一种基于相变材料的可重构微环光开关
阅读：138发布：2024-01-30
专利汇可以提供一种基于相变材料的可重构微环光开关专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于 相变 材料 的可重构微环光 开关 。本发明包括两根总线 波导 、微环 谐振器 和搭载 相变材料 的混合波导；混合波导包括 硅 波导和置于硅波导上的相变材料，混合波导置于微环谐振器的外侧或者内侧旁，且布置成与微环谐振器相吻合的弧形段；微环谐振器与输入输出波导、上传下载波导之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器内产生光场谐振；微环谐振器与搭载相变材料的混合波导发生侧向倏逝波耦合，用于调控微环内的光场谐振，从而实现光路的开关路由。本发明结构简洁紧凑、设计方便、 稳定性 高，克服了相变材料自身的高损耗技术问题，降低串扰并提升了消光比，能够实现自保持特性且 能量 消耗低，适用于可重构、可调谐的波分复用系统。，下面是一种基于相变材料的可重构微环光开关专利的具体信息内容。
1.一种基于相变材料的可重构微环光开关，包括一根总线光信号的输入输出波导(1)、一根本地光信号的上传下载波导(2)和一个微环谐振器(3)，微环谐振器(3)布置于输入输出波导(1)和上传下载波导(2)之间；其特征在于：还包括一根搭载相变材料的混合波导(4)；混合波导(4)包括硅波导(6)和置于硅波导(6)上的相变材料(5)，混合波导(4)置于微环谐振器(3)的外侧或者内侧旁，且混合波导(4)布置成与微环谐振器(3)相吻合的弧形段；
微环谐振器(3)与输入输出波导(1)、上传下载波导(2)之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器(3)内产生光场谐振；微环谐振器(3)与搭载相变材料的混合波导(4)发生侧向倏逝波耦合，调控微环谐振器(3)内的光场谐振。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：通过对混合波导(4)中的相变材料(5)施加电压或激光照射而引发的电光效应或热光效应来改变相变材料(5)的状态，进而通过相变材料(5)的状态变化实现对搭载相变材料的混合波导(4)的调控；相变材料(5)的状态改变时，搭载相变材料的混合波导(4)的模式有效折射率改变，通过侧向倏逝波耦合改变微环谐振器(3)内光场的谐振状态，使光场发生谐振或不发生谐振，从而调控某路波长信号的输出端口。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：所述的搭载相变材料的混合波导(4)的结构为相变材料(5)沉积在硅波导(6)上，沉积的相变材料(5)截面与硅波导(6)呈轴对称或偏向硅波导(6)截面中心轴的外侧或内侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：所述的输入输出波导(1)、上传下载波导(2)、微环谐振器(3)和混合波导(4)的上包层材料相同，输入输出波导(1)、上传下载波导(2)、微环谐振器(3)和混合波导(4)的下包层材料相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：所述的混合波导(4)的两端设置为锥形结构(8)或弯曲渐变结构(9)，这样能减小与微环谐振器(3)耦合时因波导截面突变而产生的反射。
6.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：输入输出波导(1)、上传下载波导(2)不再互相平行并出现波导交叉，在微环谐振器(3)外部的两侧分别放置搭载相变材料的混合波导(4)，或在微环谐振器(3)的内外两侧均放置搭载相变材料的混合波导(4)。
