一種基于馬赫-曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片及其制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成波導光開關陣列的技術領域，特別涉及一種基于馬赫-曾德結構 的氮化硅波導熱光開關陣列芯片及其制作方法。
【背景技術】
[0002] 集成波導光開關陣列是一種控制光導通和斷開作用的一種集成光子器件，被廣泛 應用于光通信系統(tǒng)中的光交叉復用、光網(wǎng)絡的保護倒換系統(tǒng)、網(wǎng)絡性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)、光 器件的測試中的光源控制、光傳感系統(tǒng)等?；隈R赫-曾德結構的波導熱光開關的工作機 理一般是利用熱光效應改變光波導介質的折射率，從而改變馬赫-曾德干涉器中參考臂與 干涉臂的相位差，通過控制其相長或相消干涉來實現(xiàn)對光導通和斷開的功能。目前常見的 1 x N波導光開關陣列通常是由1 X 2光開關單元結構級聯(lián)而成。
[0003] 近年來，隨著高速光通信網(wǎng)絡和集成光子器件技術的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)大端口數(shù) 的光開關陣列或大規(guī)模光開關陣列，用于構成光交叉連接（0XC)設備的核心，實現(xiàn)動態(tài) 波長路由和自動交換。常見的波導熱光開關陣列類型主要包括：基于二氧化硅（planar lightwave circuit, PLC)的波導熱光開關陣列、基于娃基二氧化娃（SOI)的波導熱光開關 陣列和基于聚合物的波導熱光開關陣列。基于二氧化硅的波導熱光開關陣列由于其光波導 芯層和包層折射率差很小，光波導彎曲半徑很大，導致器件尺寸很大，不利于高密度集成， 材料熱光系數(shù)小，功耗大，且其制作工藝復雜，成本較高；基于硅基二氧化硅的波導熱光開 關陣列中光波導芯層和包層折射率差很大，光波導彎曲半徑和器件尺寸很小，但是器件的 傳輸損耗和插入損耗較大，加工工藝復雜，成本很高，且無法應用于可見光波段；基于聚合 物的波導熱光開關陣列中光波導芯層和包層折射率差適中，器件尺寸適中，熱光系數(shù)很大， 器件功耗較小，但材料長期穩(wěn)定性較差，且制備工藝與半導體工藝不兼容；

【發(fā)明內容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于馬赫-曾德結構的 氮化硅波導熱光開關陣列芯片，以實現(xiàn)光波導芯層和包層折射率差大、器件尺寸小、傳輸損 耗小、適用于可見和近紅外波段、熱光系數(shù)和功耗適中、材料穩(wěn)定性高、加工工藝簡單且與 半導體CMOS工藝兼容。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] 一種基于馬赫-曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片，由多個級聯(lián)的1X2馬 赫-曾德型氮化硅波導熱光開關單元構成，其中每個1 X 2馬赫-曾德型氮化硅波導熱光開 關單元包括一根輸入光波導、一個1X2分支光波導、一根參考臂光波導、一根干涉臂光波 導、一個3dB定向親合器、兩根輸出光波導，分別為第一輸出光波導和第二輸出光波導，輸 入光波導的輸出端連接1X2分支光波導的輸入端，1X2分支光波導的兩個輸出端分別連 接參考臂光波導和干涉臂光波導的輸入端，參考臂光波導和干涉臂光波導的輸出端分別連 接3dB定向耦合器的兩個輸入端，干涉臂光波導的頂部設有電流控制的加熱電極，3dB定向 親合器的兩個輸出端分別連接第一輸出光波導和第二輸出光波導的輸入端，第一輸出光波 導和第二輸出光波導的輸出端分別接下一級的1X2馬赫-曾德型氮化硅波導熱光開關單 元的輸入光波導。
[0007] 進一步的，所述1 X 2馬赫-曾德型氮化硅波導熱光開關單元的光波導的結構包括 基底、下包層、芯層、上包層和加熱電極；所述下包層設置在基底的上表面，所述芯層設置在 下包層的上表面，且芯層的面積小于下包層的面積，所述芯層上表面以及位于芯層周側的 下包層上表面均與上包層的下表面貼合；所述加熱電極設置在位于干涉臂光波導的上包層 的上表面。
[0008] 進一步的，所述基底為硅片；下包層為折射率為1. 44~1. 45的二氧化硅；芯層為 折射率為2. 0的氮化硅；上包層為折射率為1. 44~1. 45的二氧化硅；加熱電極為為電阻率 大于1. 6X10_8Dm的金屬，如鋁、銅或金。
[0009] 進一步的，所述芯層為矩形光波導結構。
[0010] 本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述基于馬赫-曾德結構的氮化硅波導熱光開 關陣列芯片的制備方法，其技術方案如下：
[0011] 一種基于馬赫-曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片的制備方法，包括以下 步驟：
