CN111290191B - 定向耦合器及基于氮化硅平台的光开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定向耦合器及基于氮化硅平台的光开关，所述定向耦合器包括耦合器本体和设置在所述耦合器本体上的至少两个氮化硅波导，所述耦合器本体包括由电光材料构成的可调波导和为所述可调波导提供电场环境的电极组，所述至少两个氮化硅波导被所述可调波导间隔设置于耦合器本体的同一侧；所述光开关包括至少一个输入波导、至少两个输出波导和定向耦合器，所述至少一个输入波导连接一个氮化硅波导的输入端，每个所述输出波导对应连接一个氮化硅波导的输出端。本发明提出的基于氮化硅平台的光开关采用的定向耦合器结构使其具有开关速度快、性能稳定、尺寸小、工艺简单，能够与COMS工艺兼容的优点，有利于实现大规模光开关阵列。

Description

定向耦合器及基于氮化硅平台的光开关

技术领域

本发明涉及光通信与集成光学领域，具体涉及一种定向耦合器及基于氮化硅平台的光开关。

背景技术

光开关的基本功能是实现输入光信号切换至不同输出端口的功能，最简单的光开关是1*2和2*2的光开关，这也是其它更为复杂光开关阵列的基本单元。光开关技术即光交换技术是全光网络中的核心技术之一，在光传送网络、基于各种不同的交换原理和实现交换的技术中被广泛应用。除此之外在集成光学领域中，存在大量光路径选择的需求，光开关是实现这一功能的关键器件。

光开关的关键性能指标是开关速度、***损耗及端口间的消光比，而目前常用的热光效应光开关的基本原理是基于马赫曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)，在MZI的一个或两个臂中具有基于热光的移相器，MZI两端有定向耦合器或多模干涉耦合器(Multimode interference coupler)，MMI形成的分束器和合束器。这种光开关技术虽然具有可集成、工艺简单、高稳定性、高消光比等优点，在集成光学领域被广泛使用，但是热光效应产生相移变化比较缓慢，且对器件温度敏感，只能适用于低速光开关的应用场景。另外，基于MZI结构的光开关需要产生半波长的相移，所以调制相移的波导臂很长，从而导致整个器件结构偏大，在大规模光开关集成时占用面积很大。

除了热光调制以外，常用的光开关技术还包括MEMS机械光开关和载流子色散效应光开关。MEMS机械光开关主要是在硅基上制造微型的可移动反射镜，其大小在几百微米到几毫米，最后将大量的反射镜集成封装在一个单一的硅片上，实现光开关阵列；这些反射镜通常通过电磁、静电、压电等方式进行调控，但是这种调制具有损耗大、调制缓慢、稳定性差以及输出端口偏转范围有限等缺点。而基于载流子色散效应的光开关具有***损耗大的缺点。

近年来，由于氮化硅平台上实现的光波导具有传输损耗小、工艺要求低等显著优势，大量基于氮化硅的集成***被研究，但是氮化硅平台只是在无源器件方面有突出的表现，而在有源器件方面优势还并不明显，例如光开关器件。目前，基于氮化硅平台的热光效应光开关已经实现，但是具有带宽极低的缺陷。因此，氮化硅高速光开关瓶颈是限制氮化硅集成工艺在高速光器件中应用的主要因素，为了解决这一问题，也有人采用端面对接的方式将不同工艺平台的芯片通过端面耦合的方式集成在一起，例如将高速的有源器件与低损耗的氮化硅无源器件通过端面对准耦合的方式，实现两种平台工艺优势互补的作用，但是这种工艺麻烦，带来的***损耗比较大，不利于大规模集成，特别是对于***损耗比较敏感的光开关阵列。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种定向耦合器及基于氮化硅平台的光开关，用以解决现有光开关调制速度低、尺寸大、***损耗大、稳定性差以及不适合大规模集成的问题。

为实现上述目的，本发明一方面采用了如下的技术方案：

一种定向耦合器，其中，包括耦合器本体和设置在所述耦合器本体上的至少两个氮化硅波导，所述耦合器本体包括由电光材料构成的可调波导和为所述可调波导提供电场环境的电极组，所述至少两个氮化硅波导被所述可调波导间隔设置于耦合器本体的同一侧。

另一方面，本发明还提供了一种基于氮化硅平台的光开关，包括上述的定向耦合器、至少一个输入波导和至少两个输出波导，其中，所述至少一个输入波导连接一个氮化硅波导的输入端，每个所述输出波导对应连接一个氮化硅波导的输出端。

