一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，包括平面光波光路芯片、光源、輸入光纖陣列和電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置，平面光波光路芯片包括硅襯底、二氧化硅緩沖層、波導(dǎo)，以及覆蓋層，波導(dǎo)包括輸入級(jí)單模波導(dǎo)、中間級(jí)多模波導(dǎo)和n個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)；光源與輸入光纖陣列的輸入端連接，輸入光纖陣列的輸出端與輸入級(jí)單模波導(dǎo)的輸入端連接，輸入級(jí)單模波導(dǎo)的輸出端通過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)與n個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)的輸入端連接；輸入光纖陣列固定連接在電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置上。該光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)，且工藝、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。本發(fā)明還公開(kāi)了一種上述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方法，該調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，可快速實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成光子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光開(kāi)關(guān)是一種可以對(duì)光傳輸過(guò)程中的光信號(hào)進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，可以廣泛應(yīng)用在全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇和光交叉連接等功能的實(shí)現(xiàn)上。根據(jù)工作介質(zhì)分類(lèi)，光開(kāi)關(guān)可分為自由空間光開(kāi)關(guān)和平面波導(dǎo)型(文中簡(jiǎn)稱(chēng):PLC型)光開(kāi)關(guān)。
[0003]PLC型光開(kāi)關(guān)利用半導(dǎo)體工藝制備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可批量制作、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。其中基于硅上二氧化硅(英文全稱(chēng):Silica-on-Silicon，文中簡(jiǎn)稱(chēng):SoS)工藝的PLC型光開(kāi)關(guān)是較早被應(yīng)用于光通信、傳感系統(tǒng)中的PLC器件；并且其具有熱穩(wěn)定、低非線(xiàn)性、高帶寬、集成高和成本低等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的可調(diào)PLC型光開(kāi)關(guān)主要通過(guò)材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等原理，需要添加折射率調(diào)制模塊來(lái)改變多模波導(dǎo)的折射率實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)，制作工藝難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，該光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；同時(shí)，本發(fā)明還提供該光開(kāi)關(guān)芯片的調(diào)節(jié)方法，該調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，可快速實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，該光開(kāi)關(guān)包括平面光波光路芯片、光源、輸入光纖陣列和電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置，平面光波光路芯片包括娃襯底、生長(zhǎng)在娃襯底上方的二氧化硅緩沖層、生長(zhǎng)在二氧化硅緩沖層上方的波導(dǎo)，以及生長(zhǎng)在波導(dǎo)上的覆蓋層，波導(dǎo)包括輸入級(jí)單模波導(dǎo)、中間級(jí)多模波導(dǎo)和η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)，η為偶數(shù)，且η > 2 ;光源與輸入光纖陣列的輸入端連接，輸入光纖陣列的輸出端與輸入級(jí)單模波導(dǎo)的輸入端連接，輸入級(jí)單模波導(dǎo)的輸出端通過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)與η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)的輸入端連接；輸入光纖陣列固定連接在電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置上。
[0006]進(jìn)一步，所述的電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置包括六維微調(diào)架、與六維微調(diào)架連接的驅(qū)動(dòng)器，以及與驅(qū)動(dòng)器連接的調(diào)芯控制器，六維微調(diào)架夾持輸入光纖陣列，調(diào)芯控制器對(duì)輸入光纖陣列做X方向調(diào)節(jié)定位，X方向?yàn)樗矫嫔吓c平面光波光路芯片的光軸相垂直的方向。
