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近年来，光子晶体微腔结构[1]因具有高品质因数、易于设计等优点而受到越来越多的关注，广泛应用于通信、传感器领域。由于硅(Si)具有较高折射率，能够实现光学器件在小体积上大规模集成，并且与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)有良好的兼容性，因此被认可为是极有前途的光子学材料。硅的热光系数(thermo-optic coefficient)较高，常被用作制造光学温度传感器[2-3]。然而，这一温度敏感特性也导致硅光子器件在温度不稳定环境下的应用受到限制，如波分复用系统中的光滤波器[4]。以纯硅环形谐振滤波器为例，即使环境温度变化很小，谐振器也将失谐。故在制作复杂温度条件下工作的硅光子器件时，必须考虑硅器件的热稳定性。实现硅波导谐振滤波器温度不敏感的一种途径是在波导空隙处填充热光系数为负的包层材料，而SU-8光刻胶能够很好地满足这一要求，从而设计出一款具有良好热稳定性的光学波导。
二氧化钒(VO2)材料因其特有的热引发相变特性，自1959年被提出[5]以来就成为各领域研究的热点。2017年文献[6]在实验中通过硅光子结构中嵌入VO2相变材料，实现了波导全光开关作用。
然而由于目前对与温度不敏感的光子晶体微腔的研究极少，以往对于波导中VO2嵌入的研究虽然使用了VO2的温度相变特性，却忽略了温度对于硅波导本身的热效应[7]。为了消除温度变化时波导中硅的热光效应对VO2开关机制的影响，本文设计出一种新型的温度不敏感光子晶体微腔，将温度不敏感的性质与VO2材料的温度相变特性结合，提出一种谐振峰不随温度移动的热驱动开关，进行级联优化。该波导开关具有高消光比、谐振温度不敏感、可级联等优点，有希望实现芯片内高速、小型化光开关和光调制器。
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通常光在纯硅波导中传输时，大部分光能被限制在硅中传输，因此温度发生改变时硅的热光效应对波导的谐振情况有显著影响，只有在负热光系数聚合物包层中分布足够的光能，才能补偿硅波导的正热光效应[8-9]。为了实现波导的温度不敏感特性，在硅波导上覆盖一层SU-8光刻胶[10]包层，这种材料的热光系数为负值，可有效地减少硅波导谐振随温度的漂移，降低波导开关的温度敏感特性。
常温下，硅、SU-8和二氧化硅在波长1.6 μm附近折射率分别为3.46、1.57和1.44[11]。对于一维光子晶体波导结构，波导的有效热光系数可以表示为[12]：
$$ \begin{split} \frac{{{\rm{d}}{n_{{\rm{eff}}}}\left( \lambda \right)}}{{{\rm{d}}T}} = & {\varGamma _{{\rm{clad}}}}\left( \lambda \right)\frac{{{\rm{d}}{n_{{\rm{clad}}}}\left( \lambda \right)}}{{{\rm{d}}T}} + {\varGamma _{\rm{c}}}\left( \lambda \right)\frac{{{\rm{d}}{n_{\rm{c}}}\left( \lambda \right)}}{{{\rm{d}}T}} +\\ & {\varGamma _{{\rm{buff}}}}\left( \lambda \right)\frac{{{\rm{d}}{n_{{\rm{buff}}}}\left( \lambda \right)}}{{{\rm{d}}T}} \end{split} $$ (1) 式中，
${{{\rm{d}}{n_{{\rm{eff}}}}}\left( \lambda \right) / {{\rm{d}}T}}$ 为波导的有效热光系数；${{\rm{d}}{n_{{\rm{clad}}}}}\left( \lambda \right) / $ $ {{\rm{d}}T}$ 、${{{\rm{d}}{n_{\rm{c}}}}\left( \lambda \right) / {{\rm{d}}T}}$ 、${{{\rm{d}}{n_{{\rm{buff}}}}}\left( \lambda \right) / {{\rm{d}}T}}$ 分别为包层、芯层、二氧化硅衬底的有效热光系数；${\varGamma _{{\rm{clad}}}}$ 、${\varGamma _{\rm{c}}}$ 、${\varGamma _{{\rm{buff}}}}$ 分别表示包层、芯层、二氧化硅衬底的限制因子。波长在1.6
