[发明专利]基于狭缝波导的数字型硅光波导开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信器件，特别是涉及一种基于狭缝波导的数字型硅光波导开关。

背景技术

光开关是光通信与光信息处理系统中的重要元器件之一。目前已实现的光开关包括传统的机械结构光开关、基于微光机电系统开关、液晶光开关、波导型光开关、半导体光放大器光开关等。其中采用集成光子技术研制的波导型光开关具有低驱动电压、紧凑结构、大规模阵列和可集成化的优点，是光开关的重要发展方向。

波导型光开关可分为定向耦合器型、干涉型、数字型等类型。其中数字型光开关属于双稳态结构，驱动功率达到一定值时开关达到稳定状态。即随着驱动功率的继续增加，被传输的光只从一个端口输出而不会像干涉型器件那样周期性地在两个端口交替输出。这种开关特性有利于器件结构设计简化，对于工艺精度要求也小于其他两种类型开关。同时器件驱动电路的设计无需精确的驱动功率，控制电路适合光通信系统中应用。它的缺点是分支角度比较小，器件长度非常长，不利于单片集成。

硅材料(主要是SOI材料)作为40多年来迅速发展的微电子技术的支柱材料，近年来在集成光子技术中引起越来越多的关注。它的应用领域包括光互连、光通信、光传感等诸多方面。由于可与标准的CMOS工艺相兼容，具有非常广阔的市场前景。且成本低廉，便于实现单片集成与片间互连。但作为集成光子技术的新兴材料，对它的研究还很不成熟。特别是硅基光开关，一直都没有获得很好的性能。

目前硅基光开关最常见的调制方式是热光调制。但由于热光调制速度慢的问题一直没有得到解决，严重限制了其应用范围。要想达到纳秒量级的开关速度必须依靠电光调制。由于硅材料没有直接电光效应，只能通过载流子注入的方法进行间接电光调制，吸收损耗大，消光比低，优势不能得到很好的体现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于狭缝波导的数字型硅光波导开关。由狭缝波导结构构成分支臂，在狭缝中填充任意性质的低折射率材料，丰富了调制手段。同时多狭缝的引入可以增大两分支臂的分支间距。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

本发明包括输入波导结构，两根狭缝波导结构的分支臂和输出波导结构；三个结构依次相连，两根狭缝波导结构的分支臂的狭缝两侧的波导为硅波导，狭缝中填充电光材料。

所述两根狭缝波导结构的分支臂的宽度为对称或者非对称，并呈Y型分叉结构。

所述两条狭缝波导结构的分支臂的狭缝中填充的电光材料为电光聚合物或液晶。

所述两条狭缝波导结构的分支臂的狭缝两侧的硅波导作为对狭缝中电光材料实施调制的电极。

所述输入波导结构，包括输入单模波导，第一组模斑转换结构和分支前的一段波导。

所述输出波导结构，包括第二组模斑转换结构和两根输出单模波导。

所述输入波导结构中分支前的一段波导为单狭缝或多狭缝结构。

所述输入波导结构中的第一组模斑转换结构，是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者直接分叉渐变构成的中空波导的第一种模斑转换结构，或者直接分叉渐变构成的中空波导的第二种模斑转换结构；通过第一组模斑转换结构把输入单模波导连接到分支前的一段波导。

所述输出波导结构中的第二组模斑转换结构，是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对；通过第二组模斑转换结构把两根狭缝波导结构的分支臂连接到两根输出单模波导。

本发明具有的有益效果是：

本发明引入狭缝波导的概念后，由于在狭缝中可以填充任意性质的低折射率材料，大大丰富了可以采用的调制手段。在开关的调制方式上，变传统的载流子注入的间接电光调制为直接电光调制；并采用狭缝两侧自然电隔离的硅波导作为电极，缩短了电极与调制区的间距，以上两个特点均能提高开关的调制效率，并有利于缩短器件结构。同时多狭缝的引入与传统Y分支相比，能够在相同器件长度下，增大两根分支臂的分支间距。整个结构兼容于CMOS加工工艺，为单片集成的高速电光开关的实现提供了一种新的途径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A’的结构剖面图。

图3是图1的B-B’的结构剖面图。

图4是图1的C-C’的结构剖面图。

图5是图1的D-D’的结构剖面图。

图6是引入单根硅波导组成锥形渐变波导对的模斑转换结构的示意图。

图7是直接分叉渐变构成的中空波导的第一种模斑转换结构的示意图。

图8是引入两根硅波导组成锥形渐变波导对的模斑转换结构的示意图。