基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列

1.本发明属于光通信领域的一种光开关及阵列，具体涉及一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列。


背景技术：

2.光开关是一种关键的光学基本单元，它可以控制(开启或关闭)光信号的传输。在光纤通信、光网络管理、光信号处理和光存储等多个领域中，光开关可以用于路由光信号，使其沿特定路径传输，从而提高光学系统的效率和灵活性。相变材料是一类新兴的光学材料，在调控方面的具有显著的优势。这主要源于其独特的物理特性，可以在不同的物理状态(如晶态和非晶态)之间进行切换，同时伴随着电学和光学性质的显著变化。这些特性使它们在光学、电子和光电子领域中具有广泛的应用潜力。目前，光开关作为光交换网络中的核心器件，在，硅平台上已经实现了较低的损耗和较高的消光比，其中最具代表的光开关结构基于片上集成马赫-曾德尔干涉仪。但是该类光开关的占地面积普遍较大，以典型的硅基马赫-曾德尔干涉仪为例，其面积在数千平方微米量级，这导致以该开关为单元拓展产生的光开关阵列占地面积巨大，不利于大规模集成应用。
3.另一方面，目前现存的光开关多基于热光效应，主要利用温度影响材料的折射率，通过改变器件温度，进而改变折射率来调节光的相位，从而在马赫-曾德尔干涉仪中实现对光的调控。热光调控存在一些缺陷，一方面响应速度较低且功耗较大，极大影响光开关性能；另一方面，由于二氧化硅的导热性能，改变干涉臂温度时必然存在热串扰的问题，在大规模光开关阵列集成时热串扰更加严重，严重制约大规模光子集成回路的进一步发展应用。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中存在的问题，本发明在硅基集成波导的基础上，结合相变材料，提出了一种相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列。所要突破的技术难关是利用特殊设计的超紧凑结构实现超紧凑光开关单元，尺寸低至十平方微米量级，同时结合相变材料，利用相变材料的非易失性，降低能耗，减小热串扰，避免集成光子器件在调控时需要持续供能的问题。本发明所述的相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，利用超紧凑传输波导阵列，大大压缩了输入输出波导的间距和马赫-曾德尔干涉仪两干涉臂的间距，并且仅通过调节相变材料状态即可实现马赫-曾德尔干涉仪两臂之间的相位变化，具有非易失性，避免了热光开关运行时持续加热的需求，极大缩减了在控制光路时的能耗，且开关状态一经调节无需外来能量维持，不仅可以节约能源，也减少了大规模热光开关阵列运行时持续加热带来的热飘移和热串扰问题。通过相变材料辅助调控相位，实现2*2的光开关，具有技术简单，性质可控稳定，尺寸超紧凑，能量消耗少，有利于大规模集成和组成大型可重构光开关阵列等优点。该光开关不仅可用于光通信，光传感，光存储和人工智能等领域，且为量子传感，量子计算和量子保密通信等铺平了道路。
5.本发明解决如上技术问题所采用的技术方案为：
6.一、一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关
7.超紧凑光开关包括输入波导、定向耦合器、干涉臂波导和输出波导，第一输入波导与第一定向耦合器的第一输入端相连，第一定向耦合器的第一输出端经第一干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第一输入端相连，第二定向耦合器的第一输出端与第一输出波导相连；第二输入波导与第一定向耦合器的第二输入端相连，第一定向耦合器的第二输出端经第二干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第二输入端相连，第二定向耦合器的第二输出端与第二输出波导相连；由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一干涉臂波导和第二干涉臂波导组成超紧凑马赫-曾德尔干涉仪。
8.所述第一定向耦合器和第二定向耦合器的波导结构相同，均包括硅衬底、二氧化硅包层、第一混合波导和第二混合波导，硅衬底和二氧化硅包层上下层叠布置，二氧化硅包层中嵌装有第一混合波导和第二混合波导，第一混合波导和第二混合波导之间平行且间隔布置；所述第一混合波导和第二混合波导均由第一硅波导组成，第一硅波导嵌装在二氧化硅包层中；所述第一混合波导和/或第二混合波导还包括电极层、第一相变材料层和第一导热层；第一相变材料层和第一硅波导相连，第一相变材料层与第一导热层相连，第一导热层与电极层相连。
