一种氮化硅宽带光开关

技术领域

本发明涉及集成光电子器件技术领域，特别是涉及一种氮化硅宽带光开关。

背景技术

光开关作为光通信的基本单元，广泛应用在光延时线、激光雷达、光学神经网络等领域。马赫-曾德干涉仪(MZI)光开关由于工艺容差性大、结构紧凑而广泛应用在集成光子系统中。然而，现有的MZI光开关中光功率耦合器耦合效果会受到波长变化的影响，很难在较宽的工作带宽内保持3dB的分光效果，因此研究宽带光开关对于具有较大光带宽要求的集成光子系统有着重要意义。

多模干涉耦合器(MMI)和定向耦合器(DC)是MZI中常用的3dB耦合器，但是多模干涉耦合器会导致对光源的意外反射，定向耦合器由于波导的色散具有较强的波长依赖性，最终导致MZI使用效果不理想。在硅波导中，可以采用集成可调光衰减器(VOA)弥补消光比，抑制串扰，但是由于氮化硅波导的特殊性，无法集成VOA，因此氮化硅光开关自身工作带宽内的消光比直接决定了能否应用于氮化硅光子系统中。

氮化硅波导的损耗相较于硅波导具有明显优势，因此在氮化硅延时线、氮化硅相控阵雷达系统的应用越来越广泛，氮化硅宽带光开关也随之越来越重要。氮化硅相比于可承受更高的光功率而没有明显的非线性效应，且波导损耗更低，但是氮化硅适用于无源器件，氮化硅光开光无法集成可调光衰减器弥补消光比。

发明内容

本发明提供一种氮化硅宽带光开关，解决了氮化硅材料无法集成可调光衰减器弥补消光比的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种氮化硅宽带光开关，包括第一3dB非对称绝热耦合器、第二3dB非对称绝热耦合器、干涉臂波导、参考臂波导和热移相器；所述第一3dB非对称绝热耦合器和第二3dB非对称绝热耦合器结构相同，均包括依次连接的第一波导部分、耦合区域部分和第二波导部分，其中，所述第一波导部分为非对称结构；所述第一3dB非对称绝热耦合器的第二波导部分的第一端通过所述干涉臂波导与所述第二3dB非对称绝热耦合器的第二波导部分的第二端相连，所述第一3dB非对称绝热耦合器的第二波导部分的第二端通过所述参考臂波导与所述第二3dB非对称绝热耦合器的第二波导部分的第一端相连；所述干涉臂波导和参考臂波导为等长的氮化硅波导，所述干涉臂波导上设置有所述热移相器。

所述干涉臂波导、参考臂波导、所述第二波导部分的厚度均为0.8um，宽度均为1um。

所述第一波导部分的第一端的波导宽度与第二端的波导宽度不相等。

所述第一波导部分的第一端的波导宽度与第二端的波导宽度之比为1:2。

所述第一波导部分的第一端的波导宽度为0.5um，第二端的波导宽度为1um。

所述干涉臂波导和参考臂波导的长度为750um。

所述热移相器采用铝电极进行加热，所述铝电极的宽度为1.4um，厚度为0.4um。

所述热移相器位于所述干涉臂波导上方1.7um处，所述热移相器的总长度750um。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用氮化硅波导，氮化硅波导损耗相较于硅波导更低，在延时线、激光雷达中优势更大。本发明采用3dB非对称绝热耦合器使得波长敏感性低，氮化硅波导无法电调，因此无法集成可调光衰减器来弥补消光比，导致氮化硅光开关的工作带宽受到限制，本设计中由于引入非对称绝热耦合器使波长敏感性明显降低，c波段130nm以上带宽可实现20dB以上消光比。本发明采用非对称结构减小了绝热耦合器耦合部分长度，能够减少整个光器件的体积。