7.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：所述的微环谐振器(3)分别与输入输出波导(1)、上传下载波导(2)的耦合结构为直波导耦合(10)、相互同向的弯曲波导耦合(11)或相互反向的弯曲波导耦合(12)；输入输出波导(1)、上传下载波导(2)分别与微环谐振器(3)之间的间距可变，相互同向的弯曲波导耦合(11)/相互反向的弯曲波导耦合(12)结构中弯曲波导与微环谐振器(3)构成同心圆结构或非同心圆结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：所述的微环谐振器(3)包含多个微环(13)，多个微环(13)沿垂直于输入输出波导(1)/上传下载波导(2)的延伸布置方向在输入输出波导(1)和上传下载波导(2)之间呈纵向级联排列，每个微环一侧均有一根搭载相变材料的混合波导(4)。
9.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可重构微环光开关，其特征在于：所述的微环谐振器(3)沿平行于输入输出波导(1)/上传下载波导(2)的延伸布置方向在输入输出波导(1)和上传下载波导(2)之间呈横向级联排列，构成光开关阵列(14)，每个微环一侧均有一根搭载相变材料的混合波导(4)。
一种基于相变材料的可重构微环光开关
技术领域
背景技术
[0002] 众所周知，长距离光通信已经取得了巨大成功，光通信网络中的众多节点单元可以通过光路传输进行数据交换与路由。光互连作为一种新的互联方式，可以克服传统电互连存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。自1984年J.W.Goodman提出在VLSI中采用光互连方案以来，光互连研究已取得了巨大进展。早期光互连在较长距离的光路交换与数据路由中已发展相对成熟，当前的光交换技术正不断向超短距离互联推进，其交换性能需求日益增长。集成芯片规模的光互连领域中，高的交换速率与对比度，低的能量消耗、插入损耗与通道串扰是实现性能优异的光交换器件的关键因素。
[0003] 集成平面光波导器件中，基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)与微环谐振器(MRR)的光开关得到了大量研究，部分方案已经实现了商业化。在集成平台上通过电光效应或热光效应，已经实现了性能可观的光开关阵列。考虑到器件尺寸规模的小型化与紧凑化，多采用微环谐振器作用光开关的基本单元。传统的基于微环谐振器的光开关通过电光效应或热光效应改变微环波导的模式有效折射率，使谐振峰平移，从而实现特定波长处光功率的改变，达到光路状态切换的效果。这一结构中，光开关维持在某一种状态时需持续消耗能量，如热光开关的功率消耗在毫瓦量级；另一方面，光路状态的切换依赖于谐振峰平移，会对相邻波长信号的光功率产生影响，增大了相邻通道间串扰，不利于在波分复用系统中的应用。
[0004] 近年来结合相变材料的光开光由于可产生较大的折射率差，且具有非易失性，仅需在状态改变时提供能量，引起了研究人员的广泛关注，在过去几年中结合相变材料的光开关研究取得了一些进展。例如，文献Stegmaier,M.,Ríos,C.,Bhaskaran,H.,Wright,C.D.,&Pernice,W.H.P.(2017).Nonvolatile all-optical 1×2switch for chipscale photonic networks.Advanced Optical Materials,5(1),1–6.设计了一种在微环上一定面积区域沉积Ge2Sb2Te5(GST225)的光开关，消光比接近5dB。利用相变材料调节微环谐振状态的方案不改变谐振峰的位置，使得这种光开关的通道串扰低，适用于波分复用系统，同时相变材料的非易失性使光开关仅需在状态切换时提供能量，功耗降低。然而，由于相变材料的损耗较大，直接沉积在微环上会引入较大的插入损耗，不利于信号的后续传输与探测接收，限制了其在光开关领域的进一步实用化与商业化。
发明内容
