[发明专利]基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关

权利要求书

1.一种基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，包括底层的硅波导(101)，以及集成在该硅波导(101)上的中间层氮化硅波导(102)和顶层氮化硅波导(103)；

所述的硅波导(101)按横向排布，顶层氮化硅波导(103)按纵向排布，构成三维波导交叉结(201)；所述的硅波导(101)的一端作为光信号的输入端，另一端作为直通端；所述的中间层氮化硅波导(102)通过90°弯曲构成氮化硅转向波导(104)，通过360°弯曲构成氮化硅微环(105)；所述的顶层氮化硅波导(103)的一端通过氮化硅-氮化硅波导层间耦合器(202)与所述的氮化硅转向波导(104)相连，所述的氮化硅转向波导(104)通过氮化硅-硅波导层间耦合器(203)与另一条所述的硅波导(101)的一端相连，该硅波导(101)的另一端作为交叉端；所述的顶层氮化硅波导(103)的另一端通过氮化硅-氮化硅波导层间耦合器(202)与所述的氮化硅转向波导(104)相连，该所述的氮化硅转向波导(104)通过氮化硅-硅波导层间耦合器(203)与另一条所述的硅波导(101)的一端相连，该硅波导(101)的另一端作为上载端；N个所述的氮化硅微环(105)串联构成级联氮化硅微环(301)，N≥1；利用所述的硅波导(101)在所述的氮化硅微环(105)下方弯曲成环形并进行掺杂，构成波导型微加热器(302)，通过给波导型微加热器(302)加电产生热量，改变氮化硅微环(105)的谐振波长，进而对工作波长上的光信号实现开关切换。

2.根据权利要求1所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，所述的硅波导(101)和中间层氮化硅波导(102)在高度方向间距小于0.5μm，所述的中间层氮化硅波导(102)和顶层氮化硅波导(103)在高度方向间距小于0.5μm，所述的硅波导(101)和顶层氮化硅波导(103)在高度方向间距大于0.8μm，确保三维波导交叉结(201)损耗低。

3.根据权利要求1所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，所述的波导层间耦合器(202、203)由不同高度的两个反向锥形波导构成，采用倏逝波耦合原理，设计两个锥形波导的宽度和长度，可以实现低损耗的层间耦合。

4.根据权利要求1所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，通过设计级联氮化硅微环(301)中各氮化硅微环(105)之间的耦合系数，级联氮化硅微环(301)和硅波导(101)、顶层氮化硅波导(103)的耦合系数，实现平坦的光谱响应，并增加器件的工作带宽。

5.根据权利要求1所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，所述的波导型微加热器(302)直接由硅波导掺杂构成，其结构与所述的氮化硅微环(105)相同，尺寸略比氮化硅微环(105)小，实现低功耗热移相。

6.根据权利要求5所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，所述的波导型微加热器通过在加热区波导附近刻蚀空气槽，可以减少热量向周围扩散，还可以进一步刻蚀掉波导下方的硅衬底来防止热量从衬底散失。

7.根据权利要求1所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，采用氮化硅波导(102)构成级联氮化硅微环(301)，具有较高的工艺容差，不需要额外的功耗来补偿工艺误差导致的谐振波长偏移；在不加电情况下，级联氮化硅微环(301)的谐振波长不在工作波长上，输入光信号从直通端输出；在加电情况下，级联氮化硅微环(301)的谐振波长红移到工作波长上，输入光信号从交叉端输出，实现开关切换。

8.根据权利要求1所述的基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关，其特征在于，各波导层之间通过二氧化硅隔离。