3×2光波導開關的製作方法

2023-05-16 01:54:31

專利名稱：3×2光波導開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於全光通信網和波分復用系統中、對多種光波長可單獨控制和運作或同時運作的光波導開關器件。屬於光波導開關的創新技術。
背景技術：
對多種光通信波長信號能同時進行功率分離、波分復用、交叉互連、開關等作用的智能化單片集成光波導器件一直是全光通信傳輸系統和多波長波分復用系統中所需的關鍵元器件。目前所用的這些光器件都是具有上述功能之一的分立器件，任何一種目前所用的光器件無法同時具有功率分離、波分復用、交叉互連、甚至開關等功能。現行的光波導開關有Y型分支結構的1×2光開關、X型結構的2×2光開關、以及由Y分支1×2結構或X型2×2結構作為基本單元級聯形成的M×N光開關陣列。Y分支1×2光開關只有一個輸入波導、兩個輸出波導，該結構只能對所輸入的一種光波長信號進行功率分離、或通過兩個輸出波導臂的控制實現數字開關功能。其缺點是與光波波長無關，因而不能對不同波長的信號進行分離、交叉互連等。X型2×2光開關雖然有兩個輸入波導、兩個輸出波導，但該結構只能對所輸入的波長信號進行開關，卻不能對光信號實現功率分離，同樣不能對不同波長的光信號進行交叉互連、波分復用等。

發明內容
本發明的目的在於克服上述缺點而提供一種同時具有功率分離、波分復用、光交叉互連、光分插復用、多波長開關等多種功能的3×2光波導開關。本發明可在一個晶片上利用同一種微製作工藝技術實現單片集成和智能化集成，其可廣泛用於全光通信網和波分復用系統中。
本發明的結構示意圖如附圖所示，包括有三個輸入波導(2、3、4)、兩個輸出波導(5、6)、三個輸入波導與兩個輸出波導的交叉部分中做出有折射率改變區(17、18)。
上述折射率改變區(17、18)可控制三個輸入波導與兩個輸出波導交叉部分中的兩個反射面(15、16)。
上述折射率改變區(17、18)可通過通載電、熱、光以實現對其折射率的改變。
上述輸入波導(2、4)的中間做出有彎曲部分(7、8)。
上述折射率改變區(17、18)可分別獨立運作，也可以同時運作。
上述折射率改變區(17、18)可以是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入區；也可以是通過光照改變其折射率的光注入區；或是在器件工作過程中通過熱光效應、聲光效應外界因素改變其材料的折射率。
上述輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)可以是單模波導，也可以是多模波導。
上述輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)可以是脊形波導，也可以是溝道波導。
上述溝道波導可以是掩埋波導、植入波導或裝載波導。
上述光波導開關的截面包括有襯底(1)、下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)，下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)依次覆蓋在襯底(1)上。
上述導波層(20)是對近紅外光透明的光電子材料；上述襯底(1)、下包層(19)、上包層(21)可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料。
上述光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs基上的III-V族化合物半導體材料；或者是有機聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
上述光電子材料可以用常規的材料製作方法製作，也可以用分子束外延或化學汽相澱積方法生長。
上述光波導開關可以用傳統的半導體器件微製作工藝製作，也可以用新型的光電子器件微製作技術製作，其中的光波導可以用幹法刻蝕或溼法刻蝕技術得到。
本發明由於採用了具有三個輸入波導、兩個輸出波導及三個輸入波導與兩個輸出波導的交叉部分中做出有兩個折射率改變區的結構，通過這兩個折射率改變區可實現對光信號的功率分離、波分復用、光交叉互連、光分插復用、多波長光開關等多種功能。此外，本發明可在一個晶片上利用同一種微製作工藝技術實現單片集成和智能化集成，其可廣泛用於全光通信網和波分復用系統中。本發明是一種設計巧妙，方便實用的3×2光波導開關。


下面結合附圖詳細說明本發明的具體結構圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明三個輸入波導與兩個輸出波導交叉部分的結構放大圖；圖3為本發明的橫截面結構示意圖；圖4為本發明的幾種運作功能模擬結果示例圖。
具體實施例方式實施例本發明的結構示意圖如圖1、2所示，包括有三個輸入波導(2、3、4)、兩個輸出波導(5、6)、三個輸入波導與兩個輸出波導的交叉部分中做出有折射率改變區(17、18)。本實施例中，三個輸入波導之間的距離為25μm，輸入波導交叉角θ為1.5°。兩個輸出波導之間的間距為30μm，輸出波導交叉角為2θ＝3°，本發明的總長度3mm。圖2所示三個輸入波導與兩個輸出波導的交叉部分中的波導10→14和12→13分別是兩個直形波導，它們交叉形成2×2結構。11為直條形波導，它同其它兩個直形波導構成了3×2結構，15和16分別為三個輸入波導與兩個輸出波導交叉部分中的兩個反射面，稱作「鏡面」，鏡面15和16分別由折射率改變區17和18控制。
