本发明涉及光学元器件，特别涉及一种基于soi片的电控相变型非易失性2×3光波导开关结构及相变电控方法。
背景技术：
1、随着现代社会对数据交换需求的不断扩大，亟需新的高带宽、低延迟通信解决方案。由于光本身所具备的高传输速度、更大的工作带宽等优势，使得以光作为载体的光通信技术受到广泛关注。光波导开关是通信技术领域的一项重大突破。在过去，电子开关是主要的通信网络组件，但随着通信需求的增长，电子开关面临着瓶颈。光波导开关填补了这一空白，为通信技术带来了新的可能性。光波导开关的高速和低功耗特性使其成为实现高带宽、长距离通信的理想选择。
2、soi（silicon on insulator, 绝缘体上硅）晶圆片是一种类似三明治的夹层式结构，包括顶层硅薄膜（器件层），中间埋氧层（二氧化硅层）和底层的硅衬底。受益于二氧化硅与硅之间的大折射率差，使得光信号可以很好的限制在顶层硅中，是性能优异的波导材料，且具有与cmos工艺兼容的优势，为高速和低功耗的大规模硅光子集成器件提供了良好的解决方案。光学相变材料（phase change materials，pcms）是指通过外部刺激（如光、电、热等）而发生可逆性相变的材料，可以实现光学存储、光学开关、光学调制等应用。相变材料在外部能量激发下具有稳定的晶态或非晶态两种形态，且当激发条件完成后，某一相态能够保持稳定的特性，为硅基光通信中的光开关器件带来更多的应用可能。四元硫族化合物ge2sb2se4te1（gsst）相变薄膜是一种高折射率材料，具有优良的红外透过性能和独特的光敏特性，很适合做光波导材料。gsst与soi结合，容易实现高性价比的微型化和大规模集成的硅基光波导器件。文献提供了一种基于gsst薄膜材料的1×1微环结构光开关，在1547.4nm处显示出18db的消光比，开和关状态下的插入损耗均小于1db。（参见文献：optical switch based on ge2sb2se4te1-assisted racetrack microring. photonics.2022; 9(2):117.）。文献提供了一种基于ge2sb2se4te1（gsst）材料的1×2微环谐振器，用于内存计算；它在直通端口和下行端口分别表现出30.22db和29.64db的消光比，在非晶态下，插入损耗约0.16db，在晶态下，直通端口的插入损耗约0.93db（参见文献：high-performance on-chip racetrack resonator based on gsst-slot for in-memorycomputing. nanomaterials. 2023; 13(5):837）。这类基于微环谐振腔结构的光开关采用弯曲波导，加工实验难度大，容易造成插入损耗和串扰，不利于在光开关网络中大规模集成。
3、目前，基于相变材料的光开关需要利用相变材料的高折光系数变换特性进行光通道调控，现有的主要技术是通过直接加热控制使相变材料在晶态和非晶态之间转换达到高折光系数变换。在光开关器件中利用脉冲发生系统进行电控加热致相变的结构设计还未见报道。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有高消光比，低插入损耗，结构简单，尺寸紧凑，能耗低和切换速率快等特性的电控相变非易失性2×3光波导开关及电控方法。
2、为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术是提供一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，它包括2×3光波导结构，脉冲发生系统；所述的2×3光波导结构，在二氧化硅衬底上相互平行且相间设置3条直条形硅波导和2条直条形复合波导；所述的直条形复合波导在硅层上依次沉积相变薄膜层和导电电极层，2条直条形复合波导的硅层两端分别设置电极对；所述的脉冲发生系统产生亚纳秒级窄带电压脉冲信号，输入电极对，用于调控直条形复合波导相变薄膜层的电致相变，控制光波导结构中光信号的传输。
3、本发明所述的脉冲发生系统采用fpga的可编程时钟电路，产生多个时钟信号，通过对时钟信号边沿的分解和合成，利用信号通道间的游标效应，获得亚纳秒级窄带电压脉冲。
4、本发明所述的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，各波导的间距相等，为0.1~0.2μm；所述的2×3光波导结构的长度为40~45μm，宽度为2~3μm；所述直条形硅波导的宽度为0.2~0.6μm，高度为0.1~0.5μm；所述直条形复合波导的宽度为0.2~0.3μm，总高度为0.3~0.4μm，其中，相变薄膜层高度为0.01~0.1μm，导电电极层高度为0.3~0.7μm。
5、本发明提供的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，其相变薄膜层材料为包括ge2sb2se4te1元素组成的化合物。
6、本发明技术方案还包括一种电控相变的非易失性2×3光波导开关的电控方法，步骤如下：
7、（1）构建2×3光波导结构
8、在二氧化硅衬底上相互平行且相间设置3条直条形硅波导和2条直条形复合波导；直条形复合波导在硅层上依次沉积相变薄膜层和导电电极层，2条直条形复合波导的硅层两端分别设置电极对；
9、（2）生成电压脉冲信号：