[0005] 为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于相变材料的可重构微环光开关，采用在硅波导上沉积相变材料的混合波导结构与微环发生侧向倏逝波耦合，调控微环的谐振状态进而实现信号在不同端口输出的切换，在实现高消光比的同时降低插入损耗与通道串扰，适用于可重构、可调谐的波分复用系统，且满足低功耗需求。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明包括一根总线光信号的输入输出波导、一根本地光信号的上传下载波导和一个微环谐振器，微环谐振器布置于输入输出波导和上传下载波导之间；还包括一根搭载相变材料的混合波导；混合波导包括硅波导和置于硅波导上的相变材料，混合波导置于微环谐振器的外侧或者内侧旁，且混合波导布置成与微环谐振器相吻合的弧形段，两者为同心圆结构或非同心圆结构；微环谐振器与输入输出波导、上传下载波导之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器内产生光场谐振；微环谐振器与搭载相变材料的混合波导发生侧向倏逝波耦合，调控微环谐振器内的光场谐振。
[0008] 通过对混合波导中的相变材料施加电压或激光照射而引发的电光效应或热光效应来改变相变材料的状态，进而通过相变材料的状态变化实现对搭载相变材料的混合波导的调控；所述的相变材料的波导高度、宽度、长度和曲率半径可变，硅波导的波导宽度、长度和曲率半径可变。相变材料的状态改变时，搭载相变材料的混合波导的模式有效折射率改变，通过侧向倏逝波耦合改变微环谐振器内光场的谐振状态，使光场发生谐振或不发生谐振，从而调控某路波长信号的输出端口。
[0009] 本发明的相变材料两种相的状态变化通过侧向倏逝波耦合调节微环谐振器内光场的谐振状态，使微环谐振器内满足谐振条件的波长信号可从本地光信号上传下载波导的下载端或总线光信号输入输出波导的输出端输出，实现特定波长信号的开关选择。
[0010] 所述的搭载相变材料的混合波导的结构为相变材料沉积在硅波导上，沉积的相变材料截面与硅波导呈轴对称或偏向硅波导截面中心轴的外侧或内侧。
[0011] 所述的相变材料例如采用VO2或Ge2Sb2Te5(GST225)或Ge2Sb2Se4Te1(GSST)，但不限于此。
[0012] 所述的输入输出波导、上传下载波导、微环谐振器和混合波导的上包层材料相同，输入输出波导、上传下载波导、微环谐振器和混合波导的下包层材料相同。
[0014] 所述的混合波导的两端设置为锥形结构或弯曲渐变结构，这样能减小与微环谐振器耦合时因波导截面突变而产生的反射。
[0015] 输入输出波导、上传下载波导不再互相平行并出现波导交叉，搭载相变材料的混合波导放置在微环谐振器的外侧时可围绕更大角度，在微环谐振器外部的两侧分别放置搭载相变材料的混合波导，或在微环谐振器的内外两侧均放置搭载相变材料的混合波导。
[0016] 所述的微环谐振器分别与输入输出波导、上传下载波导的耦合结构为直波导耦合、相互同向的弯曲波导耦合或相互反向的弯曲波导耦合；输入输出波导、上传下载波导分别与微环谐振器之间的间距可变，相互同向的弯曲波导耦合/相互反向的弯曲波导耦合结构中弯曲波导与微环谐振器构成同心圆结构或非同心圆结构。
[0017] 所述的微环谐振器包含多个微环，多个微环沿垂直于输入输出波导/上传下载波导的延伸布置方向在输入输出波导和上传下载波导之间呈纵向级联排列，每个微环一侧均有一根搭载相变材料的混合波导；所述的多个微环的各自结构参数如半径、波导宽度可变，相邻微环之间的间距可变，多个混合波导的各自结构参数如波导高度、宽度、长度和曲率半径可变。
[0018] 所述的微环谐振器沿平行于输入输出波导/上传下载波导的延伸布置方向在输入输出波导和上传下载波导之间呈横向级联排列，构成光开关阵列，每个微环一侧均有一根搭载相变材料的混合波导；所述的光开关阵列中微环谐振器的各自结构参数如半径、波导宽度可变，混合波导的各自结构参数如波导高度、宽度、长度和曲率半径可变。