${\rm{\mu m}}$ 附近时，硅、SU-8和二氧化的热光系数分别为$ \rm{d}{n}_{\rm{si}}/\rm{d}T=-1.8\times {10}^{-4}{\;^\circ {\rm{C}}}^{\rm{-1}}$ ，$\rm{d}{n}_{\rm{SU-8}}/ $ $ \rm{d}T= \rm{3}.\rm{5}\times {10}^{-4}{\;^\circ {\rm{C}}}^{\rm{-1}}$ ，$ \rm{d}{n}_{{\rm{sio}}_{\rm{2}}}/\rm{d}T=1\times {10}^{-5}{\;^\circ {\rm{C}}}^{\rm{-1}}$ [13-14]。由于硅和SU-8的热光系数比二氧化硅的热光系数大一个数量级，因此忽略二氧化硅随温度改变对结构的影响。式(1)可以改写为：$$\frac{{{\rm{d}}{n_{{\rm{eff}}}}}}{{{\rm{d}}T}}\left( \lambda \right) = {\varGamma _{{\rm{si}}}}\left( \lambda \right)\frac{{{\rm{d}}{n_{{\rm{si}}}}}}{{{\rm{d}}T}}\left( \lambda \right) + {\varGamma _{{\rm{SU - 8}}}}\left( \lambda \right)\frac{{{\rm{d}}{n_{{\rm{SU - 8}}}}}}{{{\rm{d}}T}}\left( \lambda \right)$$ (2) 当
${{{\rm{d}}{n_{{\rm{eff}}}}} / {{\rm{d}}T}} = {\rm{0}}$ 时，理论上可以得到零温度敏感的波导。$ \rm{d}{n}_{\rm{si}}/\rm{d}T=-1.8\times {10}^{-4}{\;^\circ {\rm{C}}}^{-1}$ ，$\rm{d}{n}_{\rm{SU-8}}/\rm{d}T= $ $ 3.5\times {10}^{-4}{\;^\circ {\rm{C}}}^{-1}$ ，所以${\varGamma _{{\rm{si}}}}$ 应是${\varGamma _{{\rm{SU - 8}}}}$ 的1.95倍。图1为光子晶体谐振腔三维结构示意图，图2a为光子晶体谐振腔平面示意图。选取硅层厚度为220 nm，二氧化硅衬底厚度为2 μm的SOI(Silicon-on-insulator)平台。基于传统的一维光子晶体谐振腔，设计波导为对称结构，谐振腔为长半轴不同的椭圆柱，SU-8填充在椭圆硅柱周围。硅椭圆柱谐振腔的长半轴和短半轴分别设为
${R_x}$ 和${R_y}$ ，${R_{y1}}$ 和${R_{y\max }}$ 分别表示中心位置椭圆的长半轴和端部的长半轴。谐振腔内椭圆柱个数$N{\rm{ = 29}}$ ，$N = 2 {i_{\max }} - 1$ 。椭圆柱长半轴为：$${R_y}\left( i \right) = {R_{y1}} + \frac{{{{\left( {i - 1} \right)}^2}( {{R_{y\max }} - {R_{y1}}} )}}{{{{\left( {{i_{\max }} - 1} \right)}^2}}}$$ (3) 式中，i从1递增至
${i_{\max }}$ 。硅脊波导宽度1 μm，与硅波导同样厚度以及宽度的SU-8包层填充在波导空隙处。图2b、2c分别为入射波长1 591 nm，晶格周期a = 0.41 μm，Rx=0.155 μm，Ry = 0.27 μm，Ry max = 0.45 μm时，波导x-y截面与波导中心位置y-z截面的稳态电场图，光场受限制均匀分布在SU-8与硅柱中，说明波导内的光同时受这两种介质的热光效应影响。
图 1 光子晶体谐振腔三维结构示意图
图 2 稳态电场分布图(横截面图)
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为了验证SU-8的负热光效应可以有效补偿硅的正热光效应，本文使用FDTD Solutions仿真软件对纯硅波导与填充SU-8包层后的波导进行了温度影响的对比，当温度由0 °C上升至80 °C时，两种波导谐振峰的温度漂移情况如图3所示，这两种波导并未对上文的结构参数进行改动，区别仅在于有无SU-8填充。
温度灵敏度
