申请/专利权人：吉林大学

申请日：2022-01-07

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN114296181B

主分类号：G02B6/12

分类号：G02B6/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2022.04.26#实质审查的生效;2022.04.08#公开

摘要：一种基于硅基光波导的双层开关阵列，属于集成光电子学技术领域。本发明器件集成在双层硅结构晶圆上，由电光开关阵列、层间耦合器以及光波导组成，电光开关阵列由第一级电光开关阵列TS11～TS14、第二级电光开关阵列TS21～TS24、第三级电光开关阵列BS31～BS34、第四级电光开关阵列BTS41～BS44和第五级电光开关阵列BS51～BS54组成，每级电光开关阵列内有4个电光开关单元；电光开关单元采用的是马赫‑曾德尔干涉仪结构，由两个双端口3‑dB分光器和两条相移臂组成，3‑dB分光器采用多模干涉器结构，为双臂推挽型电光调制。本发明可以显著减小单层器件的面积，提高集成度。

主权项：1.一种基于硅基光波导的双层开关阵列，其特征在于：由电光开关阵列、层间耦合器以及光波导组成；其中，电光开关阵列由第一级电光开关阵列TS11~TS14、第二级电光开关阵列TS21~TS24、第三级电光开关阵列BS31~BS34、第四级电光开关阵列BS41~BS44和第五级电光开关阵列BS51~BS54五个部分组成，每级电光开关阵列内有4个电光开关单元；第一级电光开关阵列、第二级电光开关阵列制备于器件层1内，第三级电光开关阵列、第四级电光开关阵列和第五级电光开关阵列制备于器件层2内；该双层开关阵列由8条光波导作为输入端口，其中4个输入端口I1、I3、I5、I7位于器件层1内，其余4个输入端口I2、I4、I6、I8位于器件层2内；双层开关阵列由8条光波导作为输出端口，其中4个输出端口O2、O4、O6、O8位于器件层1内，其余4个输出端口O1、O3、O5、O7位于器件层2内；第一级电光开关阵列TS11~TS14共有8个输入端口和8个输出端口，其中4个输入端口分别与作为双层开关阵列4个输入端口I1、I3、I5、I7的光波导相连接，其余4个输入端口各连接一个由器件层2向器件层1进行光信号传输的层间耦合器C1、C2、C3、C4，4个层间耦合器C1、C2、C3、C4又分别与4个位于器件层2作为双层开关阵列输入端口I2、I4、I6、I8的光波导相连接；第一级电光开关阵列的8个输出端口各自通过一条光波导分别与第二级电光开关阵列的8个输入端口相连接；第二级电光开关阵列TS21~TS24共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与第一级电光开关阵列的8个输出端口相连接，即TS11的第一输出端口与TS21的第一输入端口相连，TS11的第二输出端口与TS23的第一输入端口相连；TS12的第一输出端口与TS21的第二输入端口相连，TS12的第二输出端口与TS23的第二输入端口相连；TS13的第一输出端口与TS22的第一输入端口相连，TS13的第二输出端口与TS24的第一输入端口相连；TS14的第一输出端口与TS22的第二输入端口相连，TS14的第二输出端口与TS24的第二输入端口相连；第二级电光开关阵列的8个输出端口各连接一个由器件层1向器件层2进行光信号传输的层间耦合器C9~C16，这8个层间耦合器分别与8个位于器件层2、弯曲半径为20μm、弯曲度数为180°的弯曲光波导的一端相连接；第三级电光开关阵列BS31~BS34共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与8个弯曲光波导的另一端相连接，即TS21的第一输出端口通过层间耦合器C9与BS31的第一输入端口相连接，TS21的第二输出端口通过层间耦合器C10与BS32的第一输入端口相连接；TS22的第一输出端口通过层间耦合器C11与BS31的第二输入端口相连接，TS22的第二输出端口通过层间耦合器C12与BS