[0007]進(jìn)一步，所述的輸入光纖陣列對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)無(wú)X方向偏移時(shí)，光信號(hào)從位于中部的輸出級(jí)單模波導(dǎo)的輸出端輸出。
[0008]一種上述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方法，該調(diào)節(jié)方法包括以下步驟:
步驟10):使用異丙醇溶液反復(fù)擦拭輸入光纖陣列的端面和平面光波光路芯片端面，直至端面干凈，然后吹干； 步驟20):放置和固定平面光波光路芯片:利用電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置中的六維微調(diào)架夾持輸入光纖陣列，利用波導(dǎo)夾具夾持平面光波光路芯片，并將平面光波光路芯片置于輸入光纖陣列一側(cè)，使得輸入光纖陣列的輸出端與平面光波光路芯片的輸入端相對(duì)；
步驟30):在輸入光纖陣列的端面點(diǎn)涂折射率匹配液，
步驟40):通過(guò)調(diào)整輸入光纖陣列的輸出端端面與平面光波光路芯片的輸入端端面之間的平行度，實(shí)現(xiàn)輸入光纖陣列與平面光波光路芯片光軸之間的平行；
步驟50):通過(guò)顯微觀(guān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸入光纖陣列的輸出端端面與平面光波光路芯片的輸入端端面之間的間隔；
步驟60):通光調(diào)整，固定輸入光纖陣列和平面光波光路芯片光軸同軸；
步驟70):對(duì)輸入光纖陣列做X方向調(diào)節(jié)定位:調(diào)芯控制器向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送偏移指令實(shí)現(xiàn)X方向的驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)六維微調(diào)架做X方向偏移，六維微調(diào)架帶動(dòng)輸入光纖陣列做X方向偏移，實(shí)現(xiàn)輸入光纖陣列X方向不同位置的定位調(diào)節(jié)，當(dāng)改變輸入光纖陣列對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)X方向偏移距離時(shí)，則改變輸入級(jí)單模波導(dǎo)內(nèi)的諧振現(xiàn)象，繼而改變中間級(jí)多模波導(dǎo)內(nèi)的干涉關(guān)系，最終改變邊緣處η重像的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換。
[0009]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)工藝難度低。本發(fā)明的一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)通過(guò)無(wú)源PLC型芯片實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)；通過(guò)微調(diào)輸入光纖陣列的橫向偏移，改變輸入級(jí)單模波導(dǎo)內(nèi)的諧振現(xiàn)象，繼而改變中間級(jí)多模波導(dǎo)內(nèi)的干涉關(guān)系，最終改變邊緣處四重像的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)。然而，現(xiàn)有的可調(diào)PLC型光開(kāi)關(guān)需要制作有源PLC型芯片實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，主要通過(guò)材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等原理改變多模波導(dǎo)的折射率實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)。制作有源PLC型芯片的工藝難度比無(wú)源PLC型芯片高。
[0010](2)結(jié)構(gòu)和調(diào)制方法簡(jiǎn)單。本發(fā)明的一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)自身無(wú)需添加折射率控制模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)微調(diào)架微調(diào)輸入端的位置實(shí)現(xiàn)輸入模場(chǎng)分布的改版，可以實(shí)現(xiàn)多種實(shí)用方案，從而可廣泛應(yīng)用于光通信、光信息處理以及光子/光電子集成；然而，現(xiàn)有的可調(diào)多模干涉型光開(kāi)關(guān)自需要添加折射率調(diào)制模塊來(lái)改變多模波導(dǎo)的折射率實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。
[0011](3)低非線(xiàn)性、低損耗和高熱穩(wěn)定性。SoS型PLC多模干涉型光開(kāi)關(guān)芯片基于石英玻璃制作，由材料特性決定其具有極低的損耗，可到0.0ldB/cm，這是其他材料無(wú)法達(dá)到的。由于石英材料為各向同性材料，從而決定基于SoS型PLC型多模干涉型光開(kāi)關(guān)芯片具有極低的非線(xiàn)性，從而可以使得光開(kāi)關(guān)適合高能量的傳輸。
[0012](4)寬工作帶寬。本發(fā)明一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。SoS型PLC芯片具有較寬的工作帶寬，可以在紅光到近紅外范圍內(nèi)工作，從而可以使得光開(kāi)關(guān)器適合多種波長(zhǎng)的傳輸。
