CN114995010A - 一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关 - Google Patents

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Abstract

一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，属于集成光电子学技术领域。该模式光开关由衬底、包层和芯层构成，芯层被包覆在包导之中；芯层分为下层芯层和上层芯层二部分，下层芯层为Core1单直波导结构，上层芯层为输入端和输出端带有S型弯曲的Core2和Core3双直波导结构，Core2和Core3位于同一平面内；Core2和Core3直波导部分的材料为硅及位于硅之上的相变材料GSST。通过设置不同的波导结构尺寸，可以分别实现TE0与TE21，TE0与TE12两对模式之间的复用/解复用。通过改变相变材料的晶相，可以实现模式光开关功能，本发明有着更加宽广的应用范围，并且器件尺寸更小，更利于集成化。

Description

一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关
技术领域
本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，该器件在光信息处理、光通信等领域具有重要的应用价值和发展前景。
背景技术
伴随着信息时代的飞速发展，人工智能等大量移动终端对于大数据的需求呈现爆发式的增长，而传统的电互联技术由于受到传输延时和器件功耗的限制，导致了传统集成电路的信息获取及处理能力无法满足需求。在近几年间，硅基光电子技术受到了科研界和产业界的广泛关注和发展，这种技术可以作为解决传统集成电路的互联延迟效应及能耗过高等问题的方法。硅基光电子技术有许多优点，最主要的是能与十分成熟的CMOS工艺相兼容，并且可以进行大规模加工生产，具有低成本、高可靠性和高集成度等优点。目前来看，硅基光电子技术在通信领域和片上光互连中应用在不断增加，在硅基光电子技术中，对于通信容量和带宽的需求逐渐变得更大。但是由于非线性香农极限的限制，单模波导的信息传输容量并不足够满足数据传输的需求，对信息传输容量的高需求会导致单模波导器件的尺寸过大，串扰过大，工艺过于复杂。
为了解决信息容量达到上限的问题，模分复用技术被提出并起到了至关重要的作用，模分复用技术能够让传输***的数据容量和带宽按照模分复用器件中模式的数量成倍的增加，可以有效提高信息的传输容量。目前，模分复用***中已经集成了各种可重构器件，比如通过集成微环谐振器(MRR)或马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，可以实现模式复用/解复用和模式开关功能，来处理不同模式的光信号。然而，尽管基于MZI的光开关具有较大的带宽，但由于硅的电光效应和热光效应对折射率的弱调制，基于MZI的光开关将具有较大的尺寸，不利于器件的集成和小型化；对于基于MRR的光开关，虽然体积较小，但也存在器件带宽相对较窄、对波长更敏感的问题。并且对于这两种开关结构，它们都不具有状态保持的功能，需要连续施加电脉冲来保持不同的开光状态。使用非对称定向耦合器结构也能实现模式复用/解复用的功能，这种结构具有相对较大的带宽和较小的尺寸。但对于一般的硅基波导定向耦合器结构，往往没有开关功能。通过相变材料，可以很好地解决这个问题。
光学相变材料的特性包括非易失性、稳定性以及相变速度快等优点。光学相变材料能在外界条件的诱导下，在晶态和非晶态之间进行可逆转换。诱导相变材料相位变化的方法有许多种，比如：热诱导、电诱导和光诱导等。这些诱导方法的本质都是利用外界条件将相变材料温度升至临界温度，通过高温实现相变材料晶体结构的可逆性变化。而在常温环境中，相变材料的晶相无论是晶态还是非晶态都能稳定保持数十年，也就是所谓的非易失性。这正是相变材料用来做光学存储应用的主要优势所在。
发明内容
实现模式复用/解复用器的技术方法包括非对称定向耦合器、光子灯笼和多模光栅辅助耦合器等，其中非对称定向耦合器的结构和工艺都比较简单，耦合效率较高并且器件结构尺寸小，非常符合本发明的要求。本发明利用非对称定向耦合技术使单模波导中的基模与少模波导中的高阶模式之间完成有效折射率匹配，从而实现模式复用与解复用，并通过改变相变材料的晶相，来实现模式光开关功能。
