一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器，包括由下至上设置的硅衬底、二氧化硅层和硅波导层，所述硅波导层一侧连接一根条形波导作为输入，另一侧连接若干根条形波导作为输出；所述硅波导层划分为若干纳米像素点型结构，所述纳米像素点型结构内设有填充区域，每个所述填充区域内填充的材料为硅、二氧化硅和相变材料中的一种。本发明专利技术能够在不增加器件面积的情况下实现分光比的片上调节。器件面积的情况下实现分光比的片上调节。器件面积的情况下实现分光比的片上调节。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器


[0001]本专利技术涉及一种功率分配器，特别是涉及一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器。

技术介绍

[0002]随着大数据时代的信息传输与处理，对硬件性能要求的不断提高，传统电互连受到带宽、时延、功耗等多方面挑战。以硅光子技术为基础的光互连由于其高速、低功耗、工艺与CMOS兼容等优势，被广泛认为可以替代电互连，满足片上或片间海量数据传输的需求。实现集成光互联网络所需的一项基础技术是片上的光功率分配。在集成光路中常用于光功率分配功能的一种典型硅基无源器件是多模干涉耦合器(Multimode Interference,简称MMI)。
[0003]传统方法设计MMI结构一般基于先验器件模型库，可调整的结构参数较少，而且普遍尺寸在几十μm或几百μm的大小，占地面积较大，难以满足光电集成背景下对器件集成度的要求。近年来，逆向设计法成为设计紧凑无源器件的首选方法。设计者首先确定器件的核心功能，定义品质因数(Figure ofMerit,FOM)反映器件的性能表现，接着将器件的初始结构划分为纳米像素点的组合，通过自动控制算法不断迭代仿真，单独选取每个像素点所用的材料，调控器件的有效折射率，逐步获得最优的FOM。这种设计方法的优点是几乎可以将任意初始结构优化至具有良好表现的结果，能用于设计超紧凑的非对称多模干涉耦合器结构。
[0004]随着光电集成技术的深入发展，传统的可调节光子器件缺点也日益凸显。传统的片上可调器件普遍基于热光效应或电光效应改变硅或聚合物材料的折射率，但这种方法是易失性的，需要持续供能维持特定状态，功耗较大，不利于大规模集成。使用相变材料与硅基器件混合是实现片上非易失性调节的有效方案。相变材料存在晶态与非晶态两种稳定状态，并且在电或光脉冲诱导下可以实现快速、多次、可逆的转换。相变材料的两种状态的折射率差很大，可以用于片上的光路径或强度调节，同时由于其两种状态均较为稳定，因此除相变过程以外无需额外的能量消耗。
[0005]目前逆向设计的MMI功率分配器虽然包含了非对称等特殊形状的结构设计，占地面积也较小，然而组合相变材料的设计较少，大多数结构的功率分配比不可调，需要重新迭代优化，获得新的像素点排列结构才能实现不同的分光比。如果要片上调节分光比，需要在器件的输出端加入光开关等其他器件，间接增大了器件面积。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器，能够在不增加器件面积的情况下实现分光比的片上调节。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器，包括由下至上设置的硅衬底、二氧化硅层和硅波导层，所述硅波导层一侧
连接一根条形波导作为输入，另一侧连接若干根条形波导作为输出；所述硅波导层划分为若干纳米像素点型结构，所述纳米像素点型结构内设有填充区域，每个所述填充区域内填充的材料为硅、二氧化硅和相变材料中的一种。
[0008]所述纳米像素点型结构为正方形结构，所述填充区域为与所述正方形结构的中心，并呈圆形。
[0009]所述硅波导为正方形，边长为2.5μm。
[0010]作为输入的条形波导设置在所述硅波导层一侧的边缘位置。
[0011]所述相变材料为Ge2Sb2Se4Te1。
[0012]所述填充区域内填充的材料通过两次直接二元搜索法、第一目标函数和第二目标函数进行确定，具体为：
[0013]采用第一次直接二元搜索法，根据第一目标函数确定需要填充二氧化硅的填充区域；
[0014]采用第二次直接二元搜索法，根据第二目标函数确定未填充二氧化硅的填充区域所要填充的材料。
[0015]所述采用第一次直接二元搜索法，根据第一目标函数确定需要填充二氧化硅的填充区域时，将纳米像素点型结构中的填充区域填入硅作为第一状态，将纳米像素点型结构中的填充区域填入二氧化硅作为第二状态；随机抽取一个纳米像素点型结构，改变纳米像素点型结构的状态，并进行一次FDTD仿真，计算第一目标函数，将计算结果与未改变状态时的计算结果进行比较，若计算结果变小，则保留纳米像素点型结构的状态，否则此纳米像素点型结构恢复原来状态；对每个纳米像素点型结构完成一次第一次直接二元搜索法以完成一轮迭代，若第一目标函数的计算值收敛，则优化结束，否则进行下一轮迭代。
[0016]所述第一目标函数为：FOM1＝α1×
(1
‑
T1‑
T2‑…‑
T
n
)+β1×
(T1‑
T2|+|T2‑
T3|+
…
+|T
N
‑1‑
T
N
|+|T
N
‑
