基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列

本发明属于光通信领域的一种光开关及阵列，具体涉及一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列。

背景技术：

1、光开关是一种关键的光学基本单元，它可以控制(开启或关闭)光信号的传输。在光纤通信、光网络管理、光信号处理和光存储等多个领域中，光开关可以用于路由光信号，使其沿特定路径传输，从而提高光学系统的效率和灵活性。相变材料是一类新兴的光学材料，在调控方面的具有显著的优势。这主要源于其独特的物理特性，可以在不同的物理状态(如晶态和非晶态)之间进行切换，同时伴随着电学和光学性质的显著变化。这些特性使它们在光学、电子和光电子领域中具有广泛的应用潜力。目前，光开关作为光交换网络中的核心器件，在，硅平台上已经实现了较低的损耗和较高的消光比，其中最具代表的光开关结构基于片上集成马赫-曾德尔干涉仪。但是该类光开关的占地面积普遍较大，以典型的硅基马赫-曾德尔干涉仪为例，其面积在数千平方微米量级，这导致以该开关为单元拓展产生的光开关阵列占地面积巨大，不利于大规模集成应用。

2、另一方面，目前现存的光开关多基于热光效应，主要利用温度影响材料的折射率，通过改变器件温度，进而改变折射率来调节光的相位，从而在马赫-曾德尔干涉仪中实现对光的调控。热光调控存在一些缺陷，一方面响应速度较低且功耗较大，极大影响光开关性能；另一方面，由于二氧化硅的导热性能，改变干涉臂温度时必然存在热串扰的问题，在大规模光开关阵列集成时热串扰更加严重，严重制约大规模光子集成回路的进一步发展应用。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明在硅基集成波导的基础上，结合相变材料，提出了一种相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列。所要突破的技术难关是利用特殊设计的超紧凑结构实现超紧凑光开关单元，尺寸低至十平方微米量级，同时结合相变材料，利用相变材料的非易失性，降低能耗，减小热串扰，避免集成光子器件在调控时需要持续供能的问题。本发明所述的相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，利用超紧凑传输波导阵列，大大压缩了输入输出波导的间距和马赫-曾德尔干涉仪两干涉臂的间距，并且仅通过调节相变材料状态即可实现马赫-曾德尔干涉仪两臂之间的相位变化，具有非易失性，避免了热光开关运行时持续加热的需求，极大缩减了在控制光路时的能耗，且开关状态一经调节无需外来能量维持，不仅可以节约能源，也减少了大规模热光开关阵列运行时持续加热带来的热飘移和热串扰问题。通过相变材料辅助调控相位，实现2*2的光开关，具有技术简单，性质可控稳定，尺寸超紧凑，能量消耗少，有利于大规模集成和组成大型可重构光开关阵列等优点。该光开关不仅可用于光通信，光传感，光存储和人工智能等领域，且为量子传感，量子计算和量子保密通信等铺平了道路。

2、本发明解决如上技术问题所采用的技术方案为：

3、一、一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关

4、超紧凑光开关包括输入波导、定向耦合器、干涉臂波导和输出波导，第一输入波导与第一定向耦合器的第一输入端相连，第一定向耦合器的第一输出端经第一干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第一输入端相连，第二定向耦合器的第一输出端与第一输出波导相连；第二输入波导与第一定向耦合器的第二输入端相连，第一定向耦合器的第二输出端经第二干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第二输入端相连，第二定向耦合器的第二输出端与第二输出波导相连；由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一干涉臂波导和第二干涉臂波导组成超紧凑马赫-曾德尔干涉仪。

5、所述第一定向耦合器和第二定向耦合器的波导结构相同，均包括硅衬底、二氧化硅包层、第一混合波导和第二混合波导，硅衬底和二氧化硅包层上下层叠布置，二氧化硅包层中嵌装有第一混合波导和第二混合波导，第一混合波导和第二混合波导之间平行且间隔布置；所述第一混合波导和第二混合波导均由第一硅波导组成，第一硅波导嵌装在二氧化硅包层中；所述第一混合波导和/或第二混合波导还包括电极层、第一相变材料层和第一导热层；第一相变材料层和第一硅波导相连，第一相变材料层与第一导热层相连，第一导热层与电极层相连。

