划分为4
×
100个第一矩形单元，每个第一矩形单元的大小为95nm
×
100nm，深度为220nm，初始状态为不打孔；所述下波导22和相变材料层24的宽度w2均为350nm，相变材料层24的厚度为40nm，相变材料层24被划分为4
×
100个第二矩形单元221，每个第二矩形单元221的大小为87.5nm
×
100nm，深度为40nm，初始状态为不打孔；所述波导间隙23的宽度w3为200nm，波导间隙23被划分为2
×
100个第三矩形单元231，每个第三矩形单元231大小为100nm
×
100nm，深度为220nm，初始状态
为打孔。
39.使用智能算法相对于传统方法设计光学器件，可以在高自由度下较少地依赖物理模型进行优化，更有利于设计小尺寸、复杂结构的器件。在使用直接二进制搜索算法优化之前，耦合区域2均被分成若干个矩形单元，每个矩形单元有两种材料状态，分别为打孔和不打孔，打孔即矩形单元填充为空气，不打孔即矩形单元填充为硅。每个矩形单元状态由算法为满足目标函数而确定的，具体为：在直接二进制搜索算法中设置反映器件性能的目标函数，然后使用算法依次计算每一个矩形单元的两种状态的目标函数值，然后保留目标函数值得到改善时候的状态。
40.在使用直接二进制搜索算法计算矩形单元时，交替使用按行计算和按列计算的方式计算所有的单元。所有单元遍历一次称为一次迭代，经过多次迭代，对比上一次迭代后的目标函数值，两次目标函数值改变值低于0.1％，目标函数收敛，算法停止。所述按行计算是指在水平方向依次从左到右，垂直方向由上往下；所述按列计算是指垂直方向由上往下，水平方向由左往右。
41.本实用新型通过光或电使非对称定向耦合器上的相变材料层24快速地发生可逆相变，影响波导的折射率而实现对光的传播路径进行调控。因此完成本实用新型器件之前，需要先设计非对称定向耦合器，在优化非对称定向耦合器时，反映器件性能的目标函数设定为两个输出波导的透过率之和。
42.由于直接二进制搜索算法是一种搜索式算法，容易过早的局部收敛，从而导致优化结果不理想。为了克服此问题，在优化非对称定向耦合器时，人工设定如图2的初始结构，即，上波导21上所有第一矩形单元的初始状态为不打孔，下波导22不打孔，波导间隙23上所有第三矩形单元231的初始状态为打孔，相变材料层24上所有第二矩形单元221的初始状态为不打孔。为了得到优异的初始结构参数，需要对初始结构的参数进行一定优化。
43.首先约束部分参数，波导间隙23的宽度为w3设置为200nm，耦合长度w4为10μm，覆盖在下波导22表面的相变材料层24的宽度与下波导22的宽度一致，相变材料层24的厚度为40nm。在确定这些参数的条件下，对上波导21的宽度参数w1和下波导22的宽度参数 w2进行扫描，优化出性能较好的初始结构。参数扫描结果如图3所示，可以发现当上波导 21的宽度w1在380nm左右，下波导22的宽度w2为350nm左右时，调节相变材料层24的 gsst为非晶态，由于相位匹配，光较好的耦合进入下波导22；调节相变材料层24的gsst 为晶态，由于相位失配，耦合效率较差，光仍然在上波导21传播。权衡考虑，最终选取上波导21的宽度w1为380nm，下波导22的宽度w2为350nm，下波导22表面的相变材料层24 的宽度也为350nm。
44.另外，由于上、下波导会发生耦合效应，因此在输出位置需要将两个波导间距扩大，抑制耦合效应，并且不影响光在波导内的传播。故需要将上、下波导连接的输出部分中的至少一个形状设计为弯曲型的波导，即第一输出波导3和第二输出波导4至少有一个为弯曲的波导，在本实用新型中采用两个弯曲的波导。
45.得到人工设计的初始结构后，需要把耦合区域2划分为n
×
m个矩形单元，n和m为整数，矩形边长设置还需要考虑可加工性。为此，将耦合区域2划分为三个部分，共计10
×
100 个矩形单元，包括上波导21部分的4
×
100个第一矩形单元、相变材料层24部分的4
×
100个第二矩形单元221和波导间隙23部分的2
×
100个第三矩形单元231。每个矩形单元有两种材料状态，分别为打孔和不打孔，打孔即矩形单元填充为空气，不打孔即矩形单元填充为硅。