9.所述第一相变材料层设置在第一硅波导的外侧面和/或内部；第一相变材料层设置在第一硅波导外侧面的上表面、下表面、左表面、右表面或者两个表面及以上，第一相变材料层设置在第一硅波导外侧面时，第一导热层设置在第一硅波导中远离第一相变材料层的一面；第一相变材料层设置在第一硅波导内部时，电极层嵌装在第一相变材料层中。
10.所述输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合。
11.所述超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度来优化设计各段波导的传播常数，使得在第一定向耦合器和第二定向耦合器区域内的两段波导发生光信号的高效耦合，而在第一干涉臂波导和第二干涉臂波导区域的两段波导内的光信号不发生互相耦合，整个马赫-曾德尔干涉仪的两段波导中心间距不超过一个波长的尺度，因此使得该马赫-曾德尔干涉仪具有超紧凑的特性。
12.所述超紧凑光开关中，第一输入波导和第二输入波导为非对称输入波导，第一输出波导和第二输出波导也为非对称输入波导。
13.所述第一相变材料层为金属氧化物、硫属化合物或者有机相变材料。
14.二、一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关阵列
15.所述超紧凑光开关阵列由所述的超紧凑光开关超紧凑光开关平行密排组成，通过调控波导宽度来优化设计相邻超紧凑光开关之间波导的传播常数，使得相邻马赫-曾德尔干涉仪的相邻两段波导中心间距不超过一个波长的尺度，因此使得该马赫-曾德尔干涉仪阵列也具有超紧凑的特性。
16.所述超紧凑光开关阵列中，相邻的两个输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合；
17.所述超紧凑光开关阵列中，超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度的办法来优化设计各段波导的传播常数，使得超紧凑马赫-曾德尔干涉仪之间的光信号不发生互
相耦合。
18.三、一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关芯片
19.芯片包括掺杂硅衬底，所述掺杂硅衬底上集成有所述的超紧凑光开关阵列。
20.基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列工作原理：
21.相变材料层上的电极层会传导焦耳热，而相变材料会在特定温度下实现晶态与非晶态的可逆转换，通过焦耳热来诱导相变材料的状态进而控制马赫-曾德尔干涉仪干涉臂中的相位差，由于相变材料在晶态和非晶状态下的有效折射率存在较大差异，所以可以用来调制光开关。相变材料在晶态状态下，混合相变材料的干涉臂与另一干涉臂光程不同，通过计算精准控制到达第二定向耦合器时的相位差，可以令光从其中一条输出波导输出。而当相变材料转换为非晶状态时，相比于晶态有效折射率显著增大，经过计算使非晶状态的干涉臂与晶态的干涉臂中存在半波长度的光程差，再经过第二定向耦合器就可以使光从另一条输出波导输出。因此，通过在导热层的两端适当的电脉冲信号，改变导热层温度进而改变相变材料层温度，即可实现相变材料在晶态和非晶状态相互转换，最终实现一个2*2的超紧凑光开关。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1.本发明将相变材料与硅波导相结合，利用相变材料晶态与非晶状态之间的折射率差异，控制马赫-曾德尔干涉仪两条干涉臂中的相位差，实现高效能超紧凑的光开关，具有极大的拓展性。
24.2.基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列，消耗能量大大减少，只有在焦耳热诱导相变材料状态改变时需要外界供能，利用材料的非易失性实现了器件的非易失性，吻合集成光子学的发展趋势。
25.3.与传统的片上集成光子器件相比，后者需要持续加热来维持器件状态，极易产生热串扰，影响器件的使用寿命和效果，基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列，不需要持续供能，可极大减少热量对器件的影响。
26.4.超紧凑的光开光对比目前现存的其他光开关器件，利用超紧凑结构设计，占地面积极大减少，具有数量级上的优势，极大地提高了器件集成度。
27.5.混合相变材料-硅波导的干涉臂，可以在半个波长的尺度范围内高效实现光信号局域化或者互相耦合，那么通过控制相变材料的晶态或非晶态，即可实现开关操作。具体实例显示，光开关整体宽度仅有1微米，长度小于15微米，占地面积小于15平方微米，大大提高了集成度，具有广阔的应用前景。
