基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關：原理、設計與應用探索

一、引言1.1研究背景與意義隨著5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術的飛速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長。據(jù)統(tǒng)計，過去十年間，全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量增長了數(shù)倍，預計未來幾年仍將保持高速增長態(tài)勢。在這樣的背景下，光通信作為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡的核心支撐技術，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)主要通過波分復用（WDM）技術來提高通信容量，即利用不同波長的光信號在同一根光纖中傳輸，從而增加傳輸信道數(shù)量。然而，隨著傳輸容量逐漸逼近香農(nóng)極限，WDM技術的提升空間越來越有限。為了滿足不斷增長的通信需求，尋找新的復用維度成為光通信領域的研究熱點。模分復用（MDM）技術作為一種具有潛力的解決方案，近年來受到了廣泛關注。MDM技術利用光纖中不同的空間模式作為獨立的傳輸信道，在同一波長下實現(xiàn)多個信號的并行傳輸，從而顯著提高了光通信系統(tǒng)的傳輸容量。與傳統(tǒng)的WDM技術相比，MDM技術可以在不增加波長資源的情況下，有效地增加傳輸信道數(shù)量，為光通信系統(tǒng)的擴容提供了新的途徑。例如，在一根多模光纖中，可以同時傳輸多個模式的光信號，每個模式都可以攜帶獨立的信息，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在模分復用系統(tǒng)中，模式復用光波導開關是實現(xiàn)模式選擇、切換和復用的關鍵器件。它能夠根據(jù)需要將不同模式的光信號路由到相應的輸出端口，實現(xiàn)靈活的光信號交換和處理。模式復用光波導開關的性能直接影響著模分復用系統(tǒng)的傳輸效率、可靠性和靈活性。例如，在數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)網(wǎng)絡中，模式復用光波導開關可以實現(xiàn)不同服務器之間的高速光信號交換，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃裕辉陂L途光傳輸網(wǎng)絡中，模式復用光波導開關可以實現(xiàn)不同模式的光信號在不同光纖之間的切換，提高傳輸容量和靈活性?？芍貥嬆Ｊ綇陀霉獠▽ч_關則具有更高的靈活性和可擴展性，能夠根據(jù)實際需求動態(tài)地調(diào)整光信號的傳輸路徑和模式，適應不同的通信場景和業(yè)務需求。與傳統(tǒng)的固定模式復用光波導開關相比，可重構模式復用光波導開關可以在不改變硬件結構的情況下，通過外部控制信號實現(xiàn)光信號的靈活路由和模式切換，具有更高的適應性和可擴展性。例如，在5G網(wǎng)絡的前傳和中傳場景中，可重構模式復用光波導開關可以根據(jù)用戶的實時需求，動態(tài)地調(diào)整光信號的傳輸路徑和模式，提高網(wǎng)絡資源的利用率和通信質(zhì)量。光學相變材料是一類具有獨特光學性質(zhì)的材料，其在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變能夠引起光學性質(zhì)的顯著變化，如折射率、消光系數(shù)等。這種特性使得光學相變材料在光通信領域具有廣闊的應用前景。將光學相變材料應用于可重構模式復用光波導開關中，可以實現(xiàn)光信號的高速、低功耗切換和復用。通過控制光學相變材料的相態(tài)，可以改變光波導的傳輸特性，從而實現(xiàn)光信號在不同模式之間的切換和路由。與傳統(tǒng)的基于電光效應、熱光效應等的光開關相比，基于光學相變材料的光開關具有非易失性、高速切換、低功耗等優(yōu)點，能夠有效地提高光通信系統(tǒng)的性能和效率。綜上所述，基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的研究對于提升光通信系統(tǒng)的容量、靈活性和效率具有重要意義，有望為未來高速、大容量的光通信網(wǎng)絡提供關鍵技術支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在可重構模式復用光波導開關的研究方面，國內(nèi)外科研人員已取得了一系列成果。國外如美國、日本和歐洲的一些科研機構和高校，在早期便開展了相關研究。美國的一些研究團隊利用硅基光子學技術，成功實現(xiàn)了基于熱光效應的模式復用光波導開關，通過精確控制波導的溫度來改變光信號的傳輸模式，實現(xiàn)了基本的模式切換功能。然而，這種基于熱光效應的開關存在響應速度較慢、功耗較高的問題，限制了其在高速光通信系統(tǒng)中的應用。日本的科研人員則專注于基于電光效應的可重構模式復用光波導開關的研究，通過在鈮酸鋰等電光材料中引入特殊的波導結構，實現(xiàn)了光信號的快速切換和模式復用。雖然電光效應具有響應速度快的優(yōu)點，但這種開關需要較高的驅(qū)動電壓，且制備工藝復雜，不利于大規(guī)模集成。在國內(nèi)，清華大學、上海交通大學、蘇州大學等高校和科研機構也在可重構模式復用光波導開關領域展開了深入研究。清華大學的研究團隊提出了一種基于微環(huán)諧振器的模式復用光波導開關，利用微環(huán)諧振器的諧振特性實現(xiàn)了光信號在不同模式之間的高效耦合和切換。該開關具有體積小、集成度高的優(yōu)點，但也存在諧振波長對溫度和工藝變化較為敏感的問題。上海交通大學的研究人員則致力于開發(fā)基于液晶材料的可重構模式復用光波導開關，通過控制液晶分子的取向來改變光波導的折射率，從而實現(xiàn)光信號的模式切換。液晶材料具有低功耗、易于驅(qū)動的特點，但液晶開關的響應速度相對較慢，且對環(huán)境溫度較為敏感。在光學相變材料的應用研究方面，國外在材料的基礎研究和器件應用方面取得了顯著進展。美國的研究團隊在硫系相變材料的研究中，深入探究了材料的相變機理和光學性質(zhì)變化規(guī)律，為其在光通信器件中的應用提供了堅實的理論基礎。他們利用硫系相變材料成功制備了可重構的光存儲器件和光調(diào)制器，展示了相變材料在光信息處理領域的巨大潛力。歐洲的科研人員則專注于將光學相變材料應用于超表面和納米光子學器件中，通過設計特殊的納米結構，實現(xiàn)了對光場的精確調(diào)控和可重構光學功能。例如，他們利用相變材料制備的可重構超表面，能夠?qū)崿F(xiàn)光束的動態(tài)轉(zhuǎn)向和聚焦，為新型光學器件的設計提供了新思路。國內(nèi)在光學相變材料的研究和應用方面也取得了重要成果。中國科學院物理研究所的研究團隊在相變材料的制備和性能優(yōu)化方面取得了突破，開發(fā)出了具有高性能的新型相變材料。他們將這些材料應用于可重構微納光學器件中，實現(xiàn)了光信號的高速、低功耗調(diào)控。蘇州大學的科研人員則將光學相變材料應用于光波導器件中，提出了基于相變材料的可重構模式復用光波導開關的設計方案。通過控制相變材料的相態(tài)，實現(xiàn)了光信號在不同模式之間的快速切換和復用，顯著提高了光開關的性能和效率。盡管國內(nèi)外在可重構模式復用光波導開關和光學相變材料應用方面取得了一定的進展，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有可重構模式復用光波導開關的性能仍有待提高，如插入損耗、消光比、響應速度和功耗等方面，難以滿足未來高速、大容量光通信系統(tǒng)的嚴格要求。在光學相變材料的應用中，材料的穩(wěn)定性、相變均勻性以及與光波導結構的兼容性等問題也需要進一步解決。本研究將針對上述問題，深入研究基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的設計、制備和性能優(yōu)化，旨在開發(fā)出高性能、低功耗、易于集成的可重構模式復用光波導開關，為光通信技術的發(fā)展提供新的解決方案。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關展開，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：器件結構設計：深入研究光學相變材料的特性，結合光波導理論，設計出新型的可重構模式復用光波導開關結構。通過對波導的尺寸、形狀、材料組合以及相變材料的分布位置和厚度等參數(shù)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)高效的模式復用和切換功能。例如，設計一種基于微納結構的光波導開關，利用相變材料在納米尺度下的量子限域效應，增強對光場的調(diào)控能力，提高開關的性能。工作原理分析：基于光學相變材料的相變機理，分析可重構模式復用光波導開關的工作原理。研究在不同相態(tài)下，相變材料對光波導中光信號的傳輸特性（如折射率、光強分布、相位等）的影響機制，建立相應的理論模型，為器件的性能優(yōu)化提供理論基礎。通過理論分析，揭示相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，光信號在波導中模式轉(zhuǎn)換和路由的物理過程。性能研究與優(yōu)化：運用數(shù)值模擬方法，對所設計的可重構模式復用光波導開關的性能進行全面研究。