46.上波导21被划分为4
×
100个矩形单元，每个第一矩形单元的大小为95nm
×
100nm，深度为220nm，初始状态为不打孔；因为本实用新型是通过40nm厚的相变材料层24改变有效折射率来实现调节作用，因此下波导22不划分矩形单元、不打孔；相变材料层24被划分为4
×
100 个第二矩形单元221，每个第二矩形单元221的大小为87.5nm
×
100nm，深度为40nm，仅穿透相变材料层24，初始状态为不打孔；波导间隙23被划分为2
×
100个第三矩形单元231，每个第三矩形单元231的大小为100nm
×
100nm，深度为220nm，初始状态为打孔。
47.直接二进制搜索算法对初始结构上共计10
×
100个矩形单元进行优化。首先，算法选择第一行第一列的矩形单元，用时域有限差分法(finite difference time domain method,fdtd)分别计算其打孔和不打孔的两种状态的性能。性能的判定由设置在算法内部的目标函数决定，称之为品质因子(figure ofmerit,fom)，定义为：
48.fom＝t
a-gsst
+t
c-gsst
49.式中，t
a-gsst
为在波段为1540nm到1560nm，当gsst材料为非晶态时第二输出波导4的透过率；t
c-gsst
为在波段为1540nm到1560nm，当gsst材料为晶态时第一输出波导3的透过率。
50.然后按行扫描到最后一个矩形单元，这称为一次迭代。下一次迭代用同样的方式按列扫描到最后一个矩形单元。按行和按列交替扫描优化，多次迭代，直到两次迭代后的fom值变化在0.1％内，算法收敛，器件性能稳定。所述按行计算是指在水平方向依次从左到右，垂直方向由上往下；所述按列计算是指垂直方向由上往下，水平方向由左往右。
51.图4为使用直接二进制搜索算法优化后非对称定向耦合器的二维平面结构示意图，图5 为非对称定向耦合器的透射光普，在1540nm到1560nm的带宽范围内，当gsst为非晶态时， te0模式在第一输出波导3中串扰低于-16.4db，在第二输出波导4中插入损耗小于0.6db；当 gsst为晶态时，te0模式在第一输出波导3中插入损耗小于1.0db，在第二输出波导4中串扰低于-16.0db；
52.具体工作原理为：带宽为1540nm到1560nm的te0模式光注入第一端口1，利用光或者电调控gsst的相变，当gsst为非晶态时，输入光从第二输出波导4高效率地透过，且在第一输出波导3的串扰很低；当gsst为晶态时，输入光从第一输出波导3高效率地透过，且在第二输出波导4的串扰很低。本实施例提供的非对称定向耦合器仿真的透射光谱也说明了其优异的性能，相比于其他方法设计的光学开关，具有性能好、尺寸小、易加工等优点。
53.实施例二
54.请一并参阅图6-9，本实施例提供一种可调控模式产生器，包括上述的非对称定向耦合器、模分复用器优化区5和第三输出波导6，所述模分复用器优化区5的一端分别与第一输出波导3和第二输出波导4连接，另一端与第三输出波导6连接，所述模分复用器优化区5被划分为x
×
y个第四矩形单元51，通过调整所述第四矩形单元51的状态，形成一个满足预定第二输出目标的非周期性第二打孔阵列，所述第二输出目标是指第三输出波导6中两个输出不同模式的透过率之和。
55.更具体的，所述两种不同模式为自1540nm到1560nm波段te0模式和自1540nm到 1560nm波段te1模式，第三输出波导6的宽度为900nm。
56.更具体的，所述模分复用器优化区5的尺寸为2400nm
×
3000nm，模分复用器优化区5被划分为24
×
30个100nm
×
100nm的第四矩形单元51，所述第一输出波导3和第二输出波导
4 与模分复用器优化区5连接端的间距w5为1635nm。
57.在本实施例中，第一输出波导3和第二输出波导4均为弯曲型的波导。
58.模分复用器优化区5同样采用直接二进制搜索算法设计，如图8为模分复用器优化区5 的初始结构，模分复用器优化区5的大小为2400nm
×
3000nm，划分为24
×
30个100nm
×
