非易失可编程光学相移系统、相移方法及相移器设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非易失可编程光学相移系统、相移器设计方法以及基于该相移器的光学相移方法，其中，相移器包括依次叠设于半导体基底上的下包层、光波导以及相变材料薄膜层，其中，相变材料薄膜层具n个沿波导方向并排设置的相变单元，当输入工作光波时，相移器在工作光波下非晶态与晶态消光系数差不大于0.1，n个相变单元中的第i个相变单元在完全晶态和完全非晶态间转变所引起的工作光波的相位差为2π/2

【技术实现步骤摘要】
非易失可编程光学相移系统、相移方法及相移器设计方法


[0001]本专利技术属于光相位调制
，更具体地，涉及一种非易失可编程光学相移系统、相移方法及相移器设计方法。

技术介绍

[0002]半导体技术所催生的片上光互连与光信息处理可以在芯片上制造出功能丰富、性能优越的光学系统和链路，从而极大地降低功耗和成本，在工业互联、人工智能以及云计算等领域也有着巨大的应用前景。
[0003]其中片上光相移器可以调节光波的相位。光波的相位调控主要依赖于对波导材料折射率的控制。其中相变材料以其是一种可在光/电脉冲诱导下发生快速、可逆的固态相转变，并在相变前后产生折射率差异的材料，又由于其具有独特的非易失性，可以实现极低静态功耗的可编程光子器件，故其在片上光相移器领域有着极大的应用前景。
[0004]由于相变材料仅有晶态和非晶态两种状态，其应用于多级可调光学相移器一般采用宏观不完全结晶或者将多个可调的相同相变材料单元进行级联的方案。对于第一种方案，相变材料仅有部分结晶，其宏观折射率介于晶态和非晶态之间，通过调控信号的不同实现不同的结晶率从而实现数字型的相位调控，但由于相变材料结晶过程不稳定所以难以实现精确、稳定的调控。对于第二种方案，由于相变材料完全结晶和完全非结晶状态容易实现，所以其稳定性较高，但是由于往往需要集成大量的相同单元，每个单元均需要一个独立的电信号控制的调控系统，对控制和工艺提出了较高的挑战。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种非易失可编程光学相移系统、相移方法及相移器设计方法，其目的在于通过级联少量具有不同相移量的相变单元，实现多级数字型可调谐片上光学相移器，由此减少相变单元的数据以及简化电信号调控系统。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种非易失可编程光学相移器设计方法，包括：
[0007]确定相移器的基本结构，所述相移器包括半导体基底、叠设于所述半导体基底上的下包层、叠设于所述下包层上的光波导以及叠设于所述光波导上的相变材料薄膜层，所述相变材料薄膜层具n个沿波导方向并排设置的相变单元：
[0008]根据输入相移器的工作光波确定每个相变单元的尺寸，使相移器在工作光波下非晶态与晶态消光系数差不大于0.1，n个相变单元中的第i个相变单元在完全晶态和完全非晶态间转变所引起的工作光波的相位差为2π/2
i
，i＝1,2,3
……
,n。
[0009]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种非易失可编程光学相移系统，包括：
[0010]相移器，所述相移器包括半导体基底、叠设于所述半导体基底上的下包层、叠设于所述下包层上的光波导以及叠设于所述光波导上的相变材料薄膜层，其中，所述相变材料
薄膜层具n个沿波导方向并排设置的相变单元，当输入工作光波时，相移器在工作光波下非晶态与晶态消光系数差不大于0.1，n个相变单元中的第i个相变单元在完全晶态和完全非晶态间转变所引起的工作光波的相位差为2π/2
i
，i＝1,2,3
……
,n。
[0011]在其中一个实施例中，每个相变单元全部位于所述光波导上，每个相变单元包括等宽的中间段和自中间段沿平行于波导方向向两侧延伸且宽度逐渐减小的渐变段。
[0012]在其中一个实施例中，每个相变单元的包括位于光波导上的中间段和自中间段沿垂直于波导方向向两侧延伸至下包层上的延伸段。
[0013]在其中一个实施例中，n个相变单元中，相位差越大的相变单元沿波导方向延伸的长度越大。
[0014]在其中一个实施例中，所述光波导为条形波导或脊形波导或两根条形波导组成的狭缝波导。
[0015]在其中一个实施例中，所述相变单元的材料为由Ge、Sb、Se、Te中的任意两种元素或两种以上元素组成的化合物，所述化合物中掺杂N或O或Si。
