[发明专利]基于狭缝波导的马赫－曾德型硅光波导开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信器件，特别是涉及一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关。

背景技术

光开关是光通信与光信息处理系统中的重要元器件之一。目前已实现的光开关包括传统的机械结构光开关、基于微光机电系统开关、液晶光开关、波导型光开关、半导体光放大器光开关等。其中采用集成光子技术研制的波导型光开关具有低驱动电压、紧凑结构、大规模阵列和可集成化的优点，是光开关的重要发展方向。

作为40多年来迅速发展的微电子技术的支柱材料，硅材料(主要是SOI材料)近年来也在集成光子技术中引起越来越多的关注。它的应用领域包括光互连、光通信、光传感等诸多方面。由于可与标准的CMOS工艺相兼容，具有非常广阔的市场前景。且成本低廉，便于实现单片集成与片间互连。但作为集成光子技术的新兴材料，对它的研究还很不成熟。特别是硅基光开关，一直都没有获得很好的性能。

目前硅基光开关最常见的调制方式是热光调制。但由于热光调制速度慢的问题一直没有得到解决，严重限制了其应用范围。要想达到纳秒量级的开关速度必须依靠电光调制。由于硅材料没有直接电光效应，只能通过载流子注入的方法进行间接电光调制，吸收损耗大，消光比低，速度优势不能得到很好的体现。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种基于狭缝波导的马赫-曾德型硅光波导开关。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

包括输入端实现功分功能的3dB耦合器、输出端干涉耦合器，两条狭缝波导结构的干涉臂和两组模斑转换结构；输入端实现功分功能的3dB耦合器分波后，经第一组两个模斑转换结构分别连接到两条狭缝波导结构的干涉臂，再经第二组两个模斑转换结构后，连接到输出端干涉耦合器。

所述的两条狭缝波导结构干涉臂的狭缝中填充的电光材料为电光聚合物或液晶。

所述的模斑转换结构是引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，或者同时引入两根硅波导组成的锥形渐变波导对。

所述的3dB耦合器为1×2多模干涉耦合器(1×2MMI)、2×2多模干涉耦合器(2×2MMI)、Y分支或方向耦合器；干涉耦合器为2×2多模干涉耦合器、X结或方向耦合器；不同的3dB耦合器和不同的干涉耦合器间其相互组合分别构成1×2和2×2的光波导光开关。

所述的由干涉臂狭缝两侧的硅波导作为对狭缝中电光材料实施调制的电极。

本发明具有的有益效果是：

本发明引入狭缝波导的概念后，由于在狭缝中可以填充任意性质的低折射率材料，大大丰富了可以采用的调制手段。在开关的调制方式上，变传统的载流子注入的间接电光调制为直接电光调制；并采用狭缝两侧自然电隔离的硅波导作为电极，缩短了电极与调制区的间距，以上两个特点均能提高开关的调制效率。整个结构尺寸紧凑，兼容于CMOS加工工艺，为单片集成的高速电光开关的实现提供了一种新的途径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A’的结构剖面图；

图3是图1的B-B’的结构剖面图；

图4是引入单根硅波导组成锥形渐变波导对的模斑转换结构的示意图；

图5是同时引入两根硅波导组成锥形渐变波导对的模斑转换结构的示意图；

图6是由Y分支和X结构成的1×2光开关的结构示意图；

图7是由1×2MMI和2×2MMI构成的1×2光开关的结构示意图；

图8是由两个方向耦合器构成的2×2光开关的结构示意图；

图9是由两个2×2MMI构成的2×2光开关的结构示意图；

图中：1、3dB耦合器，2、模斑转换结构，3、狭缝波导结构的干涉臂，4、干涉耦合器，5、干涉臂狭缝两侧的硅波导，6、干涉臂的狭缝，7、输入输出单模硅波导，8、引入单根硅波导组成的锥形渐变波导对，9、两根硅波导组成的锥形渐变波导对，10、Y分支，11、X结，12、宽芯波导，13、窄芯波导，14、2×23dB多模干涉耦合器，15、2×2多模干涉耦合器，16、1×2多模干涉耦合器，17、方向耦合器，18、SOI材料的二氧化硅缓冲层，19、SOI材料的硅衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1所示，本发明包括输入端实现功分功能的3dB耦合器1、输出端干涉耦合器4，两条狭缝波导结构的干涉臂3和两组模斑转换结构2；输入端实现功分功能的3dB耦合器1分波后，经第一组两个模斑转换结构2分别连接到两条狭缝波导结构的干涉臂3，再经第二组两个模斑转换结构2后，连接到输出端干涉耦合器4。