重點分析插入損耗、消光比、響應速度、功耗等關鍵性能指標，并通過參數(shù)優(yōu)化和結構改進，提高器件的綜合性能。例如，通過優(yōu)化波導的耦合長度和相變材料的相變時間，降低插入損耗，提高響應速度；通過調(diào)整相變材料的摻雜濃度和退火工藝，改善材料的穩(wěn)定性和均勻性，提高消光比。制備工藝研究：探索適合于制備基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的工藝方法。研究相變材料與光波導材料的集成工藝，解決材料兼容性、界面質(zhì)量等問題，確保器件的高質(zhì)量制備。采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)等薄膜制備技術，在光波導表面均勻沉積相變材料薄膜；利用光刻、刻蝕等微加工工藝，精確控制波導和相變材料的結構尺寸。實驗驗證與分析：制備基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關樣品，并搭建實驗測試平臺，對器件的性能進行實驗驗證。將實驗結果與理論分析和數(shù)值模擬結果進行對比，分析誤差產(chǎn)生的原因，進一步優(yōu)化器件的設計和制備工藝。通過實驗測試，驗證器件在不同工作條件下的模式復用和切換功能，評估其性能指標是否滿足設計要求。應用探索：探索基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關在光通信、光計算、光傳感等領域的潛在應用。研究其在實際應用場景中的性能表現(xiàn)和適用性，為推動其產(chǎn)業(yè)化應用提供技術支持。例如，將該開關應用于數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)網(wǎng)絡中，測試其在高速數(shù)據(jù)傳輸和交換中的性能；將其應用于光傳感器件中，研究其對不同物理量的傳感特性和靈敏度。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將采用以下研究方法：理論分析方法：運用光學原理、電磁理論、材料科學等相關知識，建立基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的理論模型。通過理論推導和分析，深入研究器件的工作原理、性能特性以及與材料和結構參數(shù)的關系。例如，利用麥克斯韋方程組和波動光學理論，分析光信號在光波導中的傳輸特性和模式耦合機制；運用材料熱力學和動力學理論，研究相變材料的相變過程和特性。數(shù)值模擬方法：采用專業(yè)的光學仿真軟件，如COMSOLMultiphysics、Lumerical等，對可重構模式復用光波導開關進行數(shù)值模擬。通過建立精確的物理模型，模擬光信號在器件中的傳輸過程，分析器件的性能指標，為器件的設計和優(yōu)化提供依據(jù)。利用有限元法、時域有限差分法等數(shù)值計算方法，求解麥克斯韋方程組，模擬光場在波導中的分布和傳播；通過參數(shù)掃描和優(yōu)化算法，尋找最佳的器件結構和參數(shù)配置。實驗研究方法：搭建實驗平臺，開展基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的制備和性能測試實驗。通過實驗手段，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結果，探索新的現(xiàn)象和規(guī)律，優(yōu)化器件的性能。利用薄膜制備設備、微加工設備等制備器件樣品；使用光譜分析儀、光功率計、高速探測器等測試設備，對器件的光學性能進行全面測試和分析。二、相關理論基礎2.1光學相變材料特性2.1.1常見光學相變材料介紹光學相變材料是一類能夠在外界刺激下發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，并且在不同相態(tài)下展現(xiàn)出顯著光學性質(zhì)差異的材料。這類材料在光通信、光存儲、光顯示等領域具有廣泛的應用前景。常見的光學相變材料主要包括硫系化合物、金屬氧化物等。硫系化合物是目前研究最為廣泛的光學相變材料之一，其中Ge?Sb?Se?Te?（GSST）是一種典型的代表。在晶態(tài)下，GSST具有較高的折射率，其折射率實部通常在4.0左右，這使得光在其中傳播時，由于折射率的差異，能夠與材料產(chǎn)生較強的相互作用，從而實現(xiàn)對光信號的有效調(diào)控。同時，晶態(tài)GSST的消光系數(shù)相對較低，這意味著光在傳播過程中的能量損耗較小，有利于光信號的長距離傳輸和高效處理。當GSST處于非晶態(tài)時，其光學性質(zhì)發(fā)生明顯變化。非晶態(tài)GSST的折射率實部會降低至約3.5，這種折射率的變化為實現(xiàn)光信號的調(diào)制和切換提供了基礎。通過控制材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變，就可以改變光在其中的傳播特性，從而實現(xiàn)光信號的路由和處理。此外，非晶態(tài)GSST的消光系數(shù)會顯著增大，這使得光在材料中的傳播受到較大的衰減，從而可以用于實現(xiàn)光信號的開關控制。當需要關閉光信號時，將GSST轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，光信號就會被強烈衰減，無法有效傳播；而當需要開啟光信號時，將GSST轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，光信號就可以順利通過。除了GSST，Ge?Sb?Te?（GST）也是一種重要的硫系相變材料。GST在晶態(tài)和非晶態(tài)下的光學性質(zhì)差異同樣顯著。晶態(tài)GST的折射率實部約為4.5，消光系數(shù)較低，適合光信號的穩(wěn)定傳輸。非晶態(tài)GST的折射率實部降至約3.8，消光系數(shù)增大，這種特性使得GST在光存儲領域得到了廣泛應用。在光存儲中，通過激光的照射，使GST在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入、讀取和擦除。金屬氧化物中的VO?也是一種具有獨特光學相變特性的材料。VO?在室溫下處于絕緣相，具有較低的電導率和相對較高的折射率。當溫度升高到其相變溫度（約68℃）時，VO?會發(fā)生從絕緣相到金屬相的轉(zhuǎn)變。在金屬相下，VO?的電導率急劇增加，同時折射率也發(fā)生明顯變化，消光系數(shù)增大。這種相變特性使得VO?在光開關、光調(diào)制器等光電器件中具有潛在的應用價值。通過控制溫度或施加電場等方式，可以使VO?發(fā)生相變，從而實現(xiàn)對光信號的快速調(diào)制和開關控制。2.1.2相變機理及調(diào)控方法光學相變材料的相變機理主要涉及材料內(nèi)部原子排列結構的變化。以硫系化合物為例，在晶態(tài)下，原子呈有序排列，形成規(guī)則的晶格結構。這種有序排列使得電子的運動狀態(tài)較為穩(wěn)定，從而導致材料具有特定的光學性質(zhì)，如較高的折射率和較低的消光系數(shù)。當材料受到外界刺激，如光、熱、電等作用時，原子獲得足夠的能量，開始打破原有的有序排列，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的非晶態(tài)結構。在非晶態(tài)下，原子的排列失去了周期性，電子的運動狀態(tài)變得更加復雜，這使得材料的光學性質(zhì)發(fā)生顯著變化，如折射率降低，消光系數(shù)增大。對于VO?等金屬氧化物，其相變機理主要是基于電子結構的變化。在絕緣相時，VO?中的V原子通過共價鍵與周圍的O原子結合，形成穩(wěn)定的晶體結構。當溫度升高或受到電場等外界刺激時，V原子的電子云分布發(fā)生變化，導致V-V鍵的形成，材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧?。在這個過程中，電子的傳輸特性發(fā)生改變，進而引起光學性質(zhì)的變化。實現(xiàn)光學相變材料相變狀態(tài)控制的方法主要有光激發(fā)、熱激發(fā)和電激發(fā)等。光激發(fā)是利用特定波長和強度的光照射相變材料，光子的能量被材料吸收，激發(fā)原子或電子的躍遷，從而引發(fā)相變。例如，在光存儲應用中，通過聚焦的激光束照射GST材料，激光的能量使GST從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入；而通過較弱的激光讀取反射光的強度變化，就可以判斷材料的相態(tài)，從而讀取存儲的數(shù)據(jù)。熱激發(fā)是通過改變材料的溫度來實現(xiàn)相變。當溫度升高到相變材料的熔點以上時，材料會發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，隨后在快速冷卻過程中，可以形成非晶態(tài)；而當溫度升高到接近晶化溫度時，材料可以從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。在實際應用中，可以通過微加熱器等方式精確控制相變材料的溫度，實現(xiàn)相態(tài)的調(diào)控。例如，在基于相變材料的光開關中，通過控制微加熱器的功率，調(diào)節(jié)相變材料的溫度，從而實現(xiàn)光信號的開關控制。電激發(fā)則是利用電場的作用來誘導相變。在電場作用下，材料內(nèi)部的電荷分布發(fā)生改變，導致原子間的相互作用力發(fā)生變化，進而引發(fā)相變。