光波导及光学器件

技术领域

本发明一般涉及一种用于光子回路的光波导和利用该光波导的器件。特别地、但不排它地，本发明涉及一种包括相变材料的层作为非易失性相移元件的光波导。

背景技术

在光子回路中，通过各种光切换器件和功率分流器件，可以可控地通过光波导网络对光进行引导。这种器件通常通过控制波导中的光的相位来运行。例如，通过调谐绝缘体上覆硅(Silicon-On-Insulator，SOI)波导的相位，微环谐振器和马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometers，MZIs)可实现光切换功能和功率分流功能。在另一个实施例中，定向耦合器可通过调谐其相对相位在间隔很近的波导之间短暂耦合不同光量的光。相移机构通常基于热光效应或自由载流子色散效应。然而，由于对折射率的弱扰动，对于实现所需相移而言，这种器件中的波导长度相对较长。例如，MZI在大约500μm即可实现所需的π相移。微环占地面积小，但其工作带宽受限于谐振条件。另一种方法是在光子回路中使用静电微机电系统(Micro-Electromechanical System，MEMS)开关，其中，可以机械移动各耦合波导以调节耦合效率。然而，与传统的非机械方法相比，该方法切换速度慢(毫秒量级)，结构不紧凑，并且制造成本和复杂性相对较高。重要的是，上述技术不稳定，即，器件的状态维持在恒定的平稳期和功耗下。

相变材料(Phase-Change Materials，PCMs)具有内在非挥发性，并已被广泛用于光子应用，包括光子存储器件、可重写光盘、滤光器、显示器和光开关。PCMs可使用标准方法轻易沉积在任意衬底上，并且可在非晶态和晶态之间高速、长期稳定地来回切换。在非晶态和晶态之间切换时，折射率急剧变化。经证实，波导耦合器顶部具有Ge2Sb2Te5(GST)和Ge2Sb2Se4Te1(GSST)的紧凑型光开关具有高切换速度(100ns)和低功耗。因此，基于PCM的光子器件相对传统光子切换方案具有若干优势，并且有望用于开发大规模非易失性可重编程光子路由系统，例如现场可编程耦合器阵列。然而，迄今为止，所有基于PCM的光子器件在电信波段(1200-1700nm)(特别是在晶态下)都表现出很大的吸收损耗。例如，已知的基于PCM的光切换器件其插入损耗至少为1dB。对于已知的基于PCM的光子器件而言，大的吸收损耗最终限制了它们在光子回路中的性能和功能，并制约了它们在可编程光子路由系统中的扩展潜力。

本发明的各方面和各实施方式均在考虑上述事项的情况下设计。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在光子回路中引导光的光波导，所述光波导包括用于调制被引导的光的相位的相变材料(PCM)的层。所述PCM的层可至少在两个稳定(固体)状态之间切换，并且对于给定波长的光而言，所述PCM的层在每个稳定状态下具有不同的折射率。所述PCM的层的折射率可在至少两个稳定值之间切换。所述PCM的消光系数通常随着光波长的增加而衰减。对于大于1000nm的波长而言，所述PCM在两种稳定状态下的消光系数(k)基本上小于0.1。

所述至少两种稳定固态包括非晶态和晶态。PCM的每个稳定状态对应于波导的不同的有效折射率和相移特性，因此，通过波导传播的光的相移可以改变。

有利的是，所述波导为开发用于光子回路的各种非易失性可切换相移器件提供了平台，该光子回路可在覆盖电信波段的宽波段上以低损耗(衰减)或基本上无损耗(衰减)运行。通过切换所述PCM的状态，由所述波导引导的光可以无衰减地相移。所述波导中光的累积相位取决于所述PCM的层的长度。这一点在诸如Ge

术语“光”是指波长在紫外(UV)到红外(IR)范围内(例如，在10nm和100μm之间)的电磁辐射或电磁波，其可以在自由空间中传播，并由波导引导。

术语“稳定状态”可能意味着在美国国家标准与技术研究院(National Instituteof Standards and Technology，NIST)规定的标准温度和压力条件下基本稳定。光波导定义为用于在一个或多个维度上将光限制在其表面内或邻近其表面的区域，从而在平行于其轴的传播方向上引导光的任何结构。波导由具有不同折射率的一系列层/区域形成，通常包括内层/区域或芯层/区域。相比周围(外)层/区域或包覆层/区域，内层/区或芯层/区由折射率更高的材料制成。在这种情况下，所述波导在厚度/增长方向和垂直于厚度/增长方向的横向/宽度方向上将光限制在两个维度上，例如，限制在通道内。所述芯层/区域和/或所述包覆层/区域可称为主动限制和引导光的的引导层。

在一个实施方式中，所述相变材料由包含锑的硫族化物形成或包括所述硫族化物。例如，所述相变材料可以由三硫化二锑(Sb

对于大于1000m的波长而言，所述PCM在晶态和非晶态下的消光系数(k)基本上小于0.05，或基本上小于0.01，或基本上为0。对于大于585nm、或大于600nm、或大于700nm、或大于800nm、或大于900nm的波长而言，所述PCM也表现出这种消光系数。在一个实施方式中，波长为1550nm时，所述PCM在晶态和非晶态下的消光系数基本上小于0.05，或基本上小于0.01，或基本上为0。

