[发明专利]一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关

说明书

本发明提供一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关，包括一硅薄膜基座、一输入波导、一双模混合波导以及一输出波导，其中，硅薄膜基座包括未掺杂区域和重度掺杂区域，双模混合波导中间设有相变材料，输入波导和输出波导分别对称设置于双模混合波导的前后两端，输入波导、双模混合波导和输出波导均设置于未掺杂区域的顶部表面，重度掺杂区域对称地分布于双模混合波导的两侧，且重度掺杂区域分别设有一金属接触区域。本发明提供的光波导开关结构紧凑、尺寸小、消光比高、插入损耗低以及能耗低，具有自保持的特性，以适用于可重构、可多级编程的光子集成电路或光子神经网络中。

技术领域

本发明涉及光学元器件技术领域，具体而言，涉及一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关。

背景技术

随着电子集成电路逐渐达到冯诺依曼数据传输瓶颈，可编程光子集成电路需要具有更大的带宽密度和更高的传输速度，并且不仅限于单一功能。光开关作为可编程光子电路中动态选择光路的关键部件，一般通过热光效应或电光效应实现，但这往往会导致高功耗和大的器件尺寸，此外，这些方法都是易失性的，需要持续的电源来维持特定的状态。

光子电路与功能材料的混合集是丰富光子电路的一个切实可效的方案，相变材料薄膜具有非晶态和晶态之间的高折射率对比和纳秒时间尺度上的可逆切换等优点，且相变材料所保持的相态是非易失的，不需要电源持续维持，通过调控光波导上的相变材料薄膜的相态可以实现对光场调谐，这一特性已经在光开关、光调制器和滤波器等有着广泛应用。然而，这类调谐方式往往是利用薄膜对波导中的倏逝场进行调制，调制的范围有限，同时传统的相变材料，例如Ge₂Sb₂Te₅和Ge₂Sb₂Se₄Te₂等，在晶态有着不可忽视的损耗。

新型硫系二元化合物相变材料Sb₂S₃和Sb₂Se₃，与传统相变材料相比，在晶态和非晶态有着适中的折射率差(～0.6和0.77)以及极低的消光系数 (10^-5)。将这种新型相变材料直接应用在狭缝波导结构中，大大增强了光与材料的相互作用，在不影响器件性能的同时大大缩短器件尺寸。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关，以降低传输损耗和功耗，保持高性能同时实现小尺寸，且便于大规模集成。

为解决上述问题，本发明提供一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关，包括一硅薄膜基座、一输入波导、一双模混合波导以及输出波导，硅薄膜基座包括未掺杂区域和重度掺杂区域，重度掺杂区域包括第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域；输入波导包括第一输入波导和第二输入波导；双模混合波导包括相变材料、第一脊型波导和第二脊型波导，第一脊型波导和第二脊型波导对称地设置于相变材料的两侧；输出波导包括第一输出波导和第二输出波导；其中，输入波导和输出波导分别设置于双模混合波导的两端，第一输入波导、第一脊型波导和第一输出波导依次相连，第二输入波导、第二脊型波导和第二输出波导依次相连，输入波导、双模混合波和输出波导均设置于未掺杂区域的顶部表面，第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域对称地分布于双模混合波导的两侧，且第一重度掺杂区域和第二重度掺杂区域的顶表面分别设有一金属接触区域。重度掺杂区域和金属接触区域用于施加不同的电脉冲，以实现相变材料在晶态和非晶态之间的转变，通过切换相变材料的相态状态，从而调控光路，实现开关路由。本发明提供的光波导开关结构紧凑、尺寸小、消光比高、插入损耗低以及能耗低，具有自保持的特性，可适用于可重构、可多级编程的光子集成电路或光子神经网络中。

进一步地，第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导和第二输出波导均呈S弯型，且第一输入波导和第二输入波导的S弯型对称设置，第一输出波导和第二输出波导的S弯型对称设置。

进一步地，第一输入波导和第一输出波导对称地设置于双模混合波导的两端，第二输入波导和第二输出波导对称地设置于双模混合波导的两端。