一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片

本发明属于信号光集成芯片，具体涉及一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片。

背景技术：

1、平板信号光波导器件(planar lightwave circuit,plc)相比较于信号光纤器件，具有更小的器件尺寸，更高的器件集成度，易于实现小型化、集成化的多功能信号光子集成器件，因此得到了研究人员的广泛研究，并开始占有了一定的市场份额。

2、信号光开关和波分复用器作为信号光网络中的关键元件，在可重构信号光分插复用器、信号光交换网络等领域有着广泛的应用。波分复用器的应用可以极大的提高信号光网络中的通信容量，而信号光开关网络的使用，可以使信号光网络由传统的点到点的信号光网络，变换为动态的信号光网络系统，提高了信号光网络的灵活性。但是现有的信号光网络中，信号光开关和波分复用器是独立的元器件，每一种器件仅具备一种功能，降低了其可拓展性。

技术实现思路

1、为了解决背景技术所述的问题，本发明提出了一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片。本发明的波分复用/解复用的信号光开关可以同时实现开关与波分复用的功能，也可以单独作为开关或波分复用器使用，具有很强的可拓展性。

2、本发明所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其是采用硅片作为衬底，以折射率不同的材料作为器件的芯层与包层、以金属作为调制电极。本发明所采用的制备工艺与半导体工艺兼容、易于集成、适合大规模生产，因而具有重要的实际应用价值。

3、如附图1所示，本发明所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，由下至上，由硅片衬底(1)、下包层(2)、波导芯层(3)、上包层(4)及金属电极(5)组成，波导芯层(3)被包覆在上包层(4)之中；下包层(2)与上包层(4)材料为低折射率的二氧化硅、聚合物等材料中的一种，其中聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、epoclad、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)等；波导芯层(3)材料为氮化硅、硅、掺杂二氧化硅、聚合物等材料中的一种，其中聚合物材料为su-8 2002、su-8 2005、epocore、聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)等；波导芯层(3)材料的折射率大于包层材料的折射率；金属电极(5)材料为金、银、铝、钨、钛中的一种或者多种组成的合金。

4、如附图2所示，沿信号光传输方向，波导芯层(3)由输入波导芯层(101)，贝塞尔形3db分束器(200)，依次连接的第一s弯曲波导芯层(102)和第一调制臂波导芯层(103)，依次连接的第二s弯曲波导芯层(102’)和第二调制臂波导芯层(104)，带有倾斜角度的多模干涉器(400)组成；在第一调制臂波导芯层(103)和第二调制臂波导芯层(104)正上方的上包层(4)之上分别设置有第一金属电极(301)和第二金属电极(302)，第一金属电极(301)和第二金属电极(302)统称为金属电极(5)。

5、如附图3所示，贝塞尔形3db分束器(200)为1×2多模干涉器结构，由3db输入波导芯层(201)，贝塞尔型多模干涉区(202)，依次连接的宽度由宽变窄的3db第一输出楔形转换器(203)和3db第一输出波导芯层(204)，依次连接的宽度由宽变窄的3db第二输出楔形转换器(203’)和3db第二输出波导芯层(204’)构成；3db第一输出波导芯层(204)和第一s弯曲波导芯层(102)连接，3db第二输出波导芯层(204’)和第二s弯曲波导芯层(102’)连接；

6、如附图4所示，带有倾斜角度的多模干涉器(400)由依次连接的第一输入波导芯层(401)、第一输入弯曲波导芯层(402)和宽度由窄变宽的第一输入倾斜楔形波导芯层(403)，依次连接的第二输入波导芯层(401’)、第二输入弯曲波导芯层(402’)和宽度由窄变宽的第二输入倾斜楔形波导芯层(403’)，多模干涉区(404)，依次连接的宽度由宽变窄的第四输出倾斜楔形波导芯层(405)、第四输出弯曲波导芯层(406)和第四输出波导芯层(412)，依次连接的宽度由宽变窄的第一输出倾斜楔形波导芯层(405’)、第一输出弯曲波导芯层(406’)和第一输出波导芯层(409)，依次连接的宽度由宽变窄的第三输出倾斜楔形波导芯层(407)、第三输出弯曲波导芯层(408)和第三输出波导芯层(411)，依次连接的宽度由宽变窄的第二输出倾斜楔形波导芯层(407’)、第二输出弯曲波导芯层(408’)和第二输出波导芯层(410)构成；第一调制臂波导芯层(103)和第一输入波导芯层(401)连接，第二调制臂波导芯层(104)和第二输入波导芯层(401’)连接。

