專利名稱：一種相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元器件，具體涉及一種相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)。
背景技術(shù)：
隨著科技的迅速發(fā)展，通信領(lǐng)域的信息傳輸容量日益增大，人們對(duì)帶寬的要求越 來越高，光網(wǎng)絡(luò)如何能高效、高速地傳遞信息成為了人們研究焦點(diǎn)之一。光開關(guān)做為構(gòu)成光 分叉復(fù)用和光交叉連接的關(guān)鍵器件之一，是光網(wǎng)絡(luò)中的重要元素，廣泛地應(yīng)用于光通信、光 計(jì)算、光互連和光信息處理系統(tǒng)，是光器件研究的熱點(diǎn)?；谖h(huán)諧振的光開關(guān)，一方面由 于腔周期很小，從而其開關(guān)速度也相應(yīng)的加快，能很好地滿足高速通信的要求；同時(shí)，環(huán)形 諧振腔簡單緊湊、結(jié)構(gòu)靈活且適合于利用平面波導(dǎo)技術(shù)制作，在未來的大規(guī)模集成光路應(yīng) 用中具有很大的潛力。但是，基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)在維持開與關(guān)的過程中需要一直不斷 的消耗能耗，造成了能源的浪費(fèi)。于是，我們提出相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)， 它消除開與關(guān)的狀態(tài)維持過程中的功耗，而僅僅在開與關(guān)的狀態(tài)切換過程中有功耗，從而 使能耗大大的降低，更有利于綠色和環(huán)保，也更適用于未來高速、高集成度、低功耗光通信 網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)開與關(guān)狀態(tài)維持過程中的功耗，而僅僅在開與關(guān) 的狀態(tài)切換過程中有功耗，從而實(shí)現(xiàn)器件的低功耗。本發(fā)明目的在于提供一種相變材料輔 助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)。它采用相變材料輔助閉環(huán)波導(dǎo)，通過脈沖調(diào)節(jié)相變材料狀態(tài)， 使之在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，繼而實(shí)現(xiàn)光路的切換。它消除開與關(guān)的狀態(tài)維持過程中的 功耗，而僅僅在開與關(guān)的狀態(tài)切換過程中有功耗從而降低耗能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括微環(huán)波導(dǎo)諧振腔和與其耦合的兩根直波導(dǎo)；相變材料置于除微環(huán)波導(dǎo) 諧振腔和直波導(dǎo)耦合區(qū)域以外的微環(huán)波導(dǎo)諧振腔的表面，通過相變控制源控制相變材料狀 態(tài)改變，控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)的波長選擇開關(guān)。所述的相變控制源為電控源，其驅(qū)動(dòng)電極與相變材料相連，通過驅(qū)動(dòng)電極改變相 變材料的狀態(tài)，進(jìn)而控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)的波長選擇開關(guān)。所述的相變控制源為光控源，其驅(qū)動(dòng)光源采用外置光源，外置光源直接照射、或經(jīng) 透鏡聚焦、或經(jīng)光纖傳輸后照射在相變材料上，引起相變材料狀態(tài)的改變，進(jìn)而控制微環(huán)波 導(dǎo)諧振腔的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)的波長選擇開關(guān)。所述的相變材料置于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔內(nèi)側(cè)表面的局部區(qū)域或者全部區(qū)域、微環(huán)波 導(dǎo)諧振腔外側(cè)表面局部區(qū)域、微環(huán)波導(dǎo)諧振腔的正上方局部區(qū)域或者全部區(qū)域、微波導(dǎo)諧 振腔的正下方局部區(qū)域或者全部區(qū)域，或者在微環(huán)波導(dǎo)諧振腔上述方向排列組合的位置。所述的微環(huán)諧振腔和與其耦合的兩根直波導(dǎo)的為硅波導(dǎo)、玻璃波導(dǎo)、二氧化硅波 導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)和III-V族化合物波導(dǎo)中的任意一種。
所述的相變材料為Ge2Sb2Te5相變材料、或者為M =GexSbyTez相變材料。本發(fā)明與背景技術(shù)的光開關(guān)相比，具有的有益效果是采用相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)，通過脈沖調(diào)節(jié)相變材料狀態(tài)，使之在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，繼而實(shí)現(xiàn)光路的切換。它消除開與關(guān)的狀態(tài)維持過程中的功耗， 而僅僅在開與關(guān)的狀態(tài)切換過程中有功耗從而降低耗能。這對(duì)于器件的小型化和集成化 起著重要的作用，也更利于綠色和環(huán)保，也更適用于未來高速、高集成度、低功耗光通信網(wǎng) 絡(luò)。本發(fā)明作為一種構(gòu)成光分叉復(fù)用和光交叉連接的低功耗光學(xué)器件，可廣泛用于光通信 系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明相變控制源為電控源，且相變材料位于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔正上方表面 時(shí)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是本發(fā)明相變控制源為光控源，當(dāng)由外置光源直接照射在相變材料上且相變 材料位于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔外側(cè)局部區(qū)域時(shí)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3是本發(fā)明相變控制源為光控源，當(dāng)由外置光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡后，照射在相 