术语“基本上为0”可指处于或低于诸如椭偏仪的标准测量装置的本底噪声/检测极限，其实际上可处于或低于0.001。

对于大于1000nm的波长而言，所述PCM在晶态和非晶态下的折射率之差(即折射率的实部之差)可为至少0.1、或至少0.2、或至少0.3、或至少0.4、或至少0.6。对于大于585nm、或大于600nm、或大于700nm、或大于800nm、或大于900nm的波长而言，所述PCM也可以表现出这种折射率之差。在一个实施方式中，波长为1550nm时，所述PCM在晶态和非晶态下的折射率之差为至少0.1、或至少0.2、或至少0.3、或至少0.4、或至少0.6。

所述波导可包括由第一材料形成的第一层，并且所述PCM的层可设置在所述第一层的上面或上方或顶部。所述第一层可以是(第一)引导层，其被配置成在至少厚度方向上引导和/或限制光。

所述第一层可以由选自硅(Si)、氧化硅(SiO

所述第一层可以由绝缘体上覆硅(SOI)衬底的硅层、绝缘体上覆氮化硅(SiliconNitride-On-Insulator)衬底的氮化硅层或绝缘体上覆铌酸锂(Lithium-Niobate-on-Insulator)衬底的铌酸锂层形成或包括所述硅层、氮化硅层或铌酸锂层。

所述PCM的层可以具有在光传播方向上的长度。所述PCM的长度可以限定所述波导的第一部分或相移(纵向)部分。所述PCM的层的长度决定了由所述波导的所述第一部分或相移(纵向)部分赋予被引导光的相移。根据应用和波导结构，所述PCM可以是任意长度。在一个实施方式中，所述PCM的层的长度至少为1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、30μm或40μm。

所述PCM的层的厚度也影响所述波导的最终相移。根据应用和波导结构，所述PCM原则上可以是任意厚度。在一个实施方式中，所述PCM的层的厚度可以为至少10nm、20nm或30nm。所述PCM的层的厚度可基本上处于30nm至200nm之间的范围内。

在一个实施方式中，所述波导被配置成使得光可以至少部分地被所述PCM的层在其长度上引导。例如，所述PCM的层可以形成所述波导的(第二)引导层(例如，芯层或包覆层)的至少一部分，用于在宽度和/或厚度方向上引导和/或限制光。这一点可以实现，因为所述PCM中的低吸收损耗(消光系数)允许光以可忽略的衰减在所述PCM的层中传播。而在包括GST或GSST的波导中，由于吸收损耗大，这一点不可实现。因此，所述波导可称为混合PCM波导。

所述PCM的层可以被配置成在所述PCM的长度上限定所述波导的横向宽度。所述PCM的层可以被配置成在宽度方向上限制光。所述PCM的层可以是设置在所述第一引导层上的第二引导层，用来限定所述波导的横向宽度。在这种情况下，所述第一引导层可以是芯层，所述PCM的层可以是包覆层或包括所述包覆层。

为了对光进行限制，在所述两个稳定状态中的至少一个状态下，所述PCM的层的折射率可以低于所述第一材料的折射率。

所述PCM的层可以图案化或包括用于限定所述波导横向宽度的图案。所述PCM的层可以设置为或图案化为条形图案或脊形图案，其中，所述条或脊的宽度限定所述波导的横向宽度。

所述PCM的层或所述相移波导部分可以具有第一端和第二端(将所述PCM的层或所述相移波导部分的长度限定在两端之间)。所述波导还可以包括耦合(端接)至所述相移波导部分的所述第一端和/或第二端的第二波导部分或路由波导部分，用于将光引导至所述相移波导部分和/或从所述相移波导部分引导出来，其中，所述第二波导部分/路由波导部分或每个第二波导部分/路由波导部分不包括PCM的层。

有利的是，因为这个原因，所述波导的所述相移部分可与传统波导无缝连接，因而，所述混合PCM波导可与商业生产的光子回路(例如，硅光子)协同集成。所述两个波导部分的有效折射率和模态分布可被配置为用于阻抗匹配。

所述第二波导部分/路由波导部分可包括第三层，所述第三层设置在所述第一层上，以限定所述路由波导部分/第二波导部分的横向宽度。所述第三层可以设置为或图案化为条或脊，其中，所述条或脊的宽度限定所述波导的横向宽度。所述第三层可以与所述第一层成为一体和/或由与所述第一层的第一材料相同的材料形成。可选地，所述第三层可以由与所述第一层的第一材料不同的材料形成。

在另一个实施方式中，所述PCM的层可能在光的引导中不起关键作用。在这种情况下，所述第一层为引导层，其被配置成在宽度和厚度方向上至少部分地引导和/或限制光。因此，在该实施方式中，所述第一层限定所述波导的横向宽度，并且所述PCM的层设置在所述第一层之上并且短暂耦合至所述波导中的被引导光。

所述波导还可包括覆盖层或钝化层，其至少覆盖和/或封装所述PCM的层，并且视需要覆盖和/或封装(如果存在)所述第三层。为了对光进行限制，所述覆盖层的折射率可以低于所述PCM(在该两个稳定状态下)的折射率和所述第一层的折射率。所述覆盖层可以由氧化物形成或包括所述氧化物，所述氧化物例如是二氧化硅(SiO

