CN109655975B - 一种基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件。第一输入波导依次与第一耦合波导、第一输出波导相连，第二耦合波导平行布置于第一耦合波导的侧方并依次与S型连接波导、第二输出波导相连，第三耦合波导覆盖于第二耦合波导之上，探测器与第二输出波导相连。光信号沿第一输入波导进入第一耦合波导，第三耦合波导为相位改变材料，通过改变相位改变材料的折射率，使得混合波导的模式与第一耦合波导的模式满足或不满足相位匹配条件，从而使第一耦合波导中的光信号耦合或不耦合到混合波导中，进而使得光监测组件接收或者不接收光信号。本发明可用于偏振复用相干光通信等***，具有工艺简便、结构简单、高消光比等优点。

Description

一种基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件

技术领域

本发明属于光信号监测装置领域，尤其是涉及一种基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件。

背景技术

众所周知，长距离光通信已经取得巨大成功。同样地，光互连作为一种新的互联方式，可克服传统电互联存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。当前光互连不断向超短距离互联推进，其通信容量需求日益增长。现已经成功实现了各种各样的集成器件，包括高速调制器，监测器以及单片集成的激光器等。然而在晶圆尺寸上实现自主光信号监测仍然是为数不多的挑战之一。在实验过程中如果能够识别出部分由于加工误差导致的错误，能够在很大的程度上避免下一步的加工测试进而降低制造成本。因此在大规模的集成光路中，在特定的加工步骤之后，对某些光学器件或者独立元件的监测是必不可少的，以便能够及早发现具有不良工作状态的器件。

在器件的性能要求方面，检测点一般级联于器件本身之上或者器件周围，用于对光波导中信号的强度进行监测，目前常用的几种监测方式主要包括：利用布拉格光栅或定向耦合器来将待测波导中的光信号以一定比例耦合出来从而进行监测，但是由于这种结构多是由传统工艺加工在器件周围，在检测之后也不能够移除，以此在检测之后该结构引起的耦合现象则会造成光器件的损耗，在大规模集成光电器件中，由于需要的监测点非常多，由监测点引发的这一类损耗将是不可小觑的。因此亟待一种可擦除的监测器件，在监测之后，通过外部操作能够改变监测器件状态，使其不再对待测器件的光强产生影响。而在监测状态时，能够尽可能多的将待测器件的光信号用以检测来提高监测效率。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件，用来检测器件性能进而降低芯片功耗。

本发明采用的具体技术方案是：

本发明包括耦合区和光监测组件，所述的耦合区包括第一输入波导、第一耦合波导、第一输出波导、第二耦合波导、第三耦合波导、S型连接波导和第二输出波导，第一输入波导沿直线依次与第一耦合波导、第一输出波导相连接，第二耦合波导平行布置于第一耦合波导的一侧侧方，第二耦合波导经S型连接波导连接第二输出波导的一端，第二输出波导的另一端连接光监测组件；第三耦合波导覆盖于第二耦合波导的上表面，第三耦合波导的宽度等于或者小于第二耦合波导，第二耦合波导与第三耦合波导组成混合波导。

光信号沿第一输入波导依次经第一输出波导和第二输出波导进行传输，同时第一输入波导中的光信号还耦合进入第一耦合波导，第三耦合波导为相位改变材料，通过改变相位改变材料的折射率，使得混合波导的模式与第一耦合波导的模式满足或不满足相位匹配条件，从而使第一耦合波导中的光信号耦合或不耦合到混合波导中，进而使得光监测组件接收或者不接收光信号。

所述的光监测组件为硅基光电光监测组件，硅基光电光监测组件包括布置在第二输出波导正上方以及布置第二输出波导两侧的金属电极，加压的金属电极将第二输出波导的光信号转换成电信号，从而使硅基光电光监测组件检测到电信号。

所述的光监测组件为基于相变材料的电阻光监测组件，电阻光监测组件包括波导电极和相变材料条形波导，相变材料条形波导覆盖在第二输出波导上表面，两个波导电极分布在相变材料条形波导的两侧，当有光信号经第二输出波导传输时，相变材料条形波导的电阻率产生变化，使得波导电极输出的光电流发生改变，电阻光监测组件从而将光信号转换成电信号输出。

所述的光监测组件为沿第二输出波导的波导方向间隔排布的纵向耦合布拉格光栅，当光信号进入纵向耦合布拉格光栅后，纵向耦合布拉格光栅将光信号耦合到空间中被光纤接收，光纤通过光谱仪或示波器对光信号进行接收。