本发明的目的在于提供一种易于集成、小尺寸的基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，从下至上依次由衬底、包层和芯层构成，芯层被包覆在包导之中；芯层分为下层芯层和上层芯层二部分，下层芯层为Core1单直波导结构，上层芯层为输入端和输出端带有S型弯曲的Core2和Core3双直波导结构，Core2和Core3位于同一平面内；衬底的材料为硅，包层的材料为二氧化硅，Core1单直波导的材料为硅，Core2和Core3 S型弯曲部分的材料为硅，Core2和Core3直波导部分的材料为硅及位于硅之上的相变材料GSST；除S型弯曲部分外，Core1、Core2和Core3间相互平行，沿光的输入方向Core2和Core3分别位于Core1上方的左右两侧；S型弯曲的作用是使Core1和Core2、Core1和Core3在输入端和输出端分离开；在S型弯曲的硅芯层之上不引入相变材料GSST，可以降低损耗，S型弯曲对于耦合效率和串扰的影响可以忽略。
波导Core1和Core2构成层间第一非对称定向耦合器1，波导Core1和Core3构成导间第二非对称定向耦合器2；沿光的输入方向，第一非对称定向耦合器1和第二非对称定向耦合器2间具有一定的间隔，使2个非对称定向耦合器在空间位置上不重复。通过对Core1和Core2、Core1和Core3设置不同的尺寸，可以分别实现TE0与TE21，TE0与TE12两对模式之间的复用/解复用。通过改变相变材料的晶相，可以实现模式光开关功能。在1550nm波长处，二氧化硅包层的折射率为1.445，硅芯层的折射率为3.476，相变材料GSST非晶态的折射率为3.3+0.00018i，相变材料GSST晶态的折射率为7.45+1.49i；Core1为少模波导，支持TE0、TE21、TE12三种模式；Core2和Core3为单模波导，支持TE0模式。
通过热诱导或电诱导等诱导方式，可以将改变相变材料的晶相。当相变材料为非晶态时，基于相变材料的硅基三维波导模式光开关的状态为开，从Input2端口向Core2输入TE0模式，TE0模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core2耦合到了Core1并由TE0模式转化为TE21模式，从Output1端口输出TE21模式；当从Input3端口向Core3输入TE0模式，TE0模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core3耦合到了Core1并由TE0模式转化为TE12模式，从Output1端口输出TE12模式，从而实现TE0、TE21、TE12三种模式复用的功能。从少模波导Core1输入端口Input1输入TE0、TE21、TE12三种模式，少模波导Core1中的TE21模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core1耦合到单模波导Core2中并由TE21模式转化为TE0模式，从Output2端口输出TE0模式；少模波导Core1中的TE12模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core1耦合到单模波导Core3中并由TE12模式转化为TE0模式，从Output3端口输出TE0模式；TE0模式仍保留在少模波导Core1中进行传输，并由Output1端输出，从而实现了TE0、TE21、TE12三种模式解复用功能。
当相变材料为晶态时，基于相变材料的硅基三维波导模式光开关的状态为关，从少模波导Core1输入端口Input1输入TE0、TE21、TE12三种模式，只在少模波导中传输，不发生模式的复用/解复用，从而在Output1端口接收TE0、TE21、TE12三种模式，而Output2和Output3端口没有输出信号。
本发明所述的基于相变材料的硅基三维波导模式光开关制作在SOI(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)平台上，并且为多层结构，Core1波导为第一层结构，Core2和Core3波导为第二层结构，下层波导采用硅材料，上层波导采用硅材料与相变材料GSST。采用晶圆键合工艺完成三维波导结构的制备。
