CN101276068B - 基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关。在经过输入端实现功分功能的3dB耦合器分波后，由第一组两个模斑转换结构分别连接到两条狭缝波导结构的干涉臂，然后经第二组两个模斑转换结构，连接到输出端干涉耦合器。通过前后两组模斑转换结构的不同组合，形成任意结构的1×2和2×2光开关。本发明引入狭缝波导，并在狭缝中填充了低折射率的电光材料，扩大了调制手段，变传统的载流子注入的间接电光调制为直接电光调制；此外采用狭缝两侧自然电隔离的硅波导作为电极，缩短了电极与调制区的间距，以上两个特点均能提高开关的调制效率。整个结构尺寸紧凑，兼容于CMOS加工工艺，为单片集成高速电光开关的实现提供了一种新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信器件，特别是涉及一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关。
背景技术
光开关是光通信与光信息处理***中的重要元器件之一。目前已实现的光开关包括传统的机械结构光开关、基于微光机电***开关、液晶光开关、波导型光开关、半导体光放大器光开关等。其中采用集成光子技术研制的波导型光开关具有低驱动电压、紧凑结构、大规模阵列和可集成化的优点，是光开关的重要发展方向。
作为40多年来迅速发展的微电子技术的支柱材料，硅材料(主要是SOI材料)近年来也在集成光子技术中引起越来越多的关注。它的应用领域包括光互连、光通信、光传感等诸多方面。由于可与标准的CMOS工艺相兼容，具有非常广阔的市场前景。且成本低廉，便于实现单片集成与片间互连。但作为集成光子技术的新兴材料，对它的研究还很不成熟。特别是硅基光开关，一直都没有获得很好的性能。
目前硅基光开关最常见的调制方式是热光调制。但由于热光调制速度慢的问题一直没有得到解决，严重限制了其应用范围。要想达到纳秒量级的开关速度必须依靠电光调制。由于硅材料没有直接电光效应，只能通过载流子注入的方法进行间接电光调制，吸收损耗大，消光比低，速度优势不能得到很好的体现。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：
包括输入端实现功分功能的3dB耦合器、输出端干涉耦合器，两条狭缝波导结构的干涉臂和两组模斑转换结构；输入端实现功分功能的3dB耦合器分波后，经第一组两个模斑转换结构分别连接到两条狭缝波导结构的干涉臂，再经第二组两个模斑转换结构后，连接到输出端干涉耦合器。
所述的两条狭缝波导结构干涉臂的狭缝中填充的电光材料为电光聚合物或液晶。
所述的模斑转换结构是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对。
所述的3dB耦合器为1×2多模干涉耦合器(1×2MMI)、2×2多模干涉耦合器(2×2MMI)、Y分支或方向耦合器；干涉耦合器为2×2多模干涉耦合器、X结或方向耦合器；不同的3dB耦合器和不同的干涉耦合器间其相互组合分别构成1×2和2×2的光波导光开关。
所述的由干涉臂狭缝两侧的硅波导作为对狭缝中电光材料实施调制的电极。
本发明具有的有益效果是：
本发明引入狭缝波导的概念后，由于在狭缝中可以填充任意性质的低折射率材料，大大丰富了可以采用的调制手段。在开关的调制方式上，变传统的载流子注入的间接电光调制为直接电光调制；并采用狭缝两侧自然电隔离的硅波导作为电极，缩短了电极与调制区的间距，以上两个特点均能提高开关的调制效率。整个结构尺寸紧凑，兼容于CMOS加工工艺，为单片集成的高速电光开关的实现提供了一种新的途径。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A’的结构剖面图；
图3是图1的B-B’的结构剖面图；
图4是引入单根硅波导组成锥形渐变波导对的模斑转换结构的示意图；
图5是同时引入两根硅波导组成锥形渐变波导对的模斑转换结构的示意图；
图6是由Y分支和X结构成的1×2光开关的结构示意图；
图7是由1×2MMI和2×2MMI构成的1×2光开关的结构示意图；
图8是由两个方向耦合器构成的2×2光开关的结构示意图；
图9是由两个2×2MMI构成的2×2光开关的结构示意图；
图中：1、3dB耦合器，2、模斑转换结构，3、狭缝波导结构的干涉臂，4、干涉耦合器，5、干涉臂狭缝两侧的硅波导，6、干涉臂的狭缝，7、输入输出单模硅波导，8、引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，9、两根硅波导组成的锥形渐变波导对，10、Y分支，11、X结，12、宽芯波导，13、窄芯波导，14、2×23dB多模干涉耦合器，15、2×2多模干涉耦合器，16、1×2多模干涉耦合器，17、方向耦合器，18、SOI材料的二氧化硅缓冲层，19、SOI材料的硅衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1所示，本发明包括输入端实现功分功能的3dB耦合器1、输出端干涉耦合器4，两条狭缝波导结构的干涉臂3和两组模斑转换结构2；输入端实现功分功能的3dB耦合器1分波后，经第一组两个模斑转换结构2分别连接到两条狭缝波导结构的干涉臂3，再经第二组两个模斑转换结构2后，连接到输出端干涉耦合器4。
参照图2、图3所示，本发明是以SOI材料为平台，以有机电光材料为干涉臂狭缝填充物质，通过对其进行电光调制实现开关功能的马赫-曾德(MZ)型硅光波导开关。本发明中硅波导高度h均为300纳米，输入输出单模波导7宽度Wd均为400纳米。干涉臂的狭缝6宽度ds均为140纳米，狭缝两侧波导5宽度dc均为250纳米。利用狭缝波导的特性，在干涉臂的狭缝6中间填充以不同的电光材料，实现对干涉臂的直接电光调制。本发明采用了电光聚合物DR1/PMMA和液晶材料。
参照图4、图5所示，对于单模波导-狭缝波导-单模波导的模斑转换结构2，本发明使用了引入单根硅波导构成互补锥形渐变波导对8，以及同时引入两根硅波导构成锥形渐变波导对9这两种结构.