在预定温度下加热预定时间段后，所述PCM的层可以在所述至少两种稳定状态之间切换。所述PCM的层可以在第一温度下加热第一时间段后从非晶态切换至晶态，并且在第二温度下加热第二时间段后从晶态切换至非晶态。所述第一温度可以低于所述第二温度，并且所述第一时间段可以长于所述第二时间段。所述第一温度可以是结晶点，所述第二温度可以是熔点。Sb

所述PCM的层的状态可以进行光切换或电切换。光切换可以通过使用具有足够功率的入射光脉冲加热所述PCM来实现。用于切换的光脉冲可以是自由空间光脉冲(例如，聚焦在所述PCM上)或经由所述波导耦合至所述PCM。电切换可以通过使用与所述PCM的层热接触的加热器或使电流通过所述PCM的层来实现。

所述波导还可以包括电阻加热元件(加热器)，所述电阻加热元件与所述PCM的层的至少一个纵向部分热接触，用于至少在所述纵向部分处切换所述PCM的状态。所述波导可包括多个电阻加热元件，每个所述电阻加热元件与所述PCM的层的不同的纵向部分热接触，用于至少在相应的所述纵向部分处切换所述相变材料的状态。

所述加热元件可以通过硅的离子注入来形成，以形成构成电阻加热元件的掺杂沟道。所述加热元件可以是掺杂p型，例如使用硼。所述注入式硅加热元件可以形成所述波导的一部分。

可选地，所述波导可以包括耦合至所述PCM的层的一对电极，用于驱动通过所述PCM的电流以切换所述PCM的状态。

所述波导可包括沿所述波导长度分布的多个PCM的层。每个PCM的层可以限定所述波导的不同的相移部分。每个PCM的层的长度可以相同或不同。

所述波导可以被配置为单(TE)模式波导。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于光子回路的光学器件，其包括根据第一方面的波导分别作为第一波导和第二波导。所述第一波导和所述第二波导至少在其耦合区域上被布置为基本上相互平行并隔开一个横向间隙，使得光可以在所述耦合区域中从所述第一波导短暂耦合至所述第二波导(或反之亦然)；从所述第一波导至所述第二波导(或反之亦然)的光耦合度取决于所述耦合区域中所述第一波导与所述第二波导的PCM的相对状态。

在所述PCM的层或所述耦合区域的长度上，所述第一波导和第二波导的横截面图的几何形状可以基本相同。所述第一波导和第二波导的宽度和厚度，或者所述耦合区域上的所述第一波导和第二波导的宽度和厚度可以基本相同。所述耦合区域中的所述第一波导和第二波导的所述PCM的层的宽度和厚度可以基本相同。所述耦合区域的长度可以小于各个波导的长度。所述耦合区域的长度可以小于各个波导的所述PCM的层的长度。

在一个实施方式中，所述耦合区域中的所述第一波导和第二波导的PCM可配置为处于相同的状态(即，两者均为晶态或均为非晶态)或不同的状态(即，一个为晶态，另一个为非晶态)，以选择性地将光从所述第一波导耦合至所述第二波导。从所述第一波导到所述第二波导(或反之亦然)的光耦合度也可以取决于所述耦合区域的长度。所述耦合区域的长度可以等于用于相位匹配的临界耦合长度。所述临界耦合长度是将光功率从一个波导完全传输至另一个波导所必需的相邻波导之间耦合区域的最小长度。这可以使实质上全部的光从所述第一波导选择性地耦合至所述第二波导。所述用于相位匹配的临界耦合长度取决于光的波长和波导特性。根据耦合模理论，所述临界耦合长度定义为：Lc＝λ/(2n

这样可以实现所述器件的光切换功能。当这些波导相位匹配时，即当所述耦合区域的长度最优(等于临界耦合长度)并且所述耦合区域中的每个波导的PCM被配置为相同的状态，例如均为晶态或非晶态，使得这些波导具有相同的有效折射率时，沿着所述第一波导引导的光可以以几乎100％的效率短暂耦合/传递至所述第二波导。相反，当所述耦合区域中的波导的PCM被配置为处于不同状态(即一个为晶态而另一个为非晶态)时，所述两个波导之间的耦合相对较弱，因此，只有光量可忽略不计的光(优选地，没有光)耦合/传递至所述第二波导。选择晶态为所述相同状态可能具备现实优势，因为所述PCM在沉积时最初可能处于非晶态。

该器件还可以包括根据第一方面的波导作为第三波导。所述第三波导至少在其相应的耦合区域上布置成基本上平行于所述第一波导或第二波导并与所述第一波导或第二波导隔开一个横向间隙，使得光可以在相应的耦合区域中从所述第一波导或第二波导短暂耦合至所述第三波导。分隔所述第一波导和第三波导的横向间隙可以与分隔所述第一波导和第二波导的横向间隙相同。从所述第一波导或第二波导至所述第三波导的光耦合度取决于所述第一波导或第二波导与所述第三波导的PCM在所述耦合区域中的相对状态。

所述耦合区域中的所述第一波导或第二波导与所述第三波导的所述PCM可以被配置为处于相同状态或不同状态，以选择性地将来自所述第一波导或第二波导的光耦合至所述第三波导。所述第一波导或第二波导与所述第三波导的耦合区域的长度可以等于用于相位匹配的临界耦合长度，以选择性地将来自所述第一波导或第二波导的实质上全部的光耦合至所述第三波导。