相比于微环谐振器或马赫-曾德尔干涉仪型光开关，本发明有着更大的带宽和更小的器件尺寸。相比于传统的二维模式复用/解复用器，本发明所述的基于相变材料的硅基三维波导模式光开关具有更高的集成度，并可以与其他三维器件进行集成，最主要的是可以传输二维硅基模分复用器难以传输的TE12模式，扩展了信道容量。相比传统的三维模式复用/解复用器，本发明所述的基于相变材料的硅基三维波导模式光开关通过引入相变材料，可以通过改变相变材料的晶相来控制波导间的相位匹配，达到模式光开关的功能。
与现有器件相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，相比于微环谐振器或马赫-曾德尔干涉仪型光开关，本发明有着更大的带宽和更小的器件尺寸。相比于传统二维硅基模式复用/解复用器，本发明加入了TE12模式，扩展了传输信息容量，在相同的平面面积和结构尺寸下，可以比二维的硅基模分复用器提高一倍的传输信道和容量。相比于传统三维硅基模式复用/解复用器，通过引入相变材料控制相变材料的结晶状态，达到模式光开关功能。综上所述本发明有着更加宽广的应用范围，并且器件尺寸更小，更利于集成化。
附图说明
图1：本发明所述的基于相变材料的硅基三维波导模式光开关3维结构示意图；
图2：(a)在图1实线处，Core1和Core2构成三维空间的第一非对称定向耦合器1的横截面结构示意图；(b)在图1虚线处，Core1和Core3构成三维空间的第二非对称定向耦合器2的横截面结构示意图；
图3(a)：Core1中的TE21和TE12模式有效折射率(纵坐标)和波导宽度(横坐标)的关系曲线；
图3(b)：Core2和Core3中的TE0的模式有效折射率(纵坐标)和波导宽度(横坐标)的关系曲线；
图4(a)：Core1和Core2波导中心间距d1与耦合效率的关系曲线，耦合区长度为27.8μm；
图4(b)：Core1和Core3波导中心间距d2与耦合效率的关系曲线耦合区长度为11.9μm；
图5(a)：当相变材料状态为非晶态时，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器一，TE0模式在Input2输入时Output1端口的输出谱线；
图5(b)：当相变材料状态为非晶态时，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器二，TE0模式在Input3输入时Output1端口的输出谱线。
图6(a)：当相变材料状态为非晶态，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器一在Input1端口输入TE21模式时下层波导Core1的光场图；
图6(b)：当相变材料状态为非晶态，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器一在Input1端口输入TE21模式时上层波导Core2的光场图；
图6(c)：当相变材料状态为非晶态，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器二在Input1端口输入TE12模式时下层波导Core1的光场图；
图6(d)：当相变材料状态为非晶态，模式开关处于开的工作状态时定向耦合器二在Input1端口输入TE12模式时上层波导Core3的光场图；
图6(e)：当相变材料状态为晶态，模式开关处于关的工作状态时在Input1端口输入TE21模式时下层波导Core1的光场图；
图6(f)：当相变材料状态为晶态，模式开关处于关的工作状态时在Input1端口输入TE12模式时下层波导Core1的光场图。
具体实施方式
实施例1：
如附图1所示，本发明为实现三维波导模式光开关的功能，采用了非对称定向耦合的方法。其原理是通过对相变材料GSST施加电诱导、热诱导等诱导方式对其进行热退火后，材料就会开始结晶过程，随着退火温度的升高和退火时间的延长，材料内晶核不断增大，结晶程度不断增加。同样的，当材料温度超过熔化温度后，材料会再从晶态转换为非晶态。本发明所使用的GSST的晶化温度为523K，熔化温度为900K。在相变材料处于非晶态开关的工作状态为开时，三根尺寸参数不同波导间的模式通过有效折射率匹配的方法，构成两个非对称定向耦合器，从而使得模式的转换和能量的耦合可以在非对称定向耦合器中完成。在相变材料处于晶态开关的工作状态为关时，三根尺寸参数不同波导间的模式有效折射率不匹配匹配，输入的光继续在Core1中进行传播。少模波导Core1与单模波导Core2，Core3处于不同的水平面上，Core2和Core3高度相同，通过特定的波导宽度来分别实现单模波导Core2和Core3的TE0模式与少模波导Core1的TE21，TE12模式之间的模式转换和能量耦合。
