專利名稱：一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種既可以采用小尺寸光波導(dǎo)縮小光開(kāi)關(guān)芯片尺寸，又可通過(guò)集成式三維光場(chǎng)模班變換器實(shí)現(xiàn)小尺寸光波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間高效率耦合的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列。
背景技術(shù)：
密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)是解決寬帶、大容量光纖網(wǎng)絡(luò)通信的一種有效方法。光開(kāi)關(guān)陣列是構(gòu)造DWDM系統(tǒng)中光上/下載路(OADM)和光交叉互連(OXC)功能模塊的關(guān)鍵部件。由于波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)具有響應(yīng)速度快、低功耗、制作工藝簡(jiǎn)單、可集成性好、無(wú)活動(dòng)部件可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而成為光開(kāi)關(guān)陣列的重要發(fā)展方向。目前日本NTT公司采用二氧化硅技術(shù)的熱光開(kāi)關(guān)陣列已經(jīng)投入商用。SOI(Silicon on Insulator，絕緣襯底上的硅)光開(kāi)關(guān)比二氧化硅光開(kāi)關(guān)具備更快的響應(yīng)速度潛力、更好的CMOS工藝兼容性和OEIC集成性，將成為新一代光開(kāi)關(guān)的首選技術(shù)。
一個(gè)N×N光開(kāi)關(guān)陣列是由若干個(gè)2×2光開(kāi)關(guān)單元通過(guò)連接波導(dǎo)連接成矩陣結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的，所以光開(kāi)關(guān)陣列也叫做光開(kāi)關(guān)矩陣。SOI波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)由于要實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的單模工作，以及較大的波導(dǎo)橫截面尺寸而有利于光纖耦合，單模波導(dǎo)的形狀采取大橫截面脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(其橫截面尺寸和單模光纖尺寸相當(dāng))。這樣的大橫截面脊形波導(dǎo)在彎曲半徑很小時(shí)存在很大的彎曲輻射損耗，采用較大的彎曲半徑雖然能降低波導(dǎo)彎曲輻射損耗，但器件長(zhǎng)度將大大增加。過(guò)于長(zhǎng)的光開(kāi)關(guān)芯片首先是不利于加工(因?yàn)樯婕暗酱竺娣e波導(dǎo)刻蝕工藝均勻性的問(wèn)題)，其次是給芯片后續(xù)封裝帶來(lái)困難。采用較大的彎曲半徑的另一弊端是，較大的彎曲半徑波導(dǎo)之間的交叉角很小。而波導(dǎo)之間因交叉引起的信道串?dāng)_是隨交叉角的減小而迅速增大的。較小彎曲半徑的交叉波導(dǎo)雖然可以獲得較大的交叉角，但小彎曲波導(dǎo)的彎曲輻射損耗又很嚴(yán)重。為了改善上述情況，可采用小橫截面脊形波導(dǎo)(其橫截面尺寸遠(yuǎn)小于單模光纖尺寸)來(lái)構(gòu)造光開(kāi)關(guān)陣列，因?yàn)樾M截面脊形波導(dǎo)可以在保證低彎曲輻射損耗的情況下具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑和較大的波導(dǎo)交叉角。但小橫截面脊形波導(dǎo)同光纖之間由于模場(chǎng)失配嚴(yán)重，其耦合效率很低。由以上分析可知，采用小橫截面脊形波導(dǎo)構(gòu)造光開(kāi)關(guān)陣列的情況下，縮小光開(kāi)關(guān)陣列芯片尺寸和提高輸入/輸出波導(dǎo)同光纖的耦合效率是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，在實(shí)際制作中只能折中考慮。因此，為了從根本上解決問(wèn)題，必須設(shè)計(jì)出一種新的光開(kāi)光陣列耦合結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種既可以采用小尺寸光波導(dǎo)縮小光開(kāi)關(guān)芯片尺寸，又可通過(guò)集成式三維光場(chǎng)模班變換器實(shí)現(xiàn)小尺寸光波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間高效率耦合的新型波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法。這種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列具有較短的芯片尺寸、較高的光纖耦合效率、簡(jiǎn)單的光纖耦合工藝、較快的開(kāi)關(guān)速度、低廉的封裝成本。