第三耦合波导为相变材料加工而成且不同于第一耦合波导、第二耦合波导、第一输出波导、S型连接波导以及第二输出波导的材料。

所述的相变材料处于非晶态时，第一耦合波导中的模式与第二耦合波导与第三耦合波导组成的组合波导中的模式满足或者部分满足相位匹配条件，可发生完全耦合或者部分耦合；部分耦合是通过选择耦合长度，有选择的使功率以一定比例分配的耦合。当相变材料处于晶体态时，所述的第一耦合波导中的模式与第二耦合波导与第三耦合波导组成的组合波导中的模式不满足相位匹配条件，完全不发生耦合现象。

所述的相变材料的折射率由外部电极加热或者激光刺激或电脉冲调节。

本发明通过改变混合光波导的相变材料的有效折射率，当混合光波导与待测光波导中的信号模式满足相位匹配条件，光监测组件可检测到光信号，光监测组件用于信号检测；当改变相变材料折射率使混合波导与待测波导中的信号模式失配，待测信号不再耦合到检测波导中，光监测组件不再检测到光信号，检测波导不会对传输信号产生影响，光监测组件所在的探测点即被擦除。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明结构简单、设计方便、制作简便，可显著降低器件制作成本。

2.极大地提高器件性能监测的可靠性，并有利于降低器件功耗及成本，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是第一种耦合区耦合结构俯视图。

图2是第二种耦合区耦合结构俯视图

图3是光监测组件为光电光监测组件的俯视图。

图4是光监测组件为基于相变材料电阻光电光监测组件的俯视图。

图5是光监测组件为垂直耦合光栅的俯视图。

图6是图1的A-A剖视图。

图7是图1的B-B剖视图。

图8是图1的C-C剖视图。

图9是图2的A-A剖视图。

图10是图2的B-B剖视图。

图11是图2的C-C剖视图。

图12是图3的D-D剖视图。

图中：第一输入波导1、第一耦合波导2a、第二耦合波导2b、第三耦合波导2c、第三耦合波导2d、第四耦合波导2d、S型连接波导3、第一输出波导4a、第二输出波导4b、光监测组件5、波导电极6a、相变材料条形波导6b、纵向耦合布拉格光栅7、金属电极8。

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。

如图1所示，本发明耦合区的一种耦合结构(第一种耦合结构)包括第一输入波导1、第一耦合波导2a、第一输出波导4a、第二耦合波导2b、第三耦合波导2c、S型连接波导3和第二输出波导4b。第一输入波导1沿直线依次与第一耦合波导2a、第一输出波导4a相连接，第二耦合波导2b平行布置于第一耦合波导2a的一侧侧方，第二耦合波导2b经S型连接波导3连接第二输出波导4b的一端，第二输出波导4b的另一端连接光监测组件5；第三耦合波导2c覆盖于第二耦合波导2b的上表面，第三耦合波导2c的宽度等于或者小于第二耦合波导2b，第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成混合波导。

光信号沿第一输入波导1依次经第一输出波导4a和第二输出波导4b进行传输，同时第一输入波导1中的光信号还耦合进入第一耦合波导2a，第三耦合波导2c为相位改变材料，通过改变相位改变材料的折射率，使得混合波导的模式与第一耦合波导2a的模式满足或不满足相位匹配条件，从而使第一耦合波导2a中的光信号耦合或不耦合到混合波导中，进而使得光监测组件5接收或者不接收光信号。

光信号沿第一输入波导1进入第一耦合波导2a，由于第三耦合波导2c为相变材料，通过改变相变材料的折射率，使得第二耦合波导的模式与第一耦合波导2a的模式满足或不满足相位匹配条件，当混合波导与第一耦合波导2a之间满足相位匹配条件时，第一耦合波导2a中的光信号将耦合到混合波导中并由混合波导进入S型连接波导3，使得光监测组件5接收光信号，如果通过调节相变材料的折射率，使得混合波导与第一耦合波导2a不再满足相位匹配条件，则不会有光信号耦合到第二耦合波导中，进而使得光监测组件5则接收不到光信号，光监测组件5接收不到光信号即光监测点被擦除。