上述折射率改變區(17、18)可通過通載電、熱、光以實現對其折射率的改變。即折射率改變區(17、18)可以是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入區；也可以是通過光照改變其折射率的光注入區；或是在器件工作過程中通過熱光效應、聲光效應外界因素改變其材料的折射率。本實施例中，折射率改變區(17、18)是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入區。
上述輸入波導(2、4)的中間做出有彎曲波導部分(7、8)。本實施例中，彎曲波導部分(7、8)的彎曲半徑為30mm。
上述折射率改變區(17、18)可分別獨立運作，也可以同時運作。
上述輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)可以是單模波導，也可以是多模波導。本實施例中，輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)是單模波導。
上述輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)可以是脊形波導，也可以是溝道波導。本實施例中，輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)是脊形單模波導。
上述溝道波導可以是掩埋波導、植入波導或裝載波導。
上述光波導開關的截面包括有襯底(1)、下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)，下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)依次覆蓋在襯底(1)上。
上述襯底(1)、下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)可以是對近紅外光透明的光電子材料。上述光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs基上的III-V族化合物半導體材料；或者是有機聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
上述光電子材料可以用常規的材料製作方法製作，也可以用分子束外延或化學汽相澱積方法生長。
上述光波導開關可以用傳統的半導體器件微製作工藝製作，也可以用新型的光電子器件微製作技術製作，其中的光波導可以用幹法刻蝕或溼法刻蝕技術得到。
本發明實施例在製作時，利用矽(Si)作為襯底1的材料，用矽鍺(SiGe)合金材料作為光波導層20的材料。
材料生長中所用Si襯底1為p+型材料，摻雜濃度為2×1018cm-3。利用超高真空汽相澱積方法在襯底1上生長出厚度為5nm的p型Si下包層19，摻雜濃度為2×1016cm-3，同時生長厚度為2.5μm的SiGe(Ge的組份為4％)合金導波層20，然後生長出厚度約為5nm的重摻雜n+型Si層作為上覆蓋層、用於製作兩個折射率改變區17和18，其摻雜濃度為1×1018cm-3。
製作中，利用幹法刻蝕技術通過去掉多餘的重摻雜n+層、只留下折射率改變區17和18上的n+層的方法得到載流子注入區17和18。SiGe光波導層20也用幹法刻蝕得到。本發明實施例中的SiGe導波層20的寬度均為10μm，所有脊形單模波導的刻蝕深度約1.1μm左右。脊形單模波導形成之後，在其上覆蓋二氧化矽作為上包層21。經傳統的矽半導體工藝製作(包括退火、金屬電極的蒸鍍、刻蝕等)方法製作出本發明的3×2光波導開關。
本發明中的關鍵部分折射率改變區(17、18)是兩個載流子注入區，它是由p型SiGe導波層和其上的n+型Si層組成的兩個pn+結。在17和18上分別加上正向偏壓後，由於載流子注入到SiGe導波層20後引起SiGe材料的折射率發生變化，從而出現兩個反射鏡面15和16，通過這兩個反射鏡面可以對輸入的光信號進行控制。
本發明在使用時可有多種功能，圖4所示為其幾種運作功能模擬結果的示例圖，功能模擬實驗測試所用的三種波長分別為λ1＝1540nm，λ2＝1550nm，λ3＝1560nm。結果如下(1)如果只將λ1耦合進波導3，且在兩個反射區17和18都不加正向偏壓，則沒有鏡面15和16出現，此時λ1將一分為二，分別從波導5和6輸出，如圖4(a)所示。如果在任意一個反射區17或18上加一正向偏壓，則鏡面15或16將出現，例如在17上加偏壓，鏡面15出現，此時λ1將被反射至波導6輸出，如圖4(b)所示。這種情況下，本發明的3×2光波導開關起光功率分離器的作用和1×2數字光開關的作用。
(2)如果將λ2耦合進波導2，或將λ3耦合進波導4，例如將λ3耦合進波導4且在無偏壓時，從波導4輸入的光將從波導5輸出，如圖4(c)所示；在反射區17加偏壓後，光將反射至波導6輸出，如圖4(d)所示。這種情況下，本發明是一種2×2光開關。
(3)如果將λ2和λ3分別耦合進波導2和波導4，光將分別從波導6和5輸出，此時為光交叉情況，如圖4(e)所示。在有偏壓時兩種波長的光將被反射至波導5或6輸出。
(4)如果將λ1和λ3或λ1和λ2分別耦合進各自的輸入波導，無偏壓時波長λ1將被一分為二，λ2或λ3將交叉輸出。在有偏壓的情況下，兩種波長的光將合在一起被反射至波導5或6，分別如圖4(f)和4(g)所示。這種情況下，本發明是一種波復用器(也叫合波器)，同時是一種雙波長的2×2光開關。