100nm 的第四矩形单元51，每个第四矩形单元51有两种材料状态，分别为打孔和不打孔，打孔即第四矩形单元51填充为空气，不打孔即第四矩形单元51填充为硅。直接二进制搜索算法对初始结构上共计24
×
30个矩形单元进行优化。性能的判定由设置在算法内部的目标函数决定，定义为：
[0059][0060]
式中，为在波段为1540nm到1560nm，te0模式从第一输出波导3注入，维持te0模式在第三输出波导6的透过率；为在波段为1540nm到1560nm，te0模式从第二输出波导 4注入转化为te1模式在第三输出波导6的透过率。输出波导宽度为900nm，可以无损耗的支持te0和te1模式的传播。
[0061]
模式产生器的工作原理是通过调节非对称定向耦合器上的gsst相变，来产生不同模式光。具体如下：当te0模式光源从第一端口1注入，调节gsst为晶态，te0模式通过非对称定向耦合器，从第一输出波导3进入模分复用器优化区5，维持te0模式从第三输出波导6 输出；当te0模式光源从第一端口1注入，调节gsst为非晶态，te0模式通过非对称定向耦合器，从第二输出波导4进入模分复用器优化区5，te0模式转化为te1模式从第三输出波导 6输出。
[0062]
图9为本实施例提供的模式产生器的透射光谱，当gsst为晶态时，模式产生器输出te0模式，其插入损耗小于1.5db，串扰低于-13.9db；当gsst为非晶态时，模式产生器输出te1模式，其插入损耗小于2.2db，串扰低于-14.8db。本实施例提供的模式产生器能解决现有模式产生器不可调控、尺寸较大、设计方法复杂的问题。
[0063]
实施例三
[0064]
请一并参阅图10-12，本实用新型还提供一种光环行器，包括上述的非对称定向耦合器，多个非对称定向耦合器呈环形阵列，一个所述非对称定向耦合器的第一输出波导3与相邻的非对称定向耦合器的第二输出波导4连接。
[0065]
在本实施例中，第一输出波导3与第二输出波导4连接形成弯曲波导，光环行器是由四个非对称定向耦合器11-14通过分别第一弯曲波导15、第二弯曲波导16、第三弯曲波导17、第四弯曲波导18依次串联而成，每个弯曲波导的两端分别与连接部分的宽度相同。
[0066]
可以理解的是，根据不同的使用需求，光环行器可以是三个、四个、五个或者更多个非对称定向耦合器串联而成，相应地增减弯曲波导的数量数即可。
[0067]
光环行器的工作原理是通过调节非对称定向耦合器上的gsst相变，te0模式光源顺时针或者逆时针地从相邻端口输出。具体如下：当te0模式光源从第二端口7注入，第一非对称定向耦合器11上gsst为晶态，第二非对称定向耦合器12、第三非对称定向耦合器13和第四非对称定向耦合器14上gsst为非晶态，te0模式从顺时针方向的第三端口8输出，依次类推，te0模式光源可以按着端口第二端口7-第三端口8-第四端口9-第五端口10-第二端口7 的方向环行顺时针传播；当te0模式光源从第二端口7注入，第一非对称定向耦合器11上 gsst为非晶态，第二非对称定向耦合器12、第三非对称定向耦合器13和第四非对称定向耦
合器14上gsst为晶态，te0模式从逆时针方向的第五端口10输出，依次类推，te0模式光源可以按着端口第二端口7-第五端口10-第四端口9-第三端口8-第二端口7的方向环行逆时针传播。
[0068]
图12为本实施例提供的光环行器的透射光谱，当te0模式注入第二端口7，第一非对称定向耦合器11上gsst层为晶态时，其他端口gsst层为非晶态时，te0模式光按着第二端口7-第三端口8-第四端口9-第五端口10-第二端口7的方向环行顺时针传播，插入损耗小于 1.2db，串扰低于-20.0db；当te0模式注入第二端口7，第一非对称定向耦合器11上gsst 层为非晶态时，其他端口gsst层为晶态时，te0模式光按着第二端口7-第五端口10-第四端口9-第三端口8-第二端口7的方向环行逆时针传播，插入损耗小于1.2db，串扰低于-29.4db。本实施例提供的光环行器相比于其他方法设计的器件，具有可调控、尺寸小、智能设计等优点。
[0069]
以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。