电化学金属化的单通道光子晶体非易失性光开关

技术领域

本发明涉及电控光子晶体光开关的技术领域，尤其涉及一种电化学金属化的单通道光子晶体非易失性光开关。

背景技术

近年来，互联网通信数据容量以每年将近50%的速度迅速增长，人们对带宽的需求也越来越大，互联网信息传输与处理面临越来越高的容量需求，这使得电交换的“瓶颈”愈发凸显，即通信带宽和互连密度、网络节点电交换设备耗电量均接近许可极限。同时，纳米工艺下电子的量子效应也更加明显，器件集成度的进一步提升也面临巨大挑战。如中国移动省际骨干传送网数据显示，业务量的迅猛增长导致各类传输设备单机架功耗迅猛增长，单机架（6000×6000）满配功耗最高已经突破了20000W大关，在大量消耗电能的同时，也带来了极其严重的散热问题。由于电交换设备耗电量的80%源自光电／电光转换和电交换开关。因此，低功耗光交换技术成为一种有效解决方案。相比较电信号传输，光通信具有传输带宽大、抗电磁干扰能力强、互联密度高、功耗小和成本低等优点，吸引了越来越多研究人员的关注。

光开关是现代光网络向着更高速和更大容量发展的重要元器件之一，无论是远程光信号交换还是片上的光互连，光开关都是其中关键的光器件。以光子晶体为基础的微小的器件，例如光子晶体光开关，在光子晶体波导中引入点缺陷来构建光开关。由于电化学金属化的作用，通过对点缺陷介质柱两端施加电压，可以使得点缺陷介质柱形成纳米级别的金属细丝，从而改变点缺陷的位置，最终改变光子晶体波导的透过率，这样就构成了电化学金属化结构的光子晶体光开关。另外，由于电化学金属化形成的金属导电细丝具有很好的稳定性，外部电压断开后，仍旧能够保持，所以基于此原理的光开关具有非易失性的特点。

申请号为202210799616.4的发明专利公开了一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关由正方晶格圆形介质柱结构的二维光子晶体构成；该二维光子晶体上设有3个光子晶体波导、3个光子晶体谐振腔、3个输入波导和3个输出波导。本发明仅在正方晶格圆形介质柱结构的二维光子晶体的基础上上进行介质柱的删减和介质柱尺寸的设计，并未进行介质柱的增加，且大部分介质柱的结构参数都相同，在实际制作时比较方便；采用硫系玻璃Ge

发明内容

针对现有光子晶体光开关功耗大，易失性的技术问题，本发明提出一种电化学金属化的单通道正方晶格光子晶体非易失性光开关，结构体积小，高效短程便于集成。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种电化学金属化的单通道光子晶体非易失性光开关，包括由若干个硅介质柱组成的光子晶体结构，硅介质柱之间设有TE禁带的光子晶体波导，输入光子晶体波导的端口为输入端，输出光子晶体波导的端口为输出端，输入端和输出端互相垂直，输入光子晶体波导和输出光子晶体波导之间的位置设有谐振腔，谐振腔内设有缺陷介质柱，缺陷介质柱与提供偏置电压的偏置电路相连接。

优选地，所述缺陷介质柱两端设有电极，所述偏置电路包括方波信号发生器，方波信号发生器通过导线分别与缺陷介质柱两端的电极相连接。

优选地，所述硅介质柱均匀分布在光子晶体上；所述光子晶体为二维正方晶格光子晶体。

优选地，所述硅介质柱的形状为圆形；所述缺陷介质柱的材质为易于形成导电细丝的材料，缺陷介质柱两端的电极上镀的材质为易于发生电化学氧化还原反应的材料。

优选地，所述缺陷介质柱的材料为二氧化硅、二氧化钛或二氧化铪中的一种；缺陷介质柱两端的电极镀有银或铜；所述光子晶体的介质柱和背景分别由高折射率材料和低折射率材料组成；所述高射折射率材料为硅或者折射率大于3以上的介质；所述低折射率材料为空气或者折射率小于1.4的介质。

优选地，所述缺陷介质柱位于谐振腔的中心位置；所述光子晶体波导的平面垂直于光子晶体中的硅介质柱的轴线；缺陷介质柱的光轴和硅介质柱的方向一致。

优选地，由输入端输入TE光，偏置电路的方波信号发生器输出极性不同的方波信号，方波信号通过谐振腔耦合进入输出端得到一个具有TE禁带的光子晶体载波波导，光子晶体载波波导为光子晶体中移除部分硅介质柱后的结构；在方波信号发生器产生方波信号作用于电极两端时，缺陷介质柱内会形成导电细丝，导电细丝的形成改变谐振腔的谐振频率，从而改变输出端的输出功率。

