一种硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关

一种硅基pin调制的te0/te1多模电光开关
技术领域
1.本发明属于硅基光电子器件技术领域，具体涉及一种基于硅基pin调制的te0/te1多模电光开关。


背景技术：

2.随着信息时代的快速发展，人类对互联网服务的需求急剧增加，需要构建一个大容量的数据通信中心。光互联逐渐取代电互连，光交换代替电交换。与电交换相比，光交换具有低串扰、低延时、大容量等优点，契合下一代数据中心对互联技术的需求。而硅基光子技术，具有与互补金属氧化物(complementary metal oxide semicondutor，cmos)工艺生产线兼容、成本低、集成度高等优点，是实现大规模光子集成的工艺平台。
3.硅基光开关，作为光交换网络中的核心器件，相较于传统的微机电系统(micro-electro-mechanical systems,mems)开关，具有体积小、功耗低的优点，且相应速度更快、驱动电压更低，研究硅基光开关单元器件对未来构建高速光通信网络具有重要意义。
4.光开关种类繁多，根据其利用的物理效应可以分为热光开关、电光开关、磁光开关和声光开关。马赫增德尔干涉仪(mach-zehnder interferometer,mzi)型2
×
2电光开关，3-db耦合器采用多模干涉仪(multimode interferometer,mmi)结构，具有大的工作带宽和良好的抗干扰能力。
5.现如今，光通信网络需要扩大容量来满足社会日益增加的信息需求，传统的单模电光开关只能传输一种模式，本发明提出一种支持传输te0、te1两种模式的3-db耦合器，因为现阶段对高阶模的调制效率较低，因此，在调制臂中传输的光的模式依然为te0模式，相较于传统的两条调制臂，本发明采用四条调制臂，分别调制不同输入信号模式的光。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中提到的问题，本发明提出了一种基于硅基pin调制的te0/te1多模电光开关。本发明所述多模电光开关基于硅基集成光电子学技术，具有高集成度、与cmos工艺相兼容、可以大规模制造的特点，因此具有十分重要的实用价值。
7.如图1所示，一种基于硅基pin调制的te0/te1多模电光开关，其特征在于：该多模电光开关从左到右依次由第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一级3-db耦合器(21)、第一模式转换器(31)、第二模式转换器(32)、第一弯曲波导(41)、第二弯曲波导(42)、第三弯曲波导(43)、第四弯曲波导(44)、第一移相器(51)、第二移相器(52)、第一楔形转换器(61)、第二楔形转换器(62)、第三楔形转换器(63)、第四楔形转换器(64)、第一调制臂(71)、第二调制臂(72)、第三调制臂(73)、第四调制臂(74)、第五楔形转换器(65)、第六楔形转换器(66)、第七楔形转换器(67)、第八楔形转换器(68)、第五弯曲波导(45)、第六弯曲波导(46)、第七弯曲波导(47)、第八弯曲波导(48)、第三模式转换器(33)、第四模式转换器(34)、第二级3-db耦合器(22)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)、金属电极引线(8)及4个金属电极(91、92、93、94)组成；该多模电光开关由下至上依次为硅衬底(01)、硅基芯层(02)和二氧
化硅包层(03)，硅基芯层(02)被包覆在二氧化硅包层(03)中。
8.本发明多模电光开关基于180nm cmos工艺线，采用200mm soi衬底(soi衬底之上二氧化硅下包层的厚度为3μm，二氧化硅上包层的厚度是1μm。在1550nm的工作波长下，二氧化硅包层(03)和硅基芯层(02)的折射率分别为1.44和3.47。如图2和图6所示，移相器(51、52)、楔形转换器(61、62、63、64、65、66、67、68)、调制臂(71、72、73、74)的硅基芯层为脊型结构(横截面)，由平板层和位于平板层之上的脊组成，平板层和位于平板层之上的脊的总厚度为0.22μm；其余波导的硅基芯层为矩形结构(横截面)，矩形结构的厚度为0.22μm。第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)的芯层宽度w2为1.02μm。