附图说明

图1是本发明实施方式的结构示意图；

图2是本发明实施方式中3dB非对称绝热耦合器的结构示意图；

图3是本发明实施方式中3dB非对称绝热耦合器的场强传输图；

图4是本发明实施方式中3dB非对称绝热耦合器的波长扫描图；

图5是本发明实施方式中热移相器截面示意图；

图6是本发明实施方式中热移相器加热至Pi相移时的场强分布图；

图7是本发明实施方式在相移为0时的光场强传播图；

图8是本发明实施方式的消光比随波长变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种氮化硅宽带光开关，如图1所示，包括第一3dB非对称绝热耦合器1、第二3dB非对称绝热耦合器2、干涉臂波导3、参考臂波导4和热移相器5。

如图2所示，所述第一3dB非对称绝热耦合器1和第二3dB非对称绝热耦合器2结构相同，均包括依次连接的第一波导部分A、耦合区域部分B和第二波导部分C，其中，所述第一波导部分A为非对称结构。本实施方式中，所述第一波导部分A的第一端的波导宽度W1与第二端的波导宽度W2之比为1:2，例如，所述第一波导部分A的第一端的波导宽度W1为0.5um，第二端的波导宽度W2为1um，本实施方式通过对第一波导部分A的两端宽度设计成不相同，从而产生模式不匹配，减小了波长敏感性，图3是本发明实施方式中3dB非对称绝热耦合器的场强传输图，图4是本发明实施方式中3dB非对称绝热耦合器的波长扫描图。从图4可以看出，因为非对称设计产生的模式不匹配，使其对波长的敏感性明显降低，工作带宽明显增大。

所述第一3dB非对称绝热耦合器1的第二波导部分C的第一端C1通过所述干涉臂波导3与所述第二3dB非对称绝热耦合器2的第二波导部分C的第二端C2相连，所述第一3dB非对称绝热耦合器1的第二波导部分C的第二端C2通过所述参考臂波导4与所述第二3dB非对称绝热耦合器2的第二波导部分C的第一端C1相连；所述干涉臂波导3和参考臂波导4为等长的氮化硅波导，所述干涉臂波导3上设置有所述热移相器5。可以发现，本实施方式的氮化硅宽带光开关的左右两侧为非对称绝热耦合器，中间通过热移相器进行相位调制，两侧绝热耦合器通过反对称连接可以抵消非对称引起的相位差值，同时采用非对称结构减小了绝热耦合器耦合部分长度。

本实施方式中干涉臂波导3、参考臂波导4、所述第二波导部分C的厚度均为0.8um，宽度均为1um，所述干涉臂波导3和参考臂波导4的长度为750um。

如图5所示，本实施方式中的热移相器5采用铝电极进行加热，所述铝电极的宽度为1.4um，厚度为0.4um。铝电极位于所述干涉臂波导(即碳化硅波导)上方1.7um处，所述热移相器5的总长度与干涉臂波导3相同，为750um。图6是本发明实施方式中热移相器加热至Pi相移时的场强分布图，通过加热实现两臂相位差，从而产生光路径切换，本实施方式中Pi相移功率0.135W。

图7是本发明实施方式在相移为0时的光场强传播图。图8是本发明实施方式的消光比随波长变化图。可以发现，通过本实施方式的设计，本实施方式的氮化硅宽带光开关实现了c波段130nm以上大带宽范围内消光比大于20dB，1550nm附近处消光比超过40dB。

不难发现，本发明采用氮化硅波导，氮化硅波导损耗相较于硅波导更低，在延时线、激光雷达中优势更大。本发明采用3dB非对称绝热耦合器使得波长敏感性低，氮化硅波导无法电调，因此无法集成可调光衰减器来弥补消光比，导致氮化硅光开关的工作带宽受到限制，本设计中由于引入非对称绝热耦合器使波长敏感性明显降低，c波段130nm以上带宽可实现20dB以上消光比。本发明采用非对称结构减小了绝热耦合器耦合部分长度，能够减少整个光器件的体积。