使用相变材料的电控3D光波导开关制造技术

一种垂直定向耦合器或开关，包括下部波导和上部波导，集成有设置在下部波导和上部波导之间以控制下部波导和上部波导之间的光耦合方向的光相变材料。方向的光相变材料。方向的光相变材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用相变材料的电控3D光波导开关
[0001]相关专利和申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年11月19日提交的、题为“Electrically
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controllable 3D optical wave guide switch modeling with phase change materials”的美国临时专利申请No.62/937,470的权益，其公开内容特此通过引用并入本文。
[0003]本文公开的技术与2016年6月14日发布的、题为“Method to make Phase
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Change Material RF Switches with Thermal Dielectrics”的美国专利No.9,368,720所公开的技术相关，其公开内容特此通过引用并入本文。
[0004]关于联邦资助的研究或开发的声明
[0005]无


[0006]所公开的技术涉及光开关。

技术介绍

[0007]现代微电子在国防和商业领域的应用正在朝向认知RF和图像处理、自主、机器学习和人工智能扩展。这些应用需要处理大数据，并面临与以下相关的性能挑战：1)内存瓶颈、或2)与在计算芯片之间的数据传输相关的延迟和显著功耗。为了克服数据延迟和功耗问题，需要比传统电气接口能耗更低的在各计算芯片之间的高聚合带宽数据路径的创新方法。
[0008]鉴于传统的CMOS缩放不再满足计算性能要求，国际半导体技术路线图(ITRS)强调了互连创新和3D集成的重要性。
[0009]此外，互连结构的可重构性与可重构内存相结合，应当能增强片上网络(NoC)的计算性能。鉴于摩尔定律的放缓，目前最先进的(SOA)微处理器芯片依靠并行性来提高计算性能。例如，英特尔的1.28Tflop片上网络由80个CPU块组成，并且消耗约90瓦。芯片间网络以4GHz、10x8的2D网状网络运行。一个主要问题是，随着技术规模的发展，互连线的充电和放电会导致延迟增加。低损耗光子交换结构可以潜在地使光互连链路中的功率效率大大降低以达到低于1pJ/bit的激进目标，这将实现用于高性能计算的扩展多核NoC的并行性。
[0010]在Biberman等人的题为“CMOS
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Compatible Scalable Photonic Switch Architecture Using 3D
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Integrated Deposited Silicon Materials for High
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Performance Data Center Networks”,Proceedings 2011 Conference on Lasers and Electro
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Optics paper OMM2的文章中，描述了具有位于不同平面中的介电氮化硅输入波导和输出波导的现有开关使用多晶硅电光材料来控制在这些输入波导和输出波导之间的光耦合，其公开内容特此通过引用并入本文。参见那篇文章的图1。由于硅材料的电光产生的折射率变化很小，因此使硅形成环形谐振器以增强该折射率变化的效果。因此，该开关操作的光谱宽度相当小。
[0011]在Zhang等人的文章中描述了使用PCM中的相变来控制开关的现有技术开关
(Optics Letters,v.43,n.1,Jan.2018,pp.94
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97)，其公开内容特此通过引用并入本文。见图2。然而，其输入波导和输出波导位于同一平面而不是两个不同平面。此外，R.Soref等人发表了使用两态GeSe相变层在1550nm处进行电光切换的概念(参见Opt.Express,vol.23,p.1536
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1546,2015)，其公开内容特此通过引用并入本文。然而，该设备是具有嵌入GeSe PCM层的单个Si波导的光开关，并且不是定向耦合器。
[0012]PCM材料也被提议用于存储设备。参见Wong等人的,“Phase Change Memory”,Proceeding of the IEEE,Vol.98,No.12,Dec 2010pp 2201
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2227，其公开内容特此通过引用并入本文。
[0013]本文公开的技术与2016年6月14日发布的美国专利No.9,368,720公开的技术相关，并且对其进行了改进在于，例如当公开的开关用于交叉开关(crossbar switch)设计时，提供了更好的布局。美国专利No.9,368,720的公开内容特此通过引用并入本文。
[0014]所公开的开关旨在使用光相变材料(optical change material，在本文和附图中缩写为“O
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PCM”或简称为“PCM”)来切换光通信系统中常用的1550nm波长的光以实现切换。除了本文所公开的材料之外的其它材料也可以与旨在切换其它波长的光的开关一起使用。

