本发明涉及一种光学元器件，属于皮秒激光和连续激光应用技术领域，具体涉及一种基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关。
背景技术：
光开关是光通信网络的重要组成部分，其开关选择性是光网络通信的重要功能之一。特别是波导型光开关与其它光学器件的集成，越来越受到人们的重视。传统光开关主要基于电光效应和热光效应，需要消耗多余的能量去维持开关的状态，存在较大的静态功耗。传统光开关对温度变化非常敏感，这就导致了潜在的稳定性问题。并且，传统光开关由于电光效应和热光效应的局限性，导致折射率调节范围小。
解决能耗大和折射率调谐效率低等问题的一个办法是使用具有更大折射率调制的非易失性材料。相变材料ge2sb2te5是一种优秀的非易失性超快相变材料，具有“自保持”特性，这意味着它不需要连续的电源来维持其状态。通过电或光作用就可以使ge2sb2te5可以在非晶相和晶相之间可逆地切换，并且可以在晶相和非晶相之间形成多态。ge2sb2te5还具有许多突出的特性，如非晶态和晶态之间的高光学对比度、亚纳秒相变时间、与cmos制造工艺的兼容性和高可扩展性，这是ge2sb2te5应用于光子芯片的巨大优势。因此，ge2sb2te5是实现非易失性片上多级开关的良好材料选择。
对于常用的通信波长(1550nm)，晶态ge2sb2te5的折射率约为7.25，非晶态约为4.39。si波导的折射率为3.45。由于ge2sb2te5的折射率大于si波导的折射率，当光通过si-ge2sb2te5混合波导区域时，由于全反射作用，使得光在材料界面处发生倏逝耦合效应。不同结晶态的ge2sb2te5与光的倏逝耦合作用强度不同。对于结晶度较高的材料，其折射率较大，使得波导中的光由于全反射作用向折射率高的材料偏折，折射率越大，偏折效果越明显。
技术实现要素：
本发明提出一种基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，目的在于提高开关性能，减小损耗，形成多态ge2sb2te5调制的多级开关。利用皮秒激光诱导ge2sb2te5产生多级超快相变，其多级操作有利于光开关矩阵的形成。
基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，其特征在于，相变材料ge2sb2te5与单模si波导直接耦合，ge2sb2te5通过磁控溅射技术沉积在si波导上的定义窗口上，形成混合波导区域；同时波导的输入输出端为光栅耦合器结构。
si波导为单模矩形结构，光栅耦合器位于矩形结构的两端；ge2sb2te5材料直接覆盖在si波导上，与波导直接接触。
本发明基于激光多脉冲作用和光倏逝耦合理论，非晶ge2sb2te5直接与si波导耦合，si波导的折射率为3.45，ge2sb2te5通过磁控溅射方式沉积在si波导上的定义窗口上，光波导的输入输出端为光栅耦合器结构。
本发明的技术方案
基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关的制作及工作步骤如下
步骤一：si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关制备：将soi基片旋涂电子束光刻胶，进行电子束曝光与反应离子刻蚀，形成单模硅波导与光栅耦合器结构；继续旋涂光刻胶，进行第二次电子束曝光，定义ge2sb2te5和ito的溅射窗口，随后用反应离子刻蚀去除光刻胶，形成ge2sb2te5、ito的溅射窗口和光栅凹槽；
步骤二：用磁控溅射镀膜仪进行ge2sb2te5和ito层的溅射。随后将基片依次放入丙酮、酒精溶液中，在超声仪中进行超声清洗，再用去离子水冲洗；
步骤三：使一系列脉冲能量低于ge2sb2te5晶化阈值的光脉冲通过外置光源打在ge2sb2te5上；利用可调谐激光器在波导的输入端输入c波段的光波，利用光电探测器测定此时光波导的透过率，记为tn1，标定此时的开光状态；
步骤四：调节外置光源能量和脉冲数量，使脉冲能量高于ge2sb2te5晶化阈值，得到不同结晶态，利用可调谐激光器在波导的输入端输入c波段的光波，利用光电探测器测定此时光波导的透过率tn2，tn3,tn4……标定此时的开光状态。
通过以上操作可以实现皮秒激光控制相变光开关的多级操作，实现非易失性开关。
作为优选，si波导的厚度选择为220nm，宽度选择为500nm。
作为优选，ge2sb2te5薄膜的厚度选择为25nm，宽度选择为450nm。
作为优选，ito薄膜的厚度选择为10nm。
一种基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，所需测试设备装置如下：三倍频皮秒激光器，连续衰减片，聚焦物镜，连续激光器，偏振控制器，功率计，光电探测器；
步骤一：三倍频激光器产生波长为1064nm，脉宽为17ps，重频为200khz的脉冲激光，首先通过连续衰减片，利用反射镜改变光的传播方向，此时可以使用功率计测定激光能量，接下来通过聚焦透镜，辐照在ge2sb2te5薄膜上；
步骤二：连续激光器输出的激光，首先通过偏振控制器，将激光调制为te偏振态，通过波导输入端的光栅耦合器将光导入波导中，输出端通过光电探测器测定输出的透过率。
该器件基于激光多脉冲作用和光倏逝耦合理论，通过控制激光脉冲数量和能量，调制ge2sb2te5多态相变，通过不同相变态的光学常数差异，形成开关多级操作。
该器件作为全光控制的开光器件，通过外置激光控制ge2sb2te5的相变状态，通过连续激光和偏振控制器控制波导中的光信号传输。
有益效果
本发明提出了一种基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，与传统光开关相比，基于相变材料的波导光开关仅通过光致相变改变相变材料的状态，实现光路的多级操作，大大减小了能耗，提高光开关转换效率。矩形波导是集成光学中最常用的波导结构之一，且广泛应用于各种有源和无源器件。波导采用单模模式，不存在模式色散，可以广泛应用在光纤通信中，在大规模的光路集成中有重要的应用价值。
附图说明
图1是基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关的结构图；
图2是基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关的制备示意图；
