片上开关及其形成方法、光通信元件与流程

本公开涉及微纳光电子元器件，特别是涉及片上开关及其形成方法、光通信元件。

背景技术：

1、大规模硅光子学的最新进展预示着集成光互连将比电连接具有显著的带宽密度优势。处理器、存储器和存储单元之间的极端通信带宽的可用性将彻底改变高性能计算系统和数据中心的架构。对于许多此类应用，可以动态重新配置的片上高密度光子网络结构对于在系统的不同功能单元之间有效地路由数据将是至关重要的。实现这种自适应光网络的关键构件是具有高性能的光子中继开关。期望这些开关具有低损耗、高能效、高速度、小的占用面积以及与硅制造工艺的兼容性。

2、在硅光子学平台上，已经通过在pin二极管结构中使用载流子注入、耗尽或通过局部加热硅波导的光热效应等方式来演示了光学开关。马赫-曾德尔干涉仪和微环谐振器结构均已用来实现开关器件，而前者提供了宽的工作带宽，后者提高了光学谐振的效率。值得注意的是，由微机电系统（mems）驱动的波导交叉棒开关的大阵列也已在硅光子平台上开发，然而，高达40v的大驱动电压可能会给许多应用带来问题。

3、上面列出的光交换技术各有优缺点，但它们的一个共同特点是需要持续的功耗来保持切换状态（开或关）。尽管每比特的能量消耗随着比特率的增加而减少，但大规模交换系统的总功率消耗仍然是令人望而却步的。因此，非常需要一种不消耗额外功率来维持开关状态，并且在损耗、速度及尺寸等至少一个方面具有令人信服的性能的非易失性开关技术。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对如何实现低功耗小尺寸的光子中继开关问题，提供一种片上开关及其形成方法、光通信元件。

2、本公开实施方式提供一种片上开关，该片上开关包括：依次设置并连接的输入波导、开关区域及输出波导，开关区域包括阵列的多个子区域，子区域包括相变区、波导区及占位区。

3、本公开实施方式提供的片上开关，通过在开关区域设置三种功能的子区域，实现了低功耗、小尺寸的效果。相变区的总尺寸较小，可消耗较少的功耗，同时配合波导区及占位区可使得该片上开关在“开”状态和“关”状态都有较好的性能表现，该片上开关具有较好的消光比。

4、在一些实施方式中，位于开关区域中部的子区域为相变区。

5、如此设置，可以均衡地控制开关区域，可有效地实现对输入波导与输出波导之间的阻断。

6、在一些实施方式中，子区域为矩形区域。

7、如此设置，阵列的多个子区域具有较紧密的排布，不同种类的子区域易于制造，此外可较简单地实现有效的排布构造。

8、在一些实施方式中，输入波导的波导宽度小于开关区域的波导宽度，输出波导的波导宽度小于开关区域的波导宽度。

9、在开关区域保持适当的尺寸的同时，该片上开关实现良好的导通性能，“开”状态下具有较低的插入损耗。此外通过相变区和占位区的配合，能低耗有效地控制开关区域的工作状态。

10、在一些实施方式中，开关区域的波导宽度小于开关区域沿输入波导与输出波导相对方向的尺寸。

11、该片上开关可实现较好的消光比，开、关性能好。

12、在一些实施方式中，片上开关包括堆叠的衬底、波导层和包层，波导层包括输入波导、开关区域及输出波导。

13、如此设置，有助于保证波导层正常工作。该片上开关可被集成于半导体结构中。

14、在一些实施方式中，衬底的材料包括二氧化硅，波导区的材料包括硅，相变区的材料包括锗锑碲合金，占位区的材料包括二氧化硅或空气，包层的材料与占位区的材料相同。

15、如此设置，该片上开关可具有表现好的“开”状态及“关”状态，且占位区易于制造，开关区域可具有较理想的实际形状。

16、在一些实施方式中，相变区、波导区及占位区被配置为根据迭代步骤分布设置，迭代步骤包括：设置相变区，获得开关区域的初始品质因子；对多个子区域依次进行转化，其中，对子区域进行转化的步骤包括：若子区域为相变区，则不改变子区域；若子区域为波导区，则改变子区域为占位区；若子区域为占位区，则改变子区域为波导区；及获得开关区域的当前品质因子；以及响应于当前品质因子的值大于前一步骤中开关区域的品质因子的值，保持子区域为转化的步骤后的种类。

17、如此设置，可使得开关区域所采用的构造布局具有较大的品质因子，片上开关具有较好的工作性能。

18、本公开实施方式还提供一种光通信元件，包括：通信光路；及前述的片上开关，连通于通信光路中。

19、该光通信元件具有较小的能耗，较高的集成度，可实现好的通信效果。

20、本公开实施方式还提供一种用于形成片上开关的方法，该方法包括：在预制波导层形成相变区；及在预制波导层形成占位区，基于预制波导层获得波导区。

21、本公开实施方式提供的方法可形成低功耗小尺寸的片上开关。

技术特征：

1.片上开关，包括依次设置并连接的输入波导、开关区域及输出波导，

2.根据权利要求1所述的片上开关，其特征在于，位于所述开关区域中部的子区域为所述相变区。

3.根据权利要求1所述的片上开关，其特征在于，所述子区域为矩形区域。

4.根据权利要求1所述的片上开关，其特征在于，所述输入波导的波导宽度小于所述开关区域的波导宽度，所述输出波导的波导宽度小于所述开关区域的波导宽度。

5.根据权利要求1所述的片上开关，其特征在于，所述开关区域的波导宽度小于所述开关区域沿所述输入波导与所述输出波导相对方向的尺寸。

6.根据权利要求1所述的片上开关，其特征在于，所述片上开关包括堆叠的衬底、波导层和包层，所述波导层包括所述输入波导、所述开关区域及所述输出波导。

7.根据权利要求6所述的片上开关，其特征在于，所述衬底的材料包括二氧化硅，所述波导区的材料包括硅，所述相变区的材料包括锗锑碲合金，所述占位区的材料包括二氧化硅或空气，所述包层的材料与所述占位区的材料相同。

8.根据权利要求1所述的片上开关，其特征在于，所述相变区、所述波导区及所述占位区被配置为根据迭代步骤分布设置，所述迭代步骤包括：

9.光通信元件，包括：

10.用于形成片上开关的方法，包括：

技术总结
本公开涉及片上开关及其形成方法、光通信元件。该片上开关包括：依次设置并连接的输入波导、开关区域及输出波导，开关区域包括阵列的多个子区域，子区域包括相变区、波导区及占位区。该片上开关可以实现低功耗、小尺寸、性能好的效果。

技术研发人员：高阳,张磊,张萌徕,焦文婷,尹坤
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13