一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元及设计方法，包括衬底层，所述衬底层上表面设有导波层和相变材料结构，所述导波层为直平板slot波导，所述相变材料结构为双孔结构，且位于所述直平板slot波导结构中间，所述双孔结构内镶嵌有圆柱状的GST相变材料，所述衬底层、导波层和GST相变材料外表面包裹有保护层。通过设计出直平板slot波导和GST相变材料的混合集成，将GST相变材料镶嵌于直平板slot波导，通过GST相变材料的相态可对横电基模完成双通道选择输入和双路选通、模式切换的功能，具有高消光比、尺寸小、切换速率快的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元及设计方法


[0001]本专利技术涉及硅基光芯片
，特别涉及一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元及设计方法。

技术介绍

[0002]电光调制器是通信领域中的核心电光转换器件，多年来一直是国际上的研究热点。传统的材料 LiNbO
3 调制器发展最成熟，但一般半波电压高，体积大，插入损耗也大；InP 基调制器性能较好，易于集成，但材料和工艺复杂，成本较高；硅基调制器体积小，有利于大规模集成，但线性度相对较差；聚合物调制器带宽很宽，但稳定性较差。硅基衬底的混合集成调制器可以通过优化设计实现不同材料体系的优势结合，来提高调制器的整体性能。
[0003]而光子集成的小型化是必然趋势，调制器单元是光子集成核心器件，目前MZI型调制器基于热光，电光效应，由于电光热光系数较低，所以相移臂尺寸较大，器件整体尺寸可达毫米级，相比电子器件，目前光子器件尺寸过大，如果光器件
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调制器尺寸缩到100nm，芯片制造材料依然是以硅为主，当芯片工艺发展到5nm以下的制程后，这种材料无法满足工艺要求时，就会被淘汰，便会寻找其它材料来取代。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元的设计方法，以克服现有技术中的不足。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术公开了一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，包括衬底层，所述衬底层上表面设有导波层和相变材料结构，所述导波层为直平板slot 波导，所述相变材料结构为双孔结构，且位于所述直平板slot 波导结构中间，所述双孔结构内镶嵌有圆柱状的GST相变材料，所述衬底层、导波层和GST相变材料外表面包裹有保护层。
[0006]作为优选的，所述衬底层材料为硅或二氧化硅，所述导波层材料为氮化硅。
[0007]作为优选的，所述直平板slot 波导的狭缝深度、所述相变材料结构的深度、GST相变材料的厚度和直平板slot 波导的厚度均相同。
[0008]作为优选的，所述双孔结构以所述直平板slot 波导的狭缝为轴线对称设置在直平板slot 波导上。
[0009]作为优选的，所述GST相变材料为Ge2Sb2Te5或Ge2Sb2Se4Te。
[0010]作为优选的，所述衬底层、导波层和GST相变材料外表面包裹的保护层材料为二氧化硅。
[0011]本专利技术公开了一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元的设计方法，包括如下步骤：步骤1、在衬底层硅基表面设计一平面波导结构的导波层，在导波层长度方向的中
线上刻蚀出一深度与导波层厚度一致的槽结构，使得导波层为直平板slot 波导，用于调制光传输相位；步骤2、在直平板slot 波导上对称刻蚀出双孔结构，并将圆柱状的GST相变材料镶嵌于双孔结构内，用于通过GST材料的晶态与非晶态的转变，实现开关状态的切换；步骤3、在整个微型光开关单元表面设计一层二氧化硅作为保护层。
[0012]作为优选的，所述步骤1中，在衬底层硅基表面先设计一层二氧化硅，再在二氧化硅表面设计一平面波导结构的导波层。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元及设计方法，通过设计出直平板slot 波导和GST相变材料的混合集成，将GST相变材料镶嵌于直平板slot 波导，通过GST相变材料的相态可对横电基模完成双通道选择输入和双路选通、模式切换的功能，具有高消光比、尺寸小、切换速率快的特点，本专利技术结合氮化硅平台，有助于实现光开关的微型集成化。
附图说明
[0014]图 1 为本专利技术实施例的整体示意图；图 2 为本专利技术实施例的俯视平面示意图；图 3 为本专利技术实施例的剖面示意图；图 4 为本专利技术微型光开关单元的“开”状态TE模式传播的切换示意图；图 5 为本专利技术微型光开关单元的“关”状态TE 模式传播的切换示意图；图6为本专利技术微型光开关单元的“开