[0019] 所述的总线光信号的输入输出波导、本地光信号的上传下载波导和微环谐振器均为单模波导；所述的搭载相变材料的混合波导为单模波导或多模波导。
[0020] 本发明具有的有益效果是：
[0021] 本发明采用微环谐振器作为光开关的基本结构单元，结构简洁紧凑、设计方便、稳定性高。
[0022] 本发明使用的相变材料的两种相之间折射率变化较大，更易增大开关处于两种状态时的光场差异，提高了开关效率；同时，相变材料具有非易失性，能够实现自保持特性，仅需在开关状态切换时提供能量，能量消耗低。
[0023] 本发明在微环的水平侧向方向放置搭载相变材料的混合波导，取代了直接在微环上沉积相变材料的方式，通过混合波导与微环的侧向倏逝波耦合而不是相变材料的直接吸收来调控微环内的光场谐振，克服了因相变材料自身高损耗引起的微环内光场损失的弊端，有利于降低光开关输出端口的插入损耗和通道串扰，提升了开关状态的消光比，适用于可重构、可调谐的波分复用系统。附图说明
[0024] 图1是本发明的结构示意图。
[0025] 图2是搭载相变材料的混合波导截面示意图。
[0026] 图3是搭载相变材料的混合波导两端引入锥形结构的示意图。
[0027] 图4是搭载相变材料的混合波导两端引入弯曲渐变结构的示意图。
[0028] 图5是搭载相变材料的混合波导长度较长时的改进型结构示意图。
[0029] 图6是总线波导与微环为直波导耦合时的结构示意图。
[0030] 图7是总线波导与微环为同向的弯曲波导耦合时的结构示意图。
[0031] 图8是总线波导与微环为反向的弯曲波导耦合时的结构示意图。
[0032] 图9是微环谐振器中包含多个微环纵向级联的结构示意图。
[0033] 图10是多个微环谐振器横向级联的结构示意图。
[0034] 图11是本发明的实施例结构示意图。
[0035] 图12是本发明实施例中搭载相变材料的混合波导与微环耦合的局部光场传输图。
[0036] 图13是本发明实施例中两个输出端口光强随波长的变化示意图。
[0037] 图中：1、总线光信号的输入输出波导，2、本地光信号的上传下载波导，3、微环谐振器，4、搭载相变材料的混合波导，5、相变材料，6、硅波导，7、周围包层介质，8、锥形结构，9、弯曲渐变结构，10、直波导耦合结构，11、同向的弯曲波导耦合结构，12、反向的弯曲波导耦合结构，13、纵向级联排列的多个微环，14、微环谐振器横向级联的光开关阵列。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 如图1所示，本发明具体实施包括一根总线光信号的输入输出波导1、一根本地光信号的上传下载波导2、一个微环谐振器3和一根搭载相变材料的混合波导4；微环谐振器3布置于输入输出波导1和上传下载波导2之间，混合波导4置于微环谐振器3的外侧或者内侧旁；总线光信号的输入输出波导1、本地光信号的上传下载波导2以及搭载相变材料的混合波导4均与微环谐振器3发生侧向倏逝波耦合，实现整个结构中的光路传输。
[0040] 如图2所示，搭载相变材料的混合波导4包括硅波导6和置于硅波导6上的相变材料5，相变材料5置于硅波导6上表面的中部，混合波导4的硅波导6和相变材料5均布置成与微环谐振器3相吻合的弧形段，混合波导4与微环谐振器3构成同心圆结构；微环谐振器3与输入输出波导1、上传下载波导2之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器3内产生光场谐振；
微环谐振器3与搭载相变材料的混合波导4发生侧向倏逝波耦合，用以调控微环谐振器3内的光场谐振。
微环谐振器3与搭载相变材料的混合波导4发生侧向倏逝波耦合，用以调控微环谐振器3内的光场谐振。
[0041] 可重构微环光开关具有四个端口，四个端口分别为用于总线光信号输入的第一端口、用于总线光信号输出的第二端口、用于本地光信号中某路波长信号上传的第三端口和用于本地光信号中某路波长信号下载的第四端口；总线光信号的输入输出波导1的两端分别作为第一端口和第二端口，本地光信号的上传下载波导2的两端分别作为第三端口和第四端口。