變材料上且相變材料位于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔外側(cè)局部區(qū)域時(shí)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4是本發(fā)明相變控制源為光控源，當(dāng)由外置光源經(jīng)光纖傳輸后，照射在相變材 料上且相變材料位于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔外側(cè)局部區(qū)域時(shí)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1、微環(huán)波導(dǎo)諧振腔，2、與微環(huán)波導(dǎo)諧振腔耦合的直波導(dǎo)，3、相變材料，4、電 極，5、外置光源，6、光纖，7、透鏡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1、圖2、圖3、圖4所示，相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)包括微環(huán)波導(dǎo) 諧振腔1和與其耦合的兩根直波導(dǎo)2。相變材料3置于除微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1和直波導(dǎo)2耦 合區(qū)域以外的微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1的表面，通過相變控制源控制相變材料3狀態(tài)改變，控制微 環(huán)波導(dǎo)諧振腔1的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)2的波長選擇開關(guān)。所述的相變控制源為電控源，其驅(qū)動(dòng)電極4與相變材料3相連，通過驅(qū)動(dòng)電極4改 變相變材料3的狀態(tài)，進(jìn)而控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)2的波長 選擇開關(guān)。所述的相變控制源為光控源，其驅(qū)動(dòng)光源采用外置光源5，外置光源5直接照射、 或經(jīng)透鏡7聚焦、或經(jīng)光纖6傳輸后照射在相變材料3上，引起相變材料3狀態(tài)的改變，進(jìn) 而控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)2的波長選擇開關(guān)。所述的相變材料3置于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1內(nèi)側(cè)表面的局部區(qū)域或者全部區(qū)域、微 環(huán)波導(dǎo)諧振腔1外側(cè)表面局部區(qū)域、微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1的正上方局部區(qū)域或者全部區(qū)域、微 波導(dǎo)諧振腔1的正下方局部區(qū)域或者全部區(qū)域，或者在微環(huán)波導(dǎo)諧振腔1上述方向排列組 合的位置。所述的微環(huán)諧振腔1和與其耦合的兩根直波導(dǎo)2的為硅波導(dǎo)、玻璃波導(dǎo)、二氧化硅 波導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)和III-V族化合物波導(dǎo)中的任意一種。
所述的相變材料3為Ge2Sb2Te5相變材料、或者為M =GexSbyTez相變材料。如圖1所示，，當(dāng)采用的微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2材料為硅時(shí)，通過干法刻蝕制作出微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2，然后利用熱氧化形成二氧化硅保護(hù)層， 旋涂相變材料3，再通過濺射和濕法刻蝕制備出電極4。從光纖或其他平面光波導(dǎo)回路輸出 的光信號(hào)耦合進(jìn)入直波導(dǎo)2，有一部分光通過耦合區(qū)域時(shí)進(jìn)入微環(huán)諧振腔1，通過脈沖加載 在電極4上調(diào)節(jié)相變材料3，引起微環(huán)諧振腔1的損耗發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光路在直通態(tài)和 交叉態(tài)的切換。如圖2所示，當(dāng)采用的微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2材料為二氧化硅時(shí)，可 以反應(yīng)離子干法干法刻蝕制作出微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2，再通過研磨拋光，然 后濺射上一層純二氧化硅保護(hù)層，旋涂相變材料3。從光纖或其他平面光波導(dǎo)回路輸出的光 信號(hào)耦合進(jìn)進(jìn)入直波導(dǎo)2，一部分光通過耦合區(qū)域時(shí)進(jìn)入微環(huán)諧振腔1，同時(shí)通過外置光源 5發(fā)出的光直接照射在相變材料3上調(diào)節(jié)相變材料3，引起微環(huán)諧振腔1的損耗發(fā)生改變， 從而實(shí)現(xiàn)光路在直通態(tài)和交叉態(tài)的切換。如圖1所示，當(dāng)采用的微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2材料為玻璃時(shí)，兩次離 子交換獲得微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2，旋涂光刻膠，光刻，刻蝕并去除光刻膠，制 備一層電極4，刻蝕該層電極4，旋涂相變材料3。從光纖或其他平面光波導(dǎo)回路輸出的光信 號(hào)耦合進(jìn)入直波導(dǎo)2，有一部分光通過耦合區(qū)域時(shí)進(jìn)入微環(huán)諧振腔1，通過脈沖加載在電極 4上調(diào)節(jié)相變材料3，引起微環(huán)諧振腔1的損耗發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光路在直通態(tài)和交叉態(tài) 的切換。如圖3所示，當(dāng)采用的微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2材料為III-V族化合 物時(shí)，制備外延生長片，旋涂光刻膠，光刻，顯影，刻蝕并去除光刻膠，制備一層電極4，刻蝕 該層電極4，旋涂相變材料3。從光纖或其他平面光波導(dǎo)回路輸出的光信號(hào)耦合進(jìn)入直波導(dǎo) 2，一部分光通過耦合區(qū)域時(shí)進(jìn)入微環(huán)諧振腔1，同時(shí)通過外置光源5發(fā)出的光經(jīng)透鏡7后， 照射在相變材料3上調(diào)節(jié)相變材料3，引起微環(huán)諧振腔1的損耗發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光路在 直通態(tài)和交叉態(tài)的切換。