一种电场调控型硅基微环开关及其制备方法

本技术涉及集成光学，具体涉及一种电场调控型硅基微环开关及其制备方法。

背景技术：

1、硅基微环开关是一种基于硅光子技术的微型器件，利用硅基微环谐振腔与波导之间的光学耦合原理来实现光信号的调制和开关功能。硅基微环开关的具体应用包括光信号调制、波分复用系统中的信道选择、光信号路由、光信号处理等。这种开关在光通信、光计算和集成光电子学等领域有着广泛的应用。

2、传统实现硅基微环开关的方式有基于热光效应、非线性光学效应、机械效应等(参考文献：silicon microring resonators,laser&photonics reviews,2011,vol.6,pp.47；all-optical logic based on silicon micro-ring resonators,optics express,2007,vol 15,pp.924；sillicon optical modulators,nature photonics,2010,vol.4,pp.518；high-efficiency all-optical modulator based on ultra-thin silicon/graphenehybrid waveguides,advanced optical materials,vol.12,pp.2301549)。热光效应调控硅基微环开关是指通过加热微环结构改变其折射率，进而调节硅基微环的谐振波长，实现开关功能；这种方法虽然简单，但是响应速度相对较慢。非线性光学效应调控硅基微环开关是指通过在硅基微环中引入非线性光学材料，利用光强依赖的折射率变化来实现光控光的开关功能；这种方法属于全光开关，无需电子控制，但是非线性效应需要较高的光功率，功耗高。机械效应调控硅基微环开关是指利用微机械技术调整硅基微环与波导之间的耦合距离，以物理方式控制开关状态；虽然这种方法具有良好的兼容性，但是机械移动部件缺乏长期稳定性。

3、基于磁光效应的微环开关是一类新型的微环开关(参考文献：ultra-broadbandmagneto-optical isolators and circulators on a silicon nitride photonicsplatform,optica,2024,vol.11,pp.376)。该类微环开关借助特殊的磁光材料或结构，这些材料或结构在施加磁场时会改变光的偏振状态，从而实现对光信号的调制。虽然磁光调制的硅基微环开关可以实现非接触式的光信号调制，具有较好的抗电磁干扰性能，但是这种器件需要将强磁场相关器件集成到基底上，这不利于微环调制器的小型化和集成化，另外需要强电流才能产生强磁场，这也导致整个器件的功耗高。

4、电光效应是实现硅基开关的另一种方式(参考文献：high-speed siliconphotonic electro-optic kerr modulation,photonics research,vol.12,pp.51)。电光效应能够非常快速地改变材料的折射率，从而实现高速调制，另外这类器件的尺寸小，满足集成电路紧凑的需求。现有技术主要通过电光材料的kerr效应实现微环开关(例如上述photonics research文献)。在kerr效应中，虽然折射率的变化不依赖于电场的方向，但是kerr效应较弱，需要较高的电场才能实现较好的开关效果。

技术实现思路

1、为解决以上问题，本发明一方面提供了一种电场调控型硅基微环开关，包括基底、硅基波导、硅基微环；硅基波导和硅基微环置于基底上，硅基微环置于硅基波导的一侧；该电场调控型硅基微环开关还包括电调控微环、环内导电部、第一电极、第二电极；电调控微环、环内导电部、第一电极和第二电极置于基底上；电调控微环置于硅基微环内，环内导电部置于电调控微环内，第一电极和第二电极置于硅基波导的同侧、硅基微环的两侧。

2、本发明的电调控硅基微环开关核心依赖于硅基微环的谐振特性。硅基微环是一种能够在特定波长上产生强烈谐振的光学器件，其工作原理基于光在硅基微环中的多次环绕传播，当光波的波长与硅基微环的光程相匹配时，就会在硅基微环中形成谐振。谐振时，硅基微环对应的波长的光具有高传输效率，而非谐振波长的光泽被大幅度衰减，形成光开关。通过在第一电极和第二电极之间施加电场，调控了电调控微环的折射率。由于电调控微环与硅基微环相邻，电调控微环的折射率变化能够影响了硅基微环的周围环境，进一步影响了光在硅基微环上传播是的有效折射率。当硅基微环的有效折射率发生变化时，会改变硅基微环中形成的谐振条件，即改变能够在微环中产生谐振的光波的波长。这样一来，通过电场调控硅基微环的有效折射率，精确地控制了哪些波长的光能在硅基微环中谐振，从而实现光信号的“开”和“关”。

3、更进一步地，电调控微环的材料为电光材料。电光材料能够在电场作用下迅速改变其折射率，因此电调控硅基微环可以实现快速切换，提高开关的响应速度，这对于高速光通信系统和光计算非常重要。另外，电光材料能够在宽波段范围内工作，因此电调控微环开关能够被用于多种不同的光信号波长，增加了这类型光开关在光网络中的适用性和灵活性。更进一步地，电调控微环的晶轴与电场方向平行，产生强电光效应。

