[发明专利]基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关

说明书

本发明公开了一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，包括衬底层，下包层和上覆盖层；在下包层上铺有左侧掺杂平板波导层和右侧掺杂平板波导层，左侧掺杂平板波导层上设有左侧电极和输入波导；右侧掺杂平板波导层上设有右侧电极和主干波导；采用基于ENZ‑ITO的水平MOS电容器，通过调整外加电压，调节ITO层的双载流子积聚层的浓度，达到快速相变来实现模式复用的状态转换，实现了高速开关转换，提高了光与物质互作用，为片上模式复用技术打下良好基础，进一步实现应用于模分复用网络的灵活模式路由，为实现光通信、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。

技术领域

本发明涉及光通信器件，尤其涉及一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关。

背景技术

模分复用技术(Mode-division multiplexing，MDM)对于克服通信瓶颈，提高光传输网络的容量具有重要的应用前景。硅光子学具有结构紧凑、成本低廉、与CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)工艺兼容的光学器件等优点。为了构建片上MDM系统，出现了各种基于硅的构建模块，包括模式复用器/解复用器、多模功率分流器、模式过滤器、多模弯曲波导/交叉波导和模式选择开关(MSS)。在这些器件中，MSS是实现可重构MDM网络的灵活模式路由和交换的基本和关键组件。

最近，一些建立硅可重构MDM网络的MSS方法已被报道，包括微环谐振腔(MRRs)，马赫-曾德尔干涉仪(MZIs)，多模干涉(MMI)耦合器，和三维波导耦合器(TWCs)：具体包括一种基于MRRs的1×2的多模开关，一种基于MMI耦合器和移相器的MSS和热光相位转换器，一种采用相变材料(PCMs)和透明导电氧化物(TCOs)，组成的基于TWC的构型。

尽管这几种方案串扰低、插入损耗小、转换速度快、尺寸小，但是这些方案有的由于临界谐振条件的存在，MRRs可能会使工作带宽退化；有的由于传统的电光和对硅的影响，导致电光的尺寸较大或移相器实现本质的相变；还有的结构设计灵活性有限，可能与其他片上元件不兼容。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，通过外加栅压调节ITO双积聚层的载流子浓度，实现理想开关状态。

技术方案：一种基于水平三波导耦合器的硅基模式选择开关，包括衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上设有左侧第一掺杂平板波导层，左侧第二掺杂平板波导层，右侧第一掺杂平板波导层以及右侧第二掺杂平板波导层，在所述左侧第一掺杂平板波导层和左侧第二掺杂平板波导层之间，设有输入波导，在所述右侧第一掺杂平板波导层和右侧第二掺杂平板波导层之间，设有主干波导，在所述左侧第二掺杂平板波导层和右侧第二掺杂平板波导层之间，设有中心电容器；所述左侧第一掺杂平板波导层上设有左侧电极，所述右侧第一掺杂平板波导层上设有右侧电极；

具体的，所述中心电容器包括中心电容器左侧掺杂硅层、中心电容器左侧HfO₂、中心电容器左侧ITO层、中心电容器右侧HfO₂层和中心电容器右侧掺杂硅层，上述各材料层沿下包层的水平方向依次连接，构成双载流子积聚层；其中，所述中心电容器左侧掺杂硅层通过左侧第二掺杂平板波导层与输入波导相连接，中心电容器右侧掺杂硅层通过右侧第二掺杂平板波导层与主干波导相连接，输入波导通过左侧第一掺杂平板波导层与左侧电极相连接，主干波导通过右侧第一掺杂平板波导层与右侧电极相连接；在所述左侧电极、右侧电极及中心电容器的左侧ITO层上加外加电压。所述下包层上覆盖有上覆盖层。

优选的，所述中心电容器左侧ITO层的构成材料为铟锡氧化物ITO、石墨烯、G₂S₂T₅和G₂S₂S₄T₁。

更进一步的，所述主干波导中的模式为任意高阶模式。

有益效果