9.如图3所示，第一级3-db耦合器(21)由第一楔形波导(2111)、第二楔形波导(2112)、第一耦合器多模波导(212)、第三楔形波导(2113)、第四楔形波导(2114)构成，第一楔形波导(2111)和第二楔形波导(2112)彼此分立的设置于第一耦合器多模波导(212)的输入端，第三楔形波导(2113)和第四楔形波导(2114)彼此分立的设置于第一耦合器多模波导(212)的输出端；第二级3-db耦合器(22)由第五楔形波导(2211)、第六楔形波导(2212)、第二耦合器多模波导(222)、第七楔形波导(2213)、第八楔形波导(2214)构成，第五楔形波导(2211)和第六楔形波导(2212)彼此分立的设置于第二耦合器多模波导(222)的输入端，第七楔形波导(2213)和第八楔形波导(2214)彼此分立的设置于第二耦合器多模波导(222)的输出端；楔形波导(2111～2114和2211～2214)的结构和尺寸完全相同，楔形波导(2111、2112、2211、2212)是芯层宽度随长度由窄变宽的波导，且为线性变化，最窄处的宽度w2为1.02μm，最宽处的宽度w3为2.24μm；楔形波导(2113、2114、2213、2214)是芯层宽度随长度由宽变窄的波导，且为线性变化，最宽处的宽度w3为2.24μm，最窄处的宽度w2为1.02μm；楔形波导(2111～2114和2211～2214)芯层的长度为4.9μm；第一耦合器多模波导(212)和第二耦合器多模波导(222)的芯层长度l
mmi
为88.6μm，芯层的宽度w
mmi
为5μm。第一输入波导(11)和第二输入波导(12)分别与第一楔形波导(2111)和第二楔形波导(2112)相连接，第七楔形波导(2213)和第八楔形波导(2214)分别与第一输出波导(13)和第二输出波导(14)相连接；
10.模式转换器(31～34)采用非对称定向耦合结构。如图4所示，第一模式转换器(31)由第一单模波导(311)、第一多模波导(312)和第一楔形波导(313)组成，第二模式转换器(32)由第二单模波导(321)、第二多模波导(322)和第二楔形波导(323)组成，第三模式转换器(33)由第三单模波导(331)、第三多模波导(332)和第三楔形波导(333)组成，第四模式转换器(34)由第四单模波导(341)、第四多模波导(342)和第四楔形波导(343)组成，第一单模波导(311)和第一多模波导(312)之间、第二单模波导(321)和第二多模波导(322)之间、第三单模波导(331)和第三多模波导(332)之间、第四单模波导(341)和第四多模波导(342)之间平行设置且耦合距离gm为0.2μm；第一单模波导(311)、第二单模波导(321)、第三单模波导(331)、第四单模波导(341)的芯层宽度w1为0.5μm，仅支持te0模式光；第一多模波导(312)、第二多模波导(322)、第三多模波导(332)、第四多模波导(342)的芯层宽度w2为1.02μm，可以支持te0和te1两种模式光；第一模式转换器(31)、第二模式转换器(32)、第三模式转换器(33)、第四模式转换器(34)的耦合区长度l1为47μm。第一楔形波导(313)、第二楔形波导(323)、第三楔形波导(333)、第四楔形波导(343)同样是芯层宽度随长度渐变的波导，且为线性变化，最宽处的宽度w2为1.02μm，最窄处的宽度w1为0.5μm，长度为5μm。
11.第一单模波导(311)、第一弯曲波导(41)、第一楔形转换器(61)、第一移相器(51)、第一调制臂(71)、第五楔形转换器(65)、第五弯曲波导(45)、第三单模波导(331)顺次连接，第三楔形波导(2113)、第一多模波导(312)、第一楔形波导(313)、第二弯曲波导(42)、第二楔形转换器(62)、第二移相器(52)、第二调制臂(72)、第六楔形转换器(66)、第六弯曲波导(46)、第三楔形波导(333)和第三多模波导(332)顺次连接，第四楔形波导(2114)、第二多模波导(322)、第二楔形波导(323)、第三弯曲波导(43)、第三楔形转换器(63)、第三调制臂(73)、第七楔形转换器(67)、第七弯曲波导(47)、第四楔形波导(343)和第四多模波导(342)顺次连接，第二单模波导(321)、第四弯曲波导(44)、第四楔形转换器(64)、第四调制臂(74)、第八楔形转换器(68)、第八弯曲波导(48)、第四单模波导(341)顺次连接；
12.如图5所示，为本发明所述第一楔形转换器(61)、第一移相器(51)和第一调制臂(71)的结构示意图，第一楔形转换器(61)、第一移相器(51)和第一调制臂(71)的芯层均为脊型结构(第二楔形转换器(62)、第二移相器(52)和第二调制臂(72)与之结构相同)，平板层(612)的厚度均为70nm；第一楔形转换器(61)的长度l2为20μm，芯层平板层的宽度从0.5μm线性渐变为3.86μm(2*1.68μm+0.5μm，w4＝1.68μm)，从而降低光从矩形波导过渡到脊型波导过程中产生的损耗，芯层的宽度为0.5μm；第一移相器(51)的芯层是由两个锥形构成的纺锤状结构(两边窄，中间宽)，芯层的初始宽度为0.5μm，最宽处宽度w5为0.8μm，长度l3为11.2μm；第一调制臂(71)的芯层宽度为0.5μm；移相器(51)和第一调制臂(71)芯层平板层的宽度为20.5μm(2*w6+0.5，w6＝10μm)。
