一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构制造技术

本发明专利技术涉及一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构，包括：衬底；两条硅纳米柱子链，平行设置在所述衬底上；每条硅纳米柱子链包括高度相同的普通柱和缺陷柱，所述普通柱和缺陷柱排成一列，所述缺陷柱设置在所述硅纳米柱子链末端的第一根和第三根的位置；所述缺陷柱的半径大于所述普通柱的半径。本发明专利技术能够在不同的输入光相位下进行3D光链路的开关调制，并在不同波长下表现出相反的开关特性。同波长下表现出相反的开关特性。同波长下表现出相反的开关特性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构


[0001]本专利技术涉及微纳光学器件设计
，特别是涉及一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构。

技术介绍

[0002]相控光开关是通过调制光链路中的相位，来操控光路通断的器件。在光子集成电路中，常见的光开关如马赫
‑
增德尔干涉仪(MZI)，能够实现2D链路的通断，但通常不具备3D链路开关特性，不能满足未来多层结构芯片的需求；如果做成多层MZI来满足3D链路开关特性，则工艺难度大大提升，且器件尺寸会进一步增大。因此需要设计一种结构简单、尺寸紧凑、可波长复用的微纳结构，用于制造3D光开关，来满足3D光路通断的需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构，在不同的输入光相位下进行3D光链路的开关调制，并在不同波长下表现出相反的开关特性。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构，包括：
[0005]衬底；
[0006]两条硅纳米柱子链，平行设置在所述衬底上；每条硅纳米柱子链包括高度相同的普通柱和缺陷柱，所述普通柱和缺陷柱排成一列，所述缺陷柱设置在所述硅纳米柱子链末端的第一根和第三根的位置；所述缺陷柱的半径大于所述普通柱的半径。
[0007]所述硅纳米柱子链中柱子的周期为400nm。
[0008]所述普通柱的半径为110nm，所述缺陷柱的半径为190nm。
[0009]所述链条硅纳米柱子链之间的中心距为350nm，所述两条硅纳米柱子链的缺陷柱存在重叠部分。
[0010]所述普通柱和所述缺陷柱的高度均为810nm。
[0011]所述普通柱和缺陷柱的折射率均为3.46
[0012]所述衬底为二氧化硅衬底，折射率为1.5。。
[0013]有益效果
[0014]由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术可以在不同的输入光相位下进行3D光链路的开关调制，并在不同波长下表现出相反的开关特性。该光开关有更多的自由度来操纵3D光路的通断，并可以与其他光学设备一起构建更灵活的3D光学链路。该光开关尺寸紧凑，结构灵活，在光子集成电路的器件设计中具有实用价值。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施方式用于波长相关的3D光开关的微纳结构的结构示意图；
[0016]图2是本专利技术实施方式用于波长相关的3D光开关的微纳结构在不同波长下发射效率的示意图；
[0017]图3是图2中点A和点B点发射场图；
[0018]图4是xoy平面在1500nm和1640nm波长处的电场分布图；
[0019]图5是不同尺寸的缺陷柱产生的散射强度图；
[0020]图6是本专利技术实施方式与多模波导连接时的在TM0模式和TM1模式的发射效率的示意图。
具体实施方式
[0021]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0022]本专利技术的实施方式涉及一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构，如图1所示，包括：衬底1和两条硅纳米柱子链2。
[0023]其中，柱子链2的长度为L＝18μm，柱子的周期为p＝400nm。柱子链2由普通柱21和缺陷柱22组成，其中，大部分为半径r0＝110nm的普通柱21。每条柱子链2的末端的第一根柱子和第三根柱子为半径为rd＝190nm的缺陷柱22。两条柱子链的中心间距为s＝350nm，因此本实施方式中两条柱子链的缺陷柱之间存在部分重叠。所有柱子的高度为h＝810nm。柱的折射率为n＝3.46，衬底采用二氧化硅衬底，其折射率为nsub＝1.5。
[0024]用3D时域有限差分法模拟光开关的发射，分别在每个柱子链之前设置了一个Ez偏振的点光源。两个点光源除了的相位差外完全相同。来自点光源的光可以耦合到柱链中传播，并在缺陷柱处散射到自由空间中。将监视器放置在缺陷柱正上方3.5μm处，以记录向上散射场并计算发射效率。本实施方式计算了和在1460
‑
1650nm工作波长下的发射效率，如图2所示。可以看出，当时，在大于1560nm的波长处有光发射，但在小于1560nm的波长处没有发射。相反，当时，只有小于1560nm的波长有明显的发射。图2中点A和点B的发射场如图3所示。当λ＝1640nm，时，发射场呈现3μm
×
5μm大小的光斑，发射效率为30％，其强度主要来自Ex场，可以认为是xoz平面上两条链的发射场的叠加。当λ＝1500nm，时，发射场呈字母“C”形，其是具有可比强度的Ex和Ey的叠加，Ex场由关于xoz平面对称的2个点组成，Ey是xoz平面上的一个点，因此这3个点形成字母“C”形状的发射场，发射效率为10％。
[0025]图4显示了xoy平面在1500nm和1640nm波长处的电场分布。显然，光在柱链中的传播情况直接影响了发射效率。当λ＝1500nm，或λ＝1640nm，时，光可以在柱链中传播并散射到自由空间中。当λ＝1640nm，或λ＝1500nm，时，光很难在柱链中传播，因此发光效率低。这是由于双排链中模式的叠加。为了更好地理解，将点光源放置在结构的不对称的位置，以激发双排链的模式并计算电场E(x,y)。因此，当存在相位差为的两个光源时，总电场可由下式计算：
[0026][0027]其中E(x，y)＝E
x
(x，y)+E
y
(x，y)+E
z
(x，y)。图4为仅存在一个点光源时双排链中电
场分量的分布。可以看出，当波长为1500nm时，Ex和Ez分量相对于xoz平面呈反对称分布，而Ey分量呈对称分布，即：
[0028]E
x
(x，
‑
y)＝
‑
E
x
(x，y)
[0029]E
y
(x，
‑
y)＝E
y
(x，y)
[0030]E
z
(x，
‑
y)＝
‑
E
z
(x，y)
[0031]那么等式(1)可以写成：
[0032][0033][0034]Ez分量的强度占主导地位，因此当时光可以在柱内传播，但当时则难以传播。1640nm的情况基于相同的原理。然而，电场分量的对称性恰好与1500nm处相反。因此，光的传播状态也被反转。
[0035]本实施方式用于波长相关的3D光开关的微纳结构的发射特性主要是由于缺陷柱的散射。缺陷柱尺寸较大会导致模式不匹配。部分电场不能再束缚在柱链中而沿z方向泄漏，形成散射场。图5模拟了不同尺寸的缺陷柱产生的散射强度。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于波长相关的3D光开关的微纳结构，其特征在于，包括：衬底；两条硅纳米柱子链，平行设置在所述衬底上；每条硅纳米柱子链包括高度相同的普通柱和缺陷柱，所述普通柱和缺陷柱排成一列，所述缺陷柱设置在所述硅纳米柱子链末端的第一根和第三根的位置；所述缺陷柱的半径大于所述普通柱的半径。2.根据权利要求1所述的用于波长相关的3D光开关的微纳结构，其特征在于，所述硅纳米柱子链中柱子的周期为400nm。3.根据权利要求1所述的用于波长相关的3D光开关的微纳结构，其特征在于，所述普通柱的半径为110nm，所述缺陷柱的半径为190...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海阳，李伟，周易，甘峰源，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：