基于相变材料的通路可编程式光开关阵列及光开关芯片

技术领域

本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列及光开关芯片。

背景技术

传统的光开关方案大多基于硅基光电子技术的热光调谐或电光调谐原理，采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构或微环（MRR）结构实现的。这些方案能够较好地与CMOS工艺兼容，能够在相对较小的体积（百微米级）上实现较快的开关速度（微秒量级），但也存在以下不足：

1、光开关芯片的损耗和串扰较大。硅波导的传输损耗较大（通常约为3dB/cm），且载流子色散效应电光调谐时对光的隔离度较低，串扰较大。

2、光开关芯片的驱动功耗较高，具有易失性。热调和电调都需要消耗很大的功耗来保持某一种开关状态，断电后开关状态无法保持。

3、开关单元调谐效率低，尺寸较大。为了达到π相位的变化，需要几百微米长度，导致光开关尺寸较大、集成度较低。此外，在进行大规模阵列集成的过程中，不仅损耗、串扰、功耗等方面的问题会指数级积累，还需保持相当高的晶圆均匀性和低缺陷，以确保大尺寸芯片中各个单元器件性能的一致性、重复性以及光路的连续性，这对芯片的加工工艺的精度要求十分严苛。这些问题的存在大大限制了传统硅基光开关规模化拓展，降低了它在光通信系统中的实用性。

现有的基于相变材料的光开关技术：相变材料具有读写速度快（纳秒量级）、循环次数高、非易失性等特点，可与现有的CMOS工艺兼容，技术实现难度和产业成本较低。相变材料在晶态和非晶态时折射率差别巨大，利用两种不同状态造成的折射率差异可实现光开关效果，可以通过热、光、电等多种方式诱导进行相变。相变材料在室温下可以保持其相变后的状态，且具有稳定的折射率，其稳定的折射率对于光场的静态非易失性的影响不需要静态偏置电压的保持。因此基于相变材料的光开关的理论静态控制能耗为零，大大降低了系统的能耗，也提高了系统的耐久性，强稳定性和对环境的适应性，这些特性使得相变材料有潜力成为新兴高性能光开关的基础功能材料。例如中国专利CN202011539328.2采用基于相变材料的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构实现，中国专利CN201910516164.2、CN20231017656.4采用基于相变材料的微环（MRR）结构实现。

目前基于相变材料的光开关还存在以下问题：

1、等离子体电致相变优点在于调控所需能量小，器件尺寸小，但对光路的静态插损大，不适于集成；

2、氮化钛（TiN）微型加热器致相变的方案器件尺寸较大，集成度低。

中国专利申请CN202111463034.0中提出了一种光开关阵列，采用微环光波导的结构，将输入光波导和第三输出光波导分别置于微环光波导的两侧，并在微环光波导的其中一段表面覆盖相变材料层。但是这种光开关阵列的通路不够灵活，输入侧与输出侧的通道无法复用，如果需要规模较大的光开关阵列，这会导致整个光开关芯片的面积过大，同时在实际应用中不同业务需求下往往需要更换不同输入输出通道数的光开关，通道配置不够灵活，导致成本增加。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列及光开关芯片。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列，包括：

一组环形光波导，相邻的所述环形光波导紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从其中一个环形光波导渐逝耦合到另一个环形光波导；相邻的所述环形光波导之间具有沉积在两者之上的相变材料层，通过控制相变材料的状态来调节含相变材料的两个相邻的环形光波导的折射率，从而控制光信号的传输路径；

一组第一光波导，分别包括两个光信号端口， 所述第一光波导与相邻的两个所述环形光波导紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从所述第一光波导渐逝耦合到相邻的两个所述环形光波导；所述第一光波导与相邻的两个所述环形光波导之间分别具有沉积在两者之上的相变材料层，通过控制相变材料的状态来调节含相变材料的第一光波导与相邻的所述环形光波导的折射率，从而控制光信号的传输路径；

一组第二光波导，分别包括两个光信号端口， 所述第二光波导与相邻的两个所述环形光波导紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从所述第二光波导渐逝耦合到相邻的两个所述环形光波导；所述第二光波导与相邻的两个所述环形光波导之间具有分别沉积在两者之上的相变材料层，通过控制相变材料的状态来调节含相变材料的第二光波导与相邻的所述环形光波导的折射率，从而控制光信号的传输路径；

