一种基于相变材料的多模式切换的1制造技术

本发明专利技术涉及一种基于相变材料的多模式切换的1

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的多模式切换的1
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3光开关及其制备方法


[0001]本专利技术属于光电子
，特别涉及的是一种基于相变材料的多模式切换的1
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3光开关及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着虚拟现实、大数据和人工智能等领域的技术发展，对于通信的容量提出了越来越高的要求。提高光通信传输容量、降低损耗、提高集成密度和调节效率等均是光通信及硅基光开关技术进一步发展中亟待解决的关键问题。在短数据中心网络中，通常要根据动态需求进行网络重构，而目前的重配置主要由高速电交换开关完成，即输入信号被转换成电信号，在电域完成交换之后再被转换回光信号。这种光/电/光（O/E/O）转换通常需要接收机和发射机，且每条光路都要通过复用器、解复用器及多路O/E/O转换，增加了交换节点的数据链路重构的复杂性，并具有高功耗和高硬件成本。硅基光波导开关是一种公认的低成本光交换技术，在电信网络和数据中心等领域中具有非常广泛的应用前景。光开关是光交换网络中用于数据交换的核心单元，可以在多模式频道实现数据和信号的切换，是构建更加灵活、有效的模分复用网络，及实现硅芯片全光网络功能必不可少的一部分。
[0003]目前，硅基光波导开关的研究主要集中在基于光干涉原理的马赫
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曾德尔干涉仪型光波导开关（参见文献：Lin Y ,Zhou T ,Hao J , et al. General architectures for on
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chip optical space and mode switching[J]. Optica, 2018, 5(2):180.）、微环谐振器型光波导开关（参见文献：Nikolova D, Calhoun D M, Liu Y, Rumley S, et. Al. Modular architecture for fully non
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blocking silicon photonic switch fabric Microsystems & Nanoengineering 3 1
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9 16071,2017）和微电子机械系统（MEMS）驱动波导型光开关（参见文献：T. J. Seok, N. Quack, S. Han, et. Al., Large
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scale broadband digital silicon photonic switches with vertical adiabatic couplers, Optica, vol. 3, no. 1, pp. 64, Jan. 2016）。马赫
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曾德尔型或微环谐振器型硅基光波导开关中的相移器，由硅掺杂PN结材料构成；通过电光调制对相移干涉臂施加电压引起的折射率变化进而形成相位差；由于硅材料的折射率变化很小（一般为：
∆
n<0.01），造成光干涉的臂长及波导结构尺寸达到数百微米，使得整个单元开关结构尺寸偏大；并且，开关状态需要不断的电压维持致使该器件具有易失性。MEMS光波导开关，是一种新型低串扰的波长选择开关，但它的缺点是其可移动部件的质量很大，相应时间较慢（约300微秒），而且驱动电压也非常高。
[0004]将相变材料薄膜用于光波导开关的相移单元，取代干涉臂，制作可重构的模式复用光波导开关单元器件，逐渐浮现。将相变材料覆盖在硅基条形波导上形成复合波导，并利用相变材料在晶态和非晶态可逆复相变和相变前后形成巨大的折射率差异来改变光信号的传播路径。目前，能查到的利用相变材料薄膜与硅基结合的1
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3光波导开关的结构（参见文献：He, Jie, Junbo Yang, Hansi Ma, et al. Design of a Multi
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Functional Integrated Optical Switch Based on Phase Change Materials, Photonics 2022, 9
(320):1