13.如附图6所示，为本发明所述调制臂芯层横截面(垂直于光的传输方向)示意图。脊厚度h1为0.22μm(平板层的厚度为70nm)，脊的宽度w1为0.5μm，脊的左侧为p++掺杂区，脊的右侧为n++掺杂区，掺杂浓度均为1.7
×
10
20
/cm3，中间不掺杂为本征区，这样即构成pin结。掺杂区的宽度l4均为5μm，掺杂区距脊的距离l5为0.8μm。
14.本发明所述的多模电光开关的金属电极引线和金属电极均设置在二氧化硅包层之上，其中p++和n++掺杂区域上方的金属板通过介质通孔(介质通孔材料为钨)与掺杂区波导芯层相接触，金属电极引线的宽度为5μm，金属电极为80μm
×
80μm的矩形电极。
15.所述输入波导(11、12)、3-db耦合器(21、22)、模式转换器(31、32、33、34)、弯曲波导(41、42、43、44、45、46、47、48)、移相器(51、52)、楔形转换器(61、62、63、64、65、66、67、68)、调制臂(71、72、73、74)、电极(91、92、93、94)、输出波导(13、14)的重复组件结构相同。
16.所述输入波导(11、12)、输出波导(13、14)的芯层宽度为1.02μm，支持传输te0和te1两种模式的光。
17.本发明所述2
×
2马赫曾德尔电光开关工作原理可用传递函数表示。假设第一输入波导(11)中的传输光为i1，第二输入波导(12)的中传输光为i2，第一输出波导(13)中的传输光为o1，第二输出波导(14)中的传输光为o2，两个耦合器性能相同，上下端口分光比为a：(1-a)，mmi的损耗为α，耦合器两输出端口相位差为那么耦合器的传输矩阵可以表示为：
[0018][0019]
调制臂部分也可表示为：
[0020][0021]
l为调制臂长度，α1和α2分别是两条调制波波导的损耗，n1和n2分别为两条调制臂波导的有效折射率，k0为真空中波数。
[0022]
整个mzi光开关按照光传输方向可以用矩阵表示为：
[0023][0024]
只考虑有一个端口e
i1
输入时，e
i2
＝0，简化上式的计算，可以得到两个输出端口e
o1
和e
o2
的大小，并且计算得到透射系数：
[0025]
直通端透射系数：
[0026][0027]
交叉端透射系数：
[0028][0029]
以mmi作为耦合器时，两输出端口相位差可以看到t
11
和t
12
在相同条件下取极值。当k0(n
1-n2)l＝(2k+1)π,k＝0,1,2,3,......时，t
11
最大，t
12
最小，光开关处于直通(bar)状态。当k0(n
1-n2)l＝2kπ,k＝0,1,2,3,......时，t
11
最小，t
12
最大，光开关处于交叉(cross)状态。
[0030]
所述移相器提供π/2的相位差，在不添加移相器的情况下，对某一个调制臂进行调制，需要产生π的相位差，才能使开关在bar和cross状态下进行切换。当在其中一个调制臂预加一个π/2的相位差，那么再对调制臂进行调制，只需要产生π/2的相位差即可实现开关状态的切换。在对pin结施加正向偏压时，会使得调制臂折射率降低，电压越大(未击穿前)，折射率降低得越大，因此加载在金属电极上的功耗就会降低。
[0031]
所述的3-db耦合器(21、22)采用多模干涉器(multi-mode interference,mmi)结构，输入和输出波导的宽度为1.02μm，支持传输te0、te1两种模式。
[0032]
所述的模式转换器(31、32、33、34)可以将te1模式转换为te0模式。
[0033]
所述的金属电极引线8和金属电极(91、92、93、94)的材料均为alcu合金。
[0034]
所述多模电光开关输入光的模式为te0模式时，该器件的工作原理为：te0模式光从第一输入波导(11)或第二输入波导(12)经输入端(2111)或输入端(2112)进入第一级3-db耦合器(21)，经第一级3-db耦合器(21)分成两束功率相同、相位差为π/2的te0模式光束，分别从输出端(2113)和输出端(2114)输出；以第一级3-db耦合器多模波导(312)中的输出光为例，由于多模波导(312)芯层的宽度为1.02μm，传输的模式为te0模；而单模波导(311)芯层的宽度为0.5μm，te0模式在两芯层中的有效折射率不同，不满足模式匹配条件，且无法在单模波导(311)中激发其他模式，故te0模式无法在芯层(311)中传输，因此从第一级3-db耦