[0013](5)高耦合效率。本發(fā)明PLC多模干涉型光開(kāi)關(guān)采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。由于石英玻璃折射率和單模光纖折射率非常接近；并且由單模條件決定PLC波導(dǎo)尺寸和單模光纖也具有很好的尺寸匹配。因此，本發(fā)明型多模干涉型光開(kāi)關(guān)和單模光纖具有極好的耦合效率，可小于0.1dB每端口。
[0014](6)制備工藝兼容性好，成本低。基于SoS光波導(dǎo)工藝制備出芯片，具備PLC工藝集成度高的特點(diǎn)?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中制作完成的硅襯底、二氧化硅緩沖層與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中制作完成的PLC芯片部分的俯視圖。
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中制作完成的波導(dǎo)橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例中制作完成覆蓋層的波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6是本發(fā)明中的電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置和輸入光纖陣列的連接示意圖。
[0021]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中不同輸入位置下的光場(chǎng)分布圖(單位:μπι)。
[0022]圖中有:平面光波光路芯片1、光源2、輸入光纖陣列3、電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4、硅襯底101、二氧化硅緩沖層102、波導(dǎo)103、覆蓋層104、輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031、中間級(jí)多模波導(dǎo)1032、輸出級(jí)單模波導(dǎo)1033、六維微調(diào)架401、驅(qū)動(dòng)器402、調(diào)芯控制器403、第一輸出級(jí)單模波導(dǎo)10331、第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)10332、第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)10333、第四輸出級(jí)單模波導(dǎo)10334。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不僅限制于實(shí)施例。
[0024]本發(fā)明的一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，包括平面光波光路芯片1、光源
2、輸入光纖陣列3和電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4。平面光波光路芯片I包括娃襯底101、生長(zhǎng)在娃襯底101上方的二氧化硅緩沖層102、生長(zhǎng)在二氧化硅緩沖層102上方的波導(dǎo)103，以及生長(zhǎng)在波導(dǎo)103上的覆蓋層104。波導(dǎo)103包括輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031、中間級(jí)多模波導(dǎo)1032和η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)1033，11為偶數(shù)，且11>2。作為優(yōu)選，η為4。光源2與輸入光纖陣列3的輸入端連接,輸入光纖陣列3的輸出端與輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031的輸入端連接,輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031的輸出端通過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)1032與η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)1033的輸入端連接；輸入光纖陣列3固定連接在電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4上。
[0025]上述結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān)中，如圖6所示，電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4包括六維微調(diào)架401、與六維微調(diào)架401連接的驅(qū)動(dòng)器402，以及與驅(qū)動(dòng)器402連接的調(diào)芯控制器403。六維微調(diào)架401夾持輸入光纖陣列3，調(diào)芯控制器403對(duì)輸入光纖陣列3做X方向調(diào)節(jié)定位，X方向?yàn)樗矫嫔吓c平面光波光路芯片I的光軸相垂直的方向。
[0026]進(jìn)一步，中間級(jí)多模波導(dǎo)1032的長(zhǎng)度使得輸出特性滿(mǎn)足:所述的輸入光纖陣列3對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031無(wú)X方向偏移時(shí),光信號(hào)從位于中部的輸出級(jí)單模波導(dǎo)1033的輸出端輸出。在此長(zhǎng)度改變X方向偏移能夠得到2η-1種不同的通光狀態(tài)和I種關(guān)狀態(tài)，2"種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，組成一個(gè)完整的IXn光開(kāi)關(guān)矩陣。而對(duì)于常規(guī)尺寸的IXn多模干涉耦合器，其中間級(jí)多模波導(dǎo)的長(zhǎng)度使得輸出特性滿(mǎn)足:在輸入光纖陣列對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)無(wú)X方向偏移時(shí)，輸出能量是四路均分的。因此對(duì)于常規(guī)IXn多模干涉耦合器，當(dāng)輸入光纖陣列3進(jìn)行X方向偏移時(shí)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一些不同的輸出狀態(tài)，卻不能構(gòu)成完整的IXn開(kāi)關(guān)矩陣，因此常規(guī)尺寸的I Xn多模干涉耦合器不能通過(guò)改變輸入光纖陣列X方向偏移構(gòu)成IXn多模干涉型光開(kāi)關(guān)。
