一种基于介质沉积型表面等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关

摘要

本发明公开了一种基于介质沉积型表面等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关，包括一个硅脊型直波导，作为SOI基1×2热光开关与外接单模光纤的接口；一个拉锥型的硅脊型波导Y分支，作为1×2热光开关的3-dB光学分束器，用于将输入光波等量的分成两束；六个S形硅脊型弯曲波导，分别用于Y分支与两侧调制臂以及调制臂与定向耦合器的连接，并且将经过定向耦合器调制后的光输出；两个介质沉积型表面等离子波导，位于1×2热光开关的两侧调制臂上，用于MZI结构的相位调制；一个硅脊型波导的定向耦合器，用于对相位调制后的两束光进行多模干涉，将相位调制转化为强度调制。本发明具有响应快、集成化程度高、开关功耗低等特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基光开关的集成及光通信技术，尤其涉及一种基于介质沉积型表 面等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关。

背景技术

光开关是光通信网络系统中的关键器件，主要用于光通信的光交换机，光计算芯片 的多功能处理，光传感的全光网络，三位数字光信息存储，以及激光脉冲光源等领域与 技术。目前，我们所使用的光开关主要为电控光开关，根据光开关所使用材料的不同特 性，其可以分为电光开关，磁光开关，声光开关以及热光开关等。相较于其他几类光开 关，热光开关具有插损小、可靠性高、造价低廉、制作简易、与硅集成的兼容性好等优 势而成为光开关研制过程中的重要选择之一。

MZI型1×2热光开关主要包括一个输入直波导，一个拉锥型Y分支，六个S形弯 曲波导，两侧的调制臂，以及一个定向耦合器。对于SOI基的MZI型1×2热光开关， 整个器件位于二氧化硅缓冲层之上，所以芯片具有很好的导热媒介。热光开关主要是基 于温度变化对材料的折射率产生影响而进行工作的，其一般采用热光系数较高的聚合物 作为波导材料。然而，此类材料的折射率通常要远小于硅，使得在制作设计的过程中聚 合物波导的尺寸远大于硅基波导，所以介质型的热光开关具有尺寸偏大的缺点。另一方 面，为了减小电极吸收引起的光损耗，介质型的热光开关电极往往与波导芯层相聚较远， 这会导致加热的效率比较低，所以整个器件的响应时间通常在毫秒量级(远远小于热光 聚合物的热光响应速率)，器件的功耗也处于几十或上百个毫瓦。等离子激元波导的出 现，为解决这类问题提供了很好的解决方案。将金属与聚合物结合所形成的等离子激元 波导能够在结构上达到超出衍射极限的微纳尺寸，而且金属与聚合物的直接接触有利于 加热过程中的热传导。所以利用介质沉积型等离子激元波导作为MZI型1×2热光开关 的相位调制器，可以大大的提高热光开关的调制效率，提升开关的响应时间，降低开关 功耗。但是由于等离子激元类型的波导通常都具有传输损耗较大的问题，所以单独用来 组成器件必然会使整个光开关的插损上升，影响整个器件的正常工作。而普通的介质类 波导，比如硅波导，与外接光纤相连可以进行损耗较小耦合，避免了整个级联器件的损 耗过大。因此，如何将等离子激元波导与介质类波导合理、有效的集成成为我们要面对 的主要问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于介质沉积型表面 等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关，在保证器件的整体插损比较小的情况下， 将介质沉积型表面等离子波导与硅脊型波导在SOI基片上进行集成，从而达到小尺寸、 低功耗、快响应速率的设计目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于介质沉积型表面等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关，包括一个硅 脊型直波导、一个拉锥型的硅脊型波导Y分支、两个介质沉积型表面等离子波导、一个 硅脊型波导的定向耦合器和六个S形硅脊型弯曲波导，硅脊型直波导、拉锥型的硅脊型 波导Y分支、介质沉积型表面等离子波导、硅脊型波导的定向耦合器和S形硅脊型弯曲 波导均设置在二氧化硅缓冲层之上，且每个介质沉积型表面等离子波导分别连接两个电 极引脚，通过电极引脚注入外部电流：