合器(31)的多模波导(312)中输出的te0模式光会经过第二弯曲波导(42)、第二级楔形转换器(62)、第二移相器(52)进入第二调制臂(72)，第二移相器(52)会使在其中的传输光产生π/2的相位差；相同的原理，从第一级3-db耦合器(31)的多模波导(322)中输出的te0模式光会经过第三弯曲波导(43)、第三级楔形转换器(63)进入第三调制臂(73)，此时第二调制臂(72)和第三调制臂(73)中的te0模式光存在π/2的相位差；在调制臂不加调制的情况下，第二调制臂(72)中的te0模式光经第六级楔形转换器(66)、第六弯曲波导(46)、第三模式转换器(33)进入第二级3-db耦合器(22)，光的模式不发生变化；第三调制臂(73)中的te0模式光经第七级楔形转换器(67)、第七弯曲波导(47)、第四模式转换器(34)进入第二级3-db耦合器(22)，光的模式同样不发生变化；此时，进入第二级3-db耦合器(22)中的两束te0模式光存在π/2的相位差，经第二级3-db耦合器(22)合束后，从第一输出波导(13)和第二输出波导(14)分别输出，两束输出光的功率相同(为输入光功率的一半)但相位差为π/2。
[0035]
在对第二调制臂(72)或第三调制臂(73)施加调制时，由于电光效应，会使得调制臂波导的有效折射率减小，使得两调制臂波导中te0模式光的相位差产生变化。由于经过第二移相器(52)，使得进入第二调制臂(72)中的te0模式光与第三调制臂(73)中的te0模式光存在π/2的相位差，因此对第二调制臂(72)施加一个较小的电压(1v)，就可以使得两臂波导中te0模式光的相位差为0，开关进入cross状态，第一输出波导(13)中的光功率近乎为0，光几乎全部从第二输出波导(14)中输出；同理，对第三调制臂(73)施加一个较小的电压(bar状态是只对第三调制臂(73)进行调制，而cross状态是只对第二调制臂(72)进行调制，此处电压为0.98v)，可以使得两臂波导中te0模式光的相位差为π，开关进入bar状态，第二输出波导(14)中的光功率近乎为0，光几乎全部从第一输出波导(13)中输出。
[0036]
所述多模电光开关输入光的模式为te1模式时，该器件的工作原理为：te1模式光从第一输入波导(11)或第二输入波导(12)经输入端(2111)或输入端(2112)进入第一级3-db耦合器(21)，经第一级3-db耦合器(21)分成两束功率相等、相位差为π/2的te1模式光束；以第一级3-db耦合器(21)的多模波导(312)中的输出光为例，虽然多模波导(312)芯层的宽度为1.02μm，单模波导(311)芯层的宽度为0.5μm，但te1模式在多模波导(312)中的有效折射率和在单模芯层(311)中的有效折射率相同，满足模式匹配条件，因此te1模式可以在单模波导(311)中完全转换成te0模式进行传输；单模波导(311)中te0模式的输出光再经过第一弯曲波导(41)、第一级楔形转换器(61)、第一移相器(51)进入第一调制臂(71)；相同的原理，从第二模式转换器(32)的单模波导(321)中输出的te0模式光经过第四弯曲波导(44)、第四级楔形转换器(64)进入第四调制臂(74)；由于第一移相器(51)的存在，此时第一调制臂(71)和第四调制臂(74)中的te0模式光存在π/2的相位差；在调制臂不加调制的情况下，第一调制臂(71)中的te0模式光经第五级楔形转换器(65)、第五弯曲波导(45)、第三模式转换器(33)转换为te1模式光，进入第二级3-db耦合器(22)；第四调制臂(74)中的te0模式光经第八级楔形转换器(68)、第八弯曲波导(48)、第四模式转换器(34)转换为te1模式光，进入第二级3-db耦合器(22)；此时，进入第二级3-db耦合器(22)中的两束te1光存在π/2的相位差，经第二级3-db耦合器(22)合束后，从第一输出波导(13)和第二输出波导(14)分别输出，两束输出光的功率相同(为输入光功率的一半)但相位差为π/2。
[0037]
在对第一调制臂(71)或第四调制臂(74)施加调制时，由于经过第一移相器(51)，使得进入第一调制臂(71)中的te0模式光与经过第四调制臂(74)中的te0模式光存在π/2的
相位差，因此，对第一调制臂(71)施加一个较小的电压(1v)，就可以使得两臂波导中te0模式光的相位差为0，开关进入cross状态，第一输出波导(13)中的光功率近乎为0，光几乎全部从第二输出波导(14)中输出；同理，对第四调制臂(74)施加一个较小的电压(0.98v)，就可以使得两臂波导中te0模式光的相位差为π，开关进入bar状态，第二输出波导(14)中的光功率近乎为0，光几乎全部从第一输出波导(13)中输出。