例如，通過在相變材料上施加電壓，利用電場的焦耳熱效應使材料升溫，實現(xiàn)相態(tài)的轉(zhuǎn)變；或者利用電場直接作用于材料的電子結構，引發(fā)相變。這種方法具有響應速度快、易于集成等優(yōu)點，在可重構光電器件中具有重要的應用前景。2.2光波導與模式復用原理2.2.1光波導基本原理與結構光波導是一種能夠引導光波在其中傳播的介質(zhì)裝置，其工作原理基于光的全反射現(xiàn)象。當光線從高折射率的介質(zhì)進入低折射率的介質(zhì)時，如果入射角大于臨界角，光線就會被完全反射回高折射率的介質(zhì)中，從而實現(xiàn)光在特定區(qū)域內(nèi)的傳輸。在實際的光波導結構中，通常由一個高折射率的芯層和一個低折射率的包層組成。以光纖為例，其芯層一般由高純度的二氧化硅或其他高折射率材料制成，包層則由折射率稍低的材料包圍芯層。當光信號注入到光纖芯層時，由于芯層和包層之間的折射率差異，光在芯層與包層的界面上發(fā)生全反射，從而被限制在芯層內(nèi)傳播，實現(xiàn)了長距離的光信號傳輸。常見的光波導結構除了光纖這種圓柱形結構外，還有平面（薄膜）介質(zhì)光波導和條形介質(zhì)光波導等集成光波導結構。平面介質(zhì)光波導通常是在一個折射率較低的基片上，通過微電子工藝鍍上一層折射率較高的介質(zhì)膜，再覆蓋一層折射率較低的材料形成。這種結構簡單，易于制作，常用于光集成電路中的光信號傳輸和處理。例如，在一些光傳感器件中，平面介質(zhì)光波導可以將光信號傳輸?shù)矫舾袇^(qū)域，實現(xiàn)對物理量的檢測。條形介質(zhì)光波導則是在折射率為n的基體中形成一個折射率為n1（n1>n）的長條，通過精確控制長條的尺寸和形狀，將光波局限在長條內(nèi)傳播。這種結構常用于制作光的分路器、耦合器、開關等功能器件。在光通信系統(tǒng)中，條形介質(zhì)光波導可以作為光開關的核心部件，通過控制波導的傳輸特性，實現(xiàn)光信號的快速切換和路由。光波導的結構對光傳輸特性有著重要影響。波導的尺寸，如芯層的直徑或?qū)挾?，會影響光的傳輸模式和傳輸損耗。較小的芯層尺寸可以支持單模傳輸，減少模式色散，提高光信號的傳輸質(zhì)量，但同時也會增加光的耦合難度和傳輸損耗。而較大的芯層尺寸則可以支持多模傳輸，增加傳輸容量，但會引入模式色散，導致光信號在傳輸過程中發(fā)生畸變。波導的材料特性，如折射率、吸收系數(shù)等，也會對光傳輸產(chǎn)生影響。高折射率的材料可以增強光的束縛能力，減少傳輸損耗；而材料的吸收系數(shù)則決定了光在傳輸過程中的能量衰減程度。例如，在一些基于硅基材料的光波導中，由于硅材料的折射率較高，可以有效地限制光在波導內(nèi)傳播，但硅材料在某些波長下存在一定的吸收損耗，需要通過優(yōu)化材料制備工藝和波導結構來降低這種損耗。2.2.2模式復用技術原理模式復用技術是在光波導中利用光的不同空間模式來實現(xiàn)多路信號傳輸?shù)募夹g。在多模光波導中，由于光波導的尺寸和結構特點，光可以以多種不同的模式進行傳播。這些模式在波導中的電場和磁場分布不同，具有不同的傳播常數(shù)和相位特性。例如，在階躍折射率多模光纖中，光可以以LP01、LP11、LP21等多種模式傳播，每種模式都有其獨特的光場分布和傳輸特性。模式復用技術的核心原理是利用這些不同模式之間的空間正交性，將多個獨立的信號分別加載到不同的模式上，在同一根光波導中實現(xiàn)并行傳輸。由于不同模式之間的光場分布相互獨立，它們在傳輸過程中相互干擾較小，從而可以有效地提高光波導的傳輸容量。在一個支持N個模式的多模光波導中，理論上可以同時傳輸N路獨立的信號，相比于單模傳輸，傳輸容量得到了N倍的提升。模式復用在光通信中具有顯著的優(yōu)勢。它能夠在不增加光纖數(shù)量和波長資源的情況下，大幅提高光通信系統(tǒng)的傳輸容量。隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長，傳統(tǒng)的光通信技術面臨著容量瓶頸，模式復用技術為解決這一問題提供了新的途徑。模式復用還可以提高頻譜效率，降低通信成本。通過在同一波長下復用多個模式，減少了對波長資源的需求，從而可以更有效地利用有限的頻譜資源。同時，由于減少了所需的光纖數(shù)量和光器件數(shù)量，降低了系統(tǒng)的建設和維護成本。然而，模式復用技術也面臨一些挑戰(zhàn)。不同模式之間存在模間色散，即不同模式的傳播速度不同，導致信號在傳輸過程中發(fā)生時延差，限制了傳輸距離和傳輸速率。模式的耦合和分離也需要精確的控制，以確保信號的高效傳輸和低串擾。為了解決這些問題，研究人員不斷探索新的技術和方法，如采用特殊的波導結構設計、模式變換器和數(shù)字信號處理算法等，以提高模式復用系統(tǒng)的性能。2.3光波導開關工作原理2.3.1傳統(tǒng)光波導開關工作機制傳統(tǒng)的光波導開關有多種類型，其中馬赫-曾德爾干涉儀型（MZI）光波導開關是較為常見的一種。MZI型光波導開關主要由兩個3dB定向耦合器和兩條長度可調(diào)節(jié)的光波導臂組成。其工作原理基于光的干涉效應。當輸入光信號進入第一個3dB定向耦合器時，光信號被平均分成兩束，分別進入兩條光波導臂。這兩條光波導臂的長度通?？梢酝ㄟ^外部控制手段（如熱光效應、電光效應等）進行調(diào)節(jié)。以基于熱光效應的MZI型光波導開關為例，當對其中一條光波導臂施加一定的熱量時，該波導臂的溫度會發(fā)生變化，由于材料的熱光系數(shù)，其折射率也會相應改變。根據(jù)光的傳播理論，光在不同折射率的介質(zhì)中傳播時，其相位會發(fā)生變化。這樣，兩束光在經(jīng)過不同折射率的波導臂后，到達第二個3dB定向耦合器時，它們之間的相位差就會發(fā)生改變。當相位差滿足一定條件時，兩束光在第二個3dB定向耦合器處會發(fā)生相長干涉或相消干涉。通過精確控制波導臂的溫度，從而調(diào)節(jié)相位差，就可以實現(xiàn)光信號在不同輸出端口的選擇，達到開關的功能。MZI型光波導開關具有結構簡單、易于集成的優(yōu)點。由于其采用平面光波導結構，可以通過微電子工藝在同一芯片上實現(xiàn)多個開關的集成，為大規(guī)模光通信系統(tǒng)的構建提供了便利。其對光信號的調(diào)制精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的光信號切換和路由。然而，這種開關也存在一些局限性?；跓峁庑腗ZI型光波導開關響應速度較慢，一般在毫秒量級。這是因為熱光效應的作用機制是通過改變波導的溫度來實現(xiàn)折射率的變化，而溫度的變化需要一定的時間來達到穩(wěn)定，這限制了其在高速光通信場景中的應用。熱光效應的功耗相對較高，需要消耗較多的能量來實現(xiàn)波導溫度的調(diào)節(jié)。另一種常見的傳統(tǒng)光波導開關是基于電光效應的定向耦合器型光波導開關。這種開關由兩條平行的光波導組成，在一定長度范圍內(nèi)，兩條光波導之間存在一定的耦合系數(shù)。基于電光效應，當在兩條波導上施加一定的電場時，波導材料的折射率會發(fā)生變化，從而改變波導之間的耦合系數(shù)。通過控制電場的大小和方向，可以精確調(diào)節(jié)耦合系數(shù)，實現(xiàn)光信號在兩條波導之間的耦合和切換。當耦合系數(shù)為0時，光信號只在輸入波導中傳播；當耦合系數(shù)達到一定值時，光信號會全部耦合到另一條波導中輸出。基于電光效應的定向耦合器型光波導開關具有響應速度快的優(yōu)點，一般可以達到納秒量級，能夠滿足高速光通信的需求。然而，這種開關需要較高的驅(qū)動電壓，通常在幾伏到幾十伏之間。高驅(qū)動電壓不僅增加了驅(qū)動電路的復雜性和成本，還可能對整個光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。由于電光效應與材料的特性密切相關，對于材料的選擇和制備工藝要求較高，增加了器件制備的難度和成本。2.3.2基于光學相變材料的光波導開關新機制基于光學相變材料的光波導開關則利用了相變材料獨特的光學性質(zhì)變化來實現(xiàn)光信號的切換和路由。其基本原理是通過控制相變材料的相態(tài)（晶態(tài)和非晶態(tài)），改變光波導的傳輸特性，從而實現(xiàn)光信號在不同模式之間的切換和路由。以在條形介質(zhì)光波導表面覆蓋光學相變材料薄膜為例，當相變材料處于晶態(tài)時，其折射率較高，與波導芯層的折射率差相對較小，光在波導中傳播時，更多地集中在波導芯層內(nèi)，此時光信號按照波導的正常模式進行傳輸。當通過外部刺激（如光激發(fā)、熱激發(fā)或電激發(fā)）使相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，其折射率降低，與波導芯層的折射率差增大，光場的分布會發(fā)生改變。部分光會泄漏到相變材料區(qū)域，導致光在波導中的傳播模式發(fā)生變化。通過精確控制相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)光信號在不同模式之間的切換，進而實現(xiàn)光信號的路由和開關功能。與傳統(tǒng)的光波導開關相比，基于光學相變材料的光波導開關具有一些顯著的優(yōu)勢。這種開關具有非易失性，即當外部刺激撤銷后，相變材料能夠保持當前的相態(tài)，光信號的傳輸狀態(tài)也能夠保持穩(wěn)定，無需持續(xù)的能量輸入來維持開關狀態(tài)。這與基于熱光效應或電光效應的傳統(tǒng)開關不同，后者在外部控制信號撤銷后，開關狀態(tài)會立即恢復到初始狀態(tài)?