32的第二输入端口相连接；TS23的第一输出端口通过层间耦合器C13与BS33的第一输入端口相连接，TS23的第二输出端口通过层间耦合器C14与BS34的第一输入端口相连接；TS24的第一输出端口通过层间耦合器C15与BS33的第二输入端口相连接，TS24的第二输出端口通过层间耦合器C16与BS34的第二输入端口相连接；第三级电光开关阵列的8个输出端口各自通过一条光波导分别与第四级电光开关单元的8个输入端口相连接；第四级电光开关阵列BS41~BS44共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与第三级电光开关单元的8个输出端口相连接，即BS31的第一输出端口与BS41的第一输入端口相连接，BS31的第二输出端口与BS42的第一输入端口相连接；BS32的第一输出端口与BS41的第二输入端口相连接，BS32的第二输出端口与BS42的第二输入端口相连接；BS33的第一输出端口与BS43的第一输入端口相连接，BS33的第二输出端口与BS44的第一输入端口相连接；BS34的第一输出端口与BS43的第二输入端口相连接，BS34的第二输出端口与BS44的第二输入端口相连接；第四级电光开关阵列的8个输出端口各自通过一条光波导分别与第五级电光开关单元的8个输入端口相连接；第五级电光开关阵列BS51~BS54共有8个输入端口和8个输出端口，8个输入端口各自通过一条光波导分别与第四级电光开关单元的8个输出端口相连接，即BS41的第一输出端口与BS51的第一输入端口相连接，BS41的第二输出端口与BS52的第一输入端口相连接；BS42的第一输出端口与BS53的第一输入端口相连接，BS42的第二输出端口与BS54的第一输入端口相连接；BS43的第一输出端口与BS51的第二输入端口相连接，BS43的第二输出端口与BS52的第二输入端口相连接；BS44的第一输出端口与BS53的第二输入端口相连接，BS44的第二输出端口与BS54的第二输入端口相连接；第五级电光开关阵列的8个输出端口中，4个输出端口分别与4个位于器件层2作为阵列输出端口O1、O3、O5、O7的光波导相连接，其余4个输出端口各连接一个由器件层2向器件层1进行光信号传输的层间耦合器C5、C6、C7、C8，4个层间耦合器C5、C6、C7、C8又各自与4个位于器件层1作为阵列输出端口O2、O4、O6、O8的光波导相连接；该双层开关阵列基于双层硅结构晶圆制备，即在500μm厚的Si衬底上依次为3μm厚的SiO2下包层、220nm厚的Si器件层2、150nm厚的SiO2中间层、220nm厚的Si器件层1和3μm厚的SiO2上包层；其中，电光开关单元是由第一2×2多模干涉器MMI-1、相互平行的相移臂1与相移臂2、第二2×2多模干涉器MMI-2三部分顺次级联形成的对称MZI结构，MMI-1、MMI-2结构尺寸完全一致，其主体结构为脊型波导，脊长度L_MMI=29.2μm，脊宽度W_MMI=5μm；MMI-1和MMI-2均带有两条输入波导和两条输出波导，输入波导和输出波导均为脊型波导结构，宽度相同，均为0.5μm；在输入波导、输出波导与多模干涉器的MMI主体结构间引入了长10μm、宽度0.5~1.2μm间线性变化的过渡波导，过渡波导为脊型波导结构，靠近MMI主体结构的过渡波导的宽度较宽为1.2μm，远离MMI主体结构的过渡波导的宽度较窄为0.5μm，过渡波导中心距MMI主体结构中心的距离为offset=0.86μm；两个过渡波导的脊结构均与MMI主体的脊波导结构连接；MMI-1、MMI-2、相移臂1和相移臂2位于平行于衬底层的同一器件层内，MMI-1的两个输入波导分别作为电光开关单元的第一输入端口I1和第二输入端口I2，MMI-2的两个输出波导分别作为电光开关的第一输出端口O1和第二输出端口O2。

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百度查询： 吉林大学 一种基于硅基光波导的双层开关阵列

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