相应耦合区域中的所述第二波导和第三波导的所述PCM可被配置为处于不同状态，以选择性地将来自所述第一波导的光耦合至所述第二波导或第三波导。

在一个实施方式中，所述耦合区域的长度等于用于相位匹配的临界耦合长度，并且所述耦合区域中的每个波导(第一波导和第二波导，或第一波导和第三波导，或第二波导和第三波导)的PCM的至少一个纵向部分处于相同状态(即晶态或非晶态)，并且这些部分以可变的重叠长度相互重叠。采用这种方式，可以通过控制/改变重叠长度来改变各个相邻波导之间的光耦合度或光功率传输。

这样可以实现所述器件的可变功率分流功能。通过改变相邻波导中相应晶体部分或非晶部分的重叠长度，沿着所述第一波导引导的光可以以可变的效率短暂耦合/传递至所述第二波导和/或第三波导。分流比可通过调整重叠长度来改变。例如，通过将重叠长度在零和所述用于相位匹配的临界耦合长度之间调整，从所述第一波导至所述第二波导和/或第三波导的光耦合度可以在最小值和最大值(例如，0-100％)之间变化。因此，通过选择性地切换(各个)耦合区域中波导的所述PCM的至少部分的状态，可以控制从所述器件中的波导输出的光功率。

耦合区域中各个波导中的至少一个波导的所述PCM可以包括至少两个部分，每个部分处于不同的状态，例如，第一部分处于晶态，第二部分处于非晶态。

根据本发明的第三方面，提供了一种光子场可编程耦合器阵列(Photonic FieldProgrammable Coupler Array，FPCA)，其包括由根据第一方面的波导组成的阵列。所述波导至少在其相应的耦合区域上被布置为基本上相互平行并相互隔开一个横向间隙，使得光可以在相应的耦合区域中从一个波导短暂耦合至相邻波导。所述相应的耦合区域中的各个波导的PCM的至少一个纵向部分可配置为处于相同状态并且彼此与相邻波导的相应的纵向部分重叠，其重叠长度使得可选择性地在所述阵列中的两个或更多个相邻的波导之间传输光。

各个纵向部分(即，各个晶体部分或非晶部分)的所述重叠长度等于用于相位匹配的临界耦合长度。这种情况下，可以选择性地在所述阵列中的两个或更多个相邻的波导之间传输实质上全部的光。可选地，所述重叠长度可以在零和所述临界耦合长度之间，以在相邻波导之间传递可变光量的光。每对相邻波导之间的重叠长度可以相同或不同。

采用这种方式，通过配置/图案化所述阵列波导中的相位状态，可以将光从任意输入波导引导至任意数量的任意输出波导。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于光子回路的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。所述MZI包括相互平行的第一光路和第二光路，其中，所述第一光路和/或第二光路包括根据第一方面的波导。

在一个实施方式中，这些臂的其中一个臂的PCM的层可以足够长，以选择性地将光的相位偏移π，并因此将所述MZI的输出控制在相对于给定波长的最大值和最小值之间。

根据本发明的第五方面，提供一种光子回路，包括根据第一方面的一个或多个波导，和/或根据第二方面的器件，和/或根据第三方面的FPCA，和/或根据第四方面的MZI。

本发明的各实施方式使得能够在光学域中执行计算。例如，众所周知，马赫-曾德尔器件可用于执行全光乘法(例如，矩阵的乘法)。这些乘法运算是许多计算应用(例如，卷积神经网络)的基础。在光学域中执行计算可能比在电学域中执行计算更快。本公开的实施方式提供了一种可重构光学计算器件，该器件是熟悉的现场可编程门阵列(FPGA)的光学模拟。根据一些实施方式，可提供一种可重构光学计算引擎。这样的器件可配置有电控制器以及电输入和电输出，(例如，通过集成的激光器和光电二极管)可在器件上实现与光域之间的转换。所述控制器可被配置成改变所述器件的一个或多个相变材料区域的状态以配置所述光学计算引擎，类似于将配置写入FPGA。

本发明的各方面和各实施方式具有如下优点：基本无损相移、非易失性、宽带操作、占地面积少、可重新配置性、可扩展性、超快切换和低功耗。

在本发明的不同方面和实施方式的上下文中描述的特征可以一起使用和/或互换。类似地，为简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。结合所述器件描述的特征可以具有相对于方法可定义的对应特征，并且具体设想了这些实施方式。

