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1、基于相变材料的片上多功能可控红外光开关设计0引言光开关是一种光路转换器件,目前片上光开关通常基于电光或热光效应,但这2种效应通常都会产生比拟小的折射率扰动,导致器件的尺寸面积增加,能耗也一并增加.这种限制 虽然可以通过谐振器以设备带宽绝缘衬底上硅(SOI)平台上的光子集成器件,由于可以和互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺有良好的兼容性成为热点.但光子集成器件会由于片上集成光路不同偏振态和模 式的高折射率差异而导致严重的偏振损耗.偏振分束旋转器1 .基于相变材料的片上多功能可控红外光开关的设计基于相变材料的片上多功能可控红外光开关结构如图1所示.本文选用基于标准的 SOI平台,以220nm
2、厚的硅层作为基底,在其上覆盖3m厚的掩埋氧化物(BOX).我们在中间的硅波导层设计了 1-D PhC圆形纳米孔阵列,为了保证对 TE模式光的高偏振消光比,同时 保持TM偏振光合理的插入损耗和整个器件紧凑的尺寸大小,本文将圆孔阵列个数设置为 20个,使得器件的总长度只有 7.21 利用3维的时域有限差分(FDTD)方法模拟分析 此光开关.模拟窗口的尺寸为14mx5mx2m纳米圆孔阵列先填充材料为空气,然后对此光开关进行模拟仿真,将光源波长为1550nm的TE模式光和TM模式光输入该波导结构.TE模式光和TM模式光的模拟电场分别如图 2 (a)和图2 (b)所示.在保持光源波长为1550nm不变的
3、条件下,我们对纳米圆孔阵列填充相变材料GSST它是基于传统的相变材料 GST将其中局部的Te用Se代替而制造成的.相变材料的相变过程 可以通过激光、加热和电压调控的方法实现,根据已有的报道本文用插入损耗来分析器件光功率的损耗,其定义为：2 .基于相变材料的片上多功能可控红外光开关性能分析根据文献通过对TE模式光的偏振消光比和 TM模式光的插入损耗的综合分析,我们认为波长为 1850nm时整个光开关的性能到达最正确,此时Cr-GSST材料折射率实部为4.92 ,虚部为0.21 , TE模式光和TM模式光的模拟电场分别如图 6 (a)和图6 (b)所示.本文用偏振消光比在保持填充的相变材料 Ge由
4、于波长范围发生了改变,本文对圆形孔的半径进行了讨论,并模拟实验了不同半径下红 外光开关的性能,当圆孔半径在 80100nm之间变化时,对光源波长为1750nm-1930nm的TE模式光和TM模式光,得到的透过光开关的输出光功率经过归一化处理后曲线如图7所很明显,TE模式光在半径大于 88nm之后就几乎无法通过期器件了,而且半径越大,TE模式光的输出光功率就越低.在圆孔半径为93nm时,TM模式光的输出功率陡降,插入损耗陡增,对于TE模式光的偏振消光比为-9.031dB.而TM模式光在半径为92.25nm时可通过 光开关且无过多的插入损耗,对于 TE模式光的偏振消光比为-9.243dB,也比半彳
5、仝大于93nm 时要高.为了使器件性能到达最正确,我们选择92.25nm作为最优的半径选择,既兼顾了对TE模式光的高偏振消光比,又使器件对TM模式光的插入损耗相对较小.3 .结束语本文通过使用引入光子晶体结构的硅纳米线波导利用了相变材料GSS球提升光开关的性能,设计了一种基于相变材料的片上多功能可控红外光开关,并从适用波长范围,带宽, 性能等几个角度对其进行了模拟仿真.通过上述的模拟分析,我们设计的红外光开关带宽可以到达130nm (17501880nn),总长度为7.21 m当纳米圆孔阵列所填充的Ge本文设计的片上多功能可控红外光开关可以与标准的CMO制造技术兼容、并且能轻松地与其它片上光学器件集成,可应用于各种有需要的光学系统.由于GSSTf目变材料在红外波段均具有较低的吸收损耗,因此,所设计的可控红外光交换器件将适用的信号光的波长 拓宽(2000nm左右),预计该器件在红外光信息处理系统、红外探测芯片设计、红外探测 和成像等领域具有一定的应用.