为实现模式光开关处于开状态时的模分复用/解复用功能需要实现不同模式之间的有效折射率匹配。首先要确定少模波导的结构参数，在相变材料处于非晶态时，让少模波导Core1的TE21模式和TE12模式的有效折射率分别与单模波导Core2的TE0模式有效折射率和单模波导Core3的TE0模式的有效折射率相匹配。为了满足即存在TE21模式和TE12模式又让器件小型化，利用Lumerical FDTD软件对于少模波导Core1的高度和宽度与模式有效折射率的关系进行模拟计算，得出存在TE12模式的最小尺寸高度为0.5μm，存在TE21模式的最小尺寸宽度为0.75μm，为了实现器件小型化，故将少模波导Core1的高度定为0.5μm，宽度定为0.75μm。在附图3中展现了计算的少模波导Core1和相变材料为非晶态下单模波导Core2、Core3的波导宽度和模式的有效折射率的关系，使得少模波导Core1的TE21模式的模式有效折射率与单模波导Core2的TE0模式的模式有效折射率相匹配，少模波导Core1的TE12模式的模式有效折射率与单模波导Core3的TE0模式的有效折射率相匹配。从附图3(a)中可以看出，当少模波导Core1的高度为0.5μm，宽度为0.75μm时，少模波导中存在TE0，TE21模式和TE12模式，在满足小尺寸特性的情况下并且两种模式有效折射率差值足够大来使得波导间的模间串扰足够低。根据所选择的少模波导参数尺寸，来决定单模波导Core2和Core3的参数，即在图3(a)中确定少模波导Core1的宽度为0.75μm时，对应的TE21模式的有效折射率为2.516742，对应的TE12模式的有效折射率为2.367904。对于单模波导Core2和Core3中的硅波导，为了满足实际的制备工艺，选择波导高度为0.22μm。对于上层的相变材料GSST波导，通过计算与硅波导构成复合波导的模式有效折射率，在满足单模波导中只存在TE0模式的情况下，同时满足最小的器件尺寸，选择GSST波导的高度为0.02μm。利用Lumerical FDTD软件计算出单模波导Core2和Core3的宽度，其中单模波导Core2的高度为0.24，宽度为0.559μm；单模波导Core3的高度为0.24，宽度为0.43μm。两个定向耦合器波导的横截面的示意图如附图2所示。
如附图4(a)和4(b)所示，计算在相变材料为非晶态模式光开关工作状态为开，少模波导Core1与单模波导Core2、Core3的波导中心间距分别为d1，d2时，不同波导中心间距与耦合效率的关系，其中为了满足制备工艺的需要，首先将两层波导之间的层间距设为0.2μm。首先计算少模波导Core1和单模波导Core2之间的最优波导中心间距和耦合长度来得到最大的耦合效率。随着d1的增大，耦合长度也随之增大。为了减小传输损耗，耦合长度不宜过长等综合因素考虑，选择d1为0.45μm，耦合区长度27.8μm是指Core2的直波导部分，Core2还包括弯曲波导，不单纯为耦合长度，耦合效率为95.9％；再计算Core1与Core3的之间的最优波导中心间距和耦合长度，来获得最大的耦合效率。最终选择d2为0.33μm，耦合区长度为11.9μm是指Core3的直波导部分，Core3还包括弯曲波导，不单纯为耦合长度，耦合效率为94.5％。Core1理论上要比Core2与Core3长度之和大就可以，不是很重要。
附图5(a)和5(b)是计算了各个波导之间的传输效率以及串扰。在1550nm波长下，当相变材料状态为非晶态时，模式开关处于开的工作状态，此时TE0模式转换为TE21模式的耦合效率为95.9％；TE0模式转换为TE12模式的耦合效率为94.5％。当相变材料状态为晶态，模式开关处于关的工作状态时，TE21模式在Core1中的传输效率为97.5％，TE12模式在Core1中的传输效率为94.5％。本发明中，模式复用器的串扰主要来源有两个方面，第一个是单模波导Core2传输的TE0模式在耦合到少模波导Core1复用为TE21模式时会产生串扰，第二个是单模波导Core3传输的TE0模式在耦合到少模波导Core1复用为TE12模式时会产生串扰。