硅基矩形结构马赫-曾德2×2热光开关的设计与仿真.pdf

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1、第43卷第2期光子学报Vo1．43No．22014年2月ACTAPH0ToNICASINICAFebruary2014doi：10．3788／gzxb20144302．0213001硅基矩形结构马赫一曾德2×2热光开关的设计与仿真刘克，牟思璇，黄晖，崔永浩(1北京工业大学光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京100124)(2DepartmentofElectricalEngineering，UniversityofTexasatDallas，Richardson，TX75080，USA)摘要：高速光开关是实现光传输路径

2、变换的关键器件之一．对于目前马赫一曾德型光开关本身占据的尺寸较大或者在一维方向上尺度较长的缺点，提出了一种利于高度集成的矩形马赫一曾德2x2光开关单元结构．器件由基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳分光／合光器和90。弯曲波导的L型参考／相移臂两者构成，极大地减小了由此构成的马赫一曾德光开关器件的尺寸．利用硅的热光效应，举例设计了开关器件的L型相移臂上升50℃实现7c相移时需要的总长度约为84ttm．同时采用有限元法分析得到在NiCr金属电极加热器上施加电压3．5V时，可以使相移臂内的脊波导层上升温度约为5O℃；模拟了介质覆盖

3、上包层不同SiO厚度时的时间响应特性，选用上包层SiO：厚度为0．5m时得到器件上升时间35S、下降时间48S的开关速度．最后使用RsoftFul1wAVE软件模块时域有限差分法仿真验证了热光开关器件的开关功能．设计的硅基矩形结构马赫一曾德2×2热光开关的平面尺寸为56×38m．器件具有高效紧凑的特点，使其布局配置易于向二维方向扩展，并潜在应用于硅基高密度光子集成回路及片上光互连系统．关键词：集成光学；光学器件；有限元法；时域有限差分法；热光开关；马赫一曾德干涉仪；受抑全内反射；90。弯曲波导中图分类号：TN253文献标识

4、码：A文章编号：1004—4213(2014)02021300I-6DesignandSimulationofSilicon-basedRectangularMach—Zehnder2×2Thermo-opticalSwitchLIUKe，MUSi—xuan，HUANGHui，CUIYong—hao。(1KeyLaboratoryofOptoelectronicsTechnology，MinistryofEducation，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)

5、(2DepartmentofElectricaIEngineering，UniversityofTexasatDallas，Richardson，TX75080，USA)Abstract：Highspeedoptica1switchesarecriticalcomponentsintherealizationoflighttransmissionpathswitchingtechnologyforopticalnetworks．CurrentMach_ZehnderInterferometertypeopticalswit

6、cheseitheroccupylargerfootprintorhavealongerone—dimensionalscale．ASilicon-basedrectangularMach-Zehnder2×2thermo-opticalswitchunitisproposedforthehighlyintegratedapplications．Thenovelopticalswitchconsistsoftrench_basednanophotonicfrustratedtotalinternalreflectionco

7、uplersandtota1interna1reflectionmirror-based90。waveguidebends．Theswitchingoperationisachievedthroughthermo—opticaleffectofSilicon．Asadesignexample，the～84／tmlongL-shapephase—shiftingarmisdeterminedfor7【phaseshiftwhenitstemperatureofthearmisincreaseduptO50℃．Aswitchi

8、ngvoltageof3．5VonaNiCrmetalelectrodeheaterisobtainedbyusingfiniteelementmethod．Thevoltagemay基金项目：国家自然科学基金(No．61377O59)、教育部留学回国人员科研启动基金资助项目、北京市属高等学校高层次人才