；诠鈱W相變材料的光波導開關響應速度較快，一般可以達到納秒到微秒量級。這是因為相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變可以在短時間內(nèi)完成，相比基于熱光效應的傳統(tǒng)開關，大大提高了響應速度。由于相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變過程中不需要消耗大量的能量來維持溫度或電場的變化，因此這種開關的功耗較低。然而，基于光學相變材料的光波導開關也面臨一些挑戰(zhàn)。相變材料的穩(wěn)定性是一個重要問題。在多次相變循環(huán)后，相變材料可能會出現(xiàn)性能退化，如相變速度變慢、折射率變化幅度減小等，這會影響開關的長期可靠性和性能穩(wěn)定性。相變材料與光波導結構的兼容性也是一個需要解決的問題。在制備過程中，需要確保相變材料與光波導材料之間具有良好的界面質(zhì)量，避免因界面缺陷導致光信號的散射和損耗增加。如何精確控制相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)對光信號的精確調(diào)控，也是當前研究的重點和難點之一。三、基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關設計3.1總體結構設計3.1.1結構組成與布局本研究設計的基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關，以2×4模式復用光開關為例，其整體結構如圖1所示。該開關主要由輸入波導、模式復用區(qū)域、相變材料控制區(qū)域和輸出波導四部分組成。輸入波導部分包含兩根輸入波導，分別標記為Input1和Input2，用于接收外部輸入的光信號。這兩根輸入波導采用條形介質(zhì)光波導結構，其芯層由高折射率的硅材料制成，包層則為低折射率的二氧化硅材料。通過精確控制芯層的寬度和高度，使其能夠支持特定模式的光信號傳輸。在本設計中，輸入波導的芯層寬度為5μm，高度為2μm，這樣的尺寸可以有效支持基模（LP01）和一階模（LP11）的穩(wěn)定傳輸。模式復用區(qū)域是實現(xiàn)不同模式光信號復用的關鍵部分。它由一系列特殊設計的波導結構組成，包括傾斜波導和多模干涉波導。傾斜波導的作用是將輸入波導中的不同模式光信號進行分離和重新組合，以實現(xiàn)模式的復用。多模干涉波導則利用多模干涉原理，進一步優(yōu)化模式的耦合和傳輸效率。在模式復用區(qū)域中，不同波導之間通過漸變過渡的結構進行連接，以減少光信號在傳輸過程中的反射和散射損耗。相變材料控制區(qū)域位于模式復用區(qū)域的兩側(cè)，是實現(xiàn)光開關可重構功能的核心部分。該區(qū)域覆蓋有光學相變材料，如Ge?Sb?Se?Te?（GSST）。通過外部控制手段，如光激發(fā)、熱激發(fā)或電激發(fā)，可以使相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間切換。在晶態(tài)下，GSST的折射率較高，與周圍波導材料的折射率匹配度較好，光信號能夠在波導中正常傳輸；而在非晶態(tài)下，GSST的折射率降低，與波導材料的折射率差異增大，從而改變光信號的傳輸路徑，實現(xiàn)光開關的切換功能。輸出波導部分包含四根輸出波導，分別標記為Output1、Output2、Output3和Output4，用于輸出經(jīng)過模式復用和切換后的光信號。輸出波導同樣采用條形介質(zhì)光波導結構，其尺寸和材料與輸入波導相同。為了確保光信號能夠高效地耦合到輸出波導中，輸出波導與模式復用區(qū)域之間采用了特殊的錐形過渡結構，以實現(xiàn)光場的平滑過渡和高效耦合。在空間布局上，整個光開關結構采用平面集成設計，各部分之間緊密連接，以減小器件的尺寸和光信號的傳輸損耗。輸入波導和輸出波導平行排列，模式復用區(qū)域和相變材料控制區(qū)域位于它們之間，形成一個緊湊的整體。通過這種布局設計，不僅可以提高光開關的集成度，還有利于實現(xiàn)光信號的快速切換和模式復用。[此處插入2×4模式復用光開關的結構示意圖，清晰展示各部分的連接方式和空間布局]3.1.2設計思路與創(chuàng)新點本設計的思路主要基于對當前光通信容量需求的不斷增長以及傳統(tǒng)模式復用光波導開關存在的不足。隨著數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)的光通信技術面臨著容量瓶頸，而模分復用技術作為一種有效的解決方案，能夠在不增加波長資源的情況下提高通信容量。然而，傳統(tǒng)的模式復用光波導開關在靈活性、可重構性和性能方面存在一定的局限性，難以滿足復雜多變的通信需求?；诖耍狙芯恐荚谠O計一種基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關，通過充分利用光學相變材料的獨特性質(zhì)，實現(xiàn)光信號的高效模式復用和靈活切換。具體來說，利用光學相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變所引起的光學性質(zhì)變化，如折射率的顯著差異，來精確控制光信號在波導中的傳輸路徑和模式。通過外部控制手段改變相變材料的相態(tài)，就可以實現(xiàn)光信號在不同輸出端口之間的切換，從而滿足不同通信場景下的需求。在結構設計上，本研究提出了一種新穎的模式復用區(qū)域結構，通過結合傾斜波導和多模干涉波導，實現(xiàn)了不同模式光信號的高效分離、復用和傳輸。傾斜波導能夠根據(jù)光信號的模式特性，將其引導到不同的傳輸路徑上，從而實現(xiàn)模式的初步分離；多模干涉波導則利用多模干涉原理，進一步優(yōu)化模式之間的耦合效率，確保光信號在不同模式之間的高效傳輸和復用。這種結構設計不僅提高了模式復用的效率，還降低了模式之間的串擾，提高了光開關的性能。在材料應用方面，選用性能優(yōu)異的光學相變材料Ge?Sb?Se?Te?（GSST），其在晶態(tài)和非晶態(tài)下的光學性質(zhì)差異顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定的光信號切換。GSST具有較低的相變閾值和較快的相變速度，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)相態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而滿足光開關對響應速度的要求。GSST還具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，在多次相變循環(huán)后仍能保持其光學性質(zhì)的穩(wěn)定性，保證了光開關的長期可靠運行。與傳統(tǒng)的模式復用光波導開關相比，本設計具有以下創(chuàng)新點：一是實現(xiàn)了光開關的可重構功能，能夠根據(jù)實際通信需求動態(tài)調(diào)整光信號的傳輸路徑和模式，提高了光通信系統(tǒng)的靈活性和適應性；二是利用光學相變材料的非易失性，在外部控制信號撤銷后，光開關能夠保持當前的開關狀態(tài)，無需持續(xù)的能量輸入來維持，降低了功耗；三是通過優(yōu)化結構設計，有效降低了模式之間的串擾和光信號的傳輸損耗，提高了光開關的性能和效率。3.2關鍵部件設計3.2.1含傾斜波導結構的1×2復用開關單元設計含傾斜波導結構的1×2復用開關單元是可重構模式復用光波導開關的關鍵組成部分，其結構設計對光信號的模式傳輸和耦合起著決定性作用。該單元主要由輸入波導、傾斜波導和兩個輸出波導組成，其中傾斜波導與輸入波導和輸出波導之間存在特定的角度和位置關系。傾斜波導結構對模式傳輸和耦合的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。當光信號從輸入波導進入傾斜波導時，由于傾斜波導的特殊結構，光場的分布會發(fā)生改變。根據(jù)模式耦合理論，不同模式的光信號在傾斜波導中的傳播常數(shù)和相位特性不同，這使得它們在傾斜波導中的傳輸路徑和耦合效率也存在差異。對于基模（LP01）和一階模（LP11），它們在傾斜波導中的有效折射率不同，導致在傳輸過程中產(chǎn)生不同的相移。這種相移差異使得不同模式的光信號在傾斜波導與輸出波導的耦合區(qū)域，能夠以不同的強度耦合到不同的輸出波導中，從而實現(xiàn)模式的分離和復用。在通過相變材料實現(xiàn)1×2開關功能方面，該開關單元在傾斜波導的特定區(qū)域覆蓋有光學相變材料，如Ge?Sb?Se?Te?（GSST）。當相變材料處于晶態(tài)時，其折射率與周圍波導材料的折射率匹配度較好，光信號在波導中的傳輸路徑基本不受影響，按照正常的模式傳輸規(guī)律，從輸入波導經(jīng)過傾斜波導后，耦合到其中一個輸出波導中。當通過外部控制手段（如光激發(fā)、熱激發(fā)或電激發(fā)）使相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，其折射率發(fā)生顯著變化，與周圍波導材料的折射率差異增大。這會導致光場的分布發(fā)生改變，光信號在傾斜波導中的傳輸路徑也隨之改變。原本耦合到一個輸出波導的光信號，由于相變材料折射率的變化，會更多地耦合到另一個輸出波導中，從而實現(xiàn)光信號在兩個輸出波導之間的切換，完成1×2開關的功能。為了實現(xiàn)高效的模式復用和開關功能，在設計含傾斜波導結構的1×2復用開關單元時，需要精確控制多個關鍵參數(shù)。傾斜波導的傾斜角度是一個重要參數(shù)，它直接影響光信號在傾斜波導中的傳播特性和耦合效率。