[实用新型]一种多模式切换的1×3光开关

说明书

本实用新型公开了一种多模式切换的1×3光开关。在衬底设置五根平行的条形直波导，其中三根为Si波导，两根为相变材料薄膜和Si复合的波导，形成单直波导区域、上行耦合波导区域和下行耦合波导区域；开关单元由覆盖在光开关耦合区域波导之上的相变材料薄膜控制，通过切换相变薄膜的相态可对输入的电磁场基模，由三根条形波导分别进行基模、一阶模和二阶模的三路选通及模式切换，实现模式分离和复用的光开关切换功能。本实用新型具有模式选通、集成度高、体积小和切换速率高等特点。

技术领域

本实用新型属于光电子技术领域，特别涉及的是一种多模式重构和切换的1×3光波导开关。

背景技术

光开关是模式复用与数据交换的核心单元，目前硅基光波导开关中用于切换光传输的核心部件主要是基于光干涉原理的马赫-曾德尔干涉仪型（参见文献：Lin Y , Zhou T, Hao J , et al. General architectures for on-chip optical space and modeswitching[J]. Optica, 2018, 5(2):180.）和微环谐振器原理型（参见文献：Nikolova D,Calhoun D M, Liu Y, Rumley S, et. Al. Modular architecture for fully non-blocking silicon photonic switch fabric Microsystems Nanoengineering 3 1-916071,2017）的光开波导开关类型。它们主要通过电光调制对干涉臂施加电压引起的折射率变化进而形成相位差。但由于折射率调制较为微弱，造成器件尺寸过大，而且状态需要不断的电压维持致使该器件具有易失性。

随着人们对光开关器件的探索，出现了基于相变材料的光开关。将相变材料覆盖在波导上形成复合波导，利用相变材料在晶态和非晶态可逆复相变，且相变前后可形成巨大的折射率差异来改变光信号的传播路径。将相变材料薄膜用于光波导开关的相移单元，取代干涉臂，制作可重构的模式复用光波导开关单元器件，逐渐浮现。将相变材料覆盖在硅基条形波导上形成复合波导，并利用相变材料在晶态和非晶态可逆复相变和相变前后形成巨大的折射率差异来改变光信号的传播路径。目前，能查到的利用相变材料薄膜与硅基结合的1×3光波导开关的结构（参见文献：He, Jie, Junbo Yang, Hansi Ma, et al.Design of a Multi-Functional Integrated Optical Switch Based on Phase ChangeMaterials, Photonics 2022, 9(320):1-13.)，这一结构包含三根长波导，其中两根为弯曲波导。弯曲波导容易带来更大的光损耗和串扰，并且加大了器件的实验难度，因此也限制了此类光开关的更大的复用和集成度，还有待于进一步开发和利用。

发明内容

本实用新型针对现有现有技术存在的不足，提供一种基于硫族化合相变薄膜的多模式切换的1×3光波导开关，实现单进-三出的多通道选择输入、选通和模式任意切换的功能，具有高消光比、尺寸小、切换速率快等特点。

实现本实用新型目的技术方案是提供一种多模式切换的1×3光开关，包括衬底（9）、Si波导和复合波导，其结构包括由中行Si直波导组成的单直波导区域设置于光开关的中间，一侧为由上行Si直波导和上行复合波导组成的上行耦合波导区域，另一侧为由下行复合波导和下行Si直波导组成的下行耦合波导区域；

各波导相互平行，间距为100～200纳米，Si直波导与复合波导相间分布，上行复合波导位于中行Si直波导的前端区域，下行复合波导位于中行Si直波导的后端区域；

光输入端口和光波的基模输出端口分别设置于中行Si直波导的前、后端；光波的一阶模输出端口设置于上行Si直波导的后端；光波的二阶模输出端口设置于下行Si直波导的后端；

所述的上行复合波导和下行复合波导为在Si波导上沉积或覆盖一层相变材料薄膜构成。