本发明的工作原理为：通过改变所述定向耦合器的电极组之间的偏压，以改变电光材料构成的可调波导的有效折射率，根据定向耦合原理，从第一输入波导输入的光信号通过与之连接的第一氮化硅波导进入所述定向耦合器后，当第一氮化硅波导与可调波导有效折射率匹配时，第一氮化硅波导中的光可以被完全耦合到可调波导中，再通过可调波导耦合到与第二输出波导连接的第二氮化硅波导中，然后光从第二输出波导输出，从而实现光从第一输入波导传输到第二输出波导的功能；若适当改变所述电极组之间的电压，可调波导的有效折射率发生改变，使得第一氮化硅波导与可调波导之间不满足有效折射率匹配，那么第一氮化硅波导中的光就不能耦合到可调波导中，也就不会耦合到第二氮化硅波导中，此时光只会继续沿着第一氮化硅波导继续传输而从与第一氮化硅波导连接的第一输出波导输出，从而实现光从第一输入波导传输到第一输出波导的功能。基于上述原理，本发明实现了一个可集成化的1*2高速光开关功能，并可扩展为2*2或N*M的光开关阵列。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的一种定向耦合器，利用材料的电光效应，具有速度快、器件尺寸小、能耗低、稳定性好，能够与COMS工艺兼容的优点，有利于实现大规模高速光开关阵列。

2、本发明的一种基于氮化硅平台的光开关实现了氮化硅平台无源光波导器件与电光效应波导的集成，避免了不同平台芯片之间的对准耦合问题，减小了光开关的***损耗，有利于大规模集成应用。

附图说明

图1为本发明实施例的光开关整体结构示意图；

图2为本发明实施例的光开关俯视结构示意图；

图3为本发明其中一种实施例的定向耦合器截面示意图；

图4为本发明另一种实施例的定向耦合器截面示意图。

在图中：1、第一输入波导；2、第二输入波导；3、第一输出波导；4、第二输出波导；5、可调波导；51、窄脊部；52、宽脊部；6、隔离层；7、第一电极；8、第二电极；9、第一氮化硅波导；10、第二氮化硅波导。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。

参照图1-图3，根据本发明的实施例，一种定向耦合器，包括耦合器本体和设置在所述耦合器本体下表面的第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10，所述耦合器本体包括由电光材料构成的可调波导5和为所述可调波导5提供电场环境的第一电极7和第二电极8，所述第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10被所述可调波导5间隔设置于耦合器本体的同一侧。值得注意的是，所述可调波导5因电光材料的特殊性，具有其折射率随着作用于其上的电场变化而改变的特性。

根据本发明的另一实施例，所述耦合器本体还包括隔离层6，所述隔离层6设置于所述可调波导5与第一电极7和第二电极8之间，所述隔离层6为具有一定厚度的二氧化硅或其它低折射率的包层材料，设置隔离层6的作用是避免第一电极7和第二电极8对波导中的光信号产生吸收损耗。

根据本发明的另一实施例，构成所述可调波导5的电光材料采用铌酸锂材料或其它高速电光材料。

根据本发明的另一实施例，所述可调波导5为倒脊型波导，且包括宽脊部52和窄脊部51，所述窄脊部51设置于第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10同侧且与第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10间隔分布。

根据本发明的另一实施例，所述窄脊部51与第一氮化硅波导9之间具有一定耦合间距，所述窄脊部51和所述第二氮化硅波导10之间也具有一定耦合间距，所述窄脊部51与第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10之间为空气、二氧化硅或其它低折射率材料；所述窄脊部51通过宽脊部52与第一电极7和第二电极8隔开，或者所述窄脊部51通过宽脊部52和隔离层6与第一电极7和第二电极8隔开。

参照图4，根据本发明的另一实施例，所述可调波导5没有宽脊部52仅有窄脊部51时为矩形波导，所述矩形波导以所述隔离层6为支撑设置于第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10同侧且与第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10间隔分布。

根据本发明的另一实施例，所述矩形波导与第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10之间为空气、二氧化硅或其它低折射率材料；所述矩形波导介于第一电极7和第二电极8下方位置之间，且通过隔离层6与第一电极7和第二电极8隔开。

根据本发明的另一实施例，所述第一氮化硅波导9和第二氮化硅波导10的纵向剖面形状可以是矩形，还可以是脊形或者其它形状。

根据本发明的另一实施例，所述第一电极7、第二电极8为金、银、钛或其它导电金属材料。

参照图1-图4，本发明还提供了一种基于氮化硅平台的光开关，包括上述的定向耦合器、第一输入波导1、第二输入波导2、第一输出波导3和第二输出波导4，其中，所述第一氮化硅波导9的两端分别与第一输入波导1和第一输出波导3连接，所述第二氮化硅波导10的两端分别与第二输入波导2和第二输出波导4连接。