通過數(shù)值模擬和理論分析可知，當傾斜角度在一定范圍內(nèi)時，能夠?qū)崿F(xiàn)不同模式光信號的有效分離和耦合。對于本設計中的基模和一階模，傾斜角度在5°-10°之間時，能夠獲得較好的模式分離和耦合效果。傾斜波導的長度也對光信號的傳輸和耦合有重要影響。如果傾斜波導長度過短，光信號在其中的相移不足，無法實現(xiàn)有效的模式分離；而如果長度過長，則會增加光信號的傳輸損耗。經(jīng)過優(yōu)化計算，在本設計中，傾斜波導的長度為20μm時，能夠在保證模式分離效果的同時，將傳輸損耗控制在較低水平。相變材料的厚度和分布位置也需要精確控制。相變材料的厚度會影響其折射率變化的幅度和對光場的調(diào)控能力。較厚的相變材料可以產(chǎn)生更大的折射率變化，但也可能增加光信號的吸收損耗。在本設計中，通過模擬和實驗驗證，確定相變材料的厚度為50nm時，能夠在實現(xiàn)有效光信號切換的同時，將吸收損耗控制在可接受范圍內(nèi)。相變材料的分布位置應位于傾斜波導中對光場影響最大的區(qū)域，以確保能夠精確控制光信號的傳輸路徑。[此處插入含傾斜波導結構的1×2復用開關單元的結構示意圖，清晰展示各部分的連接方式和傾斜角度等參數(shù)]3.2.2結構對稱的2×2復用開關單元設計結構對稱的2×2復用開關單元在可重構模式復用光波導開關中起著實現(xiàn)光信號靈活切換和高效模式復用的關鍵作用。該單元采用對稱結構，具有獨特的優(yōu)勢。對稱結構使得光信號在傳輸過程中具有更好的平衡性和穩(wěn)定性。由于結構的對稱性，光信號在不同路徑上的傳輸特性基本相同，減少了因結構差異導致的信號畸變和損耗差異。這有助于提高光開關的整體性能，降低信號的串擾和傳輸損耗，確保光信號能夠準確、穩(wěn)定地傳輸?shù)侥繕溯敵龆丝?。該對稱結構便于集成和擴展。在大規(guī)模光通信系統(tǒng)中，需要將多個光開關單元集成在一起，形成復雜的光交換網(wǎng)絡。對稱結構的2×2復用開關單元具有良好的兼容性和可擴展性，能夠方便地與其他光開關單元進行級聯(lián)和組合，從而構建出大規(guī)模、高性能的光交換網(wǎng)絡。該2×2復用開關單元實現(xiàn)光信號切換和模式復用的工作原理基于模式耦合和干涉效應。單元主要由兩個輸入波導、兩個輸出波導以及中間的耦合區(qū)域組成。在耦合區(qū)域，通過精確設計波導的結構和參數(shù)，使得不同模式的光信號能夠發(fā)生有效的耦合和干涉。當光信號從輸入波導輸入時，根據(jù)模式耦合理論，不同模式的光信號在耦合區(qū)域會與其他波導中的模式發(fā)生耦合。由于波導結構的對稱性，光信號在兩個輸入波導中的傳輸特性相同，在耦合區(qū)域，它們會以特定的方式相互作用。通過控制耦合區(qū)域的長度、波導之間的間距以及材料的折射率等參數(shù)，可以實現(xiàn)不同模式光信號在輸出波導中的選擇性輸出。在實現(xiàn)模式復用時，利用不同模式光信號在耦合區(qū)域的相位差和干涉特性，將多個模式的光信號進行復用。例如，對于基模（LP01）和一階模（LP11），通過調(diào)整耦合區(qū)域的參數(shù)，使得它們在輸出波導中發(fā)生相長干涉或相消干涉，從而實現(xiàn)不同模式光信號的有效復用。當需要將基模和一階模同時傳輸?shù)揭粋€輸出波導時，可以通過精確控制耦合區(qū)域的參數(shù)，使這兩個模式在該輸出波導中發(fā)生相長干涉，增強輸出光信號的強度；而當需要將它們分別傳輸?shù)讲煌妮敵霾▽r，則可以通過調(diào)整參數(shù)，使它們在不同的輸出波導中發(fā)生相長干涉或相消干涉，實現(xiàn)模式的分離和輸出。在設計結構對稱的2×2復用開關單元時，有幾個關鍵要點需要重點關注。耦合區(qū)域的設計至關重要。耦合區(qū)域的長度直接影響光信號的耦合效率和模式復用效果。如果耦合區(qū)域過短，光信號之間的耦合不夠充分，無法實現(xiàn)有效的模式復用和切換；而如果耦合區(qū)域過長，則會增加光信號的傳輸損耗，降低光開關的性能。通過數(shù)值模擬和理論分析，確定在本設計中，耦合區(qū)域的長度為30μm時，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的模式復用和切換效果，同時將傳輸損耗控制在較低水平。波導之間的間距也是一個關鍵參數(shù)。合適的波導間距可以確保光信號在耦合區(qū)域能夠發(fā)生有效的耦合，同時避免因波導間距過小導致的信號串擾增加。在本設計中，通過優(yōu)化計算，確定波導之間的間距為2μm時，能夠在保證耦合效率的同時，將信號串擾控制在可接受范圍內(nèi)。材料的選擇和參數(shù)優(yōu)化也不容忽視。選擇具有合適折射率和光學性能的材料，能夠提高光開關的性能。在本設計中，波導芯層采用高折射率的硅材料，包層采用低折射率的二氧化硅材料，以實現(xiàn)良好的光信號束縛和傳輸。對于相變材料，選擇性能優(yōu)異的Ge?Sb?Se?Te?（GSST），通過精確控制其相變狀態(tài)，實現(xiàn)對光信號傳輸路徑的精確調(diào)控。[此處插入結構對稱的2×2復用開關單元的結構示意圖，清晰展示各部分的連接方式和對稱結構特點]3.3材料選擇與參數(shù)優(yōu)化3.3.1光學相變材料的選擇依據(jù)在本研究中，選擇Ge?Sb?Se?Te?（GSST）作為光學相變材料，主要基于以下多方面的考慮。從材料的光學特性來看，GSST在晶態(tài)和非晶態(tài)下具有顯著的光學性質(zhì)差異。在晶態(tài)時，其折射率實部約為4.0，消光系數(shù)較低，這使得光在其中傳播時能夠保持較好的穩(wěn)定性和較低的損耗。這種特性有利于光信號在波導中的長距離傳輸和高效處理，能夠確保光信號在傳輸過程中保持較高的強度和質(zhì)量。當GSST轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，其折射率實部降低至約3.5，消光系數(shù)顯著增大。這種明顯的折射率變化為實現(xiàn)光信號的調(diào)制和切換提供了關鍵基礎。通過控制GSST的相態(tài)轉(zhuǎn)變，就可以精確地改變光在波導中的傳播特性，從而實現(xiàn)光信號的路由和處理，滿足可重構模式復用光波導開關對光信號靈活調(diào)控的需求。在相變特性方面，GSST展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。它具有較低的相變閾值，這意味著在實際應用中，只需要較小的外部刺激能量，就能夠促使GSST發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變。這不僅降低了器件的能耗，還提高了相變的效率和響應速度。GSST的相變速度較快，能夠在短時間內(nèi)完成晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。對于可重構模式復用光波導開關來說，快速的相變速度至關重要，它能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的高速切換，滿足現(xiàn)代光通信系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。從材料的穩(wěn)定性角度分析，GSST具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在多次相變循環(huán)后，GSST的光學性質(zhì)和相變特性依然能夠保持相對穩(wěn)定，這為可重構模式復用光波導開關的長期穩(wěn)定運行提供了有力保障。在實際的光通信系統(tǒng)中，光開關需要頻繁地進行切換操作，因此材料的穩(wěn)定性直接影響著光開關的使用壽命和性能可靠性。GSST的這種穩(wěn)定性優(yōu)勢，使得它成為可重構模式復用光波導開關的理想材料選擇。與其他常見的光學相變材料相比，GSST在綜合性能上具有明顯的優(yōu)勢。以Ge?Sb?Te?（GST）為例，雖然GST也是一種重要的相變材料，在光存儲等領域有廣泛應用，但其在某些方面的性能不如GSST。GST的相變速度相對較慢，在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變需要較長的時間，這在對響應速度要求較高的可重構模式復用光波導開關應用中是一個明顯的劣勢。GST在多次相變循環(huán)后的穩(wěn)定性也相對較差，容易出現(xiàn)性能退化的現(xiàn)象，這會影響光開關的長期可靠性。VO?等金屬氧化物雖然也具有獨特的光學相變特性，但與GSST相比，其應用在可重構模式復用光波導開關中存在一些局限性。VO?的相變溫度較高，通常需要升高到約68℃才能發(fā)生從絕緣相到金屬相的轉(zhuǎn)變，這在實際應用中需要額外的加熱設備和溫度控制裝置，增加了系統(tǒng)的復雜性和能耗。VO?在相變過程中的光學性質(zhì)變化相對較小，對光信號的調(diào)控能力有限，難以滿足可重構模式復用光波導開關對光信號精確調(diào)控的要求。綜上所述，基于GSST在光學特性、相變特性、穩(wěn)定性以及與其他材料的對比優(yōu)勢等多方面的考量，選擇GSST作為本研究中可重構模式復用光波導開關的光學相變材料，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)光信號的高效模式復用和靈活切換，滿足現(xiàn)代光通信系統(tǒng)對高性能光開關的需求。3.3.2波導及相關結構參數(shù)優(yōu)化波導及相關結構參數(shù)的優(yōu)化對于提高可重構模式復用光波導開關的性能至關重要。