[发明专利]一种基于相变材料的可重构微环光开关

说明书

本发明公开了一种基于相变材料的可重构微环光开关。本发明包括两根总线波导、微环谐振器和搭载相变材料的混合波导；混合波导包括硅波导和置于硅波导上的相变材料，混合波导置于微环谐振器的外侧或者内侧旁，且布置成与微环谐振器相吻合的弧形段；微环谐振器与输入输出波导、上传下载波导之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器内产生光场谐振；微环谐振器与搭载相变材料的混合波导发生侧向倏逝波耦合，用于调控微环内的光场谐振，从而实现光路的开关路由。本发明结构简洁紧凑、设计方便、稳定性高，克服了相变材料自身的高损耗技术问题，降低串扰并提升了消光比，能够实现自保持特性且能量消耗低，适用于可重构、可调谐的波分复用系统。

技术领域

本发明涉及一种平面光波导集成器件，尤其是涉及一种基于相变材料的可重构微环光开关。

背景技术

众所周知，长距离光通信已经取得了巨大成功，光通信网络中的众多节点单元可以通过光路传输进行数据交换与路由。光互连作为一种新的互联方式，可以克服传统电互连存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。自1984年J.W.Goodman提出在VLSI中采用光互连方案以来，光互连研究已取得了巨大进展。早期光互连在较长距离的光路交换与数据路由中已发展相对成熟，当前的光交换技术正不断向超短距离互联推进，其交换性能需求日益增长。集成芯片规模的光互连领域中，高的交换速率与对比度，低的能量消耗、插入损耗与通道串扰是实现性能优异的光交换器件的关键因素。

集成平面光波导器件中，基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)与微环谐振器(MRR)的光开关得到了大量研究，部分方案已经实现了商业化。在集成平台上通过电光效应或热光效应，已经实现了性能可观的光开关阵列。考虑到器件尺寸规模的小型化与紧凑化，多采用微环谐振器作用光开关的基本单元。传统的基于微环谐振器的光开关通过电光效应或热光效应改变微环波导的模式有效折射率，使谐振峰平移，从而实现特定波长处光功率的改变，达到光路状态切换的效果。这一结构中，光开关维持在某一种状态时需持续消耗能量，如热光开关的功率消耗在毫瓦量级；另一方面，光路状态的切换依赖于谐振峰平移，会对相邻波长信号的光功率产生影响，增大了相邻通道间串扰，不利于在波分复用系统中的应用。

近年来结合相变材料的光开光由于可产生较大的折射率差，且具有非易失性，仅需在状态改变时提供能量，引起了研究人员的广泛关注，在过去几年中结合相变材料的光开关研究取得了一些进展。例如，文献Stegmaier,M.,Ríos,C.,Bhaskaran,H.,Wright,C.D.,Pernice,W.H.P.(2017).Nonvolatile all-optical 1×2switch for chipscalephotonic networks.Advanced Optical Materials,5(1),1–6.设计了一种在微环上一定面积区域沉积Ge₂Sb₂Te₅(GST225)的光开关，消光比接近5dB。利用相变材料调节微环谐振状态的方案不改变谐振峰的位置，使得这种光开关的通道串扰低，适用于波分复用系统，同时相变材料的非易失性使光开关仅需在状态切换时提供能量，功耗降低。然而，由于相变材料的损耗较大，直接沉积在微环上会引入较大的插入损耗，不利于信号的后续传输与探测接收，限制了其在光开关领域的进一步实用化与商业化。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于相变材料的可重构微环光开关，采用在硅波导上沉积相变材料的混合波导结构与微环发生侧向倏逝波耦合，调控微环的谐振状态进而实现信号在不同端口输出的切换，在实现高消光比的同时降低插入损耗与通道串扰，适用于可重构、可调谐的波分复用系统，且满足低功耗需求。

本发明采用的技术方案是：