所述第一光波导位于所述环形光波导的一侧，所述第二光波导位于所述环形光波导的另一侧；所述光信号端口均可选择性地作为光信号输入端口或光信号输出端口；

每个所述环形光波导内均设有电极，用于向所述相变材料层通入持续时间在纳秒级的电脉冲。

优选的，所述电极包括正电极和负电极，所述负电极位于所述环形光波导的圆心处，所述正电极紧邻于每个相变材料层。

优选的，所述相变材料层的相变材料在CMOS工作温度范围内常压下至少存在两种稳定状态，包括晶态和非晶态。

优选的，所述相变材料层的相变材料在其不同稳定状态（含晶态与非晶态）之间具有折射率的差异。

优选的，所述相变材料层的相变材料在其晶态与非晶态之间的任意状态（含晶态与非晶态）下对大于1000nm波长的光具有低消光系数（k），消光系数小于0.1。

优选的，所述相变材料层的相变材料由包含锑的硫族化合物形成或包含所述硫族化合物，如硒化锑（Sb

优选的，所述相变材料层的表面覆盖有防氧化层，所述防氧化层的材料为二氧化硅（SiO

优选的，相邻的两个所述第一光波导紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从其中一个第一光波导渐逝耦合到另一个第一光波导；相邻的两个所述第一光波导之间具有沉积在两者之上的相变材料层，所述第一光波导的其中一个或多个内设有电极，所述电极包括正电极和负电极，用于向所述相变材料层通入持续时间在纳秒级的电脉冲，进而通过控制所述相变材料的状态来控制光信号的传输路径。

优选的，相邻的两个所述第二光波导紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从其中一个第二光波导渐逝耦合到另一个第二光波导；相邻的两个所述第二光波导之间具有沉积在两者之上的相变材料层，所述第二光波导的其中一个或多个内设有电极，所述电极包括正电极和负电极，用于向所述相变材料层通入持续时间在纳秒级的电脉冲，进而通过控制所述相变材料的状态来控制光信号的传输路径。

本发明还揭示了一种光开关芯片，包括衬底和掺杂硅，所述衬底和掺杂硅上集成有如上任意一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列。

本发明的有益效果主要体现在：提供了一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列，属于一种新型的光开关设计架构，通过采用相变材料，可以有效降低能耗，并且在保证较小插损的前提下使得电致相变性能达到更优；更重要的是其整体波导设计架构为环形，可以最大程度上缩小半导体器件的尺寸，同时在应用中可以对输入输出通道实时进行可编程式复用，避免在不同业务需求下需要更换不同输入输出通道数的光开关的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的基于相变材料的通路可编程式光开关阵列的结构示意图；

图2：本发明的基于相变材料的通路可编程式光开关阵列的第二实施例的结构示意图；

图3：本发明的基于相变材料的光开关单元的控制示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明提供了一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列及光开关芯片的设计思路，其原理是采用环形的设计架构，将用于作为输入输出通路的光波导分别置于环形光波导的两侧，并且相邻光波导（例如环形光波导和通路光波导）之间具有沉积在两者之上的相变材料层；每个所述环形光波导内均设有用于控制相变材料的状态的电极，光波导之间通过控制相变材料的状态来调节含相变材料的两个相邻的光波导的折射率，从而控制光信号的传输路径。

具体如图1所示，本发明提供的一种基于相变材料的通路可编程式光开关阵列，包括：

一组环形光波导1，相邻的所述环形光波导紧靠（或距离足够近），形成渐逝波耦合，使得光信号能够从其中一个环形光波导渐逝耦合到另一个环形光波导；相邻的所述环形光波导1之间具有沉积在两者之上的相变材料层4，通过控制相变材料4的状态来调节含相变材料的两个相邻的环形光波导1的折射率，从而控制光信号的传输路径；

一组第一光波导2，分别包括两个光信号端口a、a’，所述第一光波导2与相邻的两个所述环形光波导1紧靠（或距离足够近），形成渐逝波耦合，使得光信号能够从所述第一光波导2渐逝耦合到相邻的两个所述环形光波导1；所述第一光波导2与相邻的两个所述环形光波导1之间分别具有沉积在两者之上的相变材料层4’，通过控制相变材料4’的状态来调节含相变材料的第一光波导与相邻的所述环形光波导的折射率，从而控制光信号的传输路径；

一组第二光波导3，分别包括两个光信号端口b、b’， 所述第二光波导3与相邻的两个所述环形光波导1紧靠（或距离足够近），形成渐逝波耦合，使得光信号能够从所述第二光波导3渐逝耦合到相邻的两个所述环形光波导1；所述第二光波导3与相邻的两个所述环形光波导1之间具有分别沉积在两者之上的相变材料层4’’，通过控制相变材料4’’的状态来调节含相变材料的第二光波导与相邻的所述环形光波导的折射率，从而控制光信号的传输路径。

每个所述环形光波导1内均设有电极，用于向所述相变材料层4、4’、4’’通入持续时间为纳秒级的电脉冲。所述电极包括正电极5和负电极6，所述负电极6位于所述环形光波导1的圆心处，所述正电极5紧邻于每个相变材料层4、4’、4’’。这样的目的是能够最大程度的节省器件空间，一个环形光波导上的所有光开关单元可共用一个负电极。需要说明的是，每一个相变材料需要有电互连结构（金属互连层）连接到正负电极上。因为在芯片制作过程中，波导层和电互连结构不在同一层，因此示意图中仅仅作为原理示范性地展示了一组电互连器件10。

