[发明专利]一种基于硅基光波导的双层开关阵列

权利要求书

1.一种基于硅基光波导的双层开关阵列，其特征在于：由电光开关阵列、层间耦合器以及光波导组成；其中，电光开关阵列由第一级电光开关阵列(TS11～TS14)、第二级电光开关阵列(TS21～TS24)、第三级电光开关阵列(BS31～BS34)、第四级电光开关阵列(BTS41～BS44)和第五级电光开关阵列(BS51～BS54)五个部分组成，每级电光开关阵列内有4个电光开关单元；第一级电光开关阵列、第二级电光开关阵列制备于器件层1内，第三级电光开关阵列、第四级电光开关阵列和第五级电光开关阵列制备于器件层2内；该双层开关阵列由8条光波导作为输入端口，其中4个输入端口(I₁、I₃、I₅、I₇)位于器件层1内，其余4个输入端口(I₂、I₄、I₆、I₈)位于器件层2内；双层开关阵列由8条光波导作为输出端口，其中4个输出端口(O₂、O₄、O₆、O₈)位于器件层1内，其余4个输出端口(O₁、O₃、O₅、O₇)位于器件层2内；

第一级电光开关阵列(TS11～TS14)共有8个输入端口和8个输出端口，其中4个输入端口分别与作为双层开关阵列4个输入端口(I₁、I₃、I₅、I₇)的光波导相连接，其余4个输入端口各连接一个由器件层2向器件层1进行光信号传输的层间耦合器(C1、C2、C3、C4)，4个层间耦合器(C1、C2、C3、C4)又分别与4个位于器件层2作为双层开关阵列输入端口(I₂、I₄、I₆、I₈)的光波导相连接；第一级电光开关阵列的8个输出端口各自通过一条光波导分别与第二级电光开关阵列的8个输入端口相连接；

第二级电光开关阵列(TS21～TS24)共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与第一级电光开关阵列的8个输出端口相连接，，即TS11的第一输出端口与TS21的第一输入端口相连，TS11的第二输出端口与TS23的第一输入端口相连；TS12的第一输出端口与TS21的第二输入端口相连，TS12的第二输出端口与TS23的第二输入端口相连；TS13的第一输出端口与TS22的第一输入端口相连，TS13的第二输出端口与TS24的第一输入端口相连；TS14的第一输出端口与TS22的第二输入端口相连，TS14的第二输出端口与TS24的第二输入端口相连。第二级电光开关阵列的8个输出端口各连接一个由器件层1向器件层2进行光信号传输的层间耦合器(C9～C16)，这8个层间耦合器分别与8个位于器件层2、弯曲半径为20μm、弯曲度数为180°的弯曲光波导的一端相连接；

第三级电光开关阵列(BS31～BS34)共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与8个弯曲光波导的另一端相连接，即TS21的第一输出端口通过层间耦合器C9与BS31的第一输入端口相连接，TS21的第二输出端口通过层间耦合器C10与BS32的第一输入端口相连接；TS22的第一输出端口通过层间耦合器C11与BS31的第二输入端口相连接，TS22的第二输出端口通过层间耦合器C12与BS32的第二输入端口相连接；TS23的第一输出端口通过层间耦合器C13与BS33的第一输入端口相连接，TS23的第二输出端口通过层间耦合器C14与BS34的第一输入端口相连接；TS24的第一输出端口通过层间耦合器C15与BS33的第二输入端口相连接，TS24的第二输出端口通过层间耦合器C16与BS34的第二输入端口相连接；第三级电光开关阵列的8个输出端口各自通过一条光波导分别与第四级电光开关单元的8个输入端口相连接；

第四级电光开关阵列(BS41～BS44)共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与第三级电光开关单元的8个输出端口相连接，即BS31的第一输出端口与BS41的第一输入端口相连接，BS31的第二输出端口与BS42的第一输入端口相连接；BS32的第一输出端口与BS41的第二输入端口相连接，BS32的第二输出端口与BS42的第二输入端口相连接；BS33的第一输出端口与BS43的第一输入端口相连接，BS33的第二输出端口与BS44的第一输入端口相连接；BS34的第一输出端口与BS43的第二输入端口相连接，BS34的第二输出端口与BS44的第二输入端口相连接；第四级电光开关阵列的8个输出端口各自通过一条光波导分别与第五级电光开关单元的8个输入端口相连接；

第五级电光开关阵列(BS51～BS54)共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与第四级电光开关单元的8个输出端口相连接，即BS41的第一输出端口与BS51的第一输入端口相连接，BS41的第二输出端口与BS52的第一输入端口相连接；BS42的第一输出端口与BS53的第一输入端口相连接，BS42的第二输出端口与BS54的第一输入端口相连接；BS43的第一输出端口与BS51的第二输入端口相连接，BS43的第二输出端口与BS52的第二输入端口相连接；BS44的第一输出端口与BS53的第二输入端口相连接，BS44的第二输出端口与BS54的第二输入端口相连接；第五级电光开关阵列的8个输出端口中，4个输出端口分别与4个位于器件层2作为阵列输出端口(O₁、O₃、O₅、O₇)的光波导相连接，其余4个输出端口各连接一个由器件层2向器件层1进行光信号传输的层间耦合器(C5、C6、C7、C8)，4个层间耦合器(C5、C6、C7、C8)又各自与4个位于器件层1作为阵列输出端口(O₂、O₄、O₆、O₈)的光波导相连接；

该双层开关阵列基于双层硅结构晶圆制备，即在500μm厚的Si衬底上依次为3μm厚的SiO₂下包层、220nm厚的Si器件层2、150nm厚的SiO₂中间层、220nm厚的Si器件层1和3μm厚的SiO₂上包层。