[0027]上述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)通過(guò)六維微調(diào)架401微調(diào)輸入光纖陣列3的橫向偏移實(shí)現(xiàn)光信號(hào)調(diào)制。具體的的調(diào)節(jié)方法包括以下步驟:
步驟10):使用異丙醇溶液反復(fù)擦拭輸入光纖陣列3的端面和平面光波光路芯片I端面，直至端面干凈，然后吹干。
[0028]步驟20):放置和固定平面光波光路芯片1:利用電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4中的六維微調(diào)架401夾持輸入光纖陣列3，利用波導(dǎo)夾具夾持平面光波光路芯片1，并將平面光波光路芯片I置于輸入光纖陣列3 —側(cè),使得輸入光纖陣列3的輸出端與平面光波光路芯片I的輸入端相對(duì)。
[0029]步驟30):在輸入光纖陣列3的端面點(diǎn)涂折射率匹配液。折射率匹配液可采用M0RITEX公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，在1310nm處的折射率為1.445，與二氧化硅折射率差小于0.01，反射損耗小于50dB。當(dāng)然，折射率匹配液還可以采用其他公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。
[0030]步驟40):通過(guò)調(diào)整輸入光纖陣列3的輸出端端面與平面光波光路芯片I的輸入端端面之間的平行度，實(shí)現(xiàn)輸入光纖陣列3與平面光波光路芯片I光軸之間的平行。
[0031]步驟50):通過(guò)顯微觀(guān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸入光纖陣列3的輸出端端面與平面光波光路芯片I的輸入端端面之間的間隔。作為優(yōu)選，間隔距離為I μ In。
[0032]步驟60):通光調(diào)整，固定輸入光纖陣列3和平面光波光路芯片I光軸同軸。通光調(diào)整的過(guò)程是:在平面光波光路芯片I的輸入端一側(cè)放置一個(gè)半透半反棱鏡，通過(guò)顯微觀(guān)測(cè)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)成像光斑，確定通光效果，并實(shí)現(xiàn)通光調(diào)整。在完成通光調(diào)整后，在不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換時(shí)無(wú)需再使用顯微觀(guān)察系統(tǒng)和半透半反棱鏡。
[0033]步驟70):對(duì)輸入光纖陣列3做X方向調(diào)節(jié)定位:調(diào)芯控制器403向驅(qū)動(dòng)器402發(fā)送偏移指令實(shí)現(xiàn)X方向的驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)器402驅(qū)動(dòng)六維微調(diào)架401做X方向偏移，六維微調(diào)架401帶動(dòng)輸入光纖陣列3做X方向偏移，實(shí)現(xiàn)輸入光纖陣列3在X方向不同位置的定位調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換。
[0034]本發(fā)明的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，通過(guò)六維微調(diào)架401微調(diào)節(jié)輸入光纖陣列3的橫向偏移，從而改變多模波導(dǎo)的干涉現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)。由輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031端口輸入一定頻率的信號(hào)，經(jīng)過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)1032，輸出一定功率的η路信號(hào)。當(dāng)輸入光場(chǎng)存在橫向偏移時(shí)，則會(huì)在輸入直波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生次高階模導(dǎo)致的諧振現(xiàn)象。當(dāng)輸入光場(chǎng)的橫向偏移距離不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直波導(dǎo)內(nèi)的諧振現(xiàn)象不相同，繼而導(dǎo)致多模波導(dǎo)內(nèi)的干涉現(xiàn)象不相同，最終邊緣處η重像的相位關(guān)系發(fā)生改變，根據(jù)自鏡像原理，IXn多模干涉型光開(kāi)關(guān)產(chǎn)生不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。微調(diào)輸入位置可以通過(guò)電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而控制輸出像的強(qiáng)度，達(dá)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)的目的。
[0035]實(shí)施例:1Χ4多模干涉型光開(kāi)關(guān)。