$S = {\rm{d}}\lambda /{\rm{d}}T$ 是评估传感器性能的一个重要指标，${\rm{d}}T$ 是温度变化量，${\rm{d}}\lambda $ 是由于温度变化引起的透射谱漂移量，其含义是单位温度变化所致的透射谱变化程度。由于本文希望SU-8能有效补偿硅波导的热光效应，因此波导的温度灵敏度应尽可能低。图3a为空气包层的纯硅波导，谐振峰随温度升高发生红移，谐振波长由1 524 nm线性移动至1 536 nm，温度灵敏度达到了150 pm/°C。而对波导填充SU-8包层进行温度补偿后的谐振峰漂移如图3b所示，谐振波长集中在1 591 nm，温度改变时漂移量可以忽略不计。图4是以晶格周期a = 0.41 μm、Rx = 0.155 μm为基准，改变a与Rx大小，波导温度灵敏度随之发生改变。随着波导中SU-8的占比增大，波导谐振峰由温度升高发生红移慢慢变为温度升高发生蓝移。符合先前的预测结果，即SU-8的占比越多，光场在SU-8中分布越多。
图 3 不同环境温度下波导填充SU-8包层前后的透射谱
图 4 温度灵敏度与波导结构之间的关系
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VO2是一种可逆热致相变材料[15]，在温度高于68°C时会由半导体态单斜结构转化为金属态金红石四方结构，光学性质与电学性质发生突变，电阻率发生4个量级的变化，同时近红外的光传输率显著降低。这种材料的相变特性称之为VO2材料的金属−半导体相变(metal-semiconductor transition, MST)，而且其晶体结构相变过程的时间非常短，仅需要几纳秒至几百纳秒[16-17]。由于这些独特的特性，VO2被认为是制作高灵敏度超高速温度探测器、智能隔热窗、光电开关和光电转换单元等[18-19]的优秀材料。
为了结合VO2的温度相变特性实现波导的温度开关作用，在波导前端添加VO2贴片，如图5所示，VO2贴片的横截面尺寸与波导相同，宽度暂设为100 nm。由于VO2的温度相变特性，温度由低温升至68°C以上时，VO2贴片的光学性质发生突变，消光系数增大，波导的透射率会大幅度降低，从而达到光开关的作用。填充SU-8补偿后的波导温度开关不仅具有良好的消光性，特征峰峰值也不会随温度变化明显的漂移。本文绘制了VO2相变前后两种不同状态下开关的透射情况，图6a为波导开关在1 570～1 610 nm波长处不同温度时的透射谱，谐振峰集中在1 591 nm处，几乎无漂移。图6b为波导开关谐振峰峰值在不同温度下的透射率，由开关低温状态(ON)时的64%，降至开关高温状态(OFF)时的26%。此开关与以往大部分光子晶体光学开关不同，仅在幅值上发生了变化，而峰值位置未发生漂移。
图 5 加入VO2后的开关结构及其局部放大图
图 6 波导开关在不同温度下的透射情况
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根据上文中透射数据计算VO2波导开关的插入损耗(insertion loss)和消光比(extinction ratio)。其中插入损耗是指VO2贴片处于半导体状态下(开关ON状态)嵌入波导开关的传输损耗，为：
$${L_{{\rm{ON}}}} = - 10\lg \frac{{{P_{{\rm{out}}}}}}{{{P_{{\rm{in}}}}}}$$ (4) 式中，
${P_{{\rm{in}}}}$ 和${P_{{\rm{out}}}}$ 分别是波导开关归一化后输入和输出的光功率，其中${P_{{\rm{in}}}}{\rm{ = 1}}$ 。消光比是由VO2在半导体(开关ON状态)与金属状态(开关OFF状态)下嵌入波导后的传输效率损耗差值计算得到：$${E_{\rm{R}}} = {L_{{\rm{ON}}}} - {L_{{\rm{OFF}}}}$$ (5) 式中，
${L_{{\rm{OFF}}}}$ 是波导开关处于OFF状态时波导的传输损耗。VO2厚度对开关的插入损耗与消光比影响较大，如图7a为波长1 591 nm时波导的透射率与VO2厚度的关系，图中方形空心点表示VO2处于低温半导体状态，圆形实心点表示VO2处于高温金属状态。图7b表示$L{\rm{v}}{{\rm{o}}_{\rm{2}}}$ 从0 nm增至2 000 nm时，波导开关的插入损耗从0.8 dB线性下降至25.8 dB。图7c为波导开关消光比随VO2厚度的变化，可以看出消光比在VO2贴片厚度为1 400 nm时达到最大值22.4 dB。考虑到开关插入损耗不应过大，选择VO2贴片厚度为200 nm，此时波导开关具有约3.2 dB插入损耗和约9.5 dB的消光比。图7d为VO2贴片厚度为200 nm时，波导输出端处于ON/OFF状态下y-z截面稳态电场图，电场强度由开关ON状态切换至OFF状态时明显降低，说明开关具有良好的消光特性。