附图说明

为了能够很好地理解本发明，现将仅参考附图以实施例的方式讨论实施方式，其中：

图1(a)和图1(b)示出了包括分别处于晶态和非晶态的相变材料层的光波导的示意性俯视图；

图2(a)、图2(b)和图2(c)示出了各种相变材料的折射率和消光系数与波长的函数关系；

图3(a)和图3(b)示出了根据一个实施方式的包括相变材料的层的光波导的示意性横截面图；

图4(a)和图4(b)示出了光在硅波导中传播的模拟电场强度分布|E|(x,y)，其中,所述波导具有Sb

图4(c)示出了光在硅波导中传播的模拟电场强度分布|E|(x,y)，其中,所述波导具有GST相变材料的层，该相变材料的层以晶态设置在所述波导的虚线区域中；

图4(d)示出了没有相变材料的参考硅波导中光传播的模拟电场强度分布|E|(x,y)；

图5(a)和图5(b)分别示出了根据另一实施方式的包括相变材料的层的光波导的示意性横截面图和透视图；

图6示出了根据图5(a)的波导中波导模式的模拟电场强度分布|E|(y,z)；

图7示出了根据另一实施方式的包括相变材料的层的光波导的示意性透视图；

图8(a)和图8(b)分别示出了根据图7的波导中光传播的模拟电场强度曲线|E|(x,y)和该波导的透射光谱；

图9(a)至图9(c)示出了包括根据图1、图3或图5的波导作为三个平行波导的光切换器件的示意性俯视图；

图10(a)和图10(b)分别示出了根据图9(c)的器件中光传播的模拟电场强度分布|E|(x,y)；

图11示出了包括根据图1、图3或图5的波导作为两个平行波导的功率分流器件的示意性俯视图；

图12(a)和图12(b)分别示出了在根据图11的器件中，光传播的模拟电场强度分布|E|(x,y)以及每个波导中的透射率与重叠长度的函数关系；

图13(a)示出了包括根据图1、图3或图5的波导作为多个平行波导的现场可编程耦合器阵列(FPCA)的示意性俯视图；

图13(b)示出了通过部分根据图13(a)的FPCA的光传播的模拟电场强度曲线|E|(x,y)；

图14示出了马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的示意性俯视图，该干涉仪的每个臂中包括根据图1、图3或图5的波导；

图15(a)和图15(b)示出了一个臂中包括根据图3的波导的制成MZI的光学图像，其中两图中波导具有不同长度的Sb

图15(c)和图15(d)示出了一个臂中具有不同长度Sb

图15(e)示出了与不含Sb

图15(f)示出了实验测得的相移与Sb

图16(a)和图16(b)示出了包括根据图3的波导的环形谐振器器件的光学图像；

图16(c)示出了图16(a)中的波导在一部分相变材料的状态切换之后的光学图像；

图16(d)示出了在向相变材料施加各种晶化和非晶化光脉冲后，图16(a)中器件的透射光谱；

图16(e)和图16(f)示出了图16(d)中晶化和非晶化脉冲的数据的特写视图；图16(g)和图16(h)示出了在一系列可逆切换事件期间输出功率与时间的函数关系；

图17示出了包括用于改变相变材料状态的注入式电阻加热元件的器件的示意图；

图18示出了与图17示意性示出的器件相似的制成器件的显微图，该器件具有注入式电阻加热元件；

图19示出了具有集成加热元件的制成器件的显微图，其中，图a)表示在用所述加热元件加热之前；和图b)表示在用所述集成加热元件加热之后；以及

图20示出了在电脉冲被施加到加热元件以改变根据一个实施方式的马赫-曾德尔器件的一条腿中的相变材料的状态之前和之后通过所述马赫-曾德尔器件的透射光谱。

应该注意的是，这些图是示意图，可能不是按比例绘制的。在附图中，为清晰和方便起见，这些图中各部分的相对尺寸和比例可能被夸大或缩小。在修改后的和/或不同的实施方式中，相同的附图标记通常用于指代对应的或类似的特征。

具体实施方式

图1(a)和图1(b)示出了根据本发明的用于光子回路的光波导10的示意性俯视图。波导10的一端处输入的光以一个或多个波导模式沿着波导10的轴(z)被引导到另一端。每个模式中，光传播的相速度为c/n

波导10由具有不同折射率的一系列层/区域形成，并且被图案化以将光在两个维度上限制到适合于光子回路的通道。波导10包括用于调制由波导10引导的光的相位的相变材料(PCM)101的层。PCM101可在至少两种稳定固态之间切换，这两种稳定固态包括非晶态a-101(参见图1(b))和晶态c-101(参见图1(a))，PCM在各个状态下具有不同的折射率。PCM101的每个稳定固态对应于不同的有效折射率n

在一个实施方式中，PCM 101为三硫化二锑(Sb

图2(a)、图2(b)和图2(c)示出了：在非晶态(a-)和晶态(c-)下，溅射SbS和溅射SbSe层的折射率的实部(n)和虚部(消光系数，k)的实验测量结果与可见至近红外(IR)范围(300nm到1700nm)中的波长的函数关系，该函数关系由椭偏测量获得。作为一种广泛研究的用于非易失性光子应用的候选PCM，Ge

应当理解的是，在实际中，适用的硫族化物层如SbS或SbSe的折射率可以根据沉积技术和条件略有变化。例如，在与上述图2(a)和图2(b)的层不同的条件下通过溅射沉积的另一SbS层中，从非晶态切换至晶态时，λ＝1550nm处的折射率从大约2.61和2.74(Δn-0.11)处变化(未示出)。波导10的相移功能不限于特定的Δn值，只要它不为零即可，但是，为在实际距离上实现相当大的相移，Δn优选地至少为0.1。例如，根据沉积技术和条件，SbS层的折射率Δn的变化可在约0.1至0.6之间的范围内。如本领域中已知的，任何物理或化学沉积方法，例如电子束蒸镀、溅射、原子层沉积等，都可用于沉积相变材料(例如，SbS或SbSe)。优选地，射频(RF)溅射用于沉积锑基硫族化物(例如，SbS或SbSe)。

因为PCM 101基本上无损，所以本发明的波导10中的PCM 101的层可以被布置成与光强烈地相互作用，从而在实际长度上实现大的相移(例如，长度小于40μm时，相移大约为π)和已知GSST或Ge