[0012] 步驟一：在基底上制作二氧化娃下包層；
[0013] 步驟二：在下包層上制作氮化硅薄膜；
[0014] 步驟三：在氮化硅薄膜上通過旋轉涂覆法旋涂光刻膠，并通過光刻、顯影過程在光 刻膠層上形成光開關陣列波導結構；
[0015] 步驟四：以光刻膠圖形作為掩膜，刻蝕氮化硅層，刻蝕深度為氮化硅層厚度，然后 去除殘留光刻膠，形成氮化硅波導芯層；
[0016] 步驟五：在波導芯層上制作二氧化硅上包層；
[0017] 步驟六：在二氧化硅上包層上通過熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)法制作厚度為100~ 200nm的金屬薄膜；
[0018] 步驟七：在金屬薄膜上通過旋轉涂覆法旋涂光刻膠，并通過光刻、顯影過程在金屬 薄膜上形成加熱電極圖形，再用酸腐蝕液對露出的金屬層進行腐蝕，從而形成金屬加熱電 極，制得所述基于馬赫-曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片。
[0019] 進一步的，步驟一中，通過熱氧化法、水熱水解法或等離子增強化學沉積法制作二 氧化硅下包層。
[0020] 進一步的，步驟二中，通過低壓化學氣相沉積法或等離子增強化學氣相沉積法制 作氮化硅薄膜。
[0021] 進一步的，步驟四中，通過反應離子刻蝕或感應耦合等離子刻蝕法刻蝕氮化硅層。
[0022] 進一步的，步驟五中，通過等離子增強化學氣相沉積法制作二氧化硅上包層。
[0023] 進一步的，步驟六中，通過熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)法制作金屬薄膜。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是：
[0025] 本發(fā)明提供的一種基于馬赫_曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片具有以 下優(yōu)點：
[0026] (1)與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所設計的波導熱光開關陣列芯片采用二氧化硅和氮 化硅作為器件材料，與半導體CMOS工藝兼容且工藝流程簡單，適合大批量生產(chǎn)，具有成本 低和易于集成的優(yōu)點。
[0027] (2)本發(fā)明所設計的波導熱光開關陣列芯片采用高折射率差的二氧化硅和氮化硅 作為上、下包層和芯層材料，可以實現(xiàn)很小的光波導彎曲半徑，具有器件尺寸小的優(yōu)點。
[0028] (3)本發(fā)明所設計的波導熱光開關陣列芯片采用二氧化硅和氮化硅作為上、下包 層和芯層材料，光波導的傳輸損耗較低，并可以同時實現(xiàn)適用于可見光和近紅外光的光開 關陣列，且材料的穩(wěn)定性尚。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明結構的1 XN光開關陣列結構的頂面俯視圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明結構的1X2光開關單元結構的頂面俯視圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明結構的1X2光開關單元結構中加熱電極中心處的側面剖視圖。
[0032] 圖4為本發(fā)明結構的1 X4光開關陣列結構的頂面俯視圖。
[0033] 圖5為本發(fā)明結構的1X4型光波導開關陣列輸出插損特性示意圖。
[0034] 圖中，1 :輸入光波導、2 :1X2分支光波導、3 :參考臂光波導、4 :干涉臂光波導、5 : 3dB定向親合器、6 :第一輸出光波導、7 :第一輸出光波導、9 :基底、10 :下包層、11 :芯層、 12 :上包層、8 :加熱電極、13~15 :第一~三加熱電極。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0036] 如圖1所示是本發(fā)明的一種基于馬赫-曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片 的具體實施示意圖，其中每個1 X 2馬赫-曾德型氮化硅波導熱光開關單元如圖2所示。
[0037] -種基于馬赫_曾德結構的氮化硅波導熱光開關陣列芯片，通過多個級聯(lián)的1X2 馬赫-曾德型氮化硅波導熱光開關單元構成，其中每個1 X 2馬赫-曾德型氮化硅波導熱光 開關單元包括一根輸入光波導1、一個1 X 2分支光波導2、一根參考臂光波導3、一根干涉臂 光波導4、一個3dB定向親合器5、兩根輸出光波導，分別為第一輸出光波導6和第二輸出光 波導7,輸入光波導1的輸出端連接1X2分支光波導2的輸入端，1X2分支光波導2的兩 個輸出端分別連接參考臂光波導3和干涉臂光波導4的輸入端，參考臂光波導3和干涉臂 光波