分别计算了模式光开关在开的工作状态下，在单模波导Core2中传输TE0模式对少模波导Core1的影响；在单模波导Core3中传输TE0模式对少模波导Core1的影响。计算方法为分别在单模波导Core2和Core3的Input2和Input3端口传输TE0模式，在少模波导Core1上的Output1端口监测当Input2和Input3端口输入TE0模式时分别得到的输出能量P(TE0)、P(TE21)和P(TE12)。可以计算得到单模波导Core2中传输的TE0模式在少模波导Core1中的传输的P(TE21)，串扰CT2(TE0)＝P2(TE0)/P2(TE21)，CT2(TE12)＝P2(TE12)/P2(TE21)。单模波导Core3中传输的TE0模式在少模波导Core1中的传输的P(TE12)，串扰CT3(TE0)＝P2(TE0)/P2(TE12)，CT3(TE21)＝P2(TE21)/P2(TE12)。计算结果可以从附图5(a)和附图5(b)中得出CT2(TE12)小于-15.4dB，CT2(TE0)小于-42.1dB；CT3(TE21)小于-20.5dB，CT3(TE0)小于-49.6dB。
附图6(a)-(f)是光场的仿真结果图。图6(a)和图6(b)为定向耦合器一在相变材料为非晶态光开关处于开的工作状态时的光场图，其中图6(a)为在Input1端口输入TE21模式的光下层波导Core1的光场图；图6(b)为在Input1端口输入TE21模式的光经过定向耦合器一完成模式转换和能量耦合，转换为上层波导Core2中TE0模式的光场图。图6(c)和图6(d)为定向耦合器二在相变材料为非晶态光开关处于开的工作状态时的光场图，其中图6(c)为在Input1端口输入TE12模式的光下层波导Core1的光场图；图6(d)为在Input1端口输入TE12模式的光经过定向耦合器二完成模式转换和能量耦合，转换为上层波导Core3中TE0模式的光场图。图6(e)为定向耦合器一在相变材料晶态光开关处于关的工作状态时的光场图，在Input1端口输入TE21模式的光,由于模式相变材料处于晶态Core1波导中的TE21模式与Core2波导中的TE0模式有效折射率不匹配，由Input1端口输入TE21模式的光在Core1中继续传播。图6(f)为定向耦合器二在相变材料晶态光开关处于关的工作状态时的光场图，在Input1端口输入TE12模式的光,由于模式相变材料处于晶态Core1波导中的TE12模式与Core2波导中的TE0模式有效折射率不匹配，由Input1端口输入TE12模式的光在Core1中继续传播。
实施例2：
基于相变材料的硅基三维波导模式光开关的制备。
第一步：制备Core1波导
1.清洗SOI片：将硅层厚度为0.5μm的SOI样片放在丙醇溶液中超声清洗15分钟，再用甲醇，异丙醇(IPA)以及去离子水在超声波清洗10分钟，然后将洗净的SOI片用氮***吹干，并放在150℃热板上烘5分钟以烘干样片表面水汽。
2.匀胶：将烘干的SOI片放入匀胶机中，旋涂PMMA光刻胶，匀胶转数为3000rpm，时间为60秒，然后将匀胶之后的样片放在热板上180℃前烘10分钟。
3.电子束光刻(EBL)：将旋涂好光刻胶的样片放入EBL设备舱中，并移动到指定的扫描位置，并用设计好的波导图案文件扫秒样片的特定位置以在片子上形成图案；对好电子枪焦点之后按给定波导图形自动扫描图案，待直写完结构以后再将片子移送出设备舱。
4.显影：将SOI片在室温下放入摩尔比为甲基异丁酮(MIBK)：IPA＝1：3溶液中显影35秒，然后在IPA溶液中定影50秒，显影之后的SOI片上将显示出EBL所写的波导图案；然后在热板上60℃烘烤5分钟，再90℃烘烤10分钟。
5.刻蚀：利用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀机对显影完成的SOI片子进行刻蚀，刻蚀深度为0.5μm，刻蚀时间为4分钟左右，刻蚀气体为SF6和C4F8。
6.洗去残胶：刻蚀之后在波导上面还残留一些电子束曝光胶PMMA，分别用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水进行超声波清洗，并用氮***烘干样片。
第二步：将两片SOI片进行键合
因为该器件为三维结构，工艺上需要使用两片SOI才能实现，因此需要利用键合工艺来实现两片SOI的键合。下面说明具体工艺流程：