[0036]如圖1所示，本發(fā)明的一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，包括平面光波光路芯片1、光源2、輸入光纖陣列3和電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4。平面光波光路芯片I包括硅襯底101、生長(zhǎng)在硅襯底101上方的二氧化硅緩沖層102、生長(zhǎng)在二氧化硅緩沖層102上方的波導(dǎo)103，以及生長(zhǎng)在波導(dǎo)103上的覆蓋層104。波導(dǎo)103包括輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031、中間級(jí)多模波導(dǎo)1032和4個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)1033。光源2與輸入光纖陣列3的輸入端連接，輸入光纖陣列3的輸出端與輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031的輸入端連接,輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031的輸出端通過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)1032與η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)1033的輸入端連接；輸入光纖陣列3固定連接在電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置4上。
[0037]下面以介紹上述實(shí)施例的光開(kāi)關(guān)的制備方法，包括以下步驟:
步驟10):取一硅襯底，利用濕化學(xué)法清洗硅片。利用熱氧化法在硅襯底上制備厚度15 μ m到20 μ m的二氧化硅緩沖層102。如圖2所示，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備波導(dǎo)層(103)，本實(shí)施例中硅烷和氮?dú)獾捏w積比為1:20，溫度250°C—400°C，硅烷流量為200sccm ;通過(guò)在二氧化硅中摻雜二氧化鍺得到厚度為8 μ m的波導(dǎo)層(103)，摻雜過(guò)程中鍺烷與氬氣的體積比為1:10，鍺烷與氬氣總流量為18.5SCCm。且波導(dǎo)層(103)和二氧化硅緩沖層(102)折射率差為0.4%。
[0038]步驟20):如圖3和圖4所示，在波導(dǎo)層上，利用光刻和刻蝕工藝，制備輸入位置控制的1X4多模干涉型光開(kāi)關(guān)的PLC芯片部分，包括:輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031，中間級(jí)多模波導(dǎo)1032，第一輸出級(jí)單模波導(dǎo)10331，第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)10332，第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)10333，第四輸出級(jí)單模波導(dǎo)10334。步驟20)具體包括步驟201)和步驟202)。
[0039]步驟201)光刻工藝:利用光刻工藝把掩膜版的圖形復(fù)制到波導(dǎo)層上，掩模板圖形包括輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031，中間級(jí)多模波導(dǎo)1032，第一輸出級(jí)單模波導(dǎo)10331，第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)10332，第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)10333，第四輸出級(jí)單模波導(dǎo)10334。首先，利用六甲基二硅胺烷(HMDS)對(duì)步驟10)制得的晶圓片進(jìn)行表面浸潤(rùn)處理；然后旋轉(zhuǎn)涂膠，轉(zhuǎn)速為200(T8000r/min，時(shí)間10s，將光刻膠均勻涂于波導(dǎo)層上。進(jìn)而在熱板上90°C到100°C烘30秒，然后自然冷卻。將晶圓片和掩模板圖形位置對(duì)準(zhǔn)后曝光；隨后在熱板上100°C到120°C烘30秒，然后自然冷卻。進(jìn)而采用質(zhì)量濃度為0.6%的NaOH顯影液，常溫下顯影時(shí)間為140s — 190s。顯影后進(jìn)行堅(jiān)膜烘焙，溫度110°C到140°C下烘30秒，然后自然冷卻。最后，利用高倍率顯微鏡檢查圖形質(zhì)量。
[0040]步驟202)刻蝕工藝。利用反應(yīng)離子刻蝕(反應(yīng)離子刻蝕文中簡(jiǎn)稱(chēng):RIE)工藝，Cl2為20sccm, Ar為40sccm,射頻功率100W,工作壓強(qiáng)4.67Pa,刻蝕氫化無(wú)定形娃。然后在質(zhì)量濃度為99.5%丙酮溶液中浸泡IOmin去除殘留的光刻膠，烘干后進(jìn)行SiO2波導(dǎo)的刻蝕?？涛g條件為:射頻功率80W—300W ;工作壓強(qiáng)2.67Pa—26.67Pa ;02與(:冊(cè)3流量比為0.05-1 ；O2與CHF3的總流量20sccm-300sccm，完成刻蝕得到截面尺寸為8 μ mX8 μ m光開(kāi)關(guān)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0041]步驟30):覆蓋層制備。如圖5所示，對(duì)步驟20)得到的晶圓片，經(jīng)過(guò)去除殘留掩膜、沉積硼磷硅BPSG( B2O3-P2O5-SiO2 glass) 二氧化硅覆蓋層、退火工藝，得到輸入位置控制的1X4多模干涉型光開(kāi)關(guān)PLC芯片部分。
