一种基于多模干涉耦合器的4×4热光开关

：本发明涉及了一种平面光波导集成器件，主要涉及了一种基于多模干涉耦合器的4×4热光开关。

背景技术

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背景技术：

1、随着人工智能、物联网、5g高速通信等新兴技术的发展，对高速、大容量、大带宽的通信系统的需求越来越迫切。光通信技术具有传输损耗低、传输频带宽、器件尺寸小、重量轻、抗干扰能力强等优点，逐渐成为通信行业的首选。光开关作为一种能够对光传输线路和集成光信号进行相互转换或逻辑操作的光学元件，在波长调谐、光强调制、光路切换、光学传感、光子计算和光学路由等方面至关重要，是全光网络的核心元件，其性能的优劣直接影响整个系统。

2、聚合物材料的热光系数较大，介电常数比一般材料小，因而具有较快的响应速度，热损耗小，且聚合物波导器件的制备工艺简单、价格低廉，能够沉积在半导体衬底上，聚合物波导与常规印刷电路板和光纤具有良好的兼容性，为光子芯片的混合集成提供了良好的平台，是光互联应用中最具有潜力的传输介质。

3、现有光开关的调谐方式，有机械式和非机械式。机械光开关同利用光纤、棱镜和反射镜等光学元件的移动或转动来实现光路的控制；波导型光开关利用介质材料的热光效应、电光效应或相变效应等性质来改变波导介质的折射率，从而使光信号的传播状态发生变化。基于电光效应的光开关具有速度快、驱动电压小等特点，但其开关作用距离较长，开关的损耗较大。相比之下，利用热光效应的光开关具有功耗低、损耗小等优点。光开关是硅基光电集成芯片的核心器件，具有一个或多个可选的传输端口，可实现光传输线路或集成光路中的光信号物理切换或逻辑操作，是高速率数据传输与交换的基础单元。随着硅基光电集成芯片通信速率趋向tbit/s，迫切需要具有快速响应、低损耗、高可靠性的光开关及光开关网络，以实现硅基光电集成芯片的高速率数据传输。

4、鉴于上述聚合物光开关出现的问题，亟需发展一种结构简单、低损耗、小尺寸的光开关器件。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的意义在于克服现有技术的不足，提供一种基于多模干涉耦合器的4×4热光开关。通过采用不同尺寸的多模干涉耦合器(mmi)，使得光开关器件长度减小，同时具有较低的插入损耗。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，所设计的4×4热光开关结构示意图如图1所示，从左至右沿光的传播方向，该光开关通过2个4×4多模干涉耦合器mmi1和mmi2级联组成，并且关于水平方向对称；4×4光开关的输入端口为i1、i2、i3、i4，4×4光开关的输出端口为o1、o2、o3、o4；4根连接波导分别连接在mmi1的输出端和mmi2的输入端之间，4根连接波导上方分别设置了电极加热器1、2、3、4并且电极加热器与连接波导上存在间距，通过改变电极加热器的温度使连接波导种传输的光信号相位发生改变，实现不同的开关状态。

4、构成输入输出波导的是矩形波导，波导芯层的宽度a与厚度b相等，如图2为矩形波导结构的光场分布图，如图3所示为波导有效折射率nr与波导芯层宽度a的关系，选择a＝b＝2.5μm，该尺寸满足了波导的单模条件，同时考虑到工艺容差，如图4所示为4×4光开关的部分截面图。

5、其中4×4光开关的输入波导长度为lin，4×4光开关的输出波导长度为lout，mmi1的宽度为w1，mmi1的长度为l1，mmi2的宽度为w2，mmi2的长度为l2，mmi1输出波导长度与mmi2输入波导长度均为lc，连接波导的长度为lh，连接波导与电极加热器的垂直距离为lgap。

6、首先对4×4光开关中mmi的参数进行设计。对于mmi宽度wm(m＝1，2)，应避免宽度不足导致输入波导或输出波导之间发生耦合，且宽度激发的模式阶数至少为3。mmi长度lm(m＝1，2)的计算公式为：

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8、lπ为最低两阶模式的拍长，通常p取1，n为在lm处映像的个数，因此取4；

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10、λ0为光信号的波长，取1550nm，we为考虑了在全反射界面的goos-位移后多模波导的有效宽度；

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12、nc为芯层折射率，nr为包层折射率，σ为极化因子，对于te模σ取0，tm模式σ取1。