附图说明
28.图1为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列的3d模型图。
29.图2为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的输入波导和输出波导剖视示意图。
30.图3为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的干涉臂剖视示意图。
31.图4为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列的俯视示意图。
32.图5为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列从第一输入波导输入实施例1的光场分布图。
33.图6为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列从第二输入波导输入实施例1的光场分布图。
34.图中：硅衬底1，二氧化硅包层2，第一传输波导3，第二传输波导4，第一硅波导5，第一混合波导6，第一相变材料层7，导热层8。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
36.如图1和图4所示，本发明包括输入波导、定向耦合器、干涉臂波导和输出波导，第一输入波导与第一定向耦合器的第一输入端相连，第一定向耦合器的第一输出端经第一干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第一输入端相连，第二定向耦合器的第一输出端与第一输出波导相连；
37.第二输入波导与第一定向耦合器的第二输入端相连，第一定向耦合器的第二输出端经第二干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第二输入端相连，第二定向耦合器的第二输出端与第二输出波导相连；由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一干涉臂波导和第二干涉臂波导组成超紧凑马赫-曾德尔干涉仪。
38.超紧凑传输波导和超紧凑马赫-曾德尔干涉仪中波导宽度为四分之一工作波长级别，相邻传输波导中心间距为半波长级别。超紧凑传输波导和超紧凑马赫-曾德尔干涉仪由拥有不同的有效折射率的波导组成，包括非对称直波导，不同弯曲半径的弯曲波导或其两者组合。超紧凑光开关可拓展为阵列，通过设计多种不同波导宽度的光开关来实现。由于相邻波导宽度约为半个波长，如果仅用一种光开关进行密排，相同宽度波导之间会发生耦合，将多个特殊设计的光开关按需排列，可以使相同宽度波导的间距大大增加，减少不希望的耦合，实现高性能，超紧凑的光开关阵列。
39.输入波导和输出波导均记为传输波导，传输波导的波导结构相同，均包括硅衬底1、二氧化硅包层2、第一传输波导3和第一传输波导4，硅衬底1和二氧化硅包层2上下层叠布置，二氧化硅包层2中嵌装有第一传输波导3、第二传输波导4，第一传输波导3和第二传输波导4之间平行且间隔布置；当传输波导为输入波导时，第一传输波导3的输出端与第一定向耦合器的第一输入端相连，第二传输波导4的输出端与第一定向耦合器的第二输入端相连。
40.第一定向耦合器和第二定向耦合器的波导结构相同，均包括硅衬底1、二氧化硅包层2、第一混合波导6和第二混合波导，硅衬底1和二氧化硅包层2上下层叠布置，二氧化硅包层2中嵌装有第一混合波导6和第二混合波导，第一混合波导6和第二混合波导之间平行且间隔布置；第一混合波导6和第二混合波导均由第一硅波导5组成，第一硅波导5嵌装在二氧化硅包层2中；第一混合波导6和/或第二混合波导还包括电极层、第一相变材料层7和第一导热层8；第一相变材料层7和第一硅波导5相连，第一相变材料层7与第一导热层8相连，第一导热层8与电极层相连。第一混合波导6和第二混合波导与输入波导/输出波导/干涉臂波导相连。第一混合波导6和第二混合波导中的第一硅波导5两端的端面齐平。定向耦合器中，两个混合波导的宽度相等，可以高效实现光信号的互相耦合。第一定向耦合器与第二定向耦合器成镜像对称。结合混合相变材料-硅波导的干涉臂，可以在半个波长的尺度范围内高效实现光信号局域化或者互相耦合，那么通过控制相变材料的晶态或非晶态，即可实现开
关操作。
41.第一干涉臂波导和第二干涉臂波导的波导结构为混合波导。干涉臂波导的第一硅波导5与对应定向耦合器的第一硅波导5相连。
