非易失可编程光学相移系统、相移方法及相移器设计方法

1.本发明属于光相位调制技术领域，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。

背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。

技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非易失可编程光学相移器设计方法，包括：
7.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：
8.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/2i，i＝1,2,3
……
,n。
9.按照本发明的另一个方面，提供了一种非易失可编程光学相移系统，包括：
10.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/2i，i＝1,2,3
……
,n。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.在其中一个实施例中，还包括：
18.光源，用于向所述相移器输入工作光波。
19.按照本发明的又一个方面，提供了一种非易失可编程光学相移方法，包括：
20.确定工作光波所需的相移量φ；
21.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；
22.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/2k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/2k相位差调整能力的相变单元的晶态，k＝1,2,3
……
,n。
23.总体而言，通过本发明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：
24.本技术所设计的相移器，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。在本技术中，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/2i，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/2n，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/2n(n为相变材料单元总数)为步进的任意总相移量，可以实现2n种相变，相比于目前级联2n个相同的相变单元实现2n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。
附图说明
25.图1为一实施例的可编程光学相移器的结构示意图；
26.图2为一实施例的相变单元延伸至下包层上的结构示意图；
27.图3为一实施例的相变单元完全位于波导上的结构示意图；
28.图4为一实施例的相变单元两端宽度逐渐减小的结构示意图；
29.图5为一实施例的非易失可编程光学相移方法的步骤流程图；
30.图6为一实施例的非易失可编程光学相移器状态示意图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.非易失可编程光学相移系统包括相移器，如图1所示为一实施例中的相移器的结构示意图，其主要包括半导体基底1，半导体基底上有下包层2，下包层上设有光波导4，光波导上设有相变材料薄膜层5，整个器件可以有或无上包层3。其中相变材料薄膜层5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/2i，i＝1,2,3
……
,n。需要说明的是，n个相变单元中的编号为1～n，其具体的排序是随意的，可以对n个相变单元按任意顺序排序，选取其中的任意一个未编号的作为第i个相变单元，i＝1,2,3
……
,n，只要使得n个相变单元对应的相位差的集合为{π，π/2，π/4，π/8，π/16，
……
，2π/2n}即可。在一实施例中，如图1所示，沿波导方向进行编号，依次为第1个相变单元5-1、第2个相变单元5-2、
……
、第n个相变单元5-n。在其他实施例中，也可以不按上述顺序进行编号，例如可以以相变单元5-2作为第1个相变单元。
33.当工作光波由光波导4的一端输入后，经过相变材料薄膜层5时，光的模态会发生一定的改变，其波导有效折射率也将发生改变，该有效折射率与相变材料薄膜层5的形状和材料折射率有关。由于波导有效折射率改变，其经过相同长度的波导后的相位差也不相同，通过调节相变材料结晶态来调节折射率从而实现不同的相移量。本发明主要在于使内部相变单元所能引起的相位差呈现一定规律，可以以一定的状态组合方式实现整个波导的0-2π间以2π/2n(n为相变材料单元总数)为步进的任意总相移量，可以实现2n种相变，相比于目前级联2n个相同的相变单元实现2n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。
34.在一实施例中，该系统还可包括与相移器配套使用的光源，该光源用于产生相移器的工作光波，使得相移器中的各个相变单元在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满足上述规律。
35.其中，对于相变单元的形态可以灵活设置。
36.在一实施例中，如图1所示，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。具体的，相变单元的厚度可以为90nm～110nm，每个延伸在下包层上的延伸宽度为2um～4um。段如图2所示，以相变单元5-1
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。
37.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。
38.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方向延伸的长度越大，即编号越小的相变单元，其沿波导方向延伸的长度越大，在完全晶态和完全非晶态两个状态间的相位差越大。
