一种单进多出光波导开关

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及一种单进多出光波导开关。

背景技术

随着移动互联网、云计算、大数据的快速发展，对光通信的传输容量提出 了一个新的要求，随着传输容量逐渐逼近香浓极限，寻找新的参数维度成为了 新的研究热点，对于目前的光通信系统中，空间维度是一种尚未被有效利用的 物理维度。模分复用系统作为一种可以显著提高传输容量的方法受到了广泛的 关注，利用正交的空间模式为每个工作波长提供多个信号通道，为光网络提供 了一个新的维度。为了能够在芯片上构建模分复用网络，需要模式多路复用器 /解复器，模式滤波器，模式转换器，双模功率分配器，模式开关等等。其中， 一种可重构的模式复用/开关是模分复用网络中最基本，这对于实现片上光网络的全功能是必不可少的一部分，可重构的模式复用/开关可以在多模式频道 中自由的切换路由数据信号。

传统的基于马赫曾德尔干涉仪的光开关，引起该干涉臂发生相移变化大多 数是采用的电光调制，通过对干涉臂施加电压可以引起干涉臂的材料折射率的 变化，从而可以使得干涉臂产生一个光学相位差，但是电光调制引起的折射率 调制量很小，这就导致干涉臂变得很长，使得整体的器件的尺寸变得很大。该 器件具有易失性，这就导致一直需要能量维持开关当前的状态。

随着技术的发展，一种新型的光学相变材料，逐渐的应用到光波导器件中， 这种相变材料有两种状态：晶态和非晶态。当相变材料在晶态时，折射率大， 消光系数大，当相变材料为非晶态时，折射率小，消光系数小，这种材料相变 前后差异大，且非晶态与晶态之间转变具有非易失性，通过将该材料覆盖至硅 波导上形成复合波导结构，切换相变材料的相态就可以切换光信号的传播。

目前光开关体积较大，集成度不高，多应用于低端口切换系统，只能实现 光在两个出射端口之间的光路转换，且不能实现模式之间的相互转换，应用到 模分复用系统中需要额外的模阶转换器，这就导致器件尺寸大集成度和芯片的 利用率都不高。因此有必要开发新的器件以及新的材料的触发机制去实现尺寸 小且尽可能多的端口之间的数据切换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单进多出光波导开关，具有高消光比、低插入 损耗、尺寸小、信号切换速率快等特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种单进多出 光波导开关，包括衬底、1×2的第一级光开关单元、两个并行的1×2的第一 个第二级光开关单元、第二个第二级光开关单元和四路输出光学波导，所述四 路输出光学波导分别为第三输出波导、第四输出波导、第五输出波导和第六输 出波导，所述第一级光开关单元由第一单模光学波导和第五输出波导以及设置 在第一级光开关单元的开断位置的第六复合波导构成；所述的第一个第二级光 开关单元由第三输出波导、第四输出波导以及设置在第一个第二级光开关单元 的开断位置的第三复合波导构成；所述的第二个第二级光开关由第五输出波 导、第六输出波导以及设置在第二个第二级光开关单元的开断位置的第五复合 波导构成。

进一步的是，所述第三复合波导由第七相变材料和第八波导组成。

进一步的是，所述第五复合波导由第九波导和第十相变材料组成。

进一步的是，所述第六复合波导由第十一波导和第十二相变材料组成。

进一步的是，所述当第一单模光学波导输入波导为第一模式，当第十二相 变材料为晶态时，第一模式将继续沿着第一单模光学波导传播，并耦合至第四 输出波导中转换为第二模式，当第七相变材料为非晶态时，第四输出波导中的 第二模式将耦合至由第七相变材料和第八波导构成的复合波导材料变为第一 模式，然后耦合至第三输出波导并转为第二模式，由第三输出波导端面输出。

进一步的是，所述第一单模光学波导为输入波导时是第一模式，当第十二 相变材料为晶态时，第一模式将继续沿着第一单模光学波导传播，并耦合至第 四输出波导中转换为第二模式，当第七相变材料为晶态时，第二模式将沿着第 四输出波导传播，由第四输出波导端面输出。

进一步的是，所述第一单模光学波导为输入波导时是第一模式，当第十二 相变材料为非晶态时，第一模式将耦合至由第十一波导和第十二相变材料构成 的复合波导，第一模式将沿着该复合波导传播，并耦合至第五输出波导中转为 第二模式传播，当第十相变材料为晶态时，第二模式将继续沿着第五输出波导 传播，并从第五输出波导端口输出。

进一步的是，所述第一单模光学波导为输入波导时是第一模式，当第十二 相变材料为非晶态时，第一模式将耦合至由第十一波导和第十二相变材料构成 的复合波导，第一模式将沿着该复合波导传播，并耦合至第五输出波导中转为 第二模式传播，当第十相变材料为非晶态时，第二模式将耦合至由第十相变材 料和第九波导构成的复合波导，第二模式沿着复合波导传输，然后耦合至第六 输出波导中，并转换为第二模式沿着第六输出波导传播，并在第六输出波导端 面输出。

所述衬底以二氧化硅为基底材料，所述第七相变材料、第十相变材料和第 十二相变材料是一种由Ge、Sb、Te或Se元素组成的四元化合物。

本发明的有益效果是：本发明的一种单进多出光波导开关，具有高消光 比、低插入损耗、尺寸小、信号切换速率快等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于光学相变材料1×4的光波导开关结构俯视图；

图2是本发明发明所述1×4光波导开关的结构及工作原理示意图；

图3本发明所述1×4的光波导光开关的一个仿真模拟结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的 具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。 附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发 明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附 图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略 了与本发明关系不大的其他细节。