如圖4所示，當(dāng)采用的微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2材料為聚合物，可以通 過準(zhǔn)直激光寫入獲得微環(huán)諧振腔1和與之耦合的直波導(dǎo)2，再旋涂上相變材料3。從光纖或 其他平面光波導(dǎo)回路輸出的光信號(hào)耦合進(jìn)進(jìn)入直波導(dǎo)2，一部分光通過耦合區(qū)域時(shí)進(jìn)入微 環(huán)諧振腔1，同時(shí)通過外置光源5發(fā)出的光經(jīng)與外置光源5相連的光纖6后，照射在相變材 料3上調(diào)節(jié)相變材料3，引起微環(huán)諧振腔1的損耗發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光路在直通態(tài)和交叉 態(tài)的切換。與傳統(tǒng)的光開關(guān)相比，相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)具有結(jié)構(gòu)緊湊、集 成度高以及開關(guān)速度快等特點(diǎn)，同時(shí)采用相變材料輔助波導(dǎo)，可僅通過調(diào)節(jié)相變材料的狀 態(tài)，實(shí)現(xiàn)光路的路由和切換，大大縮減了傳統(tǒng)光開關(guān)在開與關(guān)持續(xù)過程的能耗，實(shí)現(xiàn)器件的 低功耗，有利于器件的綠色與環(huán)保，在未來的高速低功耗光通信上具有潛在的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)，包括微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)和與其耦合的兩根直波導(dǎo)(2)；其特征在于相變材料(3)置于除微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)和直波導(dǎo)(2)耦合區(qū)域以外的微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)的表面，通過相變控制源控制相變材料(3)狀態(tài)改變，控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)(2)的波長選擇開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變材料輔助的自持式波導(dǎo)光開關(guān)，其特征在于所述 的相變控制源為電控源，其驅(qū)動(dòng)電極⑷與相變材料⑶相連，通過驅(qū)動(dòng)電極⑷改變相變 材料(3)的狀態(tài)，進(jìn)而控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)(2)的波長 選擇開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變材料輔助的自持式波導(dǎo)光開關(guān)，其特征在于所述 的相變控制源為光控源，其驅(qū)動(dòng)光源采用外置光源(5)，外置光源(5)直接照射、或經(jīng)透鏡 (7)聚焦、或經(jīng)光纖(6)傳輸后照射在相變材料(3)上，引起相變材料(3)狀態(tài)的改變，進(jìn)而 控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)(2)的波長選擇開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)，其特 征在于所述的相變材料(3)置于微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)內(nèi)側(cè)表面的局部區(qū)域或者全部區(qū)域、 微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)外側(cè)表面局部區(qū)域、微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)的正上方局部區(qū)域或者全部 區(qū)域、微波導(dǎo)諧振腔(1)的正下方局部區(qū)域或者全部區(qū)域，或者在微環(huán)波導(dǎo)諧振腔(1)上述 方向排列組合的位置。
5 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于所 述的微環(huán)諧振腔(1)和與其耦合的兩根直波導(dǎo)(2)的為硅波導(dǎo)、玻璃波導(dǎo)、二氧化硅波導(dǎo)、 聚合物波導(dǎo)和III-V族化合物波導(dǎo)中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變材料輔助的自持式波導(dǎo)光開關(guān)，其特征在于所述 的相變材料(3)為Ge2Sb2Te5相變材料、或者為M =GexSbyTez相變材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變材料輔助的基于微環(huán)的光波導(dǎo)開關(guān)。包括微環(huán)波導(dǎo)諧振腔和與其耦合的兩根直波導(dǎo)；相變材料置于除微環(huán)波導(dǎo)諧振腔和直波導(dǎo)耦合區(qū)域以外的微環(huán)波導(dǎo)諧振腔的表面，通過相變控制源控制相變材料狀態(tài)改變，控制微環(huán)波導(dǎo)諧振腔的損耗，實(shí)現(xiàn)光波在兩根直波導(dǎo)的波長選擇開關(guān)。通過脈沖調(diào)節(jié)相變材料狀態(tài)，使之在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，繼而實(shí)現(xiàn)光路的切換。它消除開與關(guān)的狀態(tài)維持過程中的功耗，而僅僅在開與關(guān)的狀態(tài)切換過程中有功耗從而降低耗能。利于器件的小型化和集成化，利于綠色和環(huán)保，適用于未來高速、高集成度、低功耗光通信網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明作為一種構(gòu)成光分叉復(fù)用和光交叉連接的低功耗光學(xué)器件，可廣泛用于光通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101866066SQ20101018579
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者喻平, 楊建義, 江曉清, 王明華, 邱晨, 郝寅雷, 陳偉偉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)