[发明专利]基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关

说明书

一种基于硅‑氮化硅三维集成的微环光开关，由横向排布的硅波导和纵向排布的顶层氮化硅波导构成三维波导交叉结，并与中间层的氮化硅波导级联微环通过竖向耦合形成。利用层间耦合器实现中间层的氮化硅波导与其他两层波导的层间耦合，协助光信号在三层波导之间转换。本发明利用底层硅波导掺杂形成微加热器，通过在掺杂波导两端加电产生热量来调节中间层氮化硅微环的谐振波长，对光信号进行路径切换，具有功耗低的优点。当光信号的波长和微环的谐振波长匹配时，两束相反方向的光信号可同时在该器件中路由。本发明的光开关结构加工容差大，不需要额外的功耗来补偿工作波长偏移，且对温度不敏感，不需要复杂的控制电路。

技术领域

本发明涉及光开关技术领域，具体是涉及一种基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关。

背景技术

大数据时代的到来，推动了高速数据传输在长途光通信链路、短距离数据中心、高性能计算系统乃至芯片间和芯片内光互连等领域的快速发展。随着数据中心集群交换机内数据速率的增加，现有的电交换系统面临功耗和延迟等各方面挑战，越来越依赖高容量的光互连来实现在众多服务器、内存和计算资源之间的通信连接。光开关作为光互连网络中的关键一环，研制高速、低损耗、低功耗、高传输带宽的大规模光开关对于未来数据中心网络的发展具有重要意义。硅基光子器件的制造工艺与成熟的CMOS工艺兼容，从而具有小尺寸、低功耗、低成本等优势，具备集成实现大规模光开关的潜力。

近年来，硅基光开关得到了广泛的研究。硅基光开关单元主要包括马赫-曾德尔干涉仪和微环谐振器两种结构。基于马赫-曾德尔干涉仪的光开关具有大传输带宽，可以实现多个通道的开关切换，但实现光开关状态切换所需要的移相器尺寸较大。与之相比，基于微环谐振器的光开关因其谐振特性具有小尺寸、低功耗等优势，更适用于大规模扩展。但微环的谐振波长容易受工艺误差和环境温度的影响，在实际应用中需要对微环进行动态反馈调节。单个微环的传输谱线为洛伦兹型，带宽较窄，为提高频谱带宽可以采用多个微环串联或并联级联的结构，但会增加结构复杂度和加工难度。氮化硅波导和硅波导相比，和包层材料的折射率对比度小，因此波导尺寸的制备容差大，而且氮化硅的热光系数较小，对温度不敏感，可用于解决硅基微环光开关面临的问题。氮化硅波导能够与硅基光电子常用的绝缘体上硅集成，为硅光器件设计提供了一个新的维度。

大规模光开关由若干个单元器件组成，单元器件之间通过波导连接。当单元器件的规模达到一定程度时，连接波导之间不可避免的会产生大量的波导交叉，光场在波导交叉区域发生散射，导致严重的损耗和串扰。多伦多大学的研究人员提出了多层硅基氮化硅集成平台，通过在硅波导层上集成两层氮化硅波导，利用硅波导和顶层氮化硅波导的间距来实现低损耗的波导交叉，并用中间层的氮化硅波导来实现光信号在三层波导间的传输。利用上述硅-氮化硅立交桥式的波导交叉方案，损耗相较于传统的平面波导交叉优化结果降低一个数量级。日本先进工业研究院和哥伦比亚大学的研究人员先后报道了基于硅-氮化硅集成平台上的光开关，但由于仅用一层氮化硅波导难以同时实现低损耗的波导交叉和高效的层间传输，没能体现优势。

多层硅基氮化硅集成平台的出现，对于解决大规模光开关的诸多问题是非常有利的，但现有的实施方案尚不成熟，暂时没有充分发挥该集成平台优势的光开关设计方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于硅-氮化硅三维集成的掺杂硅加热器型微环光开关。该光开关结构简单，稳定性好，不需要额外的功耗来补偿工艺误差，易于扩展成大规模光开关。本发明能够充分发挥三维集成平台的优势，同时实现低损耗的无源器件和高性能的有源器件，有利于推进片上光电子集成器件的发展。

本发明所采用的技术方案为：