图3(a)和图3(b)示出了波导10的第一实施方式100的示例性配置，其中，PCM的层101设置在脊形波导或条形波导上用于纯相位调制。波导100依次包括第二层103、设置在第二层103上的第一层102和设置在第一层102上/上方的PCM 101的层。第一层102由比第二层103的材料具有更高折射率的材料形成，以在厚度方向(z方向)上将光限制到第一层102。第二层103可以是基底层或基底层的一部分。第一层102(例如，通过图案化第一层102)形成具有宽度w

PCM 101的层设置在脊或条的上方，并且短暂耦合至限制在其中的光，以在其长度l

应当理解的是，在大多数实际应用中，波导100被配置成使得光已经可以单独被第一层102的脊/条(没有PCM)良好地引导，并且PCM 101的层在光的限制和引导中不起关键作用(使得波导200能够与光子回路的常规条形或脊形硅(或其它材料)波导轻易协同集成)。但是，根据第一层102的下层脊/条的几何和/或材料参数，如果第一层102的脊/条不能独自对光进行良好的引导(例如，仅存在泄漏模式)，则PCM 101的层可以，例如，通过增加连续态(泄漏模式)之上的被引导模式的有效折射率，在光的引导中起关键作用，因此不存在与泄漏模式的耦合。

在一个实施方式中，第一层102由硅(Si)形成，第二层103由二氧化硅(SiO

波导100还可包括至少覆盖PCM 101的层的覆盖层或钝化层105。为了起到限制作用，覆盖层105由折射率低于PCM 101(在两个稳定状态下)和第一层100的折射率的材料形成。覆盖层105可以具有10至100nm之间的厚度，并且由氧化物或绝缘体(例如，氧化硅、氮化硅、氧化铝(Al

PCM 101的层的长度l

图4(a)和图4(b)示出了沿着示例性波导100传播的光(λ＝1550nm)的模拟电场强度分布|E|(x,y)，其中，第一层102形成厚度t

图5(a)和图5(b)示出了波导10的第二实施方式200，其中，PCM 101的层在光学限制和光的引导中起关键作用。波导200依次包括第二层103、设置在第二层103上的第一层102和设置在第一层102上的PCM 101的层。第一层102由折射率比第二层102的材料高的材料形成，以形成平面平板波导。第二层103可以是基底层或基底层的一部分。PCM 101的层为条形图案，设置在具有长度l

如上文针对波导100所述的那样，波导200还可以包括至少覆盖PCM 101的层的覆盖层或钝化层105。上面列出的用于波导100的第一层102、第二层103和覆盖层105的适用材料同样适用于波导200的第一层、第二层和覆盖层。

图6示出了示例性波导200的基本横向电(TE)模式M(λ＝1550nm)的模拟电场强度分布|E|(y,z)，其中，第二层103由氧化硅(其厚度足够大而被认为无限大)形成，第一层102由厚度t

上述实施方式中，在两种状态下，第一层102的折射率都高于PCM101的层的折射率，因此，光主要地或至少部分地被限制在第一层102中，但这一点不重要。例如，第一层102可以由折射率低于PCM 101的层的材料形成，该材料例如是氧化硅等氧化物，使得实质上全部的光在PCM 101的层的长度l

与第一实施方式的波导100一样，波导200的长度可以比PCM 101的层的长度l

图7示出了波导200的一个实施方式，该波导包括连接在其第一端e

图8(a)示出了从波导200的非相移部分WGp2传输到相移部分WGp1的基本TE模式M(λ＝1550nm)的模拟电场强度分布|E|(x,y)(使用3D FDTD方法获得)。在该示例中，第二层103由氧化硅(其厚度足够大而被认为无限大)形成，第一层102由厚度t

图8(b)示出了图8(a)中波导200的模拟透射光谱。透射率定义为相移部分WGp1的输出端的功率与非相移部分WGp2的输入端的功率之间的比率。如图所示，在1.5-1.6μm的宽波长范围内，波导200的透射率很高，约为0.96，证明相移波导部分WGp1和非相移波导部分WGp2之间模式转换的效率很高。

图9(a)示出了用于光子回路的光切换器件300的一个示例，该器件包括第二实施方式的波导作为三个波导200a、200b、200c，即第一波导200a、第二波导200b和第三波导200c。三个波导200a-200c在至少一个耦合区域L

在图9(a)中，耦合区域L

耦合区域L

在实际中，波导200a-200c通常比耦合区域L

图10(a)示出了光从第一波导200a传输至第二波导200b时，在具有图9(c)所示配置的光切换器件300中的基本TE模式M(λ＝1550nm)的模拟电场强度分布|E|(x,y)(使用3DFDTD方法获得)。在该示例中，第二层103由氧化硅(其厚度足够大而被认为无限大)形成，第一层102由厚度t

图10(b)示出了具有上述参数的图10(a)所示器件300中从第一波导200a到第二波导200b的模拟透射光谱。透射率定义为第二波导200b的输出端的功率与第一波导200a的输入端的功率之间的比率。在1487-1540nm的波长范围内，透射率高于0.96，意味着插入损耗小于0.13dB。0.3dB对应的工作带宽为227nm(1390-1617nm)。

光切换器件300的工作原理是，当相邻波导相位匹配时，即当耦合区域L

图11示出了用于光子回路的可变光功率分流器件400的一个示例。如上所述，器件400包括第一波导200a和第二波导200b，所述第一波导和第二波导在至少一个耦合区域L