[0042]步驟40):切片研磨。利用轉(zhuǎn)速30000rpm的劃片刀，供應(yīng)冷卻水，將晶圓上的每個(gè)芯片分離。然后利用UNIP0L-1502型研磨拋光機(jī)，對(duì)分離得到的芯片進(jìn)行研磨拋光，得到端面為斜8°的光開(kāi)關(guān)PLC芯片部分，從而使得輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031，第一輸出級(jí)單模波導(dǎo)10331，第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)10332，第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)10333，第四輸出級(jí)單模波導(dǎo)10334的端面與PLC芯片I端面一致。
[0043]對(duì)上述制備方法制備的輸入位置控制的1X4多模干涉型光開(kāi)關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。光場(chǎng)從輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031輸入,經(jīng)過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)1032,從第一輸出級(jí)單模波導(dǎo)10331、第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)10332、第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)10333和第四輸出級(jí)單模波導(dǎo)10334輸出一定強(qiáng)度分布的光場(chǎng)。當(dāng)輸入光纖陣列3對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)1031X方向偏移距離不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直波導(dǎo)內(nèi)的諧振現(xiàn)象不相同，繼而導(dǎo)致多模波導(dǎo)內(nèi)的干涉現(xiàn)象不相同，最終邊緣處四重像的相位關(guān)系發(fā)生改變。根據(jù)自鏡像原理，1X4MMI光開(kāi)關(guān)產(chǎn)生不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)微調(diào)輸入位置完成光信號(hào)調(diào)制。本實(shí)施例中，米用650nm紅光,通過(guò)微調(diào)輸入光纖陣列3的橫向偏移,改變輸出光斑的分布狀態(tài),實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào),得到1X4的光開(kāi)關(guān)陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7中，數(shù)字表示輸入光纖陣列在X方向的偏移距離，白點(diǎn)是觀(guān)測(cè)到的光。比如左下角表不輸入光纖陣列在X方向正方向偏移1.25 μ m時(shí),光場(chǎng)主要從第一、第四輸出級(jí)單模波導(dǎo)輸出，而第二、第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)幾乎沒(méi)有光場(chǎng)輸出。從圖7中可以看出:在X方向無(wú)偏移位置時(shí)，光場(chǎng)主要從第二、第三輸出級(jí)單模波導(dǎo)輸出；當(dāng)乂方向正向偏移0.07 μ m時(shí)，光場(chǎng)主要從第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)輸出；當(dāng)X方向正向偏移0.825 μ m時(shí)，光場(chǎng)主要從第一、第二輸出級(jí)單模波導(dǎo)輸出；在其它偏移位置有著不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)得到了各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及與之相對(duì)應(yīng)的偏移關(guān)系，結(jié)果證明偏移位置與開(kāi)關(guān)狀態(tài)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在光開(kāi)關(guān)使用之前，記錄開(kāi)關(guān)狀態(tài)與偏移位置的關(guān)系，在開(kāi)關(guān)使用過(guò)程中就可以根據(jù)所需的開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入相應(yīng)的位移指令。但本發(fā)明并不局限于650nm波長(zhǎng)。
[0044]由此可見(jiàn)，本發(fā)明的一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)、熱穩(wěn)定、低非線(xiàn)性、低傳輸損耗、寬工作帶寬、高度集成、與單模光纖高效耦合。通過(guò)六維微調(diào)架401微調(diào)節(jié)輸入光纖陣列3的橫向偏移，實(shí)現(xiàn)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。制備工藝兼容性好，成本低，基于SoS光波導(dǎo)工藝制備出芯片，通過(guò)外接微調(diào)架實(shí)現(xiàn)可調(diào)。