氮氧化硅/聚合物混合集成低功耗全内反射型热光开关的研究

全内反射光开关因结构简单，易于制作、操控和潜在的低成本而受到广泛重视。过去的数十年里，人们已经从材料及器件设计两方面探索研究了多种全内反射光开关的实验室原型器件，然而这些器件都还不能满足应用的要求。本研究项目将要进行的氮氧化硅/聚合物混合集成低功耗全内反射热光开关将通过在无机氮氧化硅（SiON）的光波导结构上嵌入有机聚合物材料来实现。这种混合集成结构可以充分利用氮氧化硅与聚合物材料完全相反的热光效应特征，提高全反射区的热利用效率，从而可以在同样的功率消耗下实现更大的折射率差，进而实现低功耗下的全反射。与采用单一材料的结构相比，这一混合集成结构对于降低开关的功耗，提高开关速度从而实现较大规模的开关矩阵具有重要意义。该项目还有利于探索无机/有机材料混合集成的光电子器件的设计与制作工艺，而目前还未见此类充分利用氮氧化硅与聚合物材料的折射率不同的温度效应的光波导器件的研究报道。

光开关是构成光交叉连接（OXC）与光分插复用（OADM）设备的核心部件，此外，在光网络中光开关还可用于网络监控，故障修复及新连接补充等功能。在过去的数十年间，人们已经探索研究了多种基于不同原理的光开关，如基于微电子机械系统（MEMS），马赫-曾德尔干涉仪（MZI），定向耦合器（DC）， 微环耦合（RR）器，多模干涉仪（MMI）及全内反射（TIR）效应等。这其中，全内反射型光开关具有紧凑，有利于大规模集成，对环境温度、光波偏振态及工作波长的变化不太敏感等特性，因此具有重要的研究意义。数十年来，国内外对全内反射型光开关进行了大量的研究，探索了多种材料与器件结构，取得了许多重要成果。对全内反射热光开关的研究的一个重要目标在于保证开关性能的前提下实现较低的驱动功率，本研究便是基于这样的背景开展。由于全内反射型光开关的开关功率主要取决于反射界面的折射率差，这个差值越大，发生全反射的临界角越小，驱动功率也越小。因此本项研究中我们采用氮氧化硅/聚合物混合集成结构来实现热光全内反射型光开关。该光开关可以实现在加热电极没有被加热时（off），处于直通状态（Bar state）。而当加热电极被施加以一定的加热电流时（on），由于在氮氧化硅与聚合物分界面的全反射效应，开关处于交叉态（Cross state）。由于热作用区氮氧化硅材料的折射率具有的正温度效应而增大，而聚合物材料的折射率由于其具有的负温度效应而减小，这样一增一减使得在同样的功率消耗下实现更大的折射率差，因而可实现低功耗下的全反射热光开关。项目的主要研究内容包括：.1).材料的获取与特性测试.2).器件的光波导结构设计.3).全内反射热光开关的电极设计.4).光开关的工艺制作及测试.以上内容均已按照预定计划开展，并且在经过多次的实验后，制作成功了相应的实验室演示原型器件。目前最好的样品的测试性能指标为插入损耗最小8.9 dB（TM模式），最大10.6 dB（TM模式），开关功率约60 mW，最大的消光比为16.27 dB，最低为14.71 dB。串扰最大为17.32（TE模），最小为14.13（TM模）（具体指标可参考正文表4）。.以上的部分性能指标较预计目标差，尤其是插入损耗、消光比与开关功率。根据研究过程中遇到的问题，开展此项研究的难点包括：高性能氮氧化硅材料的获取；氮氧化硅光波导尤其是狭缝的刻蚀工艺的重复性。如果能较好地