一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法，属于光子器件领域，集成光子器件的多模波导包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元，N和M均为正整数；每个逻辑单元包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个逻辑单元为亚波长尺寸结构。通过调节每个逻辑单元的调谐状态，在亚波长尺度调控器件折射率的分布，实现不同功能的光子器件。将相变材料与类光子晶体结构相结合，利用相变材料的非易失性、可重构特性，以及利用类光子晶体结构亚波长尺度的光场调控能力，实现非易失、可编程的超小型集成光子器件，降低器件尺寸及能耗，具有更多的调谐功能，从而实现不同功能用途。

【技术实现步骤摘要】
一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法
本专利技术属于光子器件领域，更具体地，涉及一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法。
技术介绍
随着高性能计算和高速互连的发展，铜线逐渐无法满足高速数据传输的需求。全光互连具有大带宽和长距离传输的优点，被认为是一种有前途的解决方案。为实现低成本的全光互连，集成光子器件已成为学术界和工业界的热门研究领域。硅基集成光子器件具有高度集成化以及能和COMS平台兼容的特性，是光电子领域最热门的研究方向之一。如何在有限面积上集成更多器件，实现器件间的智慧互联，并降低芯片能耗，是硅基光子领域的一项重大挑战。因此，实现一种非易失可编程的超小型集成光子器件至关重要。现有技术中，可调谐光子器件主要通过电光效应和热光效应实现。通过加热或者电注入的方式改变材料的有效折射率，从而控制光场分布。电光效应和热光效应引起的材料折射率改变较小，因此，基于这两种效应的器件尺寸通常较大。此外，电光效应和热光效应具有易失性，即使在不调谐时，也需要额外的能量注入来维持既有状态，因此，基于这两种效应的器件能耗较高。现有可调谐光子器件通常只有少数几个设计参量，可重构的功能较为单一，不利于实现器件间的智慧互联。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种非易失可编程的集成光子器件及其设计方法，其目的在于实现非易失、可编程的超小型集成光子器件，并使器件具有更多的功能以及更低的能耗。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种非易失可编程的集成光子器件，所述集成光子器件的多模波导包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元11，N和M均为正整数；每个所述逻辑单元包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在所述凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个所述逻辑单元为亚波长尺寸结构。更进一步地，所述相变材料为VO2、GST或GSST。更进一步地，所述凹槽为圆柱形凹槽或矩形凹槽。更进一步地，每个所述逻辑单元的尺寸不大于λ/2，其中，λ为所述集成光子器件的工作波长。更进一步地，所述逻辑单元的调谐状态包括所述相变材料的晶态、非晶态和中间态，所述逻辑单元的调谐方式为电加热或激光加热。更进一步地，所述集成光子器件还包括衬底、二氧化硅氧化层、输入波导、第一输出波导、第二输出波导和亚波长光栅结构；所述二氧化硅氧化层位于所述衬底的两侧区域上；所述亚波长光栅结构位于所述二氧化硅氧化层上，并连接支撑所述多模波导、输入波导、第一输出波导以及第二输出波导，使得所述多模波导、输入波导、第一输出波导以及第二输出波导悬空。更进一步地，所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导的有效折射率与所述亚波长光栅结构有效折射率之间的差值均大于预设值。更进一步地，所述第一输出波导和第二输出波导轴对称。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种如上所述的非易失可编程的集成光子器件的设计方法，包括：S110，随机设置所述集成光子器件中N×M个逻辑单元的初始调谐状态；S120，改变任一逻辑单元的调谐状态，根据所述集成光子器件在状态改变后的目标函数与状态改变前的目标函数，确定是否保留所述任一逻辑单元的状态改变；S130，重复执行操作S120，以对每个逻辑单元的调谐状态进行调节；S140，重复执行所述操作S120-操作S130，直至最后一次执行所述操作S120-操作S130时，每次状态改变时目标函数变化量均小于预设阈值。更进一步地，所述操作S120包括：仿真获取状态改变前所述集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变前的多个性能参数计算状态改变前的目标函数；改变任一逻辑单元的调谐状态，仿真获取状态改变后所述集成光子器件的多个性能参数，并根据状态改变后的多个性能参数计算状态改变后的目标函数；当状态改变后的目标函数优于状态改变前的目标函数时，保留所述任一逻辑单元的状态改变，否则，将所述任一逻辑单元恢复为状态改变前的状态。