以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”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，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为 指示或暗示相对重要性。

请参阅图1至图3，本发明实施例包括：一种单进多出光波导开关，包括 衬底2、1×2的第一级光开关单元Ⅰ、两个并行的1×2的第一个第二级光开 关单元Ⅱ、第二个第二级光开关单元Ⅳ和四路输出光学波导，所述四路输出光 学波导分别为第三输出波导3、第四输出波导4、第五输出波导5和第六输出 波导6，所述第一级光开关单元Ⅰ由第一单模光学第一单模光学波导1和第五 输出波导5以及设置在第一级光开关单元Ⅰ的开断位置的第六复合波导Ⅵ构 成；所述的第一个第二级光开关单元Ⅱ由第三输出波导3、第四输出波导4以 及设置在第一个第二级光开关单元Ⅱ的开断位置的第三复合波导Ⅲ构成；所述 的第二个第二级光开关Ⅳ由第五输出波导5、第六输出波导6以及设置在第二 个第二级光开关单元Ⅳ的开断位置的第五复合波导Ⅴ构成。

进一步的是，所述第三复合波导Ⅲ由第七相变材料7和第八波导8组成。

进一步的是，所述第五复合波导Ⅴ由第九波导9和第十相变材料10组成。

进一步的是，所述第六复合波导Ⅵ由第十一第一单模光学波导11和第十 二相变材料12组成。

进一步的是，所述当第一单模光学第一单模光学波导1输入波导为第一模 式，当第十二相变材料12为晶态时，第一模式将继续沿着第一单模光学第一 单模光学波导1传播，并耦合至第四输出波导4中转换为第二模式，当第七 相变材料7为非晶态时，第四输出波导4中的第二模式将耦合至由第七相变 材料7和第八波导8构成的复合波导材料变为第一模式，然后耦合至第三输出 波导3并转为第二模式，由第三输出波导3端面输出。

进一步的是，所述第一单模光学第一单模光学波导1为输入波导时是第一 模式，当第十二相变材料12为晶态时，第一模式将继续沿着第一单模光学第 一单模光学波导1传播，并耦合至第四输出波导4中转换为第二模式，当第七 相变材料7为晶态时，第二模式将沿着第四输出波导4传播，由第四输出波导 4端面输出。

进一步的是，所述第一单模光学第一单模光学波导1为输入波导时是第一 模式，当第十二相变材料12为非晶态时，第一模式将耦合至由第十一第一单 模光学波导11和第十二相变材料12构成的复合波导，第一模式将沿着该复合 波导传播，并耦合至第五输出波导5中转为第二模式传播，当第十相变材料 10为晶态时，第二模式将继续沿着第五输出波导5传播，并从第五输出波导5 端口输出。

进一步的是，所述第一单模光学第一单模光学波导1为输入波导时是第一 模式，当第十二相变材料12为非晶态时，第一模式将耦合至由第十一第一单 模光学波导11和第十二相变材料12构成的复合波导，第一模式将沿着该复合 波导传播，并耦合至第五输出波导5中转为第二模式传播，当第十相变材料 10为非晶态时，第二模式将耦合至由第十相变材料10和第九波导9构成的复 合波导，第二模式沿着复合波导传输，然后耦合至第六输出波导6中，并转换 为第二模式沿着第六输出波导6传播，并在第六输出波导6端面输出。

所述衬底以二氧化硅为基底材料，所述第七相变材料7、第十相变材料10 和第十二相变材料12是一种由Ge、Sb、Te或Se元素组成的四元化合物。

图3是本发明的1×4的光波导开关仿真模拟结果图例。表明光在波导开 关中进-出的4个通道中行进和选择模式。实例中选用的波长通道为光通信C 波段。

本发明的一个具体例子是以二氧化硅为基底材料，波导层材料硅，相变材 料是一种由Ge、Sb、Te或Se元素组成的四元化合物。可以通过设计复合波导 的结构和尺寸，当相变材料为非晶态时，使得复合波导中工作波长的有效折射 率与波导的有效折射率相等。当第一单模光学波导1的激励模式为第一模式， 当复合波导中的第十二相变材料12为非晶态时，调整复合波导的结构尺寸使 得复合波导的有效折射率与第一单模光学波导1的有效折射率相等，满足倐逝 波耦合的相位匹配条件，调节复合波导的角度使得光的能量完全从硅波导中耦 合至复合波导中，复合波导与第五输出波导5的有效折射率相等，第一模式将 会转为第二模式，当第十相变材料10为晶态时，此时相变材料的折射率要大 于硅的折射率，这就使得由第十相变材料10和第九波导9构成的复合波导的 有效折射率不等于第五输出波导5的有效折射率，不满足相位匹配条件，第二 模式将沿着第五输出波导5继续传播，并在第五输出波导5端口输出。

光波导开关的制备过程：

(1)先利用热蒸镀在二氧化硅衬底沉积几百纳米的硅；

(2)旋涂上光刻胶，利用硅形状的光刻掩模版进行曝光，曝光之后开始 显影；

(3)利用化学溶剂刻蚀得到想要的硅波导的形状尺寸；

(4)硅波导上利用磁控溅射技术直接溅射一层几纳米或者几十纳米的相 变材料，组成复合波导层的相变材料层。

相变材料可以由Ge、Sb、Te或Se元素组成的化合物，比如Ge2Sb2Te5、 GeTe、GeSe、Ge2Sb2Se4Te1等二元、三元或四元化合物。

此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他 变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品 或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还 包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况 下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、 方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅 包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域 技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组 合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。