根據(jù)上述目的，提出了一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，該光開(kāi)關(guān)陣列是在SOI材料或者其它任何具有導(dǎo)波性能的光學(xué)材料上用常規(guī)CMOS工藝經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、PECVD淀積/氧化制膜等工藝步驟制成的。光開(kāi)關(guān)陣列是由一組輸入波導(dǎo)、一組輸出波導(dǎo)以及若干個(gè)2×2光開(kāi)關(guān)單元在芯片上按一定空間位置分級(jí)排列組合而成的，各2×2光開(kāi)關(guān)單元之間通過(guò)連接波導(dǎo)相互連接。在傳統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)陣列中，輸入/輸出波導(dǎo)為普通的脊形或條形波導(dǎo)，為了增大同光纖的耦合效率，輸入/輸出波導(dǎo)至多采用二維錐形結(jié)構(gòu)，即輸入/輸出波導(dǎo)在平行于芯片平面內(nèi)呈錐形逐漸過(guò)渡，而在垂直于芯片平面內(nèi)尺寸沒(méi)有任何變化，這種二維模斑變換波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光纖耦合效率不高。本發(fā)明提出的一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，是用兩步刻蝕工藝，直接在輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)上制作三維錐形光場(chǎng)模斑變換器，通過(guò)三維錐形光場(chǎng)模斑變換器在輸入端將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光場(chǎng)壓縮耦合到小橫截面輸入光波導(dǎo)中，在輸出端再將小橫截面輸出光波導(dǎo)的光場(chǎng)擴(kuò)大耦合到標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中。從而達(dá)到既可以采用小尺寸光波導(dǎo)縮小光開(kāi)關(guān)芯片尺寸，又可通過(guò)集成式三維光場(chǎng)模班變換器實(shí)現(xiàn)小尺寸光波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間高效率耦合的目的。
一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，該波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列包括輸入/輸出光波導(dǎo)；在各輸入/輸出光波導(dǎo)上集成的三維光場(chǎng)模斑變換器；各級(jí)2×2光開(kāi)關(guān)單元；各級(jí)2×2光開(kāi)關(guān)單元之間的連接光波導(dǎo)。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，小尺寸的輸入/輸出波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間的高效率耦合是通過(guò)集成在輸入/輸出波導(dǎo)上的光場(chǎng)模斑變換器實(shí)現(xiàn)的。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，集成式光場(chǎng)模斑變換器和輸入/輸出波導(dǎo)之間的位置對(duì)準(zhǔn)既可以通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)工藝實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)其它變通的工藝手段實(shí)現(xiàn)。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，所述光開(kāi)關(guān)陣列可以在任何具有導(dǎo)波性能的光學(xué)材料上制備。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，光學(xué)材料是SOI，SiO2，Polymer，GeSi/Si，GaAs，InP，LiNiO3。
述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其光波導(dǎo)和集成式三維光場(chǎng)模斑變換器既可以采用干法刻蝕工藝，也可以采用各向異性濕法化學(xué)腐蝕工藝，或者是采用干法刻蝕和濕法化學(xué)腐蝕相結(jié)合的工藝制作。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，干法刻蝕工藝是RIE，ICP等離子刻蝕，各向異性濕法化學(xué)腐蝕工藝是硅的KOH溶液腐蝕。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，所述光開(kāi)關(guān)陣列的驅(qū)動(dòng)方式既可以是熱光驅(qū)動(dòng)，也可以是電光驅(qū)動(dòng)。
所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，光開(kāi)關(guān)陣列可以具有任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光開(kāi)關(guān)的連通特性既可以是阻塞型的，也可以是完全無(wú)阻塞型或者重排無(wú)阻塞型的。


圖1是一個(gè)傳統(tǒng)波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列的輸入/輸出波導(dǎo)示意圖。
圖2是本發(fā)明的集成在輸入/輸出光波導(dǎo)上的三維光場(chǎng)模斑變換器示意圖。