优选地，所述硅介质柱的半径R=0.3a，缺陷介质柱的半径r=0.2a，输入光子晶体波导和输出光子晶体波导的波导宽度d

优选地，实现开关的方法为：初始时刻，缺陷介质柱内没有形成导电细丝，此时与谐振腔谐振频率一致的光信号能够耦合进入谐振腔内并从输出端输出波导，输出波导的光波功率大，此时光开关处于开态；当偏置电路的方波信号发生器产生一个正向方波信号作用于缺陷介质柱的两端时，电极上的银或铜在电场作用下发生电化学氧化还原反应，并在缺陷介质柱内形成连通两端电极的导电细丝，此时谐振腔的谐振频率发生变化，原来的波长无法耦合进入谐振腔，输出端的输出波导的输出光波功率低，此时光开关处于关态；导电细丝形成后稳定，即使没有外界电场，光开关依然会处于关态；当方波信号发生器产生负向方波信号作用于缺陷介质柱两端的时，缺陷介质柱内已经形成的导电细丝从介质内断裂并逐渐消失，谐振腔的谐振频率又会回到原来的频率，被关闭的光波通过谐振腔从输出端输出，光开关又处于开态。

优选地，所述光子晶格的归一化TE禁带频率

与现有技术相比，本发明的有益效果：结构体积小，开关时间响应快，光传输效率高，适合大规模光路集成；便于集成，可以短程高效地实现TE光信号的非易失性光路开关，具有极大的实用价值。具体实例仿真中，应用光子晶体等比例缩放的特性通过等比例改变晶格常数的方法，可以在一定波长范围内实现不同波长的光路开关功能，而且开关断电后能够保持状态不变。具有高消光比，同时还具有较宽的工作波长范围，可以允许有一定的频谱宽度的脉冲，或者高斯光，或不同波长的光工作，或多个波长的光同时工作，具有实际意义。

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为本发明的平面示意图（删除外加控制电路）。

图2为本发明的立体结构示意图。

图3为本发明的结构参数分布图。

图4为本发明的开关波形图。

图5为本发明实施例1的开关状态时传输特性。

图6为本发明实施例2的开关状态时传输特性。

图7为本发明实施例3的开关状态时传输特性。

图8为本发明的光场分布示意图，其中，（a）为开态，（b）为关态。

图中，1为输入端，2为输出端，3为硅介质柱，4为谐振腔，5为缺陷介质柱，6为导线，7为方波信号发生器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出了一种电化学金属化的单通道光子晶体非易失性光开关，包括由大量作为背景的硅介质柱3构成的光子晶体结构，硅介质柱3之间设有一个输入端1、一个输出端2和一个谐振腔4，谐振腔4内设有一个两端镀银电极的缺陷介质柱5；所述输入端1和输出端2互相垂直，谐振腔4位于输入端1和输出端2之间。本器件初始信号光从左侧的输入端1入射，输出端2输出光波。缺陷介质柱5两端设有提供偏置电压的偏置电路。偏置电路包括方波信号发生器7，方波信号发生器7通过导线6分别与缺陷介质柱5的两端镀银电极相连接。光子晶体为二维正方晶格光子晶体。

硅介质柱3的形状为圆形。

缺陷介质柱5的材质为二氧化硅、二氧化钛、二氧化铪等易于形成导电细丝的材料，主要作用是形成谐振腔和在其内形成导电细丝。缺陷介质柱5两端镀的电极为银、铜等易于发生电化学氧化还原反应的材质。

光子晶体的介质柱和背景分别由高折射率材料和低折射率材料组成；所述高射折射率材料为硅或者折射率大于3以上的介质；所述低折射率材料为空气或者折射率小于1.4的介质。这样选择的原因是利于形成宽的TE禁带。

输入端1位于光子晶格的左端，输出端2位于光子晶格的上方。

光子晶体载波波导为光子晶体中移除部分硅介质柱3后的结构。输入光子晶体波导的端口为输入端，输出光子晶体波导的端口为输出端。谐振腔位于输入光子晶体波导和输出光子晶体波导之间的位置。缺陷介质柱5位于谐振腔4的中心位置，该缺陷介质柱两端镀有银电极并且与方波信号发生器通过导线相连。由输入端1输入TE光，方波信号发生器7输出极性不同的方波控制信号，TE信号光通过谐振腔耦合进入输出端2。如图2所示，偏置电路包括一个方波信号发生器7和导线6。所述方波信号发生器7的一端通过导线6与缺陷介质柱5的一端银电极相连；方波信号发生器7的另一端通过导线6与缺陷介质柱5的另一端银电极相连。

如图3所示，本发明采用笛卡尔直角坐标系，X轴正方向为水平向右，Y轴正方向为在纸面内竖直向上，Z轴正方向为垂直纸面向外。如图3所示，本发明器件的相关参数为：a为光子晶体晶格常数，硅介质柱的半径R=0.3a，缺陷介质柱的半径r=0.2a，输入端1和输出端2的波导宽度d