4、更进一步地，硅基微环和电调控微环为圆形，电调控微环与硅基微环同心。硅基微环和电调控微环同心设计能够在电调控微环和硅基微环中实现均匀的光场分布，保证了整个硅基微环中的相位和强度分布一致，提高了光信号的稳定性和开关的性能。另外，由于电调控微环与硅基微环同心，光波在硅基微环中传播时与电调控微环的作用区域最大化，确保了电光效应对光波的调制更为有效，从而提高了开关的调制深度和效率。此外，同心设计还有助于提高硅基微环的q因子，减少硅基微环中的光损耗，光在硅基微环中存储的时间更长，提高了光开关的性能。

5、更进一步地，电调控微环外侧面与硅基微环内侧面之间的距离大于20纳米、小于200纳米，实现电调控微环与硅基微环之间的光学耦合效率，提高光开关的调控深度。

6、更进一步地，环内导电部为圆盘形，环内导电部与电调控微环同心。圆盘导电部与电调控微环同心保证了电调控微环中产生均匀的电场分布，确保了电调控微环区域内折射率的均匀变化，实现了光波在硅基微环中的均匀调制，提高了开关的性能和稳定性。同心的圆盘形导电部在整个微环中产生相对均衡的热分布，有助于减少由于温度梯度造成的光学性能变化，从而增强了气井的热稳定性和长期可靠性。

7、更进一步地，环内导电部、第一电极、第二电极的材料为金、银或石墨烯。这些材料具有较高的电导率，确保电极在传递电流时的能量损耗小，从而降低了器件的总体功耗。另外，这些材料具有良好的热稳定性和较高的熔点，在高温环境中，这些材料能够保持稳定的电学和物理性能，确保了器件的长期可靠性和稳定性。

8、更进一步地，环内导电部和电调控微环不接触。保持环内导电部与电调控微环不接触，避免了电调控微环热膨胀挤压硅基微环，改变硅基微环的周长，造成光开关不稳定运行。

9、另一方面，本发明提供了一种电场调控型硅基微环开关的制备方法，包括如下步骤：

10、步骤1、在基底上制备硅基波导和硅基微环；

11、步骤2、在硅基微环内部设置电调控微环；

12、步骤3、在基底上制备环内导电部、第一电极、第二电极。

13、本发明将这个制备过程分解为多个步骤，方便在每个步骤中专注于特定的组件，有助于提高各个组件的质量和性能。在步骤3中才制备导电材料，通过在后期步骤中精确设置电极和导电部分，能够更好地控制电场的分布和强度，从而实现高效的电光调制和低电压操作。

14、更进一步地，在步骤2中，采用切割铌酸锂晶体和微机械操作的方法设置电调控微环。

15、更进一步地，在步骤3中，应用化学气相沉积或物理气相沉积的方法制备环内导电部、第一电极、第二电极。

16、本发明的有益效果：

17、(1)本发明在电调控微环内设置环内导电部，第一电极和环内导电部之间、环内导电部和第二电极之间聚集更强的电场，电调控微环处于该电场之间，从而使得电调控微环的折射率改变更多，从而增加了光开关的调制深度。另外，这些电场直接作用于电调控微环的关键区域，可以在较低的能耗下实现高效的光信号调制，有利于降低整体的功耗。

18、(2)本发明在电调控微环内设置环内导电部，第一电极和环内导电部之间、环内导电部与第二电极之间的电场方向相同。因此，本发明可以应用电光材料的pockels效应，从pockels效应的角度改变电光材料的折射率。电光效应细分为线性电光效应(即pockels效应)和二次电光效应(即kerr效应)。pockels效应描述的是在外加电场作用下，某些无对称中心的晶体的折射率线性变化，这种变化与施加的电场强度成正比。kerr效应是指在电场作用下，材料的折射率随电场强度的平方变化。相比于kerr效应，pockels效应需要较低的电场强度来实现相同的效果。因此，本发明中所需要施加的电压或电场较低。另外，pockels效应在非常短的时间内即可改变光的相位或强度，适合高速光通信系统。

19、(3)本发明中，电调控微环与硅基微环不接触，电调控微环升温膨胀时，不会挤压硅基微环，因此能够实现稳定的光开关性能。

20、(4)本发明中，电光材料没有覆盖硅基微环，这避免了由于热膨胀系数差异导致界面应力和裂纹，进一步影响硅基微环的谐振特性。

21、综合以上有益效果，本发明在集成光学技术领域具有良好的应用前景。