10、采用fpga的可编程时钟电路产生多个时钟信号，通过对时钟信号边沿的分解和合成，利用信号通道间的游标效应，得到亚纳秒级窄带电压脉冲信号；
11、（3）将获得的亚纳秒级窄带电压脉冲信号分别输入至电极对，用于调控直条形复合波导相变薄膜层的电致相变，控制光波导结构中光信号的传输。
12、本发明提供的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关的电控方法，光波导结构中光信号的传输包括如下状态：
13、（1）光信号从第一条直条形硅波导的输入端口i1输入时
14、控制第一条直条形复合波导相变薄膜层为晶态，不满足相位匹配条件，光信号从第一条直条形硅波导的输出端口o1输出；
15、控制第一条直条形复合波导的相变薄膜层为非晶态，第二条直条形复合波导的相变薄膜层为晶态，满足相位匹配条件，光信号从第二条直条形硅波导的输出端口o2输出；
16、控制第二条直条形复合波导相变薄膜层为非晶态，第二条直条形复合波导的相变薄膜层为非晶态，满足相位匹配条件，光信号从第三条直条形硅波导的输出端口o3输出。
17、（2）光信号从第二条直条形硅波导的输入端口i2输入时
18、控制第一条直条形复合波导的相变薄膜层为非晶态，第二条直条形复合波导的相变薄膜层为晶态时，满足相位匹配条件，光信号从第一条直条形硅波导的输出端口o1输出；
19、控制第一条直条形复合波导相变薄膜层为晶态，第二条直条形复合波导的相变薄膜层为晶态，不满足相位匹配条件，光信号从第二条直条形硅波导的输出端口o2输出；
20、控制第一条直条形复合波导的相变薄膜层为晶态，第二条直条形复合波导的相变薄膜层为非晶态，满足相位匹配条件，光信号从第三条直条形硅波导的输出端口o3输出。
21、本发明采用电控方法改变材料的相态达到光开关切换功能，具有高效能、快速响应、精确控制和易于集成等优势。利用现场可编程门阵列（field programmed gate array,fpga）产生可调脉冲电压，具有更高的灵活性和可编程性，可根据需要进行编程，产生不同频率、幅度和宽度的脉冲信号，利用脉冲发生系统进行电控加热诱导相变材料晶化和非晶化， 控制致相变，实现从而光开关切换。
22、本发明提供的光波导开关通过金属或金属氧化物导电电极控制相变材料在晶态和非晶态间切换，且相变薄膜的晶态或非晶态完成后，当下一个电压脉冲到来之前，相变膜将保持完成后的相态，光路的通或断的状态将保持不变，即光信号在光波导链路中的传输具有非易失性，且不需要持续供电，也使得该类型光开关具有较低的能耗。
23、与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：
24、1．本发明采用直条形波导结构，结构简单，易于模式控制。在soi基片的硅-二氧化硅衬底上刻蚀条形硅波导、沉积和刻蚀四元硫系相变薄膜和电极结构，波导采用条形结构且波导间相互平行更有利于实验中制备，减少加工难度。
25、2.本发明提供的一种基于soi片的电控相变型非易失性2×3光波导开关结构及制备，提出了对复合波导结构上的金属或金属氧化物导电电极结构施加幅度和时间可控的电脉冲信号，产生足够的电磁热诱导相变薄膜在晶态与非晶态之间转变，控制光信号从两端口输入，三端口输出，实现六路光开关的切换传输功能。相比于现有的1×1、1×2光开关，拥有更高的数据传输能力，在全光网络中有更好的应用前景。
1.一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，其特征在于：它包括2×3光波导结构，脉冲发生系统；所述的2×3光波导结构，在二氧化硅衬底（10）上相互平行且相间设置3条直条形硅波导（1、2、3）和2条直条形复合波导（6、8）；所述的直条形复合波导在硅层（6、8）上依次沉积相变薄膜层（7、9）和导电电极层（4、5），2条直条形复合波导的硅层两端分别设置电极对（11、12）；所述的脉冲发生系统产生亚纳秒级窄带电压脉冲信号，输入电极对（11、12），用于调控直条形复合波导相变薄膜层（7、9）的电致相变，控制光波导结构中光信号的传输。
2.根据权利要求1所述的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，其特征在于：所述的脉冲发生系统采用fpga的可编程时钟电路，产生多个时钟信号，通过对时钟信号边沿的分解和合成，利用信号通道间的游标效应，获得亚纳秒级窄带电压脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，其特征在于：各波导的间距相等，为0.1~0.2μm；所述的2×3光波导结构的长度为40~45μm，宽度为2~3μm；所述直条形硅波导的宽度为0.2~0.6μm，高度为0.1~0.5μm；所述直条形复合波导的宽度为0.2~0.3μm，总高度为0.3~0.4μm，其中，相变薄膜层高度为0.01~0.1μm，导电电极层高度为0.3~0.7μm。
4.根据权利要求1所述的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关，其特征在于：所述的相变薄膜层材料为包括ge2sb2se4te1元素组成的化合物。
5. 一种电控相变的非易失性2×3光波导开关的电控方法，其特征在于包括如下步骤：
6. 根据权利要求5所述的一种电控相变的非易失性2×3光波导开关的电控方法，其特征在于光波导结构中光信号的传输包括如下状态：