7、该器件的工作原理如下：

8、当1490nm或1550nm信号光通过输入波导芯层(101)输入到贝塞尔形3db分束器(200)时，由于多模干涉器的自映像原理而分成两束信号光。自映像原理是：信号光进入宽的多模干涉区会激发出多个不同的导模，这些导模之间会相互干涉，沿波导方向，在不同周期间隔处会输出一重、二重或多重复制的映像；选择输出二重映像点的位置作为3db分束器(200)的输出端位置，此时信号光均匀的分成两束功率和相位都相同的信号光，经3db第一输出楔形转换器(203)和3db第一输出波导芯层(204)、3db第二输出楔形转换器(203’)和3db第二输出波导芯层(204’)后分别进入第一输入s弯曲波导(102)和第二输入s弯曲波导芯层(102’)，再分别进入第一调制臂波导芯层(103)和第二调制臂波导芯层(104)，然后通过第一输入波导芯层(401)、第一输入弯曲波导芯层(402)和第一输入倾斜楔形波导芯层(403)以及第二输入波导芯层(401’)、第二输入弯曲波导芯层(402’)和第二输入倾斜楔形波导芯层(403’)输入到多模干涉区(404)；根据多模干涉器的自映像原理，不同的信号光会在不同的位置输出一重、二重或多重复制的映像；分别选择多模干涉区(404)两侧1490nm波长和1550nm波长的二重自映像点位置作为多模干涉区(404)的输出信号光位置；通过改变第一金属电极(301)和/或第二金属电极(302)的电功率来对第一调制臂波导芯层(103)和/或第二调制臂波导芯层(104)进行加热，由于热信号光效应调制臂波导芯层的折射率随着温度的升高而变化，导致经过调制臂波导的信号光会附加一个额外的相位变化；当两调制臂中传输信号光的相位差为π/2或-π/2，信号光会从带有倾斜角度的多模干涉器(400)上方的第四输出波导芯层(412)和第三输出波导芯层(411)(输出通道4和输出通道3)或者下方的第二输出波导芯层(410)和第一输出波导芯层(409)(输出通道2和输出通道1)输出。

9、与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

10、1)采用带有倾斜角度的多模干涉器作为开关的一部分，实现了波分复用的功能；

11、2)采用贝塞尔形多模干涉器进行3db分束，在工作带宽内具有更低的损耗。

12、3)采用双臂调制的形式，减小了功耗。

技术特征：

1.一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其特征在于：由下至上依次由硅片衬底(1)、下包层(2)、波导芯层(3)及上包层(4)组成，波导芯层(3)被包覆在上包层(4)之中；波导芯层(3)材料的折射率大于包层材料的折射率；沿信号光传输方向，波导芯层(3)由输入波导芯层(101)，贝塞尔形3db分束器(200)，依次连接的第一s弯曲波导芯层(102)和第一调制臂波导芯层(103)，依次连接的第二s弯曲波导芯层(102’)和第二调制臂波导芯层(104)，带有倾斜角度的多模干涉器(400)组成；在第一调制臂波导芯层(103)和第二调制臂波导芯层(104)正上方的上包层(4)之上分别设置有第一金属电极(301)和第二金属电极(302)；贝塞尔形3db分束器(200)为1×2多模干涉器结构，由3db输入波导芯层(201)，贝塞尔型多模干涉区(202)，依次连接的宽度由宽变窄的3db第一输出楔形转换器(203)和3db第一输出波导芯层(204)，依次连接的宽度由宽变窄的3db第二输出楔形转换器(203’)和3db第二输出波导芯层(204’)构成；3db第一输出波导芯层(204)和第一s弯曲波导芯层(102)连接，3db第二输出波导芯层(204’)和第二s弯曲波导芯层(102’)连接；带有倾斜角度的多模干涉器(400)由依次连接的第一输入波导芯层(401)、第一输入弯曲波导芯层(402)和宽度由窄变宽的第一输入倾斜楔形波导芯层(403)，依次连接的第二输入波导芯层(401’)、第二输入弯曲波导芯层(402’)和宽度由窄变宽的第二输入倾斜楔形波导芯层(403’)，多模干涉区(404)，依次连接的宽度由宽变窄的第四输出倾斜楔形波导芯层(405)、第四输出弯曲波导芯层(406)和第四输出波导芯层(412)，依次连接的宽度由宽变窄的第一输出倾斜楔形波导芯层(405’)、第一输出弯曲波导芯层(406’)和第一输出波导芯层(409)，依次连接的宽度由宽变窄的第三输出倾斜楔形波导芯层(407)、第三输出弯曲波导芯层(408)和第三输出波导芯层(411)，依次连接的宽度由宽变窄的第二输出倾斜楔形波导芯层(407’)、第二输出弯曲波导芯层(408’)和第二输出波导芯层(410)构成；第一调制臂波导芯层(103)和第一输入波导芯层(401)连接，第二调制臂波导芯层(104)和第二输入波导芯层(401’)连接。