””
关“状态切换插损仿真结果；图中：1
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衬底层、2
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导波层、3
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相变材料结构、4
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GST相变材料。
具体实施方式
[0015]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。
[0016]本专利技术通过设计出直平板slot 波导和GST相变材料的混合集成，将GST相变材料镶嵌于直平板slot 波导，与传统的电子器件的硅基调制器相比，有助于实现硅基调制器集成的小型化趋势，减小尺寸，降低了器件的功耗，有助于硅基光电子器件的大规模集成。
[0017]如图1
‑
图3所示，本专利技术实施例提供一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，包括衬底层1，所述衬底层1上表面设有导波层2和相变材料结构3，所述导波层2为直平板slot 波导，所述相变材料结构3为双孔结构，且位于所述直平板slot 波导结构中间，所述双孔结构内镶嵌有圆柱状的GST相变材料4，所述衬底层1、导波层2和GST相变材料外表面包裹有保护层。
[0018]所述衬底层1材料为硅或二氧化硅，所述导波层2材料为氮化硅。
[0019]所述直平板slot 波导的狭缝深度、所述相变材料结构3的深度、GST相变材料4的厚度和直平板slot 波导的厚度均相同。
[0020]所述双孔结构以所述直平板slot 波导的狭缝为轴线对称设置在直平板slot 波
导上。
[0021]所述GST相变材料4为Ge2Sb2Te5或Ge2Sb2Se4Te。
[0022]所述衬底层1、导波层2和GST相变材料4外表面包裹的保护层材料为二氧化硅。
[0023]本专利技术实施例提供一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元的设计方法，包括如下步骤：步骤1、在衬底层硅基表面设计一平面波导结构的导波层，在导波层长度方向的中线上刻蚀出一深度与导波层厚度一致的槽结构，使得导波层为直平板slot 波导，用于调制光传输相位；步骤2、在直平板slot 波导上对称刻蚀出双孔结构，并将圆柱状的GST相变材料镶嵌于双孔结构内，用于通过GST材料的晶态与非晶态的转变，实现开关状态的切换；步骤3、在整个微型光开关单元表面设计一层二氧化硅作为保护层。
[0024]具体的，衬底层硅基表面设计一层3um的二氧化硅，再在其上设计导波层，导波层为厚度设计为200nm的氮化硅，再在导波层中间刻蚀出一深度200nm的槽结构，将常规波导模式转化为槽波导模式，gst相变材料的结构为圆柱状，高度尺寸约200nm，镶嵌于氮化硅波导之中，通过GST材料的晶态于非晶态的转变，实现开关状态的切换，仿真结果表明 GST开状态的低损耗和关状态的高消光比。
[0025]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，其特征在于：包括衬底层，所述衬底层上表面设有导波层和相变材料结构，所述导波层为直平板slot 波导，所述相变材料结构为双孔结构，且位于所述直平板slot 波导结构中间，所述双孔结构内镶嵌有圆柱状的GST相变材料，所述衬底层、导波层和GST相变材料外表面包裹有保护层。2.如权利要求1所述的一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，其特征在于：所述衬底层材料为硅或二氧化硅，所述导波层材料为氮化硅。3.如权利要求1所述的一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，其特征在于：所述直平板slot 波导的狭缝深度、所述相变材料结构的深度、GST相变材料的厚度和直平板slot 波导的厚度均相同。4.如权利要求1所述的一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，其特征在于：所述双孔结构以所述直平板slot 波导的狭缝为轴线对称设置在直平板slot 波导上。5.如权利要求1所述的一种基于双孔GST相变材料微型光开关单元，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，张磊，储涛，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：