通過理論分析和數(shù)值模擬，本研究對波導尺寸、間距等關鍵參數(shù)進行了深入研究和優(yōu)化。在波導尺寸優(yōu)化方面，波導的寬度和高度對光信號的傳輸模式和傳輸損耗有著顯著影響。以輸入波導為例，當波導寬度較小時，光信號在波導中主要以基模（LP01）傳輸，模式色散較小，有利于光信號的高質(zhì)量傳輸。然而，過小的波導寬度會增加光的耦合難度，導致光信號在輸入和輸出過程中的損耗增加。當波導寬度過大時，雖然光的耦合效率會提高，但會支持更多的高階模式傳輸，引入較大的模式色散，使得光信號在傳輸過程中發(fā)生畸變，影響光開關的性能。通過數(shù)值模擬軟件（如COMSOLMultiphysics）對不同寬度和高度的波導進行模擬分析，結果如圖2所示。在本研究中，對于輸入波導，當芯層寬度為5μm，高度為2μm時，能夠在有效支持基模（LP01）和一階模（LP11）穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r，將傳輸損耗控制在較低水平。在這個尺寸下，基模和一階模的傳輸損耗分別約為0.2dB/cm和0.3dB/cm，能夠滿足光開關對低損耗傳輸?shù)囊?。[此處插入不同波導寬度和高度下光信號傳輸損耗的模擬結果圖，清晰展示損耗隨尺寸的變化趨勢]波導之間的間距也是一個關鍵參數(shù)。在模式復用區(qū)域，波導間距會影響光信號之間的耦合效率和串擾。如果波導間距過小，光信號之間的耦合會增強，但同時串擾也會增加，導致不同模式的光信號之間相互干擾，降低光開關的性能。而如果波導間距過大，光信號之間的耦合效率會降低，不利于模式的復用和切換。通過理論分析和模擬優(yōu)化，確定在模式復用區(qū)域，波導之間的間距為3μm時，能夠在保證較高耦合效率的同時，將串擾控制在可接受范圍內(nèi)。在這個間距下，模式之間的耦合效率可以達到90%以上，串擾低于-20dB，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的模式復用和低串擾的光信號傳輸。在相變材料控制區(qū)域，相變材料的厚度和分布位置對光信號的調(diào)控效果也有重要影響。相變材料的厚度會影響其折射率變化的幅度和對光場的調(diào)控能力。較厚的相變材料可以產(chǎn)生更大的折射率變化，但也可能增加光信號的吸收損耗。通過模擬分析，確定相變材料的厚度為50nm時，能夠在實現(xiàn)有效光信號切換的同時，將吸收損耗控制在可接受范圍內(nèi)。在這個厚度下，光信號在相變材料中的吸收損耗約為0.1dB/μm，不會對光開關的整體性能產(chǎn)生較大影響。相變材料的分布位置應位于波導中對光場影響最大的區(qū)域，以確保能夠精確控制光信號的傳輸路徑。在本設計中，將相變材料覆蓋在傾斜波導和模式復用區(qū)域的關鍵位置，通過精確控制相變材料的相態(tài)，實現(xiàn)對光信號傳輸路徑的有效調(diào)控。在傾斜波導與輸出波導的耦合區(qū)域覆蓋相變材料，當相變材料發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變時，能夠顯著改變光信號在該區(qū)域的耦合特性，從而實現(xiàn)光信號在不同輸出波導之間的切換。通過對波導尺寸、間距以及相變材料的厚度和分布位置等參數(shù)的優(yōu)化，可重構模式復用光波導開關的性能得到了顯著提升。優(yōu)化后的開關在插入損耗、消光比、串擾等關鍵性能指標上都有了明顯改善，能夠更好地滿足現(xiàn)代光通信系統(tǒng)對高性能光開關的需求。四、性能分析與模擬研究4.1理論分析方法4.1.1模式耦合理論分析在基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關中，光信號在波導中的傳輸涉及不同模式之間的耦合，運用模式耦合理論對這一過程進行深入分析至關重要。模式耦合理論基于麥克斯韋方程組，通過對波導中光場的矢量分析，來描述不同模式之間的能量交換和傳輸特性。在本研究設計的光波導開關中，以含傾斜波導結構的1×2復用開關單元為例，當光信號從輸入波導進入傾斜波導時，由于傾斜波導的特殊結構，不同模式的光場分布會發(fā)生改變。根據(jù)模式耦合理論，不同模式的光信號在傾斜波導中的傳播常數(shù)不同，這使得它們在傳輸過程中產(chǎn)生不同的相移。對于基模（LP01）和一階模（LP11），它們在傾斜波導中的有效折射率不同，導致在傳輸過程中相位變化存在差異。這種相位差使得不同模式的光信號在傾斜波導與輸出波導的耦合區(qū)域，能夠以不同的強度耦合到不同的輸出波導中，從而實現(xiàn)模式的分離和復用。從數(shù)學原理上，模式耦合可以用耦合模方程來描述。對于兩個相互耦合的模式，其耦合模方程可以表示為：\begin{cases}\frac{dA_1}{dz}=-j\beta_1A_1-j\kappa_{12}A_2\\\frac{dA_2}{dz}=-j\beta_2A_2-j\kappa_{21}A_1\end{cases}其中，A_1和A_2分別表示兩個模式的復振幅，\beta_1和\beta_2分別是兩個模式的傳播常數(shù)，\kappa_{12}和\kappa_{21}是耦合系數(shù)，描述了兩個模式之間的耦合強度。耦合系數(shù)與波導的結構、材料特性以及模式的場分布密切相關。在本設計的波導開關中，通過精確控制傾斜波導的傾斜角度、長度以及波導之間的間距等結構參數(shù)，可以有效地調(diào)節(jié)耦合系數(shù)，從而實現(xiàn)對模式耦合的精確控制。模式耦合在本設計的光波導開關中的作用機制主要體現(xiàn)在模式復用和開關功能的實現(xiàn)上。在模式復用方面，利用不同模式在傾斜波導中的不同傳輸特性，通過調(diào)整傾斜波導的參數(shù)，使不同模式的光信號在輸出波導中實現(xiàn)高效的復用。在開關功能方面，通過控制相變材料的相態(tài)，改變波導的折射率分布，進而改變模式的傳播常數(shù)和耦合系數(shù)，實現(xiàn)光信號在不同輸出端口之間的切換。當相變材料處于晶態(tài)時，波導的折射率分布相對穩(wěn)定，光信號按照正常的模式傳輸路徑耦合到特定的輸出波導；當相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，波導的折射率發(fā)生變化，模式的傳播常數(shù)和耦合系數(shù)也隨之改變，光信號則耦合到另一個輸出波導，從而實現(xiàn)光開關的功能。4.1.2傳輸損耗與消光比理論計算傳輸損耗和消光比是衡量基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關性能的重要指標。建立準確的理論計算模型，推導相關計算公式，對于評估和優(yōu)化開關性能具有重要意義。傳輸損耗主要源于光信號在波導中傳播時的吸收、散射以及模式耦合等因素。在本研究設計的光波導開關中，吸收損耗主要來自于波導材料和相變材料對光的吸收。對于波導材料，其吸收系數(shù)與材料的純度、雜質(zhì)含量以及波長等因素有關。在本設計中，波導芯層采用硅材料，包層采用二氧化硅材料，這些材料在特定波長范圍內(nèi)具有較低的吸收損耗。然而，當相變材料覆蓋在波導表面時，由于相變材料在不同相態(tài)下的光學性質(zhì)差異，可能會引入額外的吸收損耗。以Ge?Sb?Se?Te?（GSST）相變材料為例，在非晶態(tài)下，其消光系數(shù)相對較大，這會導致光信號在傳播過程中的吸收損耗增加。散射損耗主要是由于波導結構的不完整性、表面粗糙度以及材料的不均勻性等因素引起的。在波導的制備過程中，由于工藝的限制，波導的表面可能存在一定的粗糙度，這會導致光信號在傳播過程中發(fā)生散射，從而增加傳輸損耗。波導結構的拐角、分支以及模式轉(zhuǎn)換區(qū)域等也可能會引起散射損耗。在本設計的光波導開關中，通過優(yōu)化波導的制備工藝，減小表面粗糙度，以及采用漸變過渡的結構設計，來降低散射損耗。模式耦合損耗則是由于不同模式之間的耦合不完全匹配而導致的能量損失。在模式復用和切換過程中，需要確保不同模式的光信號能夠高效地耦合到目標波導中。然而，由于模式之間的場分布和傳播常數(shù)存在差異，在耦合過程中可能會出現(xiàn)能量泄漏，從而導致模式耦合損耗。通過精確控制波導的結構參數(shù)，如傾斜波導的傾斜角度、長度以及波導之間的間距等，優(yōu)化模式之間的耦合效率，降低模式耦合損耗。傳輸損耗的計算公式可以表示為：\alpha=\alpha_{abs}+\alpha_{sca}+\alpha_{cou}其中，\alpha表示總傳輸損耗，\alpha_{abs}表示吸收損耗，\alpha_{sca}表示散射損耗，\alpha_{cou}表示模式耦合損耗。這些損耗分量可以通過理論分析和實驗測量相結合的方法進行計算和評估。消光比是衡量光開關性能的另一個重要指標，它表示光開關在“開”和“關”兩種狀態(tài)下輸出光功率的比值。在本研究的光波導開關中，消光比的定義為：當光開關處于“開”狀態(tài)時，目標輸出端口的輸出光功率與其他非目標輸出端口的輸出光功率之比。較高的消光比意味著光開關能夠更有效地將光信號切換到目標輸出端口，減少串擾和誤碼率。消光比的計算公式為：ER=10\log_{10}\left(\frac{P_{on}}{P_{off}}\right)其中，ER表示消光比，P_{on}表示光開關處于“開”狀態(tài)時目標輸出端口的輸出光功率，P_{off}表示光開關處于“關”狀態(tài)時非目標輸出端口的輸出光功率。為了提高消光比，需要優(yōu)化波導開關的結構設計，減小模式之間的串擾，確保在“關”狀態(tài)下非目標輸出端口的輸出光功率盡可能低。