這既克服了現(xiàn)有的有源PLC型光開(kāi)關(guān)制作工藝復(fù)雜的問(wèn)題，又具備PLC工藝集成度高的特點(diǎn)；并且不需要折射率控制模塊便可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)可調(diào)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有多種使用方案，通過(guò)微調(diào)節(jié)輸入光纖陣列的橫向偏移可以實(shí)現(xiàn)多種實(shí)用方案，從而可廣泛應(yīng)用于光傳感、通信系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，其特征在于，該光開(kāi)關(guān)包括平面光波光路芯片(I)、光源(2)、輸入光纖陣列(3)和電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置(4)，平面光波光路芯片(I)包括硅襯底(101 )、生長(zhǎng)在硅襯底(101)上方的二氧化硅緩沖層(102)、生長(zhǎng)在二氧化硅緩沖層(102)上方的波導(dǎo)(103)，以及生長(zhǎng)在波導(dǎo)(103)上的覆蓋層(104)，波導(dǎo)(103)包括輸入級(jí)單模波導(dǎo)(1031 )、中間級(jí)多模波導(dǎo)(1032)和η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)(1033)，η為偶數(shù)，且η≥2 ;光源(2)與輸入光纖陣列(3)的輸入端連接,輸入光纖陣列(3)的輸出端與輸入級(jí)單模波導(dǎo)(1031)的輸入端連接，輸入級(jí)單模波導(dǎo)(1031)的輸出端通過(guò)中間級(jí)多模波導(dǎo)(1032)與η個(gè)輸出級(jí)單模波導(dǎo)(1033)的輸入端連接；輸入光纖陣列(3)固定連接在電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置(4)上。
2.按照權(quán)利要求1所述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述的η為4。
3.按照權(quán)利要求1所述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述的電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置(4)包括六維微調(diào)架(401)、與六維微調(diào)架(401)連接的驅(qū)動(dòng)器(402)，以及與驅(qū)動(dòng)器(402)連接的調(diào)芯控制器(403)，六維微調(diào)架(401)夾持輸入光纖陣列(3)，調(diào)芯控制器(403)對(duì)輸入光纖陣列(3)做X方向調(diào)節(jié)定位，X方向?yàn)樗矫嫔吓c平面光波光路芯片(O的光軸相垂直的方向。
4.按照權(quán)利要求1所述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述的輸入光纖陣列(3)對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)(1031)無(wú)X方向偏移時(shí),光信號(hào)從位于中部的輸出級(jí)單模波導(dǎo)(1033)的輸出端輸出。
5.一種權(quán)利要求1所述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，該調(diào)節(jié)方法包括以下步驟: 步驟10):使用異丙醇溶液反復(fù)擦拭輸入光纖陣列(3)的端面和平面光波光路芯片(I)端面，直至端面干凈，然后吹干； 步驟20):放置和固定平面光波光路芯片(I):利用電動(dòng)自動(dòng)調(diào)芯裝置(4)中的六維微調(diào)架(401)夾持輸入光纖陣列(3)，利用波導(dǎo)夾具夾持平面光波光路芯片(1)，并將平面光波光路芯片(I)置于輸入光纖陣列(3)—側(cè)，使得輸入光纖陣列(3)的輸出端與平面光波光路芯片(I)的輸入端相對(duì)； 步驟30):在輸入光纖陣列(3)的端面點(diǎn)涂折射率匹配液， 步驟40):通過(guò)調(diào)整輸入光纖陣列(3)的輸出端端面與平面光波光路芯片(I)的輸入端端面之間的平行度，實(shí)現(xiàn)輸入光纖陣列(3)與平面光波光路芯片(I)光軸之間的平行； 步驟50):通過(guò)顯微觀(guān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸入光纖陣列(3)的輸出端端面與平面光波光路芯片(O的輸入端端面之間的間隔； 步驟60):通光調(diào)整，固定輸入光纖陣列(3)和平面光波光路芯片(I)光軸同軸； 步驟70):對(duì)輸入光纖陣列(3)做X方向調(diào)節(jié)定位:調(diào)芯控制器(403)向驅(qū)動(dòng)器(402)發(fā)送偏移指令實(shí)現(xiàn)X方向的驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)器(402)驅(qū)動(dòng)六維微調(diào)架(401)做X方向偏移，六維微調(diào)架(401)帶動(dòng)輸入光纖陣列(3)做X方向偏移,實(shí)現(xiàn)輸入光纖陣列(3) X方向不同位置的定位調(diào)節(jié)，當(dāng)改變輸入光纖陣列(3)對(duì)輸入級(jí)單模波導(dǎo)(1031)Χ方向偏移距離時(shí)，則改變輸入級(jí)單模波導(dǎo)(1031)內(nèi)的諧振現(xiàn)象，繼而改變中間級(jí)多模波導(dǎo)(1032)內(nèi)的干涉關(guān)系，最終改變邊緣處η重像的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換。
6.按照權(quán)利要求5所述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述的步驟50)中，間隔距離為I μ m。
7.按照權(quán)利要求5所述的輸入位置控制的多模干涉型光開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述的通光調(diào)整是在平面光波光路芯片(I)的輸入端一側(cè)放置一個(gè)半透半反棱鏡，通過(guò)顯微觀(guān)測(cè)系統(tǒng)觀(guān) 測(cè)成像光斑，確定通光效果，并實(shí)現(xiàn)通光調(diào)整。
【文檔編號(hào)】G02B6/35GK103777283SQ201410034800
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】孫小菡, 戚健庭, 蔣衛(wèi)鋒 申請(qǐng)人:東南大學(xué)