2.如权利要求1所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其特征在于：下包层(2)与上包层(4)材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、epoclad、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯中的一种；波导芯层(3)材料为氮化硅、硅、掺杂二氧化硅、su-8 2002、su-8 2005、epocore、聚碳酸酯、聚酰亚胺中的一种；第一金属电极(301)和第二金属电极(302)材料为金、银、铝、钨、钛中的一种或者多种组成的合金。

3.如权利要求1所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其特征在于：波导芯层(3)的厚度为4μm，除贝塞尔形多模干涉器(200)、带有倾斜角度的多模干涉器(400)外，其他结构的波导宽度均为4μm；第一金属电极(301)和第二金属电极(302)的长度为3000μm，宽度为21μm，厚度为300nm。

4.如权利要求1所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其特征在于：第一调制臂波导芯层(103)和第二调制臂波导芯层(104)的长度为3000μm，间距为154μm；s弯曲波导的半径为1500μm。

5.如权利要求1所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其特征在于：3db输入波导芯层(201)的宽度为4μm、长度为30μm，贝塞尔型的多模干涉区(202)的宽度由4μm变换为20μm、长度为195μm，3db第一输出楔形转换器(203)和3db第二输出楔形转换器(203’)的宽度由6μm变换为4μm、中心间距为11.8μm、长度为100μm，3db第一输出波导芯层(204)和3db第二输出波导芯层(204’)的宽度为4μm、长度为30μm。

6.如权利要求1所述的一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，其特征在于：第一输入弯曲波导芯层(402)和第二输入弯曲波导芯层(402’)、第一倾斜输入楔形波导芯层(403)和第二倾斜输入楔形波导芯层(403’)、第四倾斜输出楔形波导芯层(405)和第一倾斜输出楔形波导芯层(405’)、第四输出弯曲波导芯层(406)和第一输出弯曲波导芯层(406’)、第三倾斜输出楔形波导芯层(407)和第二倾斜输出楔形波导芯层(407’)、第三输出弯曲波导芯层(408)和第二输出弯曲波导芯层(408’)、第一输出波导芯层(409)和第四输出波导芯层(412)、第二输出波导芯层(410)和第三输出波导芯层(411)关于多模干涉器(400)对称设置；第一输入弯曲波导芯层(402)、第二输入弯曲波导芯层(402’)、第三输出弯曲波导芯层(408)和第二输出弯曲波导芯层(408’)的弯曲半径均为3000μm，弯曲角度为5.5°；第四输出弯曲波导芯层(406)和第一输出弯曲波导芯层(406’)的弯曲半径均为5000μm，弯曲角度为5.5°；第一倾斜输入楔形波导芯层(403)、第二倾斜输入楔形波导芯层(403’)、第四倾斜输出楔形波导芯层(405)、第一倾斜输出楔形波导芯层(405’)、第三倾斜输出楔形波导芯层(407)和第二倾斜输出楔形波导芯层(407’)与信号光输入方向平行方向所夹成的锐角角度为5.5°，其平行于信号光输入方向的长度为500μm，垂直于信号光输入方向的长度为48.14μm；第四倾斜输出楔形波导芯层(405)、第一倾斜输出楔形波导芯层(405’)、第三倾斜输出楔形波导芯层(407)和第二倾斜输出楔形波导芯层(407’)的宽度由25μm变换为4μm；多模干涉区(404)的宽度wmmi为58μm；第一倾斜输入楔形波导芯层(403)和第四倾斜输出楔形波导芯层(405)与多模干涉区(404)连接处位置的距离l1为6072.569μm，第一倾斜输入楔形波导芯层(403)和第三倾斜输出楔形波导芯层(407)与多模干涉区(404)连接处位置的距离l2为6302.569μm。

技术总结
一种波分复用/解复用的信号光开关集成芯片，属于信号光集成芯片技术领域。由硅片衬底、下包层、波导芯层、上包层及金属电极组成，波导芯层材料的折射率大于包层材料的折射率；沿信号光传输方向，波导芯层由输入波导芯层，贝塞尔形3dB分束器，依次连接的第一S弯曲波导芯层和第一调制臂波导芯层，依次连接的第二S弯曲波导芯层和第二调制臂波导芯层，带有倾斜角度的多模干涉器组成。本发明采有带有倾斜角度的多模干涉器作为开关的一部分，通过改变金属电极的电功率来对第一调制臂波导芯层和/或第二调制臂波导芯层进行加热，信号光会从带有倾斜角度的多模干涉器的不同输出通道输出，从而同时实现了开关与波分复用器的功能。

技术研发人员：曾国宴,尹悦鑫,丁颖智,李冰,孙小强,张大明
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31