(5)若同時將三種波長光信號λ1、λ2、λ3分別輸入到輸入波導3、2和4，在無偏壓時，分波和合波後的輸出情況如圖4(h)所示。在有偏壓的情況下，三種波長光信號將合在一起沿波導5或6輸出。如圖4(i)所示。此時本發明為一種多波長波復用器(和合波器)，同時為一種多波長光開關。
另經測試可知，本發明實施例這種3×2 SiGe光波導開關的工作電壓為1.3～1.4V，開關電流約為120mA，開關時間在100至200納秒的範圍內。
權利要求
1.一種3×2光波導開關，其特徵在於包括有三個輸入波導(2、3、4)、兩個輸出波導(5、6)、三個輸入波導與兩個輸出波導的交叉部分中做出有折射率改變區(17、18)。
2.根據權利要求1所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述折射率改變區(17、18)可控制三個輸入波導與兩個輸出波導交叉部分中的兩個反射面(15、16)。
3.根據權利要求1所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述折射率改變區(17、18)可通過通載電、熱、光以實現對其折射率的改變。
4.根據權利要求1所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述輸入波導(2、4)的中間做出有彎曲部分(7、8)。
5.根據權利要求1所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述折射率改變區(17、18)可分別獨立運作，也可以同時運作。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述折射率改變區(17、18)可以是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入區；也可以是通過光照改變其折射率的光注入區；或是在器件工作過程中通過熱光效應、聲光效應外界因素改變其材料的折射率。
7.根據權利要求6所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)可以是單模波導，也可以是多模波導。
8.根據權利要求7所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述輸入波導(2、3、4)及輸出波導(5、6)可以是脊形波導，也可以是溝道波導。
9.根據權利要求8所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述溝道波導可以是掩埋波導、植入波導或裝載波導。
10.根據權利要求6所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述光波導開關的截面包括有襯底(1)、下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)，下包層(19)、導波層(20)、上包層(21)依次覆蓋在襯底(1)上。
11.根據權利要求6所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述導波層(20)是對近紅外光透明的光電子材料；上述襯底(1)、下包層(19)、上包層(21)可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料。
12.根據權利要求6所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs基上的III-V族化合物半導體材料；或者是有機聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
13.根據權利要求6所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述光電子材料可以用常規的材料製作方法製作，也可以用分子束外延或化學汽相澱積方法生長。
14.根據權利要求6所述的3×2光波導開關，其特徵在於上述光波導開關可以用傳統的半導體器件微製作工藝製作，也可以用新型的光電子器件微製作技術製作，其中的脊形光波導可以用幹法刻蝕或溼法刻蝕技術得到。
全文摘要
本發明是一種可用於全光通信網和波分復用系統中、對多種光波長可單獨控制和運作或同時運作的光波導開關器件。包括有三個輸入波導(2、3、4)、兩個輸出波導(5、6)、三個輸入波導與兩個輸出波導的交叉部分中做出有折射率改變區(17、18)。上述折射率改變區(17、18)可控制三個輸入波導與兩個輸出波導交叉部分中的兩個反射面(15、16)。上述折射率改變區(17、18)可通過通載電、熱、光以實現對其折射率的改變。本發明通過兩個折射率改變區實現對光信號的功率分離、波分復用、光交叉互連、光分插復用、多波長光開關等多種功能。此外，本發明可在一個晶片上利用同一種微製作工藝技術實現單片集成和智能化集成，其可廣泛用於全光通信網和波分復用系統中。本發明是一種設計巧妙，方便實用的3×2光波導開關。
文檔編號H04J14/02GK1556423SQ20031011762
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者李寶軍 申請人:中山大學