圖3為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的制作工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及一個(gè)具體的集成有光場(chǎng)模斑變換器的SOI 8×8波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中圖1是為了對(duì)比起見(jiàn)而給出的一個(gè)傳統(tǒng)波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列的輸入/輸出波導(dǎo)示意圖(長(zhǎng)寬未按實(shí)際比例畫(huà)出)。一個(gè)在硅膜厚度為8微米的SOI襯底材料上實(shí)際制作的這樣的傳統(tǒng)8×8波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列芯片，其長(zhǎng)度為460mm，寬度為1mm，可見(jiàn)其芯片長(zhǎng)寬在比例上極不勻稱。光開(kāi)關(guān)各輸出信道之間的平均串?dāng)_為-15dB左右。
圖2是本發(fā)明提出的集成在輸入/輸出光波導(dǎo)上的三維光場(chǎng)模斑變換器示意圖(長(zhǎng)寬未按實(shí)際比例畫(huà)出)。圖中201是制作在輸入/輸出光波導(dǎo)上的三維光場(chǎng)模斑變換器，其在平行于芯片的方向上為一定長(zhǎng)度的錐形結(jié)構(gòu)，在垂直于芯片的方向上厚度不變，其位置位于輸入/輸出光波導(dǎo)的正上方。圖中202是小尺寸輸入/輸出光波導(dǎo)，203是SOI材料的埋氧層。在本實(shí)施例中，一個(gè)在硅膜為8μm厚的SOI材料上制備的具體的三維光場(chǎng)模斑變換器，其長(zhǎng)度為1.5mm，高度為4μm，錐形前端寬8μm，錐形末端寬度為零。本實(shí)施例所描述的在硅膜為8μm厚的SOI材料上制備的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其芯片整體長(zhǎng)度為320mm，寬度為1mm，可見(jiàn)其芯片長(zhǎng)度能較大幅度縮短。光開(kāi)關(guān)各輸出信道之間的平均串?dāng)_為-24dB左右(實(shí)驗(yàn)測(cè)試值)。
附圖標(biāo)記說(shuō)明101脊形輸入/輸出光波導(dǎo)102SOI埋氧層102SOI硅襯底201三維集成式光場(chǎng)模斑變換器202小尺寸脊形光波導(dǎo)203SOI埋氧層請(qǐng)參閱圖3，圖中所示為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的制作工藝流程。這里是以三維光場(chǎng)模斑變換器的制作過(guò)程為例，說(shuō)明集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列芯片的制作過(guò)程。具體工藝流程為首先清洗SOI片，熱氧化生成500nm的SiO2作為掩模層，光刻光場(chǎng)模斑變換器圖形(圖5a)；一次ICP刻蝕，形成光場(chǎng)模斑變換器臺(tái)階4μm，保留臺(tái)階上SiO2掩模(圖5b)；涂光刻膠，光刻光波導(dǎo)圖形(圖5c)；二次ICP刻蝕，形成2μm脊形波導(dǎo)，去膠(圖5d)；然后除去所有掩模，再用熱氧化工藝生成160nm的SiO2作為波導(dǎo)的上包層(圖5e)。在氧化硅包層上生長(zhǎng)金屬Cr/Au層，再光刻制作電極。最后是劃片和波導(dǎo)端面拋光。
綜上所述，本發(fā)明所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列至少具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其具有比傳統(tǒng)波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列短的芯片長(zhǎng)度。
2.本發(fā)明一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其輸入/輸出光波導(dǎo)通過(guò)集成光場(chǎng)模斑變換器，可以實(shí)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的高效率耦合，因此具有相對(duì)簡(jiǎn)單的后續(xù)耦合工藝過(guò)程，較低的耦合成本和較高的產(chǎn)量。
3.本發(fā)明一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，由于其具有比傳統(tǒng)波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列短的芯片長(zhǎng)度，因此對(duì)大面積波導(dǎo)刻蝕的工藝均勻性要求不高，能夠有較高的芯片成品率。
4.本發(fā)明一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，由于其可以采用小尺寸光波導(dǎo)，因此可以采用較小的波導(dǎo)彎曲半徑和較大的波導(dǎo)交叉角，從而大大降低了光開(kāi)關(guān)的信道串?dāng)_。
5.本發(fā)明一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，由于其可以采用小尺寸光波導(dǎo)，因此光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度較快。
6.本發(fā)明一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其制作過(guò)程同目前微電子行業(yè)通行的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容，因此易于推廣。