T1|)，其中，α1和β1为权重系数，T
N
表示第N根输出波导的透射率。
[0017]所述采用第二次直接二元搜索法，根据第二目标函数确定未填充二氧化硅的填充区域所要填充的材料时，将纳米像素点型结构中的填充区域填入硅作为第一状态，将纳米像素点型结构中的填充区域填入相变材料作为第三状态；随机抽取填充区域填充材料为硅的纳米像素点型结构，将此纳米像素点型结构改变为第三状态，并进行两次FDTD仿真，第一次FDTD仿真时，令所有相变材料为非晶态，第二次FDTD仿真时，令所有相变材料为晶态，并计算第二目标函数，将计算结果与未改变状态时的计算结果进行比较，若计算结果变小，则保留纳米像素点型结构的状态，否则此纳米像素点型结构恢复原来状态；对每个填充区域填充材料不是二氧化硅的纳米像素点型结构完成一次第二次直接二元搜索法以完成一轮迭代，若第二目标函数的计算值收敛，则优化结束，否则进行下一轮迭代。
[0018]所述第二目标函数为：其中，α2和β2为权重系数，T
N
‑
a
表示所有相变材料为非晶态时第N根输出波导的透射率，T
N
‑
c
表示所有相变材料为晶态时第N根输出波导的透射率，n1:n2:
…
:n
N
为N根输出波导的分光比。
[0019]有益效果
[0020]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：本专利技术将相变材料GSST与220nm SOI波导相结合，提出了一款非易失性可调节MMI功率分配器，通过相变材料两种状态的折射率差实现分光比的片上切换，具有实用性；本专利技术使用逆向设计的像素点型结构，在2.5μm*2.5μm的紧凑设计区域实现了分光比可调的MMI功率分配器，占地面积小，同时采用非对称结构，输入波导置于器件边缘，便于器件间的连接与扩展，利于光网络集成；本专利技术基于两轮直接二元搜索算法优化，在定义品质因数计算式后，首先确定SiO2像素点的位置，再确定GSST像素点的位置，理论上可以实现任意两种分光比的片上调节，具有良好的应用前景；与传统的片上可调节器件相比，不需要持续供能维持某本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相变材料的非对称MMI功率分配器，包括由下至上设置的硅衬底、二氧化硅层和硅波导层，其特征在于，所述硅波导层一侧连接一根条形波导作为输入，另一侧连接若干根条形波导作为输出；所述硅波导层划分为若干纳米像素点型结构，所述纳米像素点型结构内设有填充区域，每个所述填充区域内填充的材料为硅、二氧化硅和相变材料中的一种。2.根据权利要求1所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，所述纳米像素点型结构为正方形结构，所述填充区域为与所述正方形结构的中心，并呈圆形。3.根据权利要求1所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，所述硅波导为正方形，边长为2.5μm。4.根据权利要求1所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，作为输入的条形波导设置在所述硅波导层一侧的边缘位置。5.根据权利要求1所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，所述相变材料为Ge2Sb2Se4Te1。6.根据权利要求1所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，所述填充区域内填充的材料通过两次直接二元搜索法、第一目标函数和第二目标函数进行确定，具体为：采用第一次直接二元搜索法，根据第一目标函数确定需要填充二氧化硅的填充区域；采用第二次直接二元搜索法，根据第二目标函数确定未填充二氧化硅的填充区域所要填充的材料。7.根据权利要求7所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，所述采用第一次直接二元搜索法，根据第一目标函数确定需要填充二氧化硅的填充区域时，将纳米像素点型结构中的填充区域填入硅作为第一状态，将纳米像素点型结构中的填充区域填入二氧化硅作为第二状态；随机抽取一个纳米像素点型结构，改变纳米像素点型结构的状态，并进行一次FDTD仿真，计算第一目标函数，将计算结果与未改变状态时的计算结果进行比较，若计算结果变小，则保留纳米像素点型结构的状态，否则此纳米像素点型结构恢复原来状态；对每个纳米像素点型结构完成一次第一次直接二元搜索法以完成一轮迭代，若第一目标函数的计算值收敛，则优化结束，否则进行下一轮迭代。8.根据权利要求8所述的基于相变材料的非对称MMI功率分配器，其特征在于，所述第一目标函数为：FOM1＝α1×
(1
‑
T1‑
T2‑…‑
T
n
)+β1×
(|T1‑
T2|+|T2‑
T3|+
…
+|T
N
‑1‑
T
N
|+|T
N
‑
T1|)，其中，α1和β1为权重系数，T

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鸿葆，赵瑛璇，朱子健，甘甫烷，
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：