为了能更清楚地阐述本发明的光开关的控制方式，本发明采用的基于相变材料的光开关单元200的工作原理如图3所述，两根相邻的光波导201-1、201-2具有a、b、c、d四个光信号端口，即图3中的光波导可以是环形光波导1、第一光波导2、第二光波导3的其中能相邻的两个。光信号端口既可以作为光信号输入端口，又可以作为光信号输出端口。

当光信号从任意光信号端口输入时，持续时间在纳秒级的电脉冲信号通过外部连接线207分别加载在正电极206和负电极205上，并通过电互连器件203经由芯片内部的通孔发送至调制器202的掺杂区域204-1、204-2上，所述电互连器件203经过通孔与掺杂区域形成欧姆接触或肖特基接触，最终电脉冲信号的能量会转换成热能对相变材料进行调制，通过改变相变材料的状态来调节含相变材料的光波导的折射率，从而控制光信号传播方向在波导上的切换，形成光开关路由的效果。

本发明中，所述相变材料层4、4’、4’’的相变材料由包含锑的硫族化合物形成或包含所述硫族化合物，如硒化锑（Sb

在本优选实施例中，所述第一光波导2位于所述环形光波导1的一侧，所述第二光波导3位于所述环形光波导1的另一侧。本实施例中，所述第一光波导2的光信号端口a、a’与所述第二光波导3的光信号端口b、b’的朝向相反，这是为芯片布线方便。当然第一光波导2和第二光波导3呈角度设置在所述环形光波导1的两侧，或者两者的光信号端口同向设置也在本发明的保护范围之内。

由于采用基础的环形构架，光信号可以从任意一个通道进入，也可以从任意一个通道输出，因此每一个通道既可以是输入通道，也可以是输出通道。即光信号端口a、a’、b、b’，可以主动编程选择性形成光信号输入端口或光信号输出端口。

如图1中所述的实施例，总共有8个光信号端口，形成了8个光通道。实际控制中可以通过控制相变材料的状态形成为4输入*4输出的光开关，也可以形成为2输入*6输出的光开关，或者其他形式。在这种示例下，本领域技术人员可以容易想到：所述环形光波导1的数量可以是1个、2个、3个、4个，或者多个；所述第一光波导2、第二光波导3的数量可以是1个、2个、3个、4个，或者多个。每个环形光波导1上的相变材料的数量可以是1个、2个、3个、4个，或者多个。所述第一光波导2、第二光波导3的位置可以变换，例如等角度旋转排列，或者同向排列等。在不同的实施例中，光信号端口、光通道可以有任何尺寸、形状、数量和配置。

如图2所示的本发明的第二实施例，相邻的两个所述第一光波导2紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从其中一个第一光波导渐逝耦合到另一个第一光波导；相邻的两个所述第一光波导2之间具有沉积在两者之上的相变材料层4’’’。在此基础上，所述第一光波导2的其中一个或多个内可选择地设有电极，所述电极包括正电极5和负电极6，用于向所述相变材料层4’’’通入持续时间在纳秒级的电脉冲，进而通过控制所述相变材料的状态来控制光信号的传输路径。所述负电极6位于所述环形光波导1的圆心处，所述正电极5紧邻于每个相变材料层4’’’。当然，所述正电极5和负电极6的位置也可以变化，例如两者位置相互交换。

同样的，相邻的两个所述第二光波导3紧靠并形成渐逝波耦合，使得光信号能够从其中一个第二光波导渐逝耦合到另一个第二光波导；相邻的两个所述第二光波导3之间也可选择地具有沉积在两者之上的相变材料层4’’’， 所述第二光波导3的其中一个或多个内设有电极，所述电极包括正电极5和负电极6，用于向所述相变材料层4’’’通入持续时间在纳秒级的电脉冲，进而通过控制所述相变材料的状态来控制光信号的传输路径。

以此为基础的图2的实施例中，总共有8个光信号端口，形成了8个光通道。实际控制中如果应用场景中需要形成6输入*2输出的光开关，则光路传输的路径会更短，光开关控制响应速度会更快。

相较于其他的光开关设计结构，本发明能够最大程度地缩小器件尺寸，同时在应用中可以对输入输出光通道实时进行可编程式复用，避免在不同业务需求下需要更换不同输入输出通道数的光开关的问题。

本发明还揭示了一种光开关芯片，包括衬底和掺杂硅，所述衬底和掺杂硅上集成有如上所述的基于相变材料的通路可编程式光开关阵列。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。