42.第一相变材料层7设置在第一硅波导5的外侧面和/或内部；第一相变材料层7设置在第一硅波导5外侧面的上表面、下表面、左表面、右表面或者两个表面及以上，第一相变材料层7设置在第一硅波导5外侧面时，第一导热层8设置在第一硅波导5中远离第一相变材料层7的一面；第一相变材料层7设置在第一硅波导5内部时，电极层嵌装在第一相变材料层7中，第一混合波导6和第二混合波导中，第一相变材料层7可同时覆盖在对应第一硅波导5的相同位置或不同位置。第一硅波导5和第二硅波导6为硅波导或掺杂波导(如氮化硅)。第一相变材料层7为金属氧化物、硫属化合物或者有机相变材料，包括但不限于：gesbte-225、sb
2 s3、sb
2 se3、gsst、vo2、si、ge
x
sbytez。电极层的材料为金、铜、铝或氧化铟锡。
43.输入波导、输出波导为直波导、弯曲波导或两者组合。超紧凑光开关中，第一输入波导和第二输入波导为非对称输入波导，第一输出波导和第二输出波导也为非对称输入波导，即第一输入波导和第二输入波导的宽度不同，第一输出波导和第二输出波导的宽度不同。
44.输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，预设范围为[λ/2-50，λ/2+50]nm，λ为光开关工作波长，具体实施中，光开关的工作波长为1550nm，输入波导的中心间距为800nm；再结合专门设计，即可使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合。
[0045]
超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度来优化设计各段波导的传播常数，使得在第一定向耦合器和第二定向耦合器区域内的两段波导发生光信号的高效耦合，而在第一干涉臂波导和第二干涉臂波导区域的两段波导内的光信号不发生互相耦合，整个马赫-曾德尔干涉仪的两段波导中心间距不超过一个波长的尺度，因此使得该马赫-曾德尔干涉仪具有超紧凑的特性，同时保证完成整个光开关的功能。
[0046]
输入波导与第一定向耦合器之间、第一定向耦合器与干涉臂波导之间、干涉臂波导与第二定向耦合器之间、第二定向耦合器与输出波导之间还通过连接波导进行连接，连接波导为直波导或s曲线波导，具体形状根据实际需求进行设置。
[0047]
本发明提出了一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，结合混合相变材料-硅波导的干涉臂，可以在半个波长的尺度范围内高效实现光信号局域化或者互相耦合，最终通过控制相变材料的晶态或非晶态，即可实现开关操作。
[0048]
超紧凑光开关单元可拓展为光阵列，即通过优化设计多个波导的传播常数，最终实现多组超紧凑传输波导阵列和超紧凑马赫-曾德尔干涉仪阵列平行排布。由于相邻波导宽度约为半个波长，使用这种光开关单元进行密排，即可实现高性能，超紧凑的光开关阵列。
[0049]
一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关阵列由超紧凑光开关级联组成。超紧凑光开关阵列中，相邻的两个输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，预设范围为[λ/2-50，λ/2+50]nm，λ为光开关工作波长，具体实施中，光开关的工作波长为1550nm，输入波导的中心间距为800nm；使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合。
[0050]
超紧凑光开关阵列中，超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度优化设计各段波导(即定向耦合器和干涉臂波导)的传播常数，使得超紧凑马赫-曾德尔干涉仪之间的光信号不发生互相耦合，有效实现了光信号高度局域化。
[0051]
参阅图2，图2为本发明基于相变材料-硅混合集成波导超紧凑光开关的非对称传输波导的剖视示意图，图中展示了以硅为衬底，上包层和下包层同为二氧化硅，以二氧化硅作为上包层的好处有两点，一是保护器件隔绝氧气，二是导热快，有利于在导热层上产生焦耳热，便于控制相变材料的晶态与非晶状态。左右同为硅波导但是波导宽度不同，目的是在超紧凑光开关的传输波导部分不会产生不必要的耦合。
[0052]