所述第一输入波导1、第二输入波导2、第一输出波导3、第二输出波导4均包含弯曲段和平直段，所述第一输入波导1和第一输出波导3分别通过各自的弯曲段与第一氮化硅波导9的输入端和输出端连接，所述第二输入波导2和第二输出波导4分别通过各自的弯曲段与第二氮化硅波导10的输入端和输出端连接；所述第一输入波导1、第二输入波导2、第一输出波导3和第二输出波导4分别通过各自对应的平直段与外部光路连接。

根据本发明的其中一种实施例，第一氮化硅波导9、第二氮化硅波导10采用的氮化硅材料与可调波导5采用的铌酸锂材料具有折射率相近的特点。当对第一电极7和第二电极8施加电压后，在第一电极7和第二电极8之间会形成电场，部分电场与可调波导5区域重叠，通过改变第一电极7、第二电极8之间的偏压以改变可调波导5的有效折射率，根据定向耦合原理，当第一氮化硅波导9与可调波导5有效折射率匹配时，从第一输入波导1传输到第一氮化硅波导9中的光信号可以被完全耦合到可调波导5中，再通过可调波导5耦合到第二氮化硅波导10中，然后从第二输出波导4输出，从而实现光信号从第一输入波导1到第二输出波导4传输的功能；当第一氮化硅波导9与可调波导5之间不满足有效折射率匹配时，第一氮化硅波导9中的光信号就不能耦合到可调波导5中，进而也就不会耦合到第二氮化硅波导10中，此时光信号会沿着第一氮化硅波导9继续传输到第一输出波导3，从而实现光信号从第一输入波导1到第一输出波导3传输的功能。同样的原理，当第二氮化硅波导10与可调波导5有效折射率匹配时，从第二输入波导2传输的光信号将从第一输出波导3输出；当第二氮化硅波导10与可调波导5之间不满足有效折射率匹配时，实现的是光信号从第二输入波导2到第二输出波导4传输的功能。因此，本实施例实现了一个集成式的2*2高速光开关。值得注意的是，当仅有一个或者多个输入波导、多个输出波导时，本领域技术人员运用本发明的构思设计多个氮化硅波导以及相应结构的可调波导5和电极个数，可以实现集成式的N*M光开关阵列，光开关的输入端口N和输出端口M的个数可以相等，也可以不相等，端口M的个数至少为两个。

采用本发明的定向耦合器构造的基于氮化硅平台的光开关利用铌酸锂材料较强的电光效应，相比于热光效应光开关，具有速度更快，能耗小，且对温度不敏感的优点；相比于MEMS光开关，具有工艺更简单，COMS兼容性更好、性能更稳定的优点；相比于基于MZI的光开关，采用定向耦合原理，具有器件尺寸明显减小，有利于实现大规模光开关阵列。另外，本发明实现了氮化硅平台无源光波导器件与铌酸锂波导的集成，避免了不同平台芯片之间的对准耦合问题，减小光开关***损耗，有利于大规模集成应用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种定向耦合器，其特征在于，包括耦合器本体和设置在所述耦合器本体上的至少两个氮化硅波导，所述耦合器本体包括由电光材料构成的可调波导和为所述可调波导提供电场环境的电极组，所述至少两个氮化硅波导被所述可调波导间隔设置于耦合器本体的同一侧，所述可调波导包括设置于氮化硅波导同侧且与所述氮化硅波导间隔分布的窄脊波导或矩形波导。

2.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述耦合器本体还包括设置于可调波导与电极组之间的隔离层。

3.根据权利要求2所述的一种定向耦合器，其特征在于，构成所述可调波导的电光材料包括铌酸锂材料。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述可调波导为倒脊型波导，并包括宽脊部和窄脊部，所述窄脊部设置于氮化硅波导同侧且与所述氮化硅波导间隔分布。

5.根据权利要求4所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述窄脊部与任一氮化硅波导之间为空气或二氧化硅。

6.根据权利要求2或3所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述可调波导为矩形波导，所述矩形波导以所述隔离层为支撑设置于氮化硅波导同侧且与所述氮化硅波导间隔分布。

7.根据权利要求6所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述矩形波导与任一氮化硅波导之间为空气或二氧化硅。

8.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述氮化硅波导为矩形波导或脊形波导。

9.根据权利要求1所述的一种定向耦合器，其特征在于，所述电极组至少包含两个电极，所述电极组包括金、银、钛中的一种或组合。

10.一种基于氮化硅平台的光开关，包括至少一个输入波导和至少两个输出波导，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的定向耦合器，所述至少一个输入波导连接一个氮化硅波导的输入端，每个所述输出波导对应连接一个氮化硅波导的输出端。