[发明专利]一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，包括：硅基衬底；二氧化硅缓冲层，覆盖于硅基衬底上；芯层，镀在二氧化硅缓冲层上；二氧化硅上包层，覆盖于芯层上；以及芯层波导，设置于芯层中，其中，芯层波导包括：两个3dB定向耦合器，组成了马赫‑曾德干涉仪，两个3dB定向耦合器用于实现对TE、TM偏振波的均等分束，包括：150微米的S型弯曲波导和25微米的直波导，以及马赫‑曾德臂直波导，设置于两个3dB定向耦合器之间，用于连接两个3dB定向耦合器。本发明的一种基于氮化硅波导得到偏振无关集成光开关具有结构简单、成本低、高消光比、高偏振无关等优点，在光信号切换处理领域中具有重要的实用价值。

技术领域

本发明涉及一种开关，具体涉及一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法。

背景技术

近年来，由于超高清视频格式的扩展、移动数据流量的增加以及云端密集型数据服务的出现【在先技术1：Kwack M J,Tanemura T,Higo A,et al.Opt.Express.20(27),28734-41(2012)】，通信网络带宽和容量规模快速增加，网络节点的处理能力一直是信息高速公路的需要解决的问题，基于现有传统光信号处理器件，不仅带宽、速度遇到瓶颈，所消耗的能量也急剧增大，迫切需要研究和发展新型大容量的节点处理技术，开发出超高速低能耗的新型集成光电子器件。光开关可无阻塞地连接任意输入输出光纤之间作为数据交换器件，具有插入损耗低、重复性高、响应速度快等一系列优点，是数据中心光交换系统中重要的器件之一。

在过去的几年里，由于硅光电子学快速发展，以硅为衬底材料的光互连打破了以金属为基底的互连瓶颈。以硅材料为衬底的大量1×N、N×N以及M×N光开关，展现了串扰低、开关动作快、功率消耗低等优秀特性【在先技术2：H.Zhou,J.Yang,M.Wang,et al.OptLetters.37(12),2307(2012)】。硅基集成光电子器件由于其与半导体CMOS工艺兼容的成熟加工方法、低廉的材料成本、优良的光电混合集成特性，在能耗、性能、尺寸和成本等方面优势明显，在制作光开关领域有着重要应用。但是硅光开关还是有许多缺点，第一，硅光开关无法克服其由于热光系数低而导致功率消耗过高的缺陷。第二，现有的硅基光开关具有很强的偏振依赖特性，在未知输入光偏振的情况下，需要额外的偏振控制器件，不但增加了插入损耗并且提高了系统的复杂度，对其大规模应用有所限制。

氮化硅这一硅基材料具有从可见光到中红外光的宽透射谱，其与包覆层的折射率相差约0.5，比绝缘体上硅折射率差值(～2)小，使得波导尺寸在微米量级，相对降低了加工难度；同时又比高折射率玻璃平面光波导折射率差值(～0.1)大，使得器件尺寸相对较小。适中的折射率与器件尺寸也使得氮化硅波导成为十分具有前景的材料。基于氮化硅材料的光学无源器件已经被广泛研究，如偏振分束器、光栅耦合器、高品质因子微环、微盘器件等，但还未见偏振无关的集成光开关的相关报道，因而基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关具有良好的应用前景。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法。

本发明提供了一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，具有这样的特征，包括：硅基衬底；二氧化硅缓冲层，覆盖于硅基衬底上；芯层，镀在二氧化硅缓冲层上；二氧化硅上包层，覆盖于芯层上；以及芯层波导，设置于芯层中，其中，芯层波导包括：两个3dB定向耦合器，组成了马赫-曾德干涉仪，两个3dB定向耦合器用于实现对TE、TM偏振波的均等分束，包括：150微米的S型弯曲波导和25微米的直波导，以及马赫-曾德臂直波导，设置于两个3dB定向耦合器之间，用于连接两个3dB定向耦合器。

在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，马赫-曾德臂直波导上固定有金属加热器，该金属加热器用于控制相位实现对输出路径的切换。