[0042] 总线光信号的输入与输出经过同一根输入输出波导1，本地光信号的上传与下载经过同一根上传下载波导2；总线光信号从总线光信号的输入输出波导1的一侧输入，另一侧输出；通过微环谐振器3的选择作用，总线光信号的输入输出波导1中一侧输入的某路满足微环谐振条件的特定波长信号经过微环谐振器3的倏逝波耦合，从本地光信号的上传下载波导2的同侧下载输出；本地的某路满足微环谐振条件的特定波长信号从本地光信号的上传下载波导2的另一侧经过微环谐振器3的倏逝波耦合，上传至总线光信号的输入输出波导1的输出端输出。
[0043] 通过对混合波导4中的相变材料5施加电压或激光照射而引发的电光效应或热光效应来改变相变材料5的状态，进而通过相变材料5的状态变化实现对搭载相变材料的混合波导4的调控；相变材料5的状态改变时，搭载相变材料的混合波导4的模式有效折射率改变，通过侧向倏逝波耦合改变微环谐振器3内光场的谐振状态，使光场发生谐振或不发生谐振，从而调控某路特定波长信号的输出端口。
[0044] 这样，总线光信号中某路波长信号的开关状态控制由搭载相变材料的混合波导4实现；从总线光信号的输入输出波导1中一端输入的某路满足微环谐振条件的特定波长信号选择由本地光信号的上传下载波导2中下载输出或直接由总线光信号的输入输出波导1的另一端输出；同时能够使本地光信号的上传下载波导2中的某路满足微环谐振条件的特定波长信号选择上传至输入输出波导1中输出。
[0045] 如图2所示，搭载相变材料的混合波导4的结构为相变材料5沉积在硅波导6上，沉积的相变材料5截面与硅波导6呈轴对称或偏向硅波导6截面中心轴的外侧或内侧。
[0046] 根据相变材料5的材料折射率的数值大小，搭载相变材料的混合波导4位于微环谐振器3的外侧或内侧，与微环谐振器3构成同心圆结构或非同心圆结构。
[0047] 输入输出波导1、上传下载波导2、微环谐振器3和混合波导4的上包层材料相同，输入输出波导1、上传下载波导2、微环谐振器3和混合波导4的下包层材料相同。具体实施的上包层和下包层均为周围包层介质7，具体为二氧化硅。
[0048] 搭载相变材料的混合波导4两端引入的锥形结构8如图3所示，搭载相变材料的混合波导4中的相变材料5和硅波导6的两端均连接一个锥形结构8的波导，减少与微环谐振器3耦合时因波导截面突变而产生的反射。
[0049] 搭载相变材料的混合波导4两端引入的弯曲渐变结构9如图4所示，搭载相变材料的混合波导4中的相变材料5和硅波导6的两端均连接一个弯曲渐变结构9的弯曲波导，减少与微环谐振器3耦合时因波导截面突变而产生的反射。
[0050] 具体的相变材料5波导可为亚波长结构，以提高对耦合作用调控的灵活性。
[0051] 如图5所示，在搭载相变材料的混合波导4长度较长时，两根总线波导1、2不再互相平行并出现波导交叉，或在保持两根总线波导1、2平行的基础上，在微环谐振器3能够发生侧向倏逝波耦合的其他位置放置搭载相变材料的混合波导4，具体在微环谐振器3外部的两侧或内外侧均分别放置搭载相变材料的混合波导4。
[0052] 微环谐振器3分别与输入输出波导1、上传下载波导2的耦合结构为直波导耦合10、相互同向的弯曲波导耦合11或相互反向的弯曲波导耦合12；输入输出波导1、上传下载波导2分别与微环谐振器3之间的间距可变，相互同向的弯曲波导耦合11/相互反向的弯曲波导耦合12结构中弯曲波导与微环谐振器3构成同心圆结构或非同心圆结构，分别如图6、图7、图8所示。
[0053] 如图9所示，微环谐振器3包含多个微环13，多个微环13沿垂直于输入输出波导1/上传下载波导2的延伸布置方向在输入输出波导1和上传下载波导2之间呈纵向级联排列，每个微环一侧均有一根搭载相变材料的混合波导4；多个微环13的各自结构参数如半径、波导宽度可变，相邻微环之间的间距可变，多个混合波导4的各自结构参数如波导高度、宽度、长度和曲率半径可变。