技术实现思路

[0015]在一个方面，本公开的技术提供了一种光耦合器(或开关)结构，其中垂直耦合器具有损耗非常低(优选地为0.1dB/cm)的下部和上部SiN波导二者，其间设置有非常薄的O
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PCM材料以控制耦合器开关。O
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PCM优选地是光带隙大于1eV的GeSe合金。两个控制电极通过热分流器(thermal shunt)连接，以在不干扰光场的情况下提供有效的瞬态加热。开关可以用单片工艺制造，而不需要传统的晶片键合技术。与两个氮化硅波导必须相交的平面几何形状相比，通过垂直分离两个氮化硅波导，光损耗显著降低。与基于平面O
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PCM开关的定向耦合器阵列相比，本公开的具有多级、低损耗SiN波导的O
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PCM开关利用数量减少的波导交叉实现了高灵活度的交叉结构。
[0016]在另一方面，本公开技术提供了一种垂直耦合器开关，其包括下部和上部SiN波导，并且下部和上部SiN波导集成了设置在下部和上部波导之间的用于控制下部和上部波导之间的光耦合的O
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PCM材料。
[0017]在另一方面，本公开技术提供了一种垂直定向耦合器或开关，其包括下部和上部波导的，并且下部和上部波导集成有与设置在下部和上部波导之间的用于控制下部和上部波导之间的光耦合的光相变材料。下部和上部波导优选地由SiN形成，而光相变材料优选地由GeSe或GeSe合金形成。
[0018]在又一方面，本公开技术提供了一种交叉开关，其包括多个垂直耦合器或开关，所述交叉开关还包括多个输入和输出波导，所述多个输入和多个输出波导被布置为在所述交叉开关的不同层中彼此交叉的网格状图案，多个垂直耦合器或开关设置在多个输入和输出波导的交叉处，其中(i)垂直定向耦合器或开关的子集的上部波导彼此串联耦合，并与交叉开关的输入或输出波导中的选择的一个串联耦合，(ii)垂直定向耦合器或开关的不同子集的下部波导彼此串联耦合，并与交叉开关的输入或输出波导中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光耦合器或开关结构，包括设置在所述光耦合器或所述开关结构的不同层中的两个波导，并且包括设置在所述两个波导之间的用于控制所述两个波导之间的光耦合的光相变材料。2.根据权利要求1所述的光耦合器或开关结构，其中所述两个波导由SiN或SiN合金形成，并且所述光相变材料是光带隙大于1eV的GeSe或GeSe合金。3.根据权利要求1所述的光耦合器或开关结构，其中电控加热器通过热分流器热耦合到所述光相变材料，以响应于施加到所述加热器的电信号而提供对所述光相变材料的瞬态加热。4.根据权利要求1至3中任一项所述的光耦合器或开关结构，其中所述两个波导中的一个具有直线部分，其中所述直线部分平行于所述两个波导中的另一个设置，所述两个波导中的所述一个具有与所述直线部分光通信的额外的非直线部分，所述非直线部分允许所述两个波导中的所述一个跨过所述两个波导中的所述另一个。5.一种垂直定向耦合器或开关，包括下部波导和上部波导，所述下部波导和所述上部波导集成有设置在所述下部波导和所述上部波导之间的用于控制所述下部波导和所述上部波导之间的光耦合的光相变材料。6.根据权利要求5所述的垂直定向耦合器或开关，其中所述下部波导和所述上部波导由SiN或SiN合金形成。7.根据权利要求5所述的垂直定向耦合器或开关，其中所述光相变材料是光带隙大于1eV的材料。8.根据权利要求5所述的垂直定向耦合器或开关，其中所述光相变材料为GeSe或GeSe合金。9.根据权利要求5至8中任一项所述的垂直定向耦合器或开关，还包括连接到热分流器的电操作的加热器，所述电操作的加热器用于通过所述热分流器提供对所述光相变材料的瞬态加热，而不中断所述下部波导和所述上部波导中的任何一个中的光场。10.根据权利要求9所述的垂直定向耦合器或开关，其中所述光相变材料的四个侧面被所述热分流器的一部分包围。11.根据权利要求9所述的垂直定向耦合器或开关，其中所述光相变材料在所述光相变材料的相对的两个侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：文廷瑄，瑞恩，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：