[发明专利]一种基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器

说明书

本发明公开了一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，包括SOI基片，SOI基片上沿水平方向设置有平行分布的输入硅波导和输出硅波导，特点是输出硅波导的上表面沿长度方向设置有相变材料GST波导层，GST波导层位于耦合区域内且均匀的分为N段，每一段均能工作在晶态或非晶态状态，其中N为3‑20内的任意自然数，耦合器通过改变处于晶态和非晶态的GST波导层的段数实现任意比例的功率耦合，优点是便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较低的插入损耗以及输出功率可调。

技术领域

本发明涉及一种非易失性可调谐耦合器，尤其是涉及一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器。

背景技术

基于绝缘体上硅（SOI）的光子器件由于其紧凑性以及与成熟的CMOS工艺的兼容性而备受关注，这使得其成本较低，而且具备大规模集成的潜力。由于其超高的折射率差和亚微米的结构尺寸使得基于SOI平台的集成光学器件往往是偏振相关的。方向耦合器是光子集成电路中最重要的器件之一，因为它具有分光和组合光的能力。得益于绝缘体上硅结构的简单和易于设计的特性，方向耦合器已经广泛应用于光开关、光功率分配器以及偏振处理器件。

特别地，可调谐的方向耦合器是一种分光比可动态调节的光子器件，在可编程光子回路具中有重要的应用价值。可编程光学回路借助电子芯片领域的现场可编程门阵列（FPGA）的概念，并将其应用于集成光学领域。其核心的编程单元可通过外接电路或者光路调节其分光比，实现可调谐的光功率耦合或者简单的cross或者bar态光开关。现有的可编程性光子回路中的编程单元依赖于电光或是热光效应。然而，这两种效应均会导致极小的折射率差（Δn < 0.01），进而导致器件具有很大的尺寸（毫米 × 毫米），以及较高的能量消耗（一般为几毫瓦）。而且调节机制是易失性的，需要持续的能量供给才能保持可编程的光学状态。

自从Ge₂Sb₂Te₅(GST)相变材料被发现以来，在电子、物理、材料等领域都得到了广泛的应用。特别是在光存储领域获得了非常成功的商业化应用。相变材料GST具有优良的光学特性和电学特性。在晶态和非晶态特性差异巨大、纳秒级的相态转变速度以及不需要额外能量供给即可保持相态稳定，这些优点使得相变材料GST成为新型光调制器的理想候选材料。目前，国内外还没有公开任何关于基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器的相关研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有便于片上集成、能量消耗低、较宽的工作带宽、较低的插入损耗以及输出功率可调的基于相变材料的非易失性可调谐方向耦合器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相变材料的非易失性可调方向耦合器，包括SOI基片，所述的SOI基片上沿水平方向设置有平行分布的输入硅波导和输出硅波导，所述的输出硅波导的上表面沿长度方向设置有相变材料GST波导层，所述的GST波导层位于耦合区域内且均匀的分为N段，每一段均能工作在晶态或非晶态状态，其中N为3-20内的任意自然数。

所述的耦合器通过改变处于晶态和非晶态的GST波导层的段数实现任意比例的功率耦合。

所述的SOI基片包括一层厚度为 220 nm的硅衬底和一层厚度为 3 μm的二氧化硅层，所述的二氧化硅层设置在所述的硅衬底上表面，所述的输入硅波导和所述的输出硅波导设置在所述的二氧化硅层的上表面。

在耦合区域内所述的输入硅波导与所述的输出硅波导之间的间距为 150 nm。

所述的输入硅波导厚度为 220 nm、宽度为 450 nm，所述的输出硅波导的厚度为220 nm，宽度为 450 nm。

所述的GST波导层首尾长度等于耦合区长度，每段所述的GST波导层的厚度为 20nm，相邻段的所述的GST波导层之间的间距大于10nm。

所述的GST波导层在耦合区域内均匀的分为5段。