[0054] 如图10所示，微环谐振器3沿平行于输入输出波导1/上传下载波导2的延伸布置方向在输入输出波导1和上传下载波导2之间呈横向级联排列，构成光开关阵列14，每个微环一侧均有一根搭载相变材料的混合波导4；光开关阵列14中微环谐振器3的各自结构参数如半径、波导宽度可变，混合波导4的各自结构参数如波导高度、宽度、长度和曲率半径可变，用于实现波分复用系统中多个波长处信号上传与下载的选择。
[0055] 本发明的工作过程和原理如下：
[0056] 某路波长信号的开关状态控制由搭载相变材料的混合波导4实现，通过调控相变材料5的相的状态，改变搭载相变材料的混合波导4的模式有效折射率，从而可以调控搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3的耦合效果，进而调控微环谐振器3内的光场谐振，以使得微环谐振器3中满足谐振条件的特定波长处的光信号从总线光信号输入输出波导1的输出端或本地光信号上传下载波导2的下载端输出。
[0057] 当相变材料5处于某一种相的状态时，搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3的模式有效折射率满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，由总线光信号输入输出波导1耦合进入微环谐振器3的光信号能够耦合至搭载相变材料的混合波导4中，微环谐振器3内的光场谐振被破坏。这一状态下，光信号不能耦合至本地光信号上传下载波导2中，而是直接从总线光信号输入输出波导1的输出端输出，总线光信号输入输出波导1的输出端为“开”状态，本地光信号上传下载波导2的下载端为“关”状态。
[0058] 当相变材料5变为另一种相的状态时，由于其材料折射率产生了较大变化，使得搭载相变材料的混合波导4的模式有效折射率也产生了较大变化，与微环谐振器3不再满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，微环谐振器3内的光信号不耦合至搭载相变材料的混合波导4中，则微环谐振器3中满足谐振条件的特定波长处的光信号能够产生光场谐振。这一状态下，总线光信号输入输出波导1中输入的特定波长光信号受到微环谐振器3的谐振选择作用，从本地光信号上传下载波导2的下载端输出，变为“开”状态，而总线光信号输入输出波导1的输出端变为“关”状态，实现光路开关路由的功能。
[0059] 本发明的具体实施例如下：
[0060] 本实例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导，其芯层材料为硅，厚度为220nm，折射率为3.4744，周围包层材料为二氧化硅，折射率为1.444，考虑波段范围为
1500nm至1600nm，通过对电极施加电压的热光效应调控相变材料相的变化。
1500nm至1600nm，通过对电极施加电压的热光效应调控相变材料相的变化。
[0061] 所述的微环谐振器3与两根总线波导1、2的耦合结构可以采用直波导耦合10、同向的弯曲波导耦合11或反向的弯曲波导耦合12，本实例中，均采用同向的弯曲波导耦合11，且为同心圆结构。微环谐振器3与搭载相变材料的混合波导4也为同心圆结构。
[0062] 所述的搭载相变材料的混合波导4中，相变材料5波导的截面与其下方硅波导6呈轴对称，为同心圆结构；相变材料5波导为亚波长结构，以提高对耦合作用调控的灵活性；搭载相变材料的混合波导4的两端连接两个锥形波导结构8，以减小与微环谐振器3耦合时因波导截面突变而产生的反射；搭载相变材料的混合波导4的长度较长，将两根总线波导1、2垂直交叉放置。
[0063] 实施例器件结构中，取两根总线波导1、2的波导宽度为WSi＝450nm，波导宽度满足单模传输条件。微环谐振器3的半径为RW＝5μm，微环谐振器3的波导宽度为Wring＝450nm。两根总线波导1、2与微环谐振器3的耦合结构中，耦合区域的波导间距为WG＝240nm，两根总线波导1、2耦合区域的弯曲半径为RS＝5.69μm。耦合区域中两根总线波导1、2取适当的弯曲角度，使得总线光信号输入输出波导1的振幅直通耦合系数为0.981，本地光信号上传下载波导2的振幅直通耦合系数为0.985。