[0038]
从上述技术方案可以看出，本发明创新之处在于：
[0039]
1.本发明2
×
2多模开关支持处理te0、te1两种输入光信号，相较于传统的处理输入信号为te0模式的2
×
2电光开关传输容量更大，并且表现出传输更多种模式的潜力。
[0040]
2.本发明2
×
2多模开关用到的3-db耦合器支持传输te0、te1两种输入光信号，当输入光为te1模式光时，通过一个模式转换器，转换为te0模式，再对其进行调制，相比于直接调制多模波导，可以提高调制效率，并且降低功耗。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1：本发明所述2
×
2多模电光开关结构示意图；
[0043]
图2：本发明所述条形波导横截面示意图；
[0044]
图3：本发明所述3-db耦合器结构示意图；
[0045]
图4：本发明所述模式转换器结构示意图；
[0046]
图5：本发明所述楔形转换器、移相器、调制臂结构示意图；
[0047]
图6：本发明所述调制臂波导横截面示意图
[0048]
图7：本发明所述2
×
2电光开关输入光信号为te0模式时，对调制臂进行调制时传输损耗随电压的变化情况；
[0049]
图8：本发明所述2
×
2电光开关输入光信号为te1模式时，对调制臂进行调制时传输损耗随电压的变化情况；
[0050]
图9：本发明所述2
×
2多模电光开关输入光信号为te0模式时，在不同工作状态下光谱传输图；
[0051]
图10：本发明所述2
×
2多模电光开关输入光信号为te1模式时，在不同工作状态下光谱传输图；
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
如附图7(a)所示，为1550nm波长下输入信号为te0模式时，对第二调制臂(72)进行调制，器件传输损耗随电压变化情况的仿真模拟图。在调制电压为1v时，开关进入cross状
态，此时在第二输出波导(14)的传输损耗为-1.13db，在第一输出波导(13)的传输损耗为-24.84db；图7(b)所示，为1550nm波长下输入信号为te0模式时，对第三调制臂(73)进行调制，器件传输损耗随电压变化情况的仿真模拟图。在调制电压为0.98v时，开关进入bar状态，此时在第一输出波导(13)的传输损耗为-1.05db，在第一输出波导(13)的传输损耗为-29.39db。
[0054]
如附图8(a)所示，为1550nm波长下输入信号为te1模式时，对第一调制臂(71)进行调制，器件传输损耗随电压变化情况的仿真模拟图。在调制电压为1v时，开关进入cross状态，此时在第二输出波导(14)的传输损耗为-2.20db，在第一输出波导(13)的传输损耗为-24.59db；图8(b)所示，为1550nm波长下输入信号为te1模式时，对第四调制臂(74)进行调制，器件传输损耗随电压变化情况的仿真模拟图。在调制电压为0.98v时，开关进入bar状态，此时在第一输出波导(13)的传输损耗为-2.12db，在第一输出波导(13)的传输损耗为-30.48db。
[0055]
如附图9所示为本发明所述2
×
2多模电光开关在输入光信号为te0模式时，不同工作状态下的光谱传输图。图9(a)为cross状态下器件的光谱传输图，1550nm波长下，第一输出波导(13)的传输损耗为-24.56db，第二输出波导(13)的传输损耗为-0.85db，在1500～1600nm波长范围内，器件的整体串扰＜-15.2db；图9(b)为bar状态下器件的光谱传输图，1550nm波长下，第一输出波导(13)的传输损耗为-0.76db，第二输出波导(13)的传输损耗为-29.11db，在1500～1600nm波长范围内，器件的整体串扰＜-22.3db。
[0056]
如附图10所示为本发明所述2
×
2多模电光开关在输入光信号为te1模式时，不同工作状态下的光谱传输图。图10(a)为cross状态下器件的光谱传输图，1550nm波长下，第一输出波导(13)的传输损耗为-24.00db，第二输出波导(13)的传输损耗为-1.61db，在1500～1600nm波长范围内，器件的整体串扰＜-6.85db；图10(b)为bar状态下器件的光谱传输图，1550nm波长下，第一输出波导(13)的传输损耗为-0.85db，第二输出波导(13)的传输损耗为-24.56db，在1500～1600nm波长范围内，器件的整体串扰＜-14.32db。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。