13、mmi输入波导位置xi、输出波导位置xo的计算公式为：

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15、为了使器件的尺寸尽可能小，应选择较小的多模干涉区宽度，考虑到在实际应用中，光开关的输出波导会与其它器件进行连接，需要mmi2在输出距离较长时仍能保持较好的性能，而mmi1作为mmi2的输入器件不需要太长的输出波导，附加损耗el的计算公式为：

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17、pouti为第i个输出口的输出功率，pin为输入功率。

18、不均匀度的计算公式为：

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20、(pout)min为输出端口最小功率，(pout)min为输出端口最大功率。

21、热光开利用聚合物材料的热光效应，通过控制电极加热器改变波导的折射率，进而改变波导中传输信号的相位，最终实现不同开关状态。加热器温度变化δt导致的相位变化计算公式为：

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23、为材料的热光系数。

24、4×4mmi的传输矩阵为：

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26、为常相位，由器件的结构参数确定，根据mmi的传输矩阵得到不同输入至输出所需调制的电极加热器。

27、使用rsoft仿真软件，对4×4光开关进行仿真，调节不同电极加热器的温度，得到16个开关状态的光场传输仿真结果并根据公式计算出不同开关状态的附加损耗和消光比，消光比的计算公式为：

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29、与现有的器件结构相比，本发明的有益效果是：

30、1、本发明提供的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，有4个输入端口，4个输出端口，能实现4个输入的四路选通功能，通过调制4个加热器实现16种不同的开关状态，具有低的插入损耗。

31、2、本发明提供的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关由两种不同尺寸的多模干涉耦合器结构级联构成，利用大尺寸多模干涉耦合器结构在长输出距离下的低损耗、高容差，与小尺寸的多模干涉耦合器结构进行级联，减小了器件的尺寸，提高器件性能。

技术特征：

1.一种基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，其特征在于：从左至右沿光的传播方向，该光开关由2个4×4多模干涉耦合器mmi1和mmi2组成并且关于水平方向对称；mmi1的4个输入端口作为4×4光开关的输入端口i1、i2、i3、i4，mmi2的4个输出端口作为4×4光开关的输出端口o1、o2、o3、o4；4根连接波导分别连接在mmi1的输出端和mmi2的输入端之间，4根连接波导上方分别设置了电极加热器1、2、3、4并且电极加热器与连接波导上存在间距，通过控制电极加热器温度，利用聚合物材料的热光效应，改变材料的折射率进而导致光相位改变，最后经多模干涉耦合器的自映像效应实现不同的开关状态。

2.如权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，其特征在于：所述4×4热光开关的波导材料为聚合物材料，波导芯层的宽度a与厚度b为2.5μm，该尺寸满足了波导的单模条件，同时考虑到工艺容差；如权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，其特征在于：所述mmi的输入、输出波导沿着mmi多模区域we/8、3we/8、5we/8、7we/8宽度横向排列，we为考虑了在全反射界面的goos-hähnchen位移后多模波导的有效宽度；如权利要求1所述的可重构的多模干涉耦合器4×4热光开关，其特征在于：通过仿真计算不同宽度的mmi在不同输出长度下的性能，选取mmi1和mmi2的宽度，且mmi1的宽度小于mmi2的宽度；如权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，其特征在于：所述构成4×4热光开关的mmi的宽度能避免输入波导之间的耦合，所激发的模式阶数至少为3，具有较大宽度的mmi2在长输出距离下具有更低的损耗和不均匀度；如权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，其特征在于：根据4×4mmi传输矩阵计算实现不同输入端口至不同输出端口通光时所需调制的加热器；如权利要求1所述的基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，其特征在于：所述4×4热光开关的16种开关状态的附加损耗和消光比与路径无关，不同开关状态所需调制的电极加热器个数相同。

技术总结
本发明提出一种基于多模干涉耦合器的4×4热光开关，可应用于光通信、光互联、光计算中，属于光电技术领域。整个光开关器件基于多模干涉耦合器结构，从左至右沿光传播方向，依次由输入波导、多模干涉分束器、连接波导、多模干涉合束器、输出波导构成；输入波导与多模干涉分束器连接，输出波导与多模干涉合束器连接，多模干涉分束器与多模干涉合束器通过连接波导连接，且连接波导上均设有用于加热波导的电极加热器，通过控制电极加热器温度，利用聚合物材料的热光效应，改变材料的折射率进而导致光相位改变，最后经多模干涉耦合器的自映像效应实现不同的开关状态。本发明具有结构紧凑、具有多种开关状态、开关损耗与路径无关等优点，可作为光开关单元或经扩展后应用于片上光网路。

技术研发人员：尚玉玲,周谨倬,李春泉,曾丽珍,何翔,叶晓静,梅礼鹏,胡玉凤,姜辉
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15