[0016]在其中一个实施例中，所述相移器还包括上包层，所述上包层覆盖于所述变材料薄膜层之上。
[0017]在其中一个实施例中，还包括：
[0018]光源，用于向所述相移器输入工作光波。
[0019]按照本专利技术的又一个方面，提供了一种非易失可编程光学相移方法，包括：
[0020]确定工作光波所需的相移量Φ；
[0021]对相移量Φ除以2π，得到归一化值，将归一化值转变为二进制值，二进制值的小数位数为n；
[0022]将所述工作光波输入与工作光波相匹配的相移器中，所述相移系统为上述的相移系统，所述相移系统包括相移器；按照小数点后的数值调整对应相变单元的晶态，当小数点后的第k位为0时，不改变具有2π/2
k
相位差调整能力的相变单元的晶态，当小数点后的第k位为1时，转变具有2π/2
k
相位差调整能力的相变单元的晶态，k＝1,2,3
……
,n。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0024]本申请所设计的相移器，其光波导上设置有相变材料薄膜层，相变材料薄膜层具有多个沿波导方向并排设置的相变单元。当输入工作光波后，转换相变单元的相态，可以调整工作光波的相位。相变单元转变相态所引起的工作光波的相位差的具体差值可以通过调节相变单元的尺寸而进行调整。在本申请中，通过调节相变单元的尺寸，使第i个相变单元在完全晶态和完全非晶态间转变所引起的工作光波的相位差为2π/2
i
，即，相变单元在完全晶态和完全非晶态两个状态间的相位差分别为π，π/2，π/4，π/8，π/16，
……
，2π/2
n
，n为相变单元的数量。上述相移器设置n个呈一定规律变化的相变单元，以一定的状态组合方式实现整个波导的0
‑
2π间以2π/2
n
(n为相变材料单元总数)为步进的任意总相移量，可以实现2
n
种相变，相比于目前级联2
n
个相同的相变单元实现2
n
种相变的方法，大大减少了相变单元的数量，简化相移器结构以及相移单元的控制系统。
为例说明，其包括位于光波导上的中间段5
‑1‑
2以及沿垂直于波导方向向两侧延伸至下包层上的延伸段5
‑1‑
1和延伸段5
‑1‑
3。通过使相变单元延伸至下包层上，更有利于多光波的调制。
[0037]在另一实施例中，相变单元可以全部位于光波导上。结合图3和图4所示，每个相变单元全部位于光波导上，每个相变单元(如Se2Sb3)包括等宽的中间段和自中间段沿平行于波导方向向两侧延伸且宽度逐渐减小的渐变段，例如，中间段呈矩形，而每个渐变段则呈三角形，实验表明，该结构设计可以大大降低相变材料薄膜层的功耗。
[0038]在一实施例中，每个相变单元除沿波导方向的长度外，其余尺寸及材料均相同，n个相变单元中，相位差越大的相变单元沿波导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非易失可编程光学相移器设计方法，其特征在于，包括：确定相移器的基本结构，所述相移器包括半导体基底、叠设于所述半导体基底上的下包层、叠设于所述下包层上的光波导以及叠设于所述光波导上的相变材料薄膜层，所述相变材料薄膜层具n个沿波导方向并排设置的相变单元；根据输入相移器的工作光波确定每个相变单元的尺寸，使相移器在工作光波下非晶态与晶态消光系数差不大于0.1，n个相变单元中的第i个相变单元在完全晶态和完全非晶态间转变所引起的工作光波的相位差为2π/2
i
，i＝1,2,3
……
,n。2.一种非易失可编程光学相移系统，其特征在于，包括：相移器，所述相移器包括半导体基底、叠设于所述半导体基底上的下包层、叠设于所述下包层上的光波导以及叠设于所述光波导上的相变材料薄膜层，其中，所述相变材料薄膜层具n个沿波导方向并排设置的相变单元，当输入工作光波时，相移器在工作光波下非晶态与晶态消光系数差不大于0.1，n个相变单元中的第i个相变单元在完全晶态和完全非晶态间转变所引起的工作光波的相位差为2π/2
i
，i＝1,2,3
……
,n。3.如权利要求2所述的非易失可编程光学相移系统，其特征在于，每个相变单元全部位于所述光波导上，每个相变单元包括等宽的中间段和自中间段沿平行于波导方向向两侧延伸且宽度逐渐减小的渐变段。4.如权利要求2所述的非易失可编程光学相移系统，其特征在于，每个相变单元包括位于光波导上的中间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏明，胡乔木，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：