6、所述第一相变材料层设置在第一硅波导的外侧面和/或内部；第一相变材料层设置在第一硅波导外侧面的上表面、下表面、左表面、右表面或者两个表面及以上，第一相变材料层设置在第一硅波导外侧面时，第一导热层设置在第一硅波导中远离第一相变材料层的一面；第一相变材料层设置在第一硅波导内部时，电极层嵌装在第一相变材料层中。

7、所述输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合。

8、所述超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度来优化设计各段波导的传播常数，使得在第一定向耦合器和第二定向耦合器区域内的两段波导发生光信号的高效耦合，而在第一干涉臂波导和第二干涉臂波导区域的两段波导内的光信号不发生互相耦合，整个马赫-曾德尔干涉仪的两段波导中心间距不超过一个波长的尺度，因此使得该马赫-曾德尔干涉仪具有超紧凑的特性。

9、所述超紧凑光开关中，第一输入波导和第二输入波导为非对称输入波导，第一输出波导和第二输出波导也为非对称输入波导。

10、所述第一相变材料层为金属氧化物、硫属化合物或者有机相变材料。

11、二、一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关阵列

12、所述超紧凑光开关阵列由所述的超紧凑光开关超紧凑光开关平行密排组成，通过调控波导宽度来优化设计相邻超紧凑光开关之间波导的传播常数，使得相邻马赫-曾德尔干涉仪的相邻两段波导中心间距不超过一个波长的尺度，因此使得该马赫-曾德尔干涉仪阵列也具有超紧凑的特性。

13、所述超紧凑光开关阵列中，相邻的两个输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合；

14、所述超紧凑光开关阵列中，超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度的办法来优化设计各段波导的传播常数，使得超紧凑马赫-曾德尔干涉仪之间的光信号不发生互相耦合。

15、三、一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关芯片

16、芯片包括掺杂硅衬底，所述掺杂硅衬底上集成有所述的超紧凑光开关阵列。

17、基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列工作原理：

18、相变材料层上的电极层会传导焦耳热，而相变材料会在特定温度下实现晶态与非晶态的可逆转换，通过焦耳热来诱导相变材料的状态进而控制马赫-曾德尔干涉仪干涉臂中的相位差，由于相变材料在晶态和非晶状态下的有效折射率存在较大差异，所以可以用来调制光开关。相变材料在晶态状态下，混合相变材料的干涉臂与另一干涉臂光程不同，通过计算精准控制到达第二定向耦合器时的相位差，可以令光从其中一条输出波导输出。而当相变材料转换为非晶状态时，相比于晶态有效折射率显著增大，经过计算使非晶状态的干涉臂与晶态的干涉臂中存在半波长度的光程差，再经过第二定向耦合器就可以使光从另一条输出波导输出。因此，通过在导热层的两端适当的电脉冲信号，改变导热层温度进而改变相变材料层温度，即可实现相变材料在晶态和非晶状态相互转换，最终实现一个2*2的超紧凑光开关。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1.本发明将相变材料与硅波导相结合，利用相变材料晶态与非晶状态之间的折射率差异，控制马赫-曾德尔干涉仪两条干涉臂中的相位差，实现高效能超紧凑的光开关，具有极大的拓展性。

21、2.基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列，消耗能量大大减少，只有在焦耳热诱导相变材料状态改变时需要外界供能，利用材料的非易失性实现了器件的非易失性，吻合集成光子学的发展趋势。

22、3.与传统的片上集成光子器件相比，后者需要持续加热来维持器件状态，极易产生热串扰，影响器件的使用寿命和效果，基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列，不需要持续供能，可极大减少热量对器件的影响。

23、4.超紧凑的光开光对比目前现存的其他光开关器件，利用超紧凑结构设计，占地面积极大减少，具有数量级上的优势，极大地提高了器件集成度。

24、5.混合相变材料-硅波导的干涉臂，可以在半个波长的尺度范围内高效实现光信号局域化或者互相耦合，那么通过控制相变材料的晶态或非晶态，即可实现开关操作。具体实例显示，光开关整体宽度仅有1微米，长度小于15微米，占地面积小于15平方微米，大大提高了集成度，具有广阔的应用前景。