所述的3dB耦合器1为1×2多模干涉耦合器16、2×2多模干涉耦合器14、Y分支10或方向耦合器17；干涉耦合器4为2×2多模干涉耦合器15、X结11或方向耦合器17；不同的3dB耦合器1和不同的干涉耦合器4间其相互组合分别构成1×2和2×2的光波导光开关。
以下为本发明的实施例，但对本发明的实施并不仅限于以下这些实施例：
实施例1：
参见图6所示，采用Y分支及X结构成的1×2光开关。取顶层硅厚度为500纳米，二氧化硅缓冲层18厚度为2微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括起分波功能的Y分支10，引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对9模斑转换结构2，狭缝波导结构的干涉臂3，和起合波作用的X结11。通过旋涂覆盖上电光聚合物DR1/PMMA作为上包层，并填充进干涉臂的狭缝。狭缝两侧的硅波导5直接作为电极。
在未加相位调制时，导波从宽芯波导12输出；当其中一支干涉臂经电光调制产生π相移时，相差为π的两路光经非对称X结11会接后从窄芯波导13输出。从而完成开关功能。
实施例2：
参见图7所示，MMI-MZI型1×2光开关。取顶层硅厚度为500纳米，二氧化硅缓冲层18厚度为2微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括起分波功能的1×2MMI 16，引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对8模斑转换结构2，狭缝波导结构的干涉臂3，和起合波作用的2×2MMI 15。将器件浸入液晶中，使其作为上包层，并填充进干涉臂的狭缝。狭缝两侧的硅波导5直接作为电极。
未加调制时，光从交叉态端口输出。如果在其中一个相移臂上施加调制，使其产生π的相移，两束光的相差就是-π/2，光从直通态输出。
实施例3：
参见图8所示，方向耦合器构成的2×2光开关。取顶层硅厚度为500纳米，二氧化硅缓冲层18厚度为2微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括起分波功能的第一个方向耦合器17，引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对9模斑转换结构2，狭缝波导结构的干涉臂3，和起合波作用的第二个方向耦合器11。通过旋涂覆盖上电光聚合物DR1/PMMA作为上包层，并填充进干涉臂的狭缝。狭缝两侧的硅波导5直接作为电极。
未经调制时，导波从交叉态输出。当其中一支干涉臂施加了π相位调制时，导波从直通态输出。
实施例4：
参见图9所示，MMI-MZI型2×2光开关。取顶层硅厚度为500纳米，二氧化硅缓冲层厚度为2微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括起分波功能的2×2MMI 14，引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对8模斑转换结构2，狭缝波导结构的干涉臂3，和起合波作用的2×2MMI 15。将器件浸入液晶中，使其作为上包层，并填充进干涉臂的狭缝。狭缝两侧的硅波导5直接作为电极。
未经调制时，光从交叉态端口输出。如果在其中一个相移臂上施加调制，使其产生π的相移，两束光的相差就是-π/2，光从直通态输出。
Claims (5)
1.一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关，由SOI材料的顶层硅材料制成，包括输入端实现功分功能的3dB耦合器(1)、输出端干涉耦合器(4)和两条干涉臂；其特征在于：所述的两条干涉臂均是由狭缝波导构成，各干涉臂两端还具有模斑转换结构(2)；输入端实现功分功能的3dB耦合器(1)分波后，经第一组两个模斑转换结构(2)分别连接到两条狭缝波导，再经第二组两个模斑转换结构(2)后，连接到输出端干涉耦合器;所述的两条狭缝波导的狭缝(6)中填充电光材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关，其特征在于：所述的两条狭缝波导的狭缝(6)中填充的电光材料为电光聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关，其特征在于：所述的模斑转换结构(2)是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对(8)，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对(9)。
4.根据权利要求1所述的一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关，其特征在于：所述的3dB耦合器(1)为1×2多模干涉耦合器(16)、2×2多模干涉耦合器(14)、Y分支(10)或方向耦合器(17)；干涉耦合器(4)为2×2多模干涉耦合器(15)、X结(11)或方向耦合器(17)；不同的3dB耦合器(1)和不同的干涉耦合器(4)间其相互组合分别构成1×2和2×2的光波导光开关。
5.根据权利要求1所述的一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关，其特征在于：干涉臂狭缝(6)两侧的硅波导(5)作为对狭缝中电光材料实施调制的电极。
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