如图6、图7、图8所示，输入波导1为硅基条形光波导结构，第一耦合波导2a和第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成的混合波导相平行，第三耦合波导2c覆盖于第二耦合波导之上，其宽度等于或者小于第二耦合波导2b。第一输出波导4a和第二输出波导4b相互平行布置。

如图2所示，耦合区可以为另外一种耦合结构(第二种耦合结构)，相比图1的耦合结构增加了第四耦合波导2d，但是各个耦合波导的布置方式不同于图1，具体为：第二耦合波导2b、第四耦合波导2d依次间隔平行布置于第一耦合波导2a的同侧侧方，第四耦合波导2d经S型连接波导3连接第二输出波导4b的一端，第二输出波导4b的另一端连接光监测组件5；

与图1所示的混合波导相同，图2中的第三耦合波导2c覆盖于第二耦合波导2b的上表面，第三耦合波导2c的宽度等于或者小于第二耦合波导2b，第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成混合波导；

光信号沿第一输入波导1进入第一耦合波导2a，由于第三耦合波导2c为相变材料，通过改变相变材料的折射率，使得第二耦合波导的模式与第一耦合波导2a的模式满足或不满足相位匹配条件，当混合波导与第一耦合波导2a之间满足相位匹配条件时，第一耦合波导2a中的光信号耦合到混合波导中并由混合波导中的第三耦合波导2c进入S型连接波导3，使得光监测组件5接收光信号；如果通过调节相变材料的折射率，使得混合波导与第一耦合波导2a不再满足相位匹配条件，则不会有光信号耦合到第二耦合波导中，进而使得光监测组件5则接收不到光信号。光监测组件5接收不到光信号即光监测点被擦除。

如图9、图10、图11、图12所示，第二种耦合模式中的输入波导1同样为硅基条形光波导结构。第一耦合波导2a、第二耦合波导2b和第四耦合波导2d之间相互平行，第三耦合波导2c布置在第二耦合波导2b的上表面并与第二耦合波导2b构成组合波导。

如图7与图10所示，第三耦合波导2c为相变材料，第三耦合波导2c的材料不同于第一耦合波导2a和第二耦合波导2b。当相变材料受到外部温度变化、激光脉冲、电信号刺激时，材料状态改变，折射率发生显著变化。第三耦合波导2c的相变材料处于非晶态时，第一耦合波导2a中的模式与第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成的组合波导中的模式满足或者部分满足相位匹配条件，可发生完全耦合或者部分耦合；部分耦合是通过选择耦合长度，有选择的使功率以一定比例分配的耦合。当相变材料处于晶体态时，所述的第一耦合波导2a中的模式与第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成的组合波导中的模式不满足相位匹配条件，完全不发生耦合现象。具体实施中，相变材料的折射率由外部电极加热或者激光刺激或电脉冲调节。

图1与图2所示的第二耦合波导2b与相变材料加工而成的第三耦合波导2c所组成的混合波导，当需要对第一耦合波导2a进行监测时，其混合波导中模式与第一耦合波导中的模式满足或者部分满足相位匹配条件，第一耦合波导2a中的光信号完全或者部分耦合到混合波导中；当监测结束时，通过外部加热或者激光脉冲照射或者电刺激的方式，相变材料折射率产生明显变化，由第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成的混合波导中的模式与第一耦合波导中的模式不再满足相位匹配条件，不再有光信号耦合到混合波导中，探测点被擦除。

如图3所示，所述的光监测组件5可以为硅基光电光监测组件，第二输出波导(4b)的光信号经硅基光电光监测组件转换成电信号，图3中的8为放置于第二输出波导两侧的以及波导正上方的金属电极。硅基光电光监测组件可以为基于光子光监测组件(例如光电导光监测组件，光伏光监测组件，光电三极管光监测组件等)或者热光光监测组件，常见的硅基光电光监测组件有锗、III-V族材料和石墨烯材料的光监测组件，硅基光电光监测组件包括布置在第二输出波导4b正上方以及布置第二输出波导4b两侧的金属电极8，加压的金属电极8将第二输出波导4b的光信号转换成电信号，从而使硅基光电光监测组件检测到电信号。

如图4所示，监测组件5可以为基于相变材料的电阻光监测组件6a、6b，其中6a为波导两侧电极，6b为覆盖在第二输出波导上的一定高度相变材料条形波导。相变材料条形波导6b覆盖在第二输出波导4b上表面，两个波导电极6a分布在相变材料条形波导6b的两侧，第二输出波导4b的光信号与相变材料条形波导6b相互作用，当有光信号经第二输出波导4b传输时，将导致相变材料的温度产生变化，进而相变材料条形波导6b的电阻率产生变化，使得波导电极6a输出的光电流发生改变，电阻光监测组件从而将光信号转换成电信号输出。