所述一个硅脊型直波导，作为SOI基MZI型1×2热光开关与外接单模光纤的接口， 用于引入1550nm波长的输入光波；

所述一个拉锥型的硅脊型波导Y分支，作为SOI基MZI型1×2热光开关的3-dB光 学分束器，用于将输入光波分为等量的两束子光波；

所述两个介质沉积型表面等离子波导，作为SOI基MZI型1×2热光开关的调制臂， 分别对两束子光波进行相位调制；

所述一个硅脊型波导的定向耦合器，分别对相位调制后的两束子光波进行轻度调制 (即多模干涉)，产生两束输出光波；

所述六个S形硅脊型弯曲波导，其中两个用于连接拉锥型的硅脊型波导Y分支和介 质沉积型表面等离子波导，另两个用于连接介质沉积型表面等离子波导和硅脊型波导的 定向耦合器，最后两个连接在硅脊型波导的定向耦合器末端，作为SOI基MZI型1×2 热光开关的两个输出接口，用于输出两束输出光波；S形硅脊型弯曲波导与拉锥型的硅 脊型波导Y分支、介质沉积型表面等离子波导和硅脊型波导的定向耦合器之间采用端面 对端面的贴合方式进行连接。

优选的，所述介质沉积型表面等离子波导由截面为矩形的长条状热光聚合物沉积在 矩形的金基板上构成，金基板位于二氧化硅缓冲层之上，金基板与两个电极引脚相连接； 经过硅脊型直波导和拉锥型的硅脊型波导Y分支引入的子光波通过端面耦合转化为表 面等离子波在介质沉积型表面等离子波导中传输，经过相位调制后，再通过端面耦合转 化为光波传输到硅脊型波导的定向耦合器中进行多模干涉。所述介质沉积型表面等离子 波导是利用表面等离子波进行传输的，起结构尺寸要远远小于同类型介质波导，在与硅 脊型波导进行集成后，整个SOI基MZI型1×2热光开关的尺寸要比同类型光开关小一 半以上。

优选的，所述相位调制是通过对金基板上的热光聚合物进行加热，使热光聚合物的 折射率发生改变，从而达到相位调制的目的，开关电极是由金基板和电极引脚共同组成； 由于金基板与热光聚合物直接接触，因此加热效率很高，功耗与调制速率都大大提高了。

所有硅脊型波导的脊宽与介质沉积型表面等离子波导中的热光聚合物宽度一致，所 有硅脊型波导的高度与介质沉积型表面等离子波导中的热光聚合物高度一致，金基板的 厚度为100～200nm；即要求所有硅脊型波导与介质沉积型表面等离子波导中的热光聚合 物的端对端对齐，位于二氧化硅缓冲层同一高度的表面；而金基板位于二氧化硅缓冲层 略低高度的表面，一般设计电极引脚与金基板位于二氧化硅缓冲层同一高度的表面。

有益效果：本发明提供的基于介质沉积型表面等离子波导的SOI基MZI型1×2热 光开关，与现有的普通介质型1×2热光开关相比，具有如下优势：1、在保证开关的整 体插损较小的情况下，将介质沉积型表面等离子波导与硅脊型波导在SOI基片上进行有 效、合理的集成，从而达到小尺寸、低功耗、快响应速率的器件设计目的；2、现有的 普通介质型1×2热光开关方案中，金属电极与波导芯层的相距比较远，虽然有利于避免 金属对光的吸收，降低器件的整体插损，但由于加热范围变大，从而导致加热效率下降， 整体功耗上升；而本发明为了达到降低功耗、提高响应时间的效果，采用介质沉积型表 面等离子波导作为MZI的调制器，截面为矩形的长条状热光聚合物直波导直接沉积在 矩形的金基板上，金基板的两头与电极引脚相连，在调制过程中可以直接作为热源进行 加热；3、由于体积小、距离近，热光聚合物很快就能达到热稳态，并且温度与热源的 温度完全一样；4、本发明的MZI型1×2热光开关结构，介质沉积型表面等离子波导作 为相位调制器位于MZI的两臂上，其与硅脊型波导构成的直波导、Y分支和定向耦合 器直接集成，在实现低功耗、高响应速率的同时，保证了1×2热光开关整体插损不大； 5、采用硅脊型波导组件有利于提高开关的集成度，减小了器件的整体尺寸。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为本发明中的介质沉积型表面等离子波导的截面示意图；