图3是基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关的系统工作示意图；
图4是基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关工作下的ge2sb2te5在不同结晶状态下的光学常数图：(a)折射率(b)消光系数；
图5是当ge2sb2te5处于不同结晶状态下的光学对比度图；
图6是当ge2sb2te5处于不同结晶状态下的xrd结构图；
图7是当ge2sb2te5处于不同结晶状态下混合波导处的光学模式分布图：(a)非晶态(b)30％结晶(c)60％结晶(d)100％结晶。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明，本实例只适用于对本发明进行进一步的详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
按照图1设计基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关的结构；按照图2在soi基底上进行一系列加工，以制备si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关；按照图3的系统装置图搭建外置皮秒激光诱导相变和连续激光控制波导中光传输系统。
实施例1
步骤一，将soi基片旋涂电子束光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成矩形波导和两端光栅结构；
步骤二，进行第二次旋涂电子束光刻胶与电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成ge2sb2te5、ito的溅射窗口。利用磁控溅射镀膜仪，在溅射窗口上分别镀25nm厚的ge2sb2te5和10nm厚的ito；
步骤三，将制备好的基片依次用丙酮，酒精进行超声波清洗，再用去离子水冲洗，彻底去除光刻胶；
步骤四，将制备好的基片放入图3的工作系统中；
步骤五，调制外置皮秒激光，在波导混合区域si-ge2sb2te5上聚焦皮秒激光。通过调节激光器泵浦能量和连续衰减片调整激光辐照能量，使其输出一系列及光脉冲序列。在激光脉冲的作用下，相变材料ge2sb2te5发生不同程度的相变，在晶态和非晶态中得到多态变化，不同态下的光学常数如图4所示，通过分析发现，晶态的ge2sb2te5具有较大的折射率和消光系数。不同态下的光学对比度和xrd图谱分别由图5，图6所示；
步骤六，调制连续激光，使连续激光器输出c波段通信波长，经过偏振控制器，调整为te偏振态。激光通过光栅耦合器导入波导结构中；
步骤七，通过模拟分析，得到不同相变态下光学模式在si-ge2sb2te5混合波导中的变化，如图7所示。通过分析发现，晶态ge2sb2te5由于具有较大的折射率，导致原本在si波导中传输的光学模式向晶态ge2sb2te5移动。并且由于其具有较大的消光系数，导致对光能量吸收较大，非晶态则相反；
步骤八，对si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关性能分析发现，不同ge2sb2te5结晶状态，对波导中的光学模式存在位置有很大影响，结晶度越高，耦合进ge2sb2te5的光越多，对实现开关的多级操作具有支撑作用和深远意义。在该技术成熟后可以实现大规模光路中的开关控制，能广泛应用于光通信领域。
以上所述的具体描述，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明，以上所述只是本发明的具体实施案例，并不限定于本发明的保护范围。凡是本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，其特征在于，相变材料ge2sb2te5与单模si波导直接耦合，ge2sb2te5通过磁控溅射技术沉积在si波导的定义窗口上，形成混合波导区域；同时波导的输入输出端采用光栅耦合器结构。
2.按照权利要求1所述的基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，其特征在于，si波导为te单模矩形结构，光栅耦合器位于矩形结构的两端；ge2sb2te5材料直接覆盖在si波导上，与波导直接接触。
3.按照权利要求1所述的基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，其特征在于，si波导厚度选择为220nm，宽度选择为500nm；ge2sb2te5的厚度选择为25nm，宽度选择为450nm。
4.按照权利要求1所述的基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，其特征在于，ge2sb2te5材料上覆盖一层ito薄膜，ito层厚度选择为10nm，宽度选择为450nm。
5.按照权利要1所述的基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关，其特征在于，ge2sb2te5的相变过程由外置皮秒激光实现，通过调节激光脉冲数量和能量实现多态相变。
6.制备如权利要求1-5任一项所述的基于si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：si-ge2sb2te5混合波导的片上光子多级开关制备：将soi基片旋涂电子束光刻胶，进行电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成矩形波导和两端光栅结构；进行第二次旋涂电子束光刻胶和电子束曝光，通过反应离子刻蚀形成ge2sb2te5、ito的溅射窗口；
步骤二：用磁控溅射镀膜仪进行ge2sb2te5和ito层的溅射。随后将基片依次放入丙酮、酒精溶液中，在超声仪中进行超声清洗，再用去离子水冲洗；
步骤三：使一系列脉冲能量低于ge2sb2te5晶化阈值的光脉冲通过外置光源打在ge2sb2te5上；利用可调谐激光器在波导的输入端输入c波段的光波，利用光电探测器测定此时光波导的透过率，记为tn1，标定此时的开光状态为n1；
步骤四：调节外置光源能量和脉冲数量，使脉冲能量高于ge2sb2te5晶化阈值，得到不同结晶态，利用可调谐激光器在波导的输入端输入c波段的光波，利用光电探测器测定此时光波导的透过率tn2，tn3,tn4……标定此时的开光状态为n2，n3，n4……。
技术总结