如图5所示，光监测组件5可以为沿第二输出波导4b的波导方向间隔排布的纵向耦合布拉格光栅7，由于布拉格原理，当光信号经第二耦合波导进入纵向耦合布拉格光栅7后，纵向耦合布拉格光栅7将以一定的耦合效率将光信号耦合到空间中被光纤接收，光纤通过光谱仪或示波器对光信号进行接收。

图3、图4、图5中的光监测组件5可以适用于图1所示的耦合区的耦合结构同样也适用于如图2所示的耦合结构。

本发明的工作过程为：

光沿着第一输入波导1输入，进入第一耦合波导2a，当用于检测光信号时，由相变材料合成的第三耦合波导2c与第二耦合波导2b组成的混合波导中的模式与待测光信号满足相位匹配条件，第一耦合波导2a中的光信号能够耦合到混合波导中，耦合信号可以经S型连接波导进入第二输出波导4b输出进入光电探测区用以检测光信号，也可以进一步耦合到第四耦合波导2d中经S型连接波导进入第二输出波导4b输出进入光电探测区用以检测光信号；当检测完成时，通过改变外部环境：电极加热或者激光脉冲照射或者电刺激的方式，使得相变材料的折射率产生明显改变，由第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成的混合波导中的模式与第一耦合波导中的模式不再满足相位匹配条件，不再有光信号耦合到混合波导中，则光电探测区不再接收到光信号。

本发明的具体实施过程如下：

选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层、上包层材料均为SiO2，厚度为2μm、折射率为1.4404。在此实例中考虑待测光信号为TE偏振模式，工作波长为1550nm。相变材料采用Ge2Sb2Te5GST，其非晶态折射率为4.6+0.12i，晶体态有效折射率为7.45+1.49i。

采用光刻、干法刻蚀的工艺将硅纳米线光波导刻蚀为一定宽度的条形波导，相变材料通过沉积或者生长的方式覆盖于硅纳米线波导之上，通过刻蚀的方式形成相变材料波导。相变材料经过加热到熔点以上并进行淬火即可转变为非晶态，此时的材料折射率为4.6+0.12i，选择输入光波导1宽度为普通单模波导宽度430nm，给定GST材料高度，以20nm为例，通过选择合GST波导宽度200nm，使得此时由相变材料合成的第三耦合波导2c与第二耦合波导2b组成的混合波导中的模式与待测光信号满足相位匹配条件，选择耦合长度，使得耦合效率约为25％左右。耦合出来的信号光经S型连接波导3进入第二输出波导输出到位于探测区的光监测组件5。

光监测组件5的探测方法有三种，分别为硅基光电光监测组件，或者基于相变材料的电阻光电光监测组件，或者是垂直耦合光栅。

如图3与图12所示，当光监测组件5为硅基光电光监测组件8(光电导光电探测器)，光信号经第二输出波导4a进入光电光监测组件5中，电压通过第二输出波导上方的与两侧的金属电极8加在波导周围，电极间电阻改变进而导致输出电流发生改变，光信号转换成电信号，传输信号被检测；当相变材料折射率发生改变时，光信号不再耦合到第二耦合波导2b与第三耦合波导2c组成的混合波导中，由第一输出波导4a传输到后端光链路中，光电光监测组件接收不到光信号，输出电信号为零。

如图4所示，当光监测组件5为基于相变材料的电阻光电光监测组件，6a为覆盖于第二输出波导上方的相变材料，6b为波导两侧金属电极，当光信号进入第二输出波导后，光信号与相变材料相互作用，导致相变材料温度产生变化，进而相变材料的电阻率产生变化，导致金属电极输出的光电流发生改变，即可将光信号转换成电信号输出。

如图5所示，当光监测组件5为垂直耦合光栅，7为的纵向耦合布拉格光栅，当光信号经第二耦合波导进入耦合光栅后，由于布拉格原理，将以一定的耦合效率将光信号耦合到空间中被光纤所接收，光纤另一端可接光谱仪或者示波器对光信号进行接收。