1.生长二氧化硅：使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在制备好的Core1波导的的SOI片上生长一层总厚度为0.75μm的二氧化硅层(Core1波导上的二氧化硅层厚度为0.1μm)。
2.腐蚀减薄工艺1：由于Core2\Core3和Core1两层波导之间的垂直间距设计为0.2μm，所以采用化学机械抛光的方法将另一个SOI片的二氧化硅层减薄至0.1μm，这样便与第一层SOI片上的二氧化硅层共同构成0.2μm的隔离层。
3.键和工艺：先将上述制备好Core1波导的SOI片和另一片经过减薄二氧化硅层的SOI片在摩尔比为NH4OH:H2O2:H2O＝0.2:1:5的混合溶液中浸泡10分钟，去离子水漂洗5分钟，然后在在HCl:H2O2:H2O＝0.2:1:5的混合溶液中浸泡10分钟，去离子水漂洗5分钟，进而完成样片表面活化；将经过活化处理的两个SOI片在室温下贴合在一起，经过表面吸附的分子膜的氢键链接，完成预键合；然后，将经过预键合的样片放入键合机中，施加350kg的压力，保持30分钟。在室温下实现的键合通常不牢固，所以键合后还要在氧气氛中进行500℃的高温退火，行成牢固的键合。
4.腐蚀减薄工艺2：在键合工艺完成后，要对硅层进行减薄达到器件的设计要求。Core2和Core3的高度为0.22μm，需要去掉较厚的硅衬底层，故本次采用先粗磨后化学机械抛光的方法，先粗磨迅速减薄硅片，再化学机械抛光进一步的精确减薄硅层，得到设计好的Core3波导厚度。
第三步：制备Core2和Core3波导
1.清洗键合片：将键合好的两层SOI样片放在丙醇溶液中超声清洗15分钟，再用甲醇，异丙醇(IPA)以及去离子水在超声波清洗10分钟，然后将洗净的SOI片用氮***吹干，并放在150℃热板上烘5分钟以烘干样片表面水汽。
2.匀胶：将烘干的样片放入匀胶机中，旋涂PMMA光刻胶，匀胶转数为3000rpm，时间为60秒，然后将匀胶之后的样片放在热板上180℃前烘10分钟。
3.电子束光刻(EBL)：将样片放入EBL设备舱中，并移动到指定的扫描位置，并用设计好的波导图案文件扫秒样片的特定位置以在片子上形成图案；对好电子枪焦点之后按给定波导图形自动扫描图案，待直写完结构以后再将片子移送出设备舱。
4.显影：将SOI片在室温下放入甲基异丁酮(MIBK)：IPA＝1：3(摩尔比)溶液中显影35秒，然后在IPA溶液中定影50秒，显影之后的SOI片上就会显示出EBL所写的波导图案。然后在热板上60℃烘烤5分钟，再90℃烘烤10分钟。
5.刻蚀：利用ICP刻蚀机对显影完成的样片进行刻蚀，刻蚀深度为0.22μm，刻蚀时间为3分钟，刻蚀气体为SF6和C4F8。
6.电子束光刻(EBL)：将旋涂好光刻胶的样片放入EBL设备舱中，并移动到指定的扫描位置，并用设计好的GSST薄膜图案文件扫秒样片的特定位置以在片子上形成图案；对好电子枪焦点之后按给定波导图形自动扫描图案，待直写完结构以后再将片子移送出设备舱。
7.制备GSST薄膜：使用磁控溅射技术在样片上通过溅射连续沉积一层0.02μm的GSST薄膜，然后使用剥离工艺去除波导图形外外的GSST薄膜。
8.洗去残胶：刻蚀之后在波导上面还残留一些电子束曝光胶PMMA，分别用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水进行超声波清洗，并用氮***烘干样片。
9.生长二氧化硅：使用PECVD技术在制备好的Core2和Core3波导的样片上生长一层总厚度为0.48μm的二氧化硅层(Core2和Core3波导上的二氧化硅层厚度为0.24μm)。
总之，本发明提出的基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，实现了在硅基光波导中TE0与TE21和TE0与TE12模式在三维空间上的复用和解复用，并且可以通过改变相变材料的结晶状态来控制模式开关状态，在此基础上实现了器件的高耦合效率、低串扰和小尺寸的特性。