[0064] 相变材料5选用Ge2Sb2Te5(GST225)，在1550nm波长处，其非晶态的材料折射率为4.21+0.0567i，晶体态的材料折射率为7.00+1.0871i。采用相变材料5为晶体态时，搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，取混合波导4中下方硅波导6的波导宽度为WS＝320nm，相变材料5波导的波导宽度为WP＝280nm，波导高度为HP＝30nm，波导宽度与高度满足单模传输条件。搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3之间的波导间距为WG＝240nm，其弯曲半径为RP＝5.625μm，圆环弯曲角度为Φ＝120°。相变材料5波导为亚波长结构，其亚波长周期为TP＝250nm，占空比为0.5。搭载相变材料的混合波导4中的锥形结构8中，相变材料5波导的锥形结构长度为tp＝0.6μm，硅波导6的锥形结构长度为ts＝0.8μm。上述波导材料为硅的所有波导结构的高度均为HSi＝220nm，与硅绝缘体(SOI)材料的芯层硅的厚度一致。
[0065] 图12给出了搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3耦合的局部光场传输图，图中传输模式为横电TE基模，波长为1550nm，使用3D-FDTD进行仿真。局部光场传输图中，光从环形波导左侧向上进入波导耦合结构，传输方向改变270°后从环形波导下侧向左输出。图a中的相变材料Ge2Sb2Te5为晶体态，此时搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，环形波导中由于部分光场耦合至混合波导4中，自身的光场损耗较大，等效于微环谐振器3中的光场谐振被破坏，总线波导1中的光信号直接从其输出端输出，本地波导2的下载端无光输出；图b中的相变材料Ge2Sb2Te5为非晶态，此时搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3不再满足侧向倏逝波耦合的相位匹配条件，从光场传输图中可看出，搭载相变材料的混合波导4与微环谐振器3发生微弱耦合，经过角度120°的耦合距离后，光场重新耦合回到环形波导中，且由于Ge2Sb2Te5为非晶态时损耗较小，耦合至混合波导4中的传输损耗可忽略，等效于微环谐振器3中的光场谐振不受影响，从总线波导1输入的满足微环谐振器3谐振条件的特定波长信号可从本地波导2的下载端输出，而不从总线波导1输出。
[0066] 图13给出了总线波导1输出端与本地波导2下载端的光强随波长的变化示意图，通过3D-FDTD仿真局部耦合特性以及传输矩阵法的计算得到，图示标注中“Through”为总线波导1输出端，“Drop”为本地波导2下载端。图a中的相变材料Ge2Sb2Te5为晶体态，这一状态下微环谐振器3中的光场谐振被破坏，对应于总线波导1输出端为“开”状态，本地波导2下载端为“关”状态，工作波长处光信号的插入损耗小于1dB；图b中的相变材料Ge2Sb2Te5为非晶态，这一状态下微环谐振器3中的光场谐振不受影响，对应于本地波导2下载端为“开”状态，总线波导1输出端为“关”状态，工作波长处光信号的插入损耗小于2dB；从图a和图b可得到，开关状态切换时，两个端口的消光比均大于20dB，可实现光信号的开关路由选择。
[0067] 由此可见，本发明设计的波导结构简洁紧凑，稳定性高，克服了相变材料自身的高损耗技术问题，降低了插入损耗和通道串扰，提升了开关状态的消光比，能够实现自保持特性且能量消耗低，取得了突出显著的技术效果。
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