当光监测组件5检测结束后，通过外部激光脉冲加热将GST加热到结晶温度以上，熔点以下时，GST转换为晶体态，材料折射率变为7.45+1.49i，因此相变材料合成的第三耦合波导2c与第二耦合波导2b组成的混合波导中的模式与待测光信号不再满足相位匹配条件。信号光直接经输入波导1进入第一耦合波导2a，到达第一输出波导4a，进入后端光器件，不会存在信号耦合到第二耦合波导与第三耦合波导中，光监测组件5不再检测到光信号，那么光监测组件5所在的探测点即被擦除，光信号沿传输波导进行信号传输便不再受耦合波的影响，从而有效降低了用于光信号监测的损耗。

具体实施中，图3、4、5中的耦合区也可以使用如图2所示的第二种耦合结构，同样由第二输出波导经S型连接波导与光监测组件5相连。

本发明通过改变相变材料的晶态/非晶态，使得混合光波导中光信号模式的有效折射率改变，当用于信号检测时，混合光波导与待测光波导中的信号模式满足相位匹配条件，能够将信号光部分耦合出来通过连接后部的光监测组件可以将光信号转化为电信号，或者由耦合光栅纵向耦合出来，被光纤接收用于光信号检测，当相变材料受到外部温度变化、激光脉冲、电信号刺激时，材料状态改变，折射率发生显著变化，导致其与无源波导组成的混合波导中模式的有效折射率发生改变，模式失配，待测信号不再耦合到检测波导中，则不会对传输信号产生影响。从而可以极大的降低器件功耗，并提高其可靠性。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件，其特征在于：包括耦合区和光监测组件（5），所述的耦合区包括第一输入波导（1）、第一耦合波导（2a）、第一输出波导（4a）、第二耦合波导（2b）、第三耦合波导（2c）、S型连接波导（3）和第二输出波导（4b），第一输入波导（1）沿直线依次与第一耦合波导（2a）、第一输出波导（4a）相连接，第二耦合波导（2b）平行布置于第一耦合波导（2a）的一侧侧方，第二耦合波导（2b）经S型连接波导（3）连接第二输出波导（4b）的一端，第二输出波导（4b）的另一端连接光监测组件（5）；第三耦合波导（2c）覆盖于第二耦合波导（2b）的上表面，第三耦合波导（2c）的宽度等于或者小于第二耦合波导（2b），第二耦合波导（2b）与第三耦合波导（2c）组成混合波导；

光信号沿第一输入波导（1）进入第一耦合波导（2a），第三耦合波导（2c）为相变材料，通过改变相变材料的折射率，使得混合波导的模式与第一耦合波导（2a）的模式部分满足或不满足相位匹配条件，从而使第一耦合波导（2a）中的光信号部分耦合或不耦合到混合波导中，进而使得光监测组件（5）接收或者不接收光信号；

所述的相变材料处于非晶态时，第一耦合波导（2a）中的模式与第二耦合波导（2b）与第三耦合波导（2c）组成的混合波导中的模式部分满足相位匹配条件，发生部分耦合；当相变材料处于晶体态时，所述的第一耦合波导（2a）中的模式与第二耦合波导（2b）与第三耦合波导（2c）组成的混合波导中的模式不满足相位匹配条件，完全不发生耦合现象；光信号直接经第一输入波导（1）进入第一耦合波导（2a），到达第一输出波导（4a），进入后端光器件，不会存在光信号耦合到第二耦合波导（2b）与第三耦合波导（2c）中，光监测组件（5）不再检测到光信号，光监测组件（5）所在的探测点即被擦除，光信号沿传输波导进行信号传输便不再受耦合波的影响，从而有效降低了用于光信号监测的损耗；

第一输入波导（1）宽度为430nm，第三耦合波导（2c）宽度为200nm；

所述的光监测组件（5）为沿第二输出波导（4b）的波导方向间隔排布的纵向耦合布拉格光栅（7），纵向耦合布拉格光栅（7）将光信号耦合到空间中被光纤接收，光纤通过光谱仪或示波器对光信号进行接收。

2.根据权利要求1所述的基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件，其特征在于：第三耦合波导（2c）为相变材料加工而成且不同于第一耦合波导（2a）、第二耦合波导（2b）、第一输出波导（4a）、S型连接波导（3）以及第二输出波导（4b）的材料。

3.根据权利要求1所述的基于相变材料的可擦除集成光波导监测器件，其特征在于：所述的相变材料的折射率由外部电极加热或者激光刺激或电脉冲调节。

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