参阅图3，图3为本发明基于相变材料-硅混合集成波导的干涉臂剖视示意图，即马赫-曾德尔干涉仪中的两条干涉臂，通过焦耳热来诱导相变材料的状态进而控制马赫-曾德尔干涉仪干涉臂中的相位差，由于相变材料在晶态和非晶状态下的有效折射率存在较大差异，所以可以用来调制光开关。相变材料在晶态状态下，混合相变材料的干涉臂与另一干涉臂光程不同，通过计算精准控制到达第二定向耦合器时的相位差，可以令光从其中一条输出波导输出。而当相变材料转换为非晶状态时，相比于晶态有效折射率显著增大，经过计算使非晶状态的干涉臂与晶态的干涉臂中存在半波长度的光程差，再经过第二定向耦合器就可以使光从另一条输出波导输出。因此，通过在混合波导干涉臂的两端适当的电脉冲信号，即可实现相变材料在晶态和非晶状态相互转换，最终实现一个2*2的超紧凑光开关。
[0053]
本发明的具体实施例如下：
[0054]
在此具体实施例中，硅衬底1的厚度为500μm，二氧化硅包层2的高度为3μm。
[0055]
在此具体实施例中，相变材料为sb2se3(sbse)，该材料在晶态时的有效折射率实部为4.050，该材料在非晶态时的有效折射率实部为3.285，晶态和非晶状态在1550nm处工作波段的有效折射率虚部为0。
[0056]
在此具体实施例中，非对称传输波导中的第一输入波导3，第二输入波导4，第一硅波导5和第二硅波导6的高度相同，均为220nm，且上述波导的上表面平齐，第一相变材料层的高度为70nm。但波导宽度各不相同。在非对称传输波导中，第一输入波导3的宽度为w1＝420nm，第二输入波导4的宽度为w2＝360nm，输出波导与输入波导结构相同，第一硅波导和第二硅波导的宽度相同，均为w3＝390nm，第一相变材料层7的宽度为390nm，第一硅波导，第二硅波导和第一相变材料层长度均为3.85μm。
[0057]
本发明的设计目标是使光开关的占地面积更小，且具有良好的消光比，较低的插入损耗，器件总长13.25μm，宽度为1μm，相比典型的硅基马赫曾德尔型光开关占地面积减小2个数量级。第一定向耦合器由三部分构成，第一部分是斜波导，其中波导中心间距由800μm线性变化到295nm，同时两根波导的宽度分别从420nm和360nm线性变化到390nm；第二部分是耦合区域，由两根宽度为390nm，波导中心间距为295nm的波导组成；第三部分同样为斜波导，其中波导中心间距由295μm线性变化到800nm，波导宽度维持在390nm不变。第一定向耦合器和第二定向耦合器中的波导高度均为220nm。其中，第一部分和第三部分斜波导的长度均为1.5μm，第二部分耦合区长度为1.7μm。第二定向耦合器结构与第一定向耦合器结构极相似，但是将输入端与输出端反接。
[0058]
在外加电压的作用下，导热层产生焦耳热诱导相变材料sbse在晶态与非晶状态之间可逆的切换，由于晶态与非晶状态的折射率差异较大，仅用数微米即可使1550nm的光产
生半波长的光程差。图5为基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列从第一输入波导输入实施例1的光场分布图，图5的(a)为光开关打开状态，图5的(b)为光开关关闭状态。图6为基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列从第二输入波导输入实施例1的光场分布图，图6的(a)为光开关打开状态，图6的(b)为光开关关闭状态。
[0059]
综上所述，因此当相变材料受到导热层材料产生的焦耳热诱导，相变材料sbse的状态发生改变，成功的使马赫-曾德尔干涉仪中的两天干涉臂产生了半波长的相位差，实现了2*2的超紧凑光开光。本发明的应用价值：基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列具有超紧凑的占地面积，耗能少，不需要外界维持器件状态，损耗低，无热串扰，可用于大规模光开光阵列以及很利于集成等特点，非常适用于光子信息处理或硅光量子领域等十分热门的研究领域。
[0060]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，包括输入波导、定向耦合器、干涉臂波导和输出波导，第一输入波导与第一定向耦合器的第一输入端相连，第一定向耦合器的第一输出端经第一干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第一输入端相连，第二定向耦合器的第一输出端与第一输出波导相连；第二输入波导与第一定向耦合器的第二输入端相连，第一定向耦合器的第二输出端经第二干涉臂波导后再与第二定向耦合器的第二输入端相连，第二定向耦合器的第二输出端与第二输出波导相连；由第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一干涉臂波导和第二干涉臂波导组成超紧凑马赫-曾德尔干涉仪。