通過精確控制相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變，使光信號能夠準確地耦合到目標輸出波導，減少泄漏到非目標輸出波導的光功率，從而提高消光比。4.2數(shù)值模擬方法與工具4.2.1三維時域有限差分法（FDTD）原理三維時域有限差分法（FDTD）是一種廣泛應用于電磁學領域的數(shù)值計算方法，尤其在光器件模擬中發(fā)揮著重要作用。該方法的基本原理基于麥克斯韋方程組，通過對時間和空間的離散化處理，將連續(xù)的電磁場問題轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值計算問題。FDTD方法的核心思想是將Maxwell旋度方程轉(zhuǎn)化為有限差分式，直接在時域中求解電磁場的分布。Maxwell方程的旋度方程組為：\begin{cases}\nabla\times\vec{H}=\epsilon\frac{\partial\vec{E}}{\partialt}+\sigma\vec{E}\\\nabla\times\vec{E}=-\mu\frac{\partial\vec{H}}{\partialt}-\sigma_m\vec{H}\end{cases}在直角坐標系中，上述方程組可化為六個標量方程，構成了FDTD算法的基礎。為了實現(xiàn)數(shù)值計算，首先需要在空間上建立矩形差分網(wǎng)格，即Yee網(wǎng)格。在時刻n\Deltat，場量F(x,y,z)可以寫成F(x,y,z,t)=F(i\Deltax,j\Deltay,k\Deltaz,n\Deltat)=F^n(i,j,k)。然后，利用二階精度的中心差分近似對空間和時間進行離散化處理。對空間離散時，采用如下近似：\begin{align*}\frac{\partialF(x,y,z,t)}{\partialx}\big|_{x=i\Deltax}&\approx\frac{F^n(i+\frac{1}{2},j,k)-F^n(i-\frac{1}{2},j,k)}{\Deltax}+O(\Deltax^2)\\\frac{\partialF(x,y,z,t)}{\partialy}\big|_{y=j\Deltay}&\approx\frac{F^n(i,j+\frac{1}{2},k)-F^n(i,j-\frac{1}{2},k)}{\Deltay}+O(\Deltay^2)\\\frac{\partialF(x,y,z,t)}{\partialz}\big|_{z=k\Deltaz}&\approx\frac{F^n(i,j,k+\frac{1}{2})-F^n(i,j,k-\frac{1}{2})}{\Deltaz}+O(\Deltaz^2)\end{align*}對時間離散時，采用：\frac{\partialF(x,y,z,t)}{\partialt}\big|_{t=n\Deltat}\approx\frac{F^{n+1}(i,j,k)-F^n(i,j,k)}{\Deltat}+O(\Deltat^2)在FDTD方法中，電場和磁場分量在空間交叉放置，各分量的空間相對位置適合于Maxwell方程的差分計算，能夠恰當?shù)孛枋鲭姶艌龅膫鞑ヌ匦?。同時，電場和磁場在時間上交替抽樣，抽樣時間間隔相差半個時間步，使Maxwell旋度方程離散以后構成顯式差分方程，從而可以在時間上迭代求解，而不需要進行矩陣求逆運算。具體的算法步驟如下：初始化：設定初始時刻的電場和磁場分布，以及材料參數(shù)（如介電常數(shù)\epsilon、磁導率\mu、電導率\sigma等）。時間推進：根據(jù)離散化后的Maxwell方程，在每個時間步中，依次計算電場和磁場的更新值。例如，對于電場分量E_x的更新公式為：\begin{align*}E_x^{n+1}(i,j,k)=&\frac{\Deltat}{\epsilon(i,j,k)\Deltax}\left[H_y^n(i,j+\frac{1}{2},k)-H_y^n(i,j-\frac{1}{2},k)\right.\\&\left.-H_z^n(i+\frac{1}{2},j,k)+H_z^n(i-\frac{1}{2},j,k)\right]+E_x^n(i,j,k)\end{align*}磁場分量的更新公式類似。邊界條件處理：考慮計算區(qū)域的邊界條件，如完美匹配層（PML）邊界條件，以吸收出射波，避免反射對計算結果的影響。重復迭代：不斷重復時間推進和邊界條件處理步驟，直到達到所需的模擬時間或滿足特定的收斂條件。在光器件模擬中，F(xiàn)DTD方法具有諸多優(yōu)勢。它能夠處理復雜的幾何結構和材料特性，對于基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關這樣結構復雜的器件，F(xiàn)DTD方法可以精確地模擬光在其中的傳播、散射和模式耦合等現(xiàn)象。由于FDTD方法直接在時域進行計算，能夠直觀地展示光信號隨時間的變化過程，方便研究光開關的響應速度和動態(tài)特性。它還具有較高的計算效率和靈活性，可以通過調(diào)整網(wǎng)格尺寸和時間步長來平衡計算精度和計算資源的消耗。4.2.2模擬軟件選擇與應用在本研究中，選用Lumerical軟件作為數(shù)值模擬工具，主要基于以下幾方面的考慮。Lumerical軟件集成了多種強大的仿真工具，提供了高性能的仿真引擎，能夠進行二維和三維麥克斯韋方程的求解，精確模擬微納尺度或亞波長結構與電磁波（包括紫外、可見光、紅外、太赫茲和微波區(qū)域）的相互作用。這對于研究基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關這種涉及微納結構和光與材料相互作用的問題非常關鍵。該軟件包含時域有限差分（FDTD）方法，這與本研究采用的數(shù)值模擬方法一致。FDTD方法在Lumerical軟件中得到了很好的實現(xiàn)，具有高效的計算性能和精確的計算結果。Lumerical軟件還集成了頻域有限元（FEM）和模態(tài)求解工具，用戶可以通過這些工具分析光子器件在不同頻率下的表現(xiàn)，獲得傳輸、反射和吸收等光學特性，為全面研究光波導開關的性能提供了更多的手段。在構建基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的器件模型時，Lumerical軟件的用戶友好界面發(fā)揮了重要作用。其直觀的圖形用戶界面使得用戶能夠輕松上手，無論是新手還是經(jīng)驗豐富的研究人員，都能高效地進行仿真工作。在軟件中，可以通過圖形化的操作，精確地定義波導的結構參數(shù)，如波導的寬度、高度、長度、傾斜角度等，以及相變材料的分布位置和厚度等參數(shù)。可以方便地設置材料的光學特性，如折射率、消光系數(shù)等，對于光學相變材料，還可以根據(jù)其在晶態(tài)和非晶態(tài)下的不同光學性質(zhì)進行相應的設置。在模擬分析過程中，Lumerical軟件提供了豐富的后處理功能。用戶可以可視化和分析仿真結果，直觀地觀察電場、磁場分布、能量流動和反射/透射特性，幫助更好地理解設計結果。通過軟件的可視化工具，可以清晰地看到光信號在光波導中的傳播路徑和模式分布，以及相變材料相態(tài)變化對光場的影響。軟件還能夠準確計算器件的關鍵性能指標，如插入損耗、消光比、串擾等，通過對這些指標的分析，可以評估光波導開關的性能，并為進一步的優(yōu)化設計提供依據(jù)。Lumerical軟件還支持腳本語言（如Lua），允許用戶編寫自動化腳本以執(zhí)行復雜的設計迭代、后處理和優(yōu)化任務。通過編寫腳本，可以實現(xiàn)對多個參數(shù)的自動掃描和優(yōu)化，快速找到最優(yōu)的器件結構和參數(shù)配置，大大提高了研究效率。軟件還與其他Ansys工具和第三方EDA工具兼容，支持電磁、熱學和電氣等多物理場的聯(lián)合仿真，這對于研究光波導開關在實際工作環(huán)境中的性能表現(xiàn)具有重要意義。4.3模擬結果與分析4.3.1不同狀態(tài)下的光傳輸特性模擬利用Lumerical軟件，采用三維時域有限差分法（FDTD）對基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關在不同狀態(tài)下的光傳輸特性進行了模擬。首先，模擬了相變材料處于晶態(tài)時的光傳輸情況。在這種狀態(tài)下，以輸入基模（LP01）光信號為例，從輸入波導進入開關后，通過模式復用區(qū)域的傳輸過程如圖3所示。可以清晰地看到，光信號在輸入波導中以基模的形式穩(wěn)定傳輸，進入模式復用區(qū)域后，由于傾斜波導和多模干涉波導的作用，光信號按照設計的路徑進行傳播，最終高效地耦合到目標輸出波導中。在整個傳輸過程中，光場主要集中在波導芯層內(nèi)，包層中的光場強度較弱，這表明波導對光信號具有良好的束縛能力，能夠有效減少光信號的泄漏和損耗。[此處插入相變材料處于晶態(tài)時，輸入基模光信號在光波導開關中的電場分布模擬圖，清晰展示光場在各部分的分布情況]當相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，再次模擬輸入基模光信號的傳輸過程。模擬結果顯示，由于相變材料折射率的變化，光場的分布發(fā)生了顯著改變。在相變材料控制區(qū)域，光場不再完全局限于波導芯層，部分光場泄漏到相變材料區(qū)域，導致光信號的傳輸路徑發(fā)生改變。原本耦合到特定輸出波導的光信號，由于光場分布的變化，更多地耦合到了其他輸出波導，從而實現(xiàn)了光信號在不同輸出端口之間的切換。這種光場分布的變化和傳輸路徑的改變，直觀地展示了基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的工作原理和可重構特性。