图4为本发明在不同的外加功率下两只输出端口的输出示意图；

图5本发明单一通道的输出波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

根据器件的设计性能，二氧化硅层缓冲层5和硅基底7的厚度要求也有所不同，在 此为了统一叙述，本案的基片材料参数为：二氧化硅层缓冲层5厚度1.7μm，硅基底7 厚度500nm。

一种基于介质沉积型表面等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关，包括一个硅 脊型直波导1、一个拉锥型的硅脊型波导Y分支2、两个介质沉积型表面等离子波导3、 一个硅脊型波导的定向耦合器6和六个S形硅脊型弯曲波导8，硅脊型直波导1、拉锥 型的硅脊型波导Y分支2、介质沉积型表面等离子波导3、硅脊型波导的定向耦合器6 和S形硅脊型弯曲波导8均设置在二氧化硅缓冲层5之上，二氧化硅缓冲层5设置在硅 基底7之上，且每个介质沉积型表面等离子波导3分别连接两个电极引脚4，通过电极 引脚4引入外部电流；整个SOI基MZI型1×2热光开关沿硅脊型直波导1形成对称结 构。由硅脊型直波导1、拉锥型的硅脊型波导Y分支2、介质沉积型表面等离子波导3、 硅脊型波导的定向耦合器6和S形硅脊型弯曲波导8构成的SOI基MZI型1×2热光开 关总体长度是微米量级，而作为调制臂的介质沉积型表面等离子波导3的长度也只有几 十个微米。

所述六个S形硅脊型弯曲波导8，其中两个用于连接拉锥型的硅脊型波导Y分支2 和介质沉积型表面等离子波导3，另两个用于连接介质沉积型表面等离子波导3和硅脊 型波导的定向耦合器6，最后两个连接在硅脊型波导的定向耦合器6末端，作为SOI基 MZI型1×2热光开关的两个输出接口，用于输出两束输出光波。

所述一个硅脊型直波导1，作为SOI基MZI型1×2热光开关与外接单模光纤的接口， 用于引入1550nm波长的输入光波。

所述一个拉锥型的硅脊型波导Y分支2，作为SOI基MZI型1×2热光开关的3-dB 光学分束器，用于将输入光波分为等量的两束子光波；拉锥型的硅脊型波导Y分支2 的宽度表现为线性增加，其与S形硅脊型弯曲波导8连接端宽度是其与硅脊型直波导1 连接端宽度的两端以上。

所述两个介质沉积型表面等离子波导3，作为SOI基MZI型1×2热光开关的调制臂， 分别对两束子光波进行相位调制；介质沉积型表面等离子波导3由截面为矩形的长条状 热光聚合物沉积在矩形的金基板上构成，金基板位于二氧化硅缓冲层5之上，金基板与 两个电极引脚4通过沉积的金线相连接，金基板、金线、电极引脚4都是通过图形化光 刻技术制作在二氧化硅层缓冲层5上表面，沉积在金基板上的热光聚合物通过电子束光 刻和等离子刻蚀技术制作，整个制作工艺与LIGA工艺相近；两个介质沉积型表面等离 子波导3相互平行且长度一致。

所述一个硅脊型波导的定向耦合器6，分别对相位调制后的两束子光波进行强度调 制，产生两束输出光波；构成硅脊型波导的定向耦合器6的两支相邻的硅脊型直波导相 距200nm。