2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，所述第一定向耦合器和第二定向耦合器的波导结构相同，均包括硅衬底(1)、二氧化硅包层(2)、第一混合波导(6)和第二混合波导，硅衬底(1)和二氧化硅包层(2)上下层叠布置，二氧化硅包层(2)中嵌装有第一混合波导(6)和第二混合波导，第一混合波导(6)和第二混合波导之间平行且间隔布置；所述第一混合波导(6)和第二混合波导均由第一硅波导(5)组成，第一硅波导(5)嵌装在二氧化硅包层(2)中；所述第一混合波导(6)和/或第二混合波导还包括电极层、第一相变材料层(7)和第一导热层(8)；第一相变材料层(7)和第一硅波导(5)相连，第一相变材料层(7)与第一导热层(8)相连，第一导热层(8)与电极层相连。3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，所述第一相变材料层(7)设置在第一硅波导(5)的外侧面和/或内部；第一相变材料层(7)设置在第一硅波导(5)外侧面的上表面、下表面、左表面、右表面或者两个表面及以上，第一相变材料层(7)设置在第一硅波导(5)外侧面时，第一导热层(8)设置在第一硅波导(5)中远离第一相变材料层(7)的一面；第一相变材料层(7)设置在第一硅波导(5)内部时，电极层嵌装在第一相变材料层(7)中。4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，所述输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合。5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，所述超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度来优化设计各段波导的传播常数，使得在第一定向耦合器和第二定向耦合器区域内的波导发生光信号的高效耦合，而在第一干涉臂波导和第二干涉臂波导区域的波导内的光信号不发生互相耦合，整个马赫-曾德尔干涉仪中的两段波导中心间距不超过一个波长的尺度。6.根据权利要求1所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，所述超紧凑光开关中，第一输入波导和第二输入波导为非对称输入波导，第一输出波导和第二输出波导也为非对称输入波导。7.根据权利要求2所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关，其特征在于，所述第一相变材料层(7)为金属氧化物、硫属化合物或者有机相变材料。8.一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关阵列，其特征在于：所述光开关阵列由权利要求1-7任一所述的超紧凑光开关平行密排组成，通过调控波导宽度来优化设计相邻超紧凑光开关之间波导的传播常数，使得相邻马赫-曾德尔干涉仪中的相邻两段波导中心间距不超过一个波长的尺度。
9.根据权利要求8所述的一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关阵列，其特征在于：所述超紧凑光开关阵列中，相邻的两个输入波导的中心间距以及输出波导的中心间距在预设范围内，使得输入波导之间、输出波导之间不发生互相耦合；所述超紧凑光开关阵列中，超紧凑马赫-曾德尔干涉仪通过调控波导宽度的办法来优化设计各段波导的传播常数，使得超紧凑马赫-曾德尔干涉仪之间的光信号不发生互相耦合。10.一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关芯片，其特征在于：包括掺杂硅衬底，所述掺杂硅衬底上集成有权利要求8或9所述的超紧凑光开关阵列。

技术总结
本发明公开了一种基于相变材料-硅混合集成波导的超紧凑光开关及阵列。超紧凑光开关由传输波导阵列，定向耦合器，马赫-曾德尔干涉仪，混合相变材料-硅波导的干涉臂组成。将该超紧凑光开关平行排布，即可构成超紧凑光开关阵列。与现有的集成片上光开关相比，本发明利用模式调控技术压缩相邻波导间距，大大减小光开关占地面积。使用混合相变材料-硅波导的干涉臂，避免了热光开关运行时持续加热的需求，极大缩减了切换开关状态时的能耗，且开关状态无需外来能量维持，不仅避免静态功率消耗，也避免了开关阵列运行时持续加热带来的热飘移和热串扰问题。本发明具有超紧凑，能耗低和非易失等优点，可广泛适用于各类先进光学系统中。可广泛适用于各类先进光学系统中。可广泛适用于各类先进光学系统中。


技术研发人员：张明 吴庆博 戴道锌
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/5