[此處插入相變材料處于非晶態(tài)時，輸入基模光信號在光波導開關中的電場分布模擬圖，清晰展示光場在各部分的分布情況以及與晶態(tài)時的差異]對于不同模式的光信號，模擬結果也顯示出明顯的差異。當輸入一階模（LP11）光信號時，在相變材料處于晶態(tài)的情況下，光信號在模式復用區(qū)域的傳輸路徑與基模有所不同。由于一階模的光場分布特性，其在傾斜波導和多模干涉波導中的傳播和耦合方式也與基模不同。在輸出波導中，一階模光信號的光場分布呈現(xiàn)出與基模不同的形態(tài)，這表明不同模式的光信號在波導中的傳輸具有獨特的特性。[此處插入相變材料處于晶態(tài)時，輸入一階模光信號在光波導開關中的電場分布模擬圖，清晰展示光場在各部分的分布情況以及與基模的差異]當相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，輸入一階模光信號的傳輸路徑同樣發(fā)生了改變。與基模類似，由于相變材料折射率的變化，光場分布改變，導致光信號在輸出波導中的耦合情況發(fā)生變化，實現(xiàn)了一階模光信號在不同輸出端口之間的切換。通過對不同模式光信號在不同相變狀態(tài)下的傳輸特性模擬，深入了解了模式復用和切換的物理過程，為進一步優(yōu)化器件性能提供了依據(jù)。4.3.2性能參數(shù)模擬結果分析對基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關的關鍵性能參數(shù)進行了模擬分析，包括插入損耗、消光比等，并研究了這些參數(shù)隨波長、相變狀態(tài)等因素的變化規(guī)律。首先，分析插入損耗隨波長的變化情況。模擬結果如圖4所示，在相變材料處于晶態(tài)時，對于不同模式的光信號，插入損耗在一定波長范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定。以基模為例，在波長為1550nm附近，插入損耗約為0.5dB，這表明在該波長下，光信號在波導中傳輸時的能量損失較小，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的傳輸。隨著波長的增加或減小，插入損耗略有增加，但總體變化不大。這是因為在該波長范圍內(nèi)，波導材料和相變材料的光學性質(zhì)相對穩(wěn)定，對光信號的吸收和散射損耗較小。[此處插入相變材料處于晶態(tài)時，插入損耗隨波長變化的模擬結果圖，清晰展示插入損耗的變化趨勢]當相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，插入損耗明顯增加。在1550nm波長處，基模的插入損耗增加到約1.2dB。這是由于非晶態(tài)相變材料的折射率與晶態(tài)時不同，導致光場分布發(fā)生改變，部分光場泄漏到相變材料區(qū)域，增加了光信號的吸收和散射損耗。不同模式的光信號在非晶態(tài)下的插入損耗增加幅度也有所不同，一階模的插入損耗增加相對更大，這與不同模式光場分布對相變材料折射率變化的敏感程度有關。消光比也是衡量光波導開關性能的重要指標。模擬結果顯示，在相變材料處于晶態(tài)時，開關的消光比較高，對于基模和一階模，消光比均能達到20dB以上。這意味著在晶態(tài)下，光信號能夠有效地耦合到目標輸出波導，而泄漏到其他非目標輸出波導的光功率較低，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的光信號切換效果。[此處插入相變材料處于晶態(tài)時，消光比隨波長變化的模擬結果圖，清晰展示消光比的變化趨勢]當相變材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)時，消光比略有下降，但仍能保持在15dB以上。在1550nm波長處，基模的消光比為16dB左右。消光比的下降主要是由于相變材料相態(tài)變化導致光場分布改變，使得部分光信號泄漏到非目標輸出波導，降低了光信號在目標輸出波導和非目標輸出波導之間的功率差異。通過對消光比隨波長和相變狀態(tài)的變化分析，了解到在不同工作條件下光開關的信號切換能力，為優(yōu)化光開關性能提供了重要參考。綜合分析插入損耗和消光比等性能參數(shù)的模擬結果，基于光學相變材料的可重構模式復用光波導開關在一定程度上能夠滿足光通信系統(tǒng)的要求。在晶態(tài)下，開關具有較低的插入損耗和較高的消光比，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、準確的光信號切換和模式復用。在非晶態(tài)下，雖然插入損耗有所增加，消光比略有下降，但仍在可接受范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)光信號在不同輸出端口之間的有效切換。通過進一步優(yōu)化器件結構和材料參數(shù)，有望進一步降低插入損耗，提高消光比，提升光開關的性能，以更好地滿足未來光通信系統(tǒng)對高性能光開關的需求。五、實驗研究與驗證5.1實驗準備5.1.1實驗材料與器件制備本實驗所需的主要材料包括硅片、二氧化硅、光學相變材料Ge?Sb?Se?Te?（GSST）等。硅片作為波導結構的襯底材料，從專業(yè)的半導體材料供應商處采購，其純度達到99.999%以上，表面平整度優(yōu)于0.1nm，以確保在制備波導結構時能夠提供良好的基礎。二氧化硅用于制作波導的包層，通過化學氣相沉積（CVD）的方法在硅片表面生長，其厚度和均勻性可以通過精確控制CVD設備的工藝參數(shù)來實現(xiàn)。光學相變材料GSST是實驗的關鍵材料，采用磁控濺射的方法在實驗室中制備。在制備過程中，首先對濺射設備進行嚴格的清潔和校準，以確保濺射環(huán)境的純凈和穩(wěn)定性。將純度為99.99%的GSST靶材安裝在濺射設備的靶臺上，將經(jīng)過清洗和預處理的硅片放置在樣品臺上。在濺射過程中，精確控制濺射功率、濺射時間、氬氣流量等參數(shù)。濺射功率設置為100W，以保證原子具有足夠的能量沉積在硅片表面；濺射時間根據(jù)所需的GSST薄膜厚度進行調(diào)整，通過多次實驗確定，當濺射時間為60分鐘時，可以得到厚度約為50nm的GSST薄膜，該厚度在模擬和理論分析中被證明能夠?qū)崿F(xiàn)較好的光信號調(diào)控效果；氬氣流量控制在20sccm，以維持穩(wěn)定的濺射氣氛。在濺射完成后，對制備的GSST薄膜進行退火處理，退火溫度為200℃，退火時間為30分鐘，以改善薄膜的結晶質(zhì)量和穩(wěn)定性?；诠鈱W相變材料的可重構模式復用光波導開關的器件制備工藝流程如下：波導結構制備：采用光刻和刻蝕工藝在硅片上制備波導結構。首先，在硅片表面均勻涂覆一層光刻膠，光刻膠的厚度為1μm，以確保能夠完全覆蓋硅片表面。然后，使用高精度的光刻機，通過設計好的掩模板對光刻膠進行曝光，曝光時間為10s，曝光劑量為100mJ/cm2，以精確地定義波導的形狀和尺寸。在曝光完成后，通過顯影工藝去除曝光部分的光刻膠，形成與掩模板圖案一致的光刻膠圖案。接著，采用感應耦合等離子體刻蝕（ICP）工藝對硅片進行刻蝕，刻蝕氣體為SF?和O?，刻蝕功率為150W，刻蝕時間為5分鐘，通過精確控制刻蝕參數(shù)，形成深度為2μm的波導結構。最后，通過去膠工藝去除剩余的光刻膠，得到清晰的波導結構。相變材料集成：在制備好的波導結構上，通過磁控濺射的方法沉積光學相變材料GSST。在濺射之前，對波導結構進行嚴格的清洗和預處理，以確保GSST薄膜與波導結構之間具有良好的粘附性。按照上述制備GSST薄膜的工藝參數(shù)，在波導的特定區(qū)域沉積厚度為50nm的GSST薄膜，這些特定區(qū)域包括傾斜波導和模式復用區(qū)域，以實現(xiàn)對光信號傳輸路徑的精確控制。包層制作：采用化學氣相沉積（CVD）工藝在沉積有GSST薄膜的波導結構上生長二氧化硅包層。在CVD過程中，精確控制反應氣體的流量和反應溫度，以確保二氧化硅包層的均勻性和質(zhì)量。反應氣體為SiH?和O?，流量分別控制在50sccm和100sccm，反應溫度為400℃，沉積時間為60分鐘，最終得到厚度為3μm的二氧化硅包層，將波導和相變材料完全覆蓋，保護其免受外界環(huán)境的影響。電極制作：為了實現(xiàn)對相變材料的電激發(fā)控制，在相變材料區(qū)域的表面制作電極。采用電子束蒸發(fā)的方法在GSST薄膜表面蒸發(fā)金屬電極，金屬材料為金（Au），電極的厚度為100nm。通過光刻和刻蝕工藝，精確控制電極的形狀和位置，確保電極能夠有效地施加電場，激發(fā)相變材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變。在器件制備過程中，每一步工藝都經(jīng)過嚴格的質(zhì)量檢測和控制。使用原子力顯微鏡（AFM）對GSST薄膜的表面平整度和厚度均勻性進行檢測，確保薄膜的表面粗糙度小于1nm，厚度均勻性誤差控制在±5nm以內(nèi)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對波導結構的尺寸和形狀進行觀察和測量，確保波導的尺寸精度達到±50nm。通過這些嚴格的質(zhì)量控制措施，保證了制備的可重構模式復用光波導開關器件的質(zhì)量和性能。5.1.2實驗設備與測量方法實驗中使用的主要設備包括寬帶光源、光探測器、光譜分析儀、光功率計、高速脈沖發(fā)生器等。寬帶光源采用超連續(xù)譜光源，其輸出波長范圍為1200nm-1600nm，輸出功率為10mW，能夠提供穩(wěn)定的光信號輸入，滿足對不同波長光信號的實驗需求。光探測器選用高速、高靈敏度的光電探測器，其響應波長范圍為1100nm-1700nm，響應時間為1n