应当指出的是，具体的实施方式只是本发明有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议得到的，都应该是本专利所要保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，其特征在于：从下至上依次由衬底、包层和芯层构成，芯层被包覆在包导之中；芯层分为下层芯层和上层芯层二部分，下层芯层为Core1单直波导结构，上层芯层为输入端和输出端带有S型弯曲的Core2和Core3双直波导结构，Core2和Core33双直波导位于同一平面内；衬底的材料为硅，包层的材料为二氧化硅，Core1单直波导的材料为硅，Core2和Core3 S型弯曲部分的材料为硅，Core2和Core3直波导部分的材料为硅及位于硅之上的相变材料GSST；除S型弯曲部分外，Core1、Core2和Core3间相互平行，沿光的输入方向Core2和Core3分别位于Core1上方的左右两侧；波导Core1和Core2构成层间第一非对称定向耦合器1，波导Core1和Core3构成导间第二非对称定向耦合器2；沿光的输入方向，第一非对称定向耦合器1和第二非对称定向耦合器2间具有一定的间隔，使2个非对称定向耦合器在空间位置上不重叠；Core1为少模波导，支持TE0、TE21、TE12三种模式；Core2和Core3为单模波导，支持TE0模式；通过对Core1和Core2、Core1和Core3设置不同的尺寸，可以分别实现TE0与TE21，TE0与TE12两对模式之间的复用/解复用；通过改变相变材料的晶相，可以实现模式光开关功能。
2.如权利要求1所述的一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，其特征在于：在1550nm波长处，二氧化硅包层的折射率为1.445，硅芯层的折射率为3.476，相变材料GSST非晶态的折射率为3.3+0.00018i，相变材料GSST晶态的折射率为7.45+1.49i。
3.如权利要求1所述的一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，其特征在于：当相变材料为非晶态时，基于相变材料的硅基三维波导模式光开关的状态为开，Core1、Core2和Core3分别具有输入端口Input1、Input2和Input3，具有输出端口Output1、Output2和Output3；从Input2端口向Core2输入TE0模式，TE0模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core2耦合到Core1并由TE0模式转化为TE21模式，从Output1端口输出TE21模式；当从Input3端口向Core3输入TE0模式，TE0模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core3耦合到Core1并由TE0模式转化为TE12模式，从Output1端口输出TE12模式，从而实现TE0、TE21、TE12三种模式复用的功能；从Core1输入端口Input1输入TE0、TE21、TE12三种模式，少模波导Core1中的TE21模式通过层间第一非对称定向耦合器1从Core1耦合到单模波导Core2中并由TE21模式转化为TE0模式，从Output2端口输出TE0模式；少模波导Core1中的TE12模式通过层间第二非对称定向耦合器2从Core1耦合到单模波导Core3中并由TE12模式转化为TE0模式，从Output3端口输出TE0模式；TE0模式仍保留在少模波导Core1中进行传输，并由Output1端输出，从而实现TE0、TE21、TE12三种模式解复用功能；当相变材料为晶态时，基于相变材料的硅基三维波导模式光开关的状态为关，从少模波导Core1输入端口Input1输入TE0、TE21、TE12三种模式，只在少模波导Core1中传输，不发生模式的复用/解复用，从而在Output1端口接收TE0、TE21、TE12三种模式，而在Output2和Output3端口没有输出信号。
4.如权利要求1所述的一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关，其特征在于：Core1的高度为0.5μm，宽度为0.75μm；Core2和Core3中硅波导芯层的高度为0.22μm，GSST波导芯层的高度为0.02μm；Core2的宽度为0.559μm，Core3的宽度为0.43μm；Core1与Core2、Core3波导中心的间距分别为0.45μm和0.33μm，Core2直波导的长度为27.8μm，Core3直波导的长度为11.9μm。
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