[发明专利]基于Si-Ge2

说明书

基于Si‑Ge₂Sb₂Te₅混合波导的片上光子多级开关，属于皮秒激光和连续激光应用技术领域。本发明基于激光多脉冲作用和倏逝波耦合理论。非晶Ge₂Sb₂Te₅和单模Si波导直接耦合，Ge₂Sb₂Te₅薄膜通过磁控溅射法沉积，通过调节皮秒激光脉冲数和脉冲能量来调节Ge₂Sb₂Te₅不同结晶状态实现多级开关操作。本器件不需要维持传统光开关由于热光效应和电光效应带来的能耗，是一种绿色的器件。并且由于Ge₂Sb₂Te₅在不同结晶状态下具有不同的光学常数，其晶态折射率和消光系数高于非晶态的折射率和消光系数，这使得材料与光的耦合及对光的吸收能力不同，进而实现多级操作。本发明可广泛应用于光通信系统。

技术领域

本发明涉及一种光学元器件，属于皮秒激光和连续激光应用技术领域，具体涉及一种基于Si-Ge₂Sb₂Te₅混合波导的片上光子多级开关。

背景技术

光开关是光通信网络的重要组成部分，其开关选择性是光网络通信的重要功能之一。特别是波导型光开关与其它光学器件的集成，越来越受到人们的重视。传统光开关主要基于电光效应和热光效应，需要消耗多余的能量去维持开关的状态，存在较大的静态功耗。传统光开关对温度变化非常敏感，这就导致了潜在的稳定性问题。并且，传统光开关由于电光效应和热光效应的局限性，导致折射率调节范围小。

解决能耗大和折射率调谐效率低等问题的一个办法是使用具有更大折射率调制的非易失性材料。相变材料Ge₂Sb₂Te₅是一种优秀的非易失性超快相变材料，具有“自保持”特性，这意味着它不需要连续的电源来维持其状态。通过电或光作用就可以使Ge₂Sb₂Te₅可以在非晶相和晶相之间可逆地切换，并且可以在晶相和非晶相之间形成多态。Ge₂Sb₂Te₅还具有许多突出的特性，如非晶态和晶态之间的高光学对比度、亚纳秒相变时间、与CMOS制造工艺的兼容性和高可扩展性，这是Ge₂Sb₂Te₅应用于光子芯片的巨大优势。因此，Ge₂Sb₂Te₅是实现非易失性片上多级开关的良好材料选择。

对于常用的通信波长(1550nm)，晶态Ge₂Sb₂Te₅的折射率约为7.25，非晶态约为4.39。Si波导的折射率为3.45。由于Ge₂Sb₂Te₅的折射率大于Si波导的折射率，当光通过Si-Ge₂Sb₂Te₅混合波导区域时，由于全反射作用，使得光在材料界面处发生倏逝耦合效应。不同结晶态的Ge₂Sb₂Te₅与光的倏逝耦合作用强度不同。对于结晶度较高的材料，其折射率较大，使得波导中的光由于全反射作用向折射率高的材料偏折，折射率越大，偏折效果越明显。

发明内容

本发明提出一种基于Si-Ge₂Sb₂Te₅混合波导的片上光子多级开关，目的在于提高开关性能，减小损耗，形成多态Ge₂Sb₂Te₅调制的多级开关。利用皮秒激光诱导Ge₂Sb₂Te₅产生多级超快相变，其多级操作有利于光开关矩阵的形成。