以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)(即在波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列的輸入/輸出波導(dǎo)上集成三維光場(chǎng)模斑變換器)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍之內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于該波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列包括輸入/輸出光波導(dǎo)；在各輸入/輸出光波導(dǎo)上集成的三維光場(chǎng)模斑變換器；各級(jí)2×2光開(kāi)關(guān)單元；各級(jí)2×2光開(kāi)關(guān)單元之間的連接光波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于小尺寸的輸入/輸出波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間的高效率耦合是通過(guò)集成在輸入/輸出波導(dǎo)上的光場(chǎng)模斑變換器實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于集成式光場(chǎng)模斑變換器和輸入/輸出波導(dǎo)之間的位置對(duì)準(zhǔn)既可以通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)工藝實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于所述光開(kāi)關(guān)陣列可以在任何具有導(dǎo)波性能的光學(xué)材料上制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于光學(xué)材料是SOI，SiO2，Polymer，GeSi/Si，GaAs，InP，LiNiO3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于其光波導(dǎo)和集成式三維光場(chǎng)模斑變換器既可以采用干法刻蝕工藝，也可以采用各向異性濕法化學(xué)腐蝕工藝，或者是采用干法刻蝕和濕法化學(xué)腐蝕相結(jié)合的工藝制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于干法刻蝕工藝是RIE，ICP等離子刻蝕，各向異性濕法化學(xué)腐蝕工藝是硅的KOH溶液腐蝕。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于所述光開(kāi)關(guān)陣列的驅(qū)動(dòng)方式既可以是熱光驅(qū)動(dòng)，也可以是電光驅(qū)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其特征在于光開(kāi)關(guān)陣列可以具有任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光開(kāi)關(guān)的連通特性既可以是阻塞型的，也可以是完全無(wú)阻塞型或者重排無(wú)阻塞型的。
10.一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列制備方法，其步驟如下首先清洗SOI片，熱氧化生成500nm的SiO2作為掩模層，光刻光場(chǎng)模斑變換器圖形；一次ICP刻蝕，形成光場(chǎng)模斑變換器臺(tái)階4μm，保留臺(tái)階上SiO2掩模；涂光刻膠，光刻光波導(dǎo)圖形；二次ICP刻蝕，形成2μm脊形波導(dǎo)，去膠；然后除去所有掩模，再用熱氧化工藝生成160nm的SiO2作為波導(dǎo)的上包層，在氧化硅包層上生長(zhǎng)金屬Cr/Au層，再光刻制作電極，最后是劃片和波導(dǎo)端面拋光。
全文摘要
本發(fā)明涉及信息光電子技術(shù)領(lǐng)域，一種集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列及其方法，包括輸入/輸出光波導(dǎo)；在各輸入/輸出光波導(dǎo)上集成的三維光場(chǎng)模斑變換器；各級(jí)2×2光開(kāi)關(guān)單元；各級(jí)2×2光開(kāi)關(guān)單元之間的連接光波導(dǎo)；光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電極。利用在波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列芯片輸入/輸出光波導(dǎo)上制作的集成式三維光場(chǎng)模斑變換器，將進(jìn)入/輸出小尺寸波導(dǎo)的光場(chǎng)模斑進(jìn)行壓縮/放大，達(dá)到提高標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和小尺寸光波導(dǎo)之間的耦合效率，用小尺寸波導(dǎo)構(gòu)造的光開(kāi)關(guān)，特別是熱光驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度比大尺寸波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)要快。該集成有光場(chǎng)模斑變換器的波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)陣列，其制備工藝同微電子標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容，因此容易制作，便于大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H04J14/02GK101055338SQ20061001165
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者陳少武, 李艷萍, 余金中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所