为了使得硅脊型波导与介质沉积型表面等离子波导3的有效集成，所有硅脊型波导 的脊宽与介质沉积型表面等离子波导3中的热光聚合物宽度一致，所有硅脊型波导的高 度与介质沉积型表面等离子波导3中的热光聚合物高度一致，金基板的厚度为 100～200nm。S形硅脊型弯曲波导8与拉锥型的硅脊型波导Y分支2、介质沉积型表面 等离子波导3和硅脊型波导的定向耦合器6之间采用端面对端面的贴合方式进行连接， 这种连接方式有利于光波转化为表面等离子波，耦合效率比较高，单面的耦合损耗只有 1～2dB。

经过硅脊型直波导1和拉锥型的硅脊型波导Y分支2引入的子光波通过端面耦合转 化为表面等离子波在介质沉积型表面等离子波导3中传输，经过相位调制后，再通过端 面耦合转化为光波传输到硅脊型波导的定向耦合器6中进行多模干涉；所述相位调制是 通过对金基板上的热光聚合物进行加热，使热光聚合物的折射率发生改变，从而达到相 位调制的目的，开关电极是由金基板和电极引脚4共同组成，通过电极引脚4与外界电 源相连对金基板直接通电流，电流会导致金基板的热效应从而使其升温，随着金基板的 温度升高，沉积在金基板上的热光聚合物温度也得以上升，使得介质沉积型表面等离子 波导3中传输的表面等离子波矢的有效折射率(N_eff)发生改变，从而改变了传输模式 的相位。因为热光聚合物与金基板直接接触，热光聚合物与金基板的温度几乎一致，使 得加热效率得到了很大的提升，实现了低功耗的目的；同时，整个加热系统比较单一， 尺寸范围很小，有利于整个器件达到热稳态，从而降低开关的响应时间。

本案结构中中利用的是商用的热光有机聚合物紫外固化LFR系列材料，采用本发 明的1×2热光开关的具体参数如表1所示。

表1本案参数表

通过传输矩阵法来分析1×2热光开关两支输出通道的输出情况，介质沉积型表面等 离子波导3的长度为L，定向耦合器6由两支相邻的硅脊型波导组成。两支输出端的输 出功率用2×2矩阵可以表示为：

$P_1=\frac{1}{2}|E_0{|}^2(1-sin(2\kappa z\left)sin\Delta \phi \right)$

$P_2=\frac{1}{2}|E_0{|}^2(1+sin(2\kappa z\left)sin\Delta \phi \right)$

上式中，κ表示定向耦合器两只相邻波导的耦合常数，其中z表示定向耦合器的长 度，在本设计中其为π/(4κ)的偶数倍，E₀是输入光场的振幅，n₁和n₂则分别表示位于两 支调制臂中的表面等离子波矢的有效折射率，λ₀是输入光的波长，β₀＝2π/λ₀表示空间 波矢，△φ＝β₀(n₁-n₂)L表示两支调制臂中的模场的相位差，i表示复数的虚数符号。

对于常规的MZI型1×2热光开关，位于调制臂上的波导通常也是介质波导，而加 热电极位于器件的包层之上，距离波导芯层一般有几个微米的间距。对于本发明提供的 基于介质沉积型表面等离子波导的SOI基MZI型1×2热光开关，由于金电极成为传输 等离子波矢的基底，其加热效率得到了很大的提升，在同样的电极温度下，△φ要远大 于常规的MZI型1×2热光开关。所以达到开光状态时，所需的功耗要小得多，在不同的 外加功率下两只输出端口的输出光功率如图4所示。与此同时，由于加热物体的体积小， 其达到热稳态的时间要快的多，本发明在外加100KHz脉冲调制信号时的单一通道的输 出波形如图5所示。

如图4和图5所示，当输入光波长范围均在1500nm～1600nm之内时，达到光开关 的开关功率大约在7mW左右，远远小于普通的1×2热光开关。并且，开关状态下，两 只输出的串扰可以维持在30dB以上。由此可以证明，本发明在满足开关功耗小的同时 还可以保证较好的串扰，并且对输入光波长没有太强的依耐性。而在外加100KHz的调 制波形下，当外加功耗为7mW时，本发明的输出波形没有出现失真的情况，波形的上 升沿与下降沿均在微秒量级。本发明的1×2热光开关可以实现快速响应、低功耗的开关效 果，适用于高频大带宽调制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。