图12(a)示出了当光部分地从第一波导200a传输到第二波导200b时，功率分流器件400中的基本TE模式M(λ＝1550nm)的模拟电场强度分布|E|(x,y)(使用3D FDTD方法获得)。耦合区域L

如下所述，上述原理可应用于在任意数量的相邻波导200之间选择性地完全或至少部分地耦合光。

图13(a)示出了用于光子回路的光子场可编程耦合器阵列(Photonic Field-Programmable Coupler Array，FPCA)500的一个示例。FPCA500包括n个波导200_1～200_n形成的阵列，这些波导被布置为基本上相互平行并彼此隔开一个横向间隙G，使得光可以在相邻波导之间短暂耦合。FPGA 500可配置为经由多个中间波导200(例如，波导200_2～200_n-1)将光从输入波导200(例如，波导200_1)引导至一个或多个输出波导200(例如，波导200_n)。最初，每个波导200的PCM 101的层可能处于相同的状态，例如晶态。利用该通用架构，可以使每个波导200中的PCM 101的一个或多个部分晶化，从而在FPCA500中编程设计任意光引导/功率分流路径。如上所述，一旦配置完成，每个波导200包括PCM的至少一个晶体部分c-101，该晶体部分与阵列中相邻波导200的晶体部分c-101以重叠长度L

在所示实施方式中，相互重叠的晶体部分c-101在从输入波导200(波导200_1)到输出波导200(波导200_n)的传播方向上交错或级联设置，使得每个波导200的晶体部分c-101与其相邻波导200的晶体部分c-101以L

图13(b)示出了当光从输入波导200(波导200_1)传输至第三波导200(波导200_3)时，图13(a)的FPCA 500的一部分(由虚线框示出)中的基本TE模式M(λ＝1550nm)的模拟电场强度分布|E|(x,y)(使用3D FDTD方法获得)。

图14示出了用于光子回路的示例性马赫-曾德尔干涉仪(MZI)600。MZI 600包括输入波导WG

输入到MZI 600的光在Y分支分离器Y1处在臂1和臂2之间被分流(优选地，被均等分流)，并且在发生干涉的Y分支组合器Y2处合流。因此，通过偏移臂1和臂2中一个臂或两个臂的相位，输出波导WG

如本领域中已知的，通过将PCM 101加热到预定温度持续一预定时间段，PCM 101的层可以在非晶态和晶态之间切换。例如，PCM 101的层在晶化温度或更高温度下加热第一时间段后可从非晶态切换到晶态，并且在非晶化温度或更高温度下加热第二时间段后可从晶态切换到非晶态。SbS的晶化温度约为290℃，非晶化温度即为熔化温度，约为550℃。第一时间段通常比第二时间段长。

PCM 101的层可以简单地通过在烘箱中或在热板上对波导100、200进行加热或退火来切换。然而，对于实际应用(例如，在光子回路中)而言，PCM 101的层可以采用光学方式或电学方式通过局部加热来切换，光学方式即使用具有足够功率和脉冲宽度的入射光脉冲(PCM可吸收光的波长，例如可见光波长)，电学方式即使用与PCM 101的层热接触的加热器或者使电流脉冲通过PCM 101的层。在某些应用中，需要对切换中的PCM 101的区域进行精确控制，例如允许PCM 101的某一部分被切换，那么可优选使用电切换。

在一个实施方式中，波导100、200包括与PCM的层的至少一个纵向部分热接触的电阻加热元件(加热器)，用于至少在该纵向部分(未示出)切换PCM 101的状态。波导100、200可包括多个电阻加热元件，每个电阻加热元件与PCM 101的层的不同的纵向部分热接触，用于至少在所述相应的纵向部分切换PCM 101的状态。

在另一实施方式中，波导100、200包括耦合至PCM 101的层的一对电极，用于驱动通过PCM的电流以切换PCM 101的状态(未示出)。

图15(a)和图15(b)示出了臂1中包括波导100的MZI 600的光学图像，其中，两图中波导的PCM长度l

图16(a)至图16(g)示出了证明光子回路中SbS 101的可逆动态切换的实验结果。图16(a)和图16(b)示出了包括用于纯相位调制的波导100的两个硅基环形谐振器器件700、800的光学图像。器件700包括耦合至环形波导720的直波导710，并且器件800包括耦合至环形波导820的两个直波导810、812。波导710、720、810、812、820为脊形硅波导，并且每个环形波导720、820具有沉积在虚线区域中环的上方的45nm厚的SbS 101的层。硅脊的厚度t

图16(d)示出了在将各种晶化脉冲和非晶化脉冲施加到SbS 101的不同区域之后(七种晶化脉冲和两种非晶化脉冲)测量的器件800对于大约1550nm波长的透射光谱(输出功率除以输入功率)。类似于图15的MZI器件，如图所示，环形谐振器器件700、800的直波导710、810、812和环形波导720、820中的光之间会发生干涉，导致透射光谱中出现特征振荡模式。图16(e)示出了针对七种结晶脉冲，图16(d)高亮区域中透射光谱的特写视图，图16(f)示出了针对两种非晶化脉冲的相应特写视图，其中，箭头表示施加每种脉冲后光谱的行进。在图16(f)中，最右边的曲线是施加非晶化脉冲前的光谱，而在图16(e)中，最左边的曲线是施加第一种晶化脉冲后的光谱。透射光谱在施加非晶化脉冲后出现红移，施加晶化脉冲后出现蓝移。随着SbS层101的更多区域被切换，光谱进一步偏移，如图16(e)和图16(f)中的箭头所示。

