[发明专利]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

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。