图 7 开关性能分析
此外，本文还设计了一种新的级联方法来优化波导开关结构的消光比。选取VO2贴片厚度100 nm，将两个相同的开关前后级联，拼接后如图8所示。波导开关级联个数可以增加，级联个数与波导开关损耗以及消光比之间的关系如表1所示。由表可知波导开关的级联个数越大，插入损耗越大，而消光比在4个波导进行级联时达到最大值27.46 dB，插入损耗为8.11 dB。利用这种周期性一维级联的方法可以对此类型波导开关进行量产以实现对不同消光比的需求，可以有效减少生产成本，同时降低生产工艺带来的误差，便于集成。
图 8 级联后的波导开关结构示意图
表 1 波导级联后的开关参数
级联个数 LON/dB LOFF/dB ER/dB 1 1.94 5.87 3.93 2 3.9 11.44 7.53 3 5.85 22.72 16.87 4 8.11 35.57 27.46 5 11.06 37.73 26.66 -
本文设计了一款新型一维光子晶体波导温度开关，利用VO2材料的温度相变特性作为开关机制，通过填充SU-8这一负热光系数材料来补偿硅波导谐振峰的温度敏感特性，减小了滤波后谐振峰的温度漂移。开关通过温度调控，当VO2厚度为200 nm时，波导开关在1591 nm处具有约3.2 dB插入损耗和约9.5 dB的消光比。此外，还提出了一种新的波导级联方式，通过简单级联实现开关消光比的优化。这类光开关结构体积小，易于与其他光学器件集成，在滤波与光通信方向具有良好的应用价值。
Photonic Crystal Waveguide Switch Based on VO2 Thermal Transformation
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摘要: 基于相变材料VO2，设计了一款光子晶体波导结构的光开关。通过在硅波导中填充SU-8包层对温度灵敏度做补偿，降低了波导开关的温度敏感特性。采用热驱动开关实现了1591 nm波长处约9.5 dB的消光比。同时提出一种新型级联波导来优化开关结构，实现了27.46 dB的消光比。Abstract: A photonic crystal waveguide optical switch based on the phase-change materials VO2 is designed. Through plating the SU-8 cladding material onto the waveguide to compensate the temperature effect of the silicon waveguide, the temperature dependence of the waveguide switch can be reduced. An extinction ratio of approximately 9.5 dB is achieved at 1 591 nm with a thermal actuation. In addition, a new cascaded grating is designed to optimize the switch structure and achieves an extinction ratio of 27.46 dB.
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Key words:
- optical switching devices /
- photonic crystals /
- thermo-optic effect /
- waveguides
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表 1 波导级联后的开关参数
级联个数 LON/dB LOFF/dB ER/dB 1 1.94 5.87 3.93 2 3.9 11.44 7.53 3 5.85 22.72 16.87 4 8.11 35.57 27.46 5 11.06 37.73 26.66 
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图(9) / 表(1)
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