图16(g)示出了当SbS 101的单个区域经受一系列非晶化和晶化脉冲时，环形谐振器器件700的测量输出(读出)功率与时间的函数关系(在器件700的谐振波长λ＝1557.7nm处)。由于相移，输出功率呈现出根据SbS 101的状态的可逆阶跃变化，证明SbS能够可逆切换。施加1s长的晶化脉冲时，由于热光效应(即温度诱导的n变化)，晶化前会出现异常尖峰。图16(h)示出了在延长时间段内输出(读出)功率的可逆开关诱导变化(归一化为最大值和最小值)，证明器件700具有时间稳定性。最大值和最小值的明显漂移归因于与所使用的自由空间激光退火工艺相关联的可变环境效应(尽管存在覆盖层105)。

尽管图15和图16示出的实验结果针对的是第一实施方式的波导100，但应当理解的是，对于第二实施方式的波导200，可以得到同样的结果(然而，在波导200中可实现的每单位长度PCM 101的相移增加会放大开关诱导的透射率变化)。

图15(a)至图15(f)与图16(a)至图16(h)中的结果证明光子回路中的波导100、200具有可逆、非易失性和基本上无损的相移功能。电信波段中的非挥发性和超低衰减使得相移器件在任何目标相位都基本上无损，这为无额外能量消耗情况下扩展光子回路过程中的相位调谐铺平了道路。相对较小距离上的实质性相移(例如，波导100中长度l

本发明的波导100、200可用传统的自上而下工艺(例如，光学光刻、电子束光刻、反应离子蚀刻、蒸镀等)制造。例如，波导100可以通过如下方法制造：首先使用电子束光刻和反应离子蚀刻在第一层102中图案化脊或条，然后使用光学光刻或电子束光刻、沉积和剥离工艺限定PCM 101的层。波导200的制造过程如下：进行光学光刻或电子束光刻、沉积PCM、以及使用剥离工艺在第一层102上限定PCM101的条。可选地，波导200的制造过程如下：首先，在第一层102上沉积PCM 101的层，然后使用电子束光刻和反应离子蚀刻工艺图案化PCM101的条或脊。PCM 101的层可使用任何物理或化学沉积方法来沉积，方法例如是电子束蒸镀、溅射、原子层沉积等。优选地，使用射频溅射来沉积SbS 101。

图17示出了根据一个实施方式的波导的三个制造阶段的示意图。该工艺从绝缘体上覆硅衬底(SOI)开始，所述衬底包括SOI层102、氧化硅层103和硅衬底107。在顶行中，已通过部分蚀刻SOI层102限定了脊形波导109，并且已通过图案化的注入区域(例如，P++)设计了加热元件110。加热元件110可以在部分蚀刻硅之前或之后被注入以形成脊109。注入材料的深度可以包括SOI层的全部深度，或者仅包括一部分深度。加热元件110包括波导脊109的一部分，并且延伸到脊109的任一侧，使得金属接触垫片可以与其接触。

图17中，顶行示出了限定注入式加热器110和脊109的步骤之后的布局图和(沿中心线的)截面图。

图17中，中间行示出了限定在脊109的任一侧电接触加热器110的金属层的步骤之后的布局图和(沿中心线的)截面图。金属层可以包括铝。加热元件的总电阻(从铝接触垫片到铝接触垫片)可以是100欧姆或更小。

图17中，底行示出了限定相变材料101和覆盖层105的步骤之后的布局图和(沿中心线的)截面图。在该示意图中，相变材料101和覆盖层105被共同图案化为相同的矩形区域111，但在其它实施方式中，相对于相变材料而言，覆盖层105的尺寸可以过大。

相变材料可以是Sb

图18示出了采用类似于图17示意性示出的工艺生产的制成波导器件的显微图。右侧具有较大视野的图像包括接触垫片112(例如，用于测试站的探针，或者用于驱动加热器的封装电路或集成电路的键合线/焊接凸块)。该图还示出了面外耦合器113，用于将光耦合进脊形波导109中。在该示例中，相变材料是Sb2Se3，覆盖材料是ITO，波导是SOI，集成加热器由SOI层中的P++掺杂沟道形成。金属触点由铝制成。

图19示出了在类似于参考图17和18描述的实施方式中使用集成加热元件控制相变。加热元件包括在波导109下方延伸的SOI中的P++掺杂沟道(并且可以包括该沟道的一部分)。图a)示出了相变材料(本例中是SbSe)在热板退火之后处于晶态；图b)示出了通过加热元件给相变材料施加电脉冲之后，相变材料升温并向非晶态转变(几乎整个膜层都改变了状态)。在该示例中，包括加热器的掺杂沟道的长度为20微米，并且铝电极间的电阻为50欧姆。

图20示出了根据包括SbSe相变材料和集成加热元件的实施方式的正常运转的马赫-增德尔器件获得的结果。该图示出了将脉冲施加到相变材料之前获得的光谱以及将脉冲施加到相变材料之后获得的光谱。在这种情况下，电脉冲为9V的100ns脉冲，并且由于相变材料的状态变化，光谱中出现了明显的相移。因为相变材料在被测光谱范围内(即从1500nm到1630nm)的消光系数可以忽略不计，切换操作后损耗没有显著变化。这些结果基于早期原型获得，并显示出良好的性能。

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