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13.)，这一结构包含三根长波导，其中两根为弯曲波导。弯曲波导容易带来更大的光损耗和串扰，并且加大了器件的实验难度，因此也限制了此类光开关的更大的复用和集成度，这一技术还有待于进一步开发和利用。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有现有技术存在的不足，提供一种高消光比、尺寸小、切换速率快，具有单进
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三出的多通道选择输入、选通和模式任意切换功能的基于相变材料的多模式切换1
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3型光波导开关及其制备方法。
[0006]实现本专利技术目的技术方案是提供一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1
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3型光开关的制备方法，包括如下步骤：（1）波导结构的设计将中行Si直波导设置于光开关的中间，一侧设置为上行耦合波导区域，包括上行Si直波导和上行复合波导，另一侧为由下行复合波导和下行Si直波导组成的下行耦合波导区域；各波导相互平行，间距为100～200纳米，Si直波导与复合波导相间分布，上行复合波导位于中行Si直波导的前端区域，下行复合波导位于中行Si直波导的后端区域；光输入端口和光波的基模输出端口分别设置于中行Si直波导的前、后端；光波的一阶模输出端口设置于上行Si直波导的后端；光波的二阶模输出端口设置于下行Si直波导的后端；所述的上行复合波导和下行复合波导为在Si波导上沉积一层相变材料薄膜构成；（2）波导结构的制备在SiO2衬底材料上覆盖光刻胶，采用聚焦电子束曝光工艺，按步骤（1）设计的波导结构，在基底上制备得到3根Si直波导和2根复合波导的Si波导；(3)相变材料的集成对步骤（2）得到的波导结构进行光刻胶旋涂，对复合波导的Si波导进行电子束曝光后，再采用磁控溅射工艺在复合波导的Si波导上沉积厚度为10～300纳米的多元硫化物相变薄膜；磁控溅射工艺参数包括：通入流速为50sccm的Ar气体，硫化物靶材溅射功率为20～50W，溅射压强为0.8～1.2Pa，溅射时间为2～10分钟；所述的硫化物靶材为Ge、Sb、Se和Te元素中的任意两种或多种；（4）剥离光刻胶，得到一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1
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3型光开关。
[0007]本专利技术技术方案中，衬底的厚度为1微米～100微米；波导结构中，各波导之间的距离为100～200纳米；中行Si直波导、上行Si直波导和下行Si直波导的厚度为100～400纳米，宽度分别为200～600纳米、600～1100纳米和1100～1900纳米，长度分别为10～80微米、20～80微米和10～30微米；上行复合波导和下行复合波导的宽度为200～600纳米，长度为5～30微米，它们的Si波导的厚度为100～400纳米，相变材料薄膜层的厚度为10～100纳米。
[0008]本专利技术技术方案还包括按上述制备方法得到的一种基于相变材料的多模式切换1
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3型光波导开关。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硫族化合物相变材料的多模式切换1
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3型光开关的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）波导结构的设计将中行Si直波导(6)设置于光开关的中间，一侧设置为上行耦合波导区域(2)，包括上行Si直波导(4)和上行复合波导(5)，另一侧为由下行复合波导(7)和下行Si直波导(8)组成的下行耦合波导区域(3)；各波导相互平行，间距为100～200纳米，Si直波导与复合波导相间分布，上行复合波导(5)位于中行Si直波导(6)的前端区域，下行复合波导(7)位于中行Si直波导(6)的后端区域；光输入端口(12)和光波的基模输出端口(13)分别设置于中行Si直波导(6)的前、后端；光波的一阶模输出端口(14)设置于上行Si直波导(4)的后端；光波的二阶模输出端口(15)设置于下行Si直波导(8) 的后端；所述的上行复合波导(5)和下行复合波导(7)为在Si波导(10)上沉积一层相变材料薄膜(11)构成；（2）波导结构的制备在SiO2衬底材料上覆盖光刻胶，采用聚焦电子束曝光工艺，按步骤（1）设计的波导结构，在基底上制备得到3根Si直波导和2根复合波导的Si波导(10)；(3)相变材料的集成对步骤（2）得到的波导结构进行光刻胶旋涂，对复合波导的Si波导(10)进行电子束曝光后，再采用磁控溅射工艺在复合波导的Si波导(10)上沉积厚度为10～300纳米的多元硫化物相变薄膜(11)；磁控溅射工艺参数包括：通入流速为50sccm的Ar气体，硫化物靶材溅射功率为20～50W，溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：张桂菊，高雪松，汪成根，崔元昊，
申请(专利权)人：光芯互连苏州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：