本发明的光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，硅介质柱的半径为0.3a。采用平面波展开法可以计算得到光子晶体中TE禁带参数。其中一个TE禁带为0.41至0.513（ωa/2πc）。在其中间的任何频率的光波将被限制在光子晶体载波波导中。

本发明所使用的光子晶体波导需要删除部分介质柱而形成导波波导。波导平面垂直于光子晶体中的介质柱的轴线。谐振腔为输入光子晶体波导和输出光子晶体波导之间中心的背景硅介质柱去掉加上缺陷介质柱后形成的。缺陷介质柱的光轴和背景硅介质柱方向一致。

本发明的原理介绍主要针对导电细丝的形成和破灭以及对光传输特性的影响加以解释。导电细丝的形成和破灭是在阻变存储器中发现的一种现象。阻变存储器在外加电场的作用下，活性电极会在阻变存储器的介质中发生电化学氧化还原反应，最终在介质内形成连通电极的金属导电细丝。理论和实验已经证实导电细丝的形成和破灭的时间最快能够达到ps量级，而且导电细丝形成后很稳定，具有非易失性的特点。本发明中缺陷介质中两端被镀上金属银，在方波信号发生器产生方波脉冲作用于银电极两端时，缺陷介质柱内会形成银导电细丝。银导电细丝的形成会改变谐振腔的谐振频率，从而改变输出端口的输出功率。

本发明的光开关一般通过以下方法实现：初始时刻，缺陷介质柱内没有形成导电细丝，此时与谐振腔谐振频率一致的光信号能够耦合进入谐振腔内并从输出波导输出，输出波导的光波功率比较大，此时开关处于开态。当方波信号发生器产生一个正向方波信号作用于缺陷介质柱两端时，由于银在电场作用下会发生电化学氧化还原反应，并在介质柱内形成连通两端电极的导电细丝，此时谐振腔的谐振频率就会发生变化，原来的波长就无法耦合进入谐振腔，所以输出波导的输出光波功率很低，此时开关处于关态。由于导电细丝形成后比较稳定，所以即使没有外界电场，开关依然会处于关态，这样开关就具备非易失性的特点。当方波信号发生器产生负向方波信号作用于缺陷介质柱两端时，由于同样的因素，缺陷介质内已经形成的导电细丝会从介质内断裂并逐渐消失，这样谐振腔的谐振频率又会回到原来的频率。曾经被关闭的光波又可以通过谐振腔正常的从输出端口输出，这样开关又处于开态了。另外，由于本结构所用的材料都是硅、二氧化硅等与现有半导体工艺兼容的材料，所以本器件非常有利于和现有光电子技术相兼容和集成。同时，光子晶体结构可以通过增减介质柱实现器件的结构变化，光子晶体波导的结构也可以压缩或者增大，所以本器件具有短程高效的特点。

对于晶格常数和工作波长λ的选取，可以采用以下方式确定：

；

其中，λ、

本发明中正方晶格硅结构的光子晶体的一个归一化禁带频率范围

如图4所示，通过控制方波信号发生器输出极性不同的方波信号，得到光功率的输出波形。其中，τ

光开关的参数：开关对比度（消光比）定义为10log（导通时输出端的输出功率/断开时输出端的输出功率）=10log（P

实施例1

一种电化学金属化的单通道正方晶格光子晶体非易失性光开关，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法可以实现不同波长的光开关功能。另参数a=0.4μm，R=0.3a，r=0.2a，d1=1.4a，归一化光波频率ωa/2πc=0.4405，其他参数不变，使其对应908nm的光波。通过仿真计算得到对应归一化频率0.4405附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图5所示。根据图5中数据计算可得908nm的光波对应的开关消光比可达21dB。

实施案例2

一种电化学金属化的单通道正方晶格光子晶体非易失性光开关，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法可以实现不同波长的光开关功能。另参数a=0.45μm，R=0.3a，r=0.2a，d1=1.4a，归一化光波频率ωa/2πc=0.4405，其他参数不变，使其对应1021nm的光波。通过仿真计算得到对应归一化频率0.4405附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图6所示。根据图6中数据计算可得1021nm光波对应的开关消光比可达21dB。

实施案例3

一种电化学金属化的单通道正方晶格光子晶体非易失性光开关，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法可以实现不同波长的光开关功能。另参数a=0.5μm，R=0.3a，r=0.2a，d1=1.4a，归一化光波频率ωa/2πc=0.4405，其他参数不变，使其对应1135nm的光波。通过仿真计算得到对应归一化频率0.4405附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图7所示。根据图7中数据计算可得1135nm光波对应的开关消光比可达21dB。利用有限元分析软件可以得到光开关在开态和关态时的电场分布图，如图8所示。可以看出开关在开时，光能大部分都能有效通过输出端口，在开关关闭时，几乎没有光能从输出端口输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。