39.具体的，光波导4可以采用条形波导、脊形波导或两根条形波导组成的狭缝波导；脊形波导为一个平面波导上设有一个条形波导。具体的，光波导4的材料包括但不限于硅或氮化硅，其厚度可以为200nm～240nm，宽度可以为450nm～550nm。具体的，相变材料薄膜层5由ge、sb、se或te中任意两种到四种元素组成的化合物或其掺入n、o、si的掺杂化合物。该相变材料至少具有晶态和非晶态两种折射率不同的状态。具体的，半导体基底1的材料为硅、锗、磷化铟、锑化铟、砷化镓中的任意一种。具体的，下包层2的材料包括但不限于sio2、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、硫化锌-二氧化硅、磷化铟、锑化铟或砷化镓中的任意一种，其厚度可以为1.5μm～2.2μm。具体的，相移器可以无上包层3，或者上包层3的材料是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或硫化锌-二氧化硅中的一种。
40.相应的，本技术还涉及一种非易失可编程光学相移器设计方法，用于设计出具有上述特征的相移器。该方法主要包括两步：
41.第一步，先确定相移器的基本结构，具体包括半导体基底、叠设于半导体基底上的下包层、叠设于下包层上的光波导以及叠设于光波导上的相变材料薄膜层，相变材料薄膜层具n个沿波导方向并排设置的相变单元。
42.其可选的设置方式可参考上文介绍，在此不再赘述。
43.第二步，当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/2i，i＝1,2,3
……
,n。
44.当明确相移器的基本结构后，再根据待调制的工作光波优化相移器内部各相变单元的尺寸，使每个相变单元的调制相位差呈现上述规律。在一实施例中，可以通过大量的仿真实验分析出相位差与尺寸之间的关系，然后根据每个相变单元的相位差确定对应的尺寸，完成整个相变材料薄膜层尺寸的优化。例如，当具有5个相变单元，对应1550nm te0模式的可调光相移，若以图2所示的结构进行设计，则第1至第5个相变单元沿着波导方向的长度分别为6.10um，3.05um，1.53um，0.76um以及0.38um，若以图3所示的结构进行设计，则第1至第5个相变单元沿着波导方向的长度分别为12.99um，6.39um，3.09um，1.43um，0.61um，经过验证，上述5个相变单元在晶态和非晶态下的相移量分别为π，π/2，π/4，π/8，π/16。
45.相应的，本发明还公开了一种非易失可编程光学相移方法，如图5所示，其主要包括以下步骤：
46.步骤s100：确定工作光波所需的相移量φ；
47.步骤s200：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；
48.步骤s300：将工作光波输入与工作光波相匹配的相移器中，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/2k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/2k相位差调整能力的相变单元的晶态，k＝1,2,3
……
,n。
49.相移系统为上述介绍的任一种相移系统，相移系统包括相移器，相移器中，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/2i，i＝1,2,3
……
,n。
50.本发明中，利用上文介绍的相移器，基于各相变单元晶态\非晶态的两种状态的组合，可以实现整个波导的0-2π间以π/16为步进的任意总相移量。以这里以所需的相移量为例(弧度制)，将φ/2π的二进制表示为0.10101：
51.小数点后第1位为1，选择在完全晶态和完全非晶态间转变能够引起2π/21的相变单元并转变其晶态；
52.小数点后第2位为0，选择在完全晶态和完全非晶态间转变能够引起2π/22的相变单元并不转变其晶态；
53.小数点后第3位为1，选择在完全晶态和完全非晶态间转变能够引起2π/23的相变单元并转变其晶态；
54.小数点后第4位为0，选择在完全晶态和完全非晶态间转变能够引起2π/24的相变单元并不转变其晶态；
55.小数点后第5位为1，选择在完全晶态和完全非晶态间转变能够引起2π/25的相变单元并转变其晶态。
56.如图6所示，若相变单元沿波导方向顺序编号，且第i个相变单元的相位差为2π/2i时，对应于5-1，5-3，5-5为晶态(对应数位上的数字为1)，5-2，5-4为非晶态(对应数位上的数字为0)。相对于5-1，5-2，5-3，5-4，5-5全为非晶态的状态，即φ＝0，其在波导输出端的相移量为
57.利用不同相移量的相变材料单元的组合，可以实现非易失数字型可编程光学片上相移器。本发明通过设计各相变材料的长度，仅通过n个独立可调控相变材料单元即可实现0-2π间以2π/2n为步进的任意可编程总相移量。由于相变材料的非易失性，本器件的静态功耗极低，故具有广阔的应用前景。且相对于基于相变材料中间态的多级相移方案，本方案仅需将各个单元进行完全晶化/非晶化转换，具有更高的稳定性和鲁棒性。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

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。5.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，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。6.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，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。7.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，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。8.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，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。9.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，还包括：光源，用于向所述相移器输入工作光波。10.一种非易失可编程光学相移方法，其特征在于，包括：确定工作光波所需的相移量φ；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；将所述工作光波输入与工作光波相匹配的相移器中，所述相移系统为权利要求2至8任一项所述的相移系统，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。

技术总结

本发明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