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)将相变材料与类光子晶体结构相结合，利用相变材料的非易失性、可重构特性，以及利用类光子晶体结构亚波长尺度的光场调控能力，实现非易失、可编程的超小型集成光子器件，降低器件能耗；(2)将多模波导设置成包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元，提高了器件的设计自由度，使得器件具有更多的功能；(3)在硅长方体结构中设置凹槽，将相变材料填充在凹槽中所形成的逻辑单元结构，使得可以在亚波长尺度对光场进行调控，从而实现了小尺寸的可调器件；(4)利用亚波长光栅结构支撑多模波导、输入波导以及输出波导，形成悬空波导结构，避免二氧化硅吸收光场，降低传输损耗，提高器件性能。附图说明图1为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件的结构示意图；图2为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件中逻辑单元的结构示意图；图3为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件的设计方法的流程图；图4A-4D分别为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件在不同功分比下的输出功率示意图；图5A-5D分别为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件在不同功分比下输出波导侧的光场强度分布示意图；图6A-6B分别为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件在不同入射光波长下输出波导侧的光场强度分布示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1为多模波导，11为逻辑单元，2为衬底，3为二氧化硅氧化层，4为输入波导，5为第一输出波导，6为第二输出波导，7为亚波长光栅结构。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。在本专利技术中，本专利技术及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。图1为本专利技术提出的非易失可编程的集成光子器件的结构示意图。参阅图1，结合图2，对本实施例中的非易失可编程的集成光子器件(以下称为集成光子器件)进行详细说明。集成光子器件包括多模波导1。多模波导1用于对输入光束进行多模传输。不同折射率分布的多模波导1可以使集成光子器件实现不同功能，例如实现任意比功分器、波分复用器的功能等。本专利技术实施例中，多模波导1包括N×M个逻辑单元11，每个逻辑单元11的调谐状态可独立调节，N和M均为正整数，N和M既可以相同，也可以不同。该N×M个逻辑单元11形成为一个N行M列的阵列结构，N和M均为10时，形成的多模波导1如图1所示。本实施例中，可以根据集成光子器件的功能及应用场景需求设计N和M的值，在保证集成光子器件性能满足要求的基础上，避免N和M值过大而增大器件尺寸。优选地，多模波导1包括20×20个逻辑单元11，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述集成光子器件的多模波导(1)包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元(11)，N和M均为正整数；/n每个所述逻辑单元(11)包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在所述凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个所述逻辑单元(11)为亚波长尺寸结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述集成光子器件的多模波导(1)包括N×M个可独立调节调谐状态的逻辑单元(11)，N和M均为正整数；
每个所述逻辑单元(11)包括具有凹槽且材料为硅的长方体结构以及填充在所述凹槽中且材料为相变材料的填充结构，且每个所述逻辑单元(11)为亚波长尺寸结构。


2.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述相变材料为VO2、GST或GSST。


3.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，每个所述逻辑单元(11)的尺寸不大于λ/2，其中，λ为所述集成光子器件的工作波长。


4.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述凹槽为圆柱形凹槽或矩形凹槽。


5.如权利要求1所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述逻辑单元(11)的调谐状态包括所述相变材料的晶态、非晶态和中间态，所述逻辑单元(11)的调谐方式为电加热或激光加热。


6.如权利要求1-5任一项所述的非易失可编程的集成光子器件，其特征在于，所述集成光子器件还包括衬底(2)、二氧化硅氧化层(3)、输入波导(4)、第一输出波导(5)、第二输出波导(6)和亚波长光栅结构(7)；
所述二氧化硅氧化层(3)位于所述衬底(2)的两侧区域上；
所述亚波长光栅结构(7)位于所述二氧化硅氧化层(3)上，并连接支撑所述多模波导(1)、输入波导(4)、第一输出波导(5)以及第二输出波导(6)，使得所述多模波导(1)、输入波导(4)、第一输出波导(5)以及第二输出波导(6)悬空。

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【专利技术属性】
技术研发人员：张敏明，杨思康，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42