专利名称：2×4光波导开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在光通信领域中，利用两个折射率调制区实现四端口输出的、对不同波长或相同波长的光信号进行路由选择、交叉互连的光开关器件。属于光波导开关的创新技术。
背景技术：
光开关是全光通信网特别是光纤到户网中最重要的元器件之一。光开关可以对光信号进行路由选择和切换，可以根据不同用户的需求将不同的光信号输送到不同的终端用户。现行的光波导开关大多具有一个以上的折射率调制区，但往往不能充分利用其调制区折射率的组合状态来调节信号输出，对于有两个调制区的光开关，只能做到一个、两个或三个输出端口，不能实现四端口输出。其共同特点是不能充分利用其调制区折射率的组合状态来调节光信号输出，难于满足日益复杂的光通信网的要求和用户的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于突破现有光开关不能充分利用其调制区折射率的组合状态来调节光信号的局限，提供一种只需两个调制区即可实现四端口输出的光波导开关。本发明可在一个芯片上利用同一种微制作工艺技术实现单片集成，其可广泛用于全光通信网和波分复用系统中。
本发明的结构示意图如附图所示，包括有两个单模输入波导(A)、(B)、四个单模输出波导(1)、(2)、(3)、(4)及多模波导区(5)，其中多模波导区(5)设置在输入波导(A)、(B)与输出波导(1)、(2)、(3)、(4)之间，多模波导区(5)的入口端与输入波导(A)、(B)相接，多模波导区(5)的出口端与输出波导(1)、(2)、(3)、(4)相接。
上述单模输出波导(1)和(4)分别做有弯曲部分(12)和(13)。
上述多模波导区(5)为多模干涉区，且其上设有两个可分别独立运作，也可以同时运作的折射率调制区(6)、(7)，以及一个矩形空气槽(8)。
上述两个折射率调制区(6)、(7)及矩形空气槽(8)在光传播方向上分别位于多模干涉区(5)的始端、1/2端及末端处，在垂直光传播方向上分别位于多模干涉区(5)的中间、左或右侧及中间。
上述多模波导区(5)中的折射率调制区(6)、(7)可以是靠pn结通过外加正向偏压控制的载流子注入区；也可以是通过光照改变其折射率的光注入区；或是在器件工作过程中通过热光效应、声光效应等外界因素改变其材料折射率的区域。
上述单模输入波导(A)、(B)、多模波导(5)和单模输出波导(1)、(2)、(3)、(4)都是脊形波导。
上述光波导的截面包括有衬底(9)、下包层(10)、导波层(11)、覆盖层(23)，下包层(10)、导波层(11)、覆盖层(23)依次覆盖在衬底(9)上。
上述折射率调制区(6)所在的导波层(11)中有p型或n型掺杂区(25)，相应的金属电极(24)设在其上方，另一金属电极(26)设在相应的衬底(9)下方。
上述折射率调制区(7)所在的导波层(11)中有p型或n型掺杂区(29)和其旁边的n型或p型掺杂区(27)，两个金属电极(30)、(28)分别设在其上方。
上述导波层(11)可以是对光通信波长透明的光电子材料；上述衬底(9)、下包层(10)、覆盖层(23)可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料。
上述对近红外光透明的光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe等IV族材料，GaAs基和InP基上的III-V族化合物半导体材料，或者是有机聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
上述光电子材料可以用常规的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化学汽相淀积方法生长。
上述光波导开关可以用传统的半导体器件微制作工艺制作，也可以用新型的光电子器件微制作技术制作，其中的光波导可以用干法刻蚀或湿法刻蚀技术得到。
本发明由于采用了具有两个单模输入波导、一个多模波导、和四个单模输出波导共三部分组成的结构，其中多模波导位于器件的中间，是一个多模干涉区，同时做有两个折射率可改变的区域(6)、(7)以及一个矩形空气槽(8)。这种光开关可以充分利用两个折射率调制区(共四种的折射率组合状态)来调节光信号输出，两个调制区可把任意一个端口输入的光信号分别从四个输出端口输出，也可以把从两个输入端口同时输入的光信号调节到两个不同的输出端口输出。此外，本发明可在一个芯片上利用同一种微制作工艺技术实现单片集成，其可广泛用于全光通信网和波分复用系统中。本发明是一种设计巧妙，方便实用的2×4光波导开关。
图1(a)为本发明光开关的立体图；图1(b)为本发明光开关的俯视图；图2(a)为图1(b)中折射率调制区(6)沿C-D方向的横截面示意图；图2(b)为图1(b)中折射率调制区(7)沿E-F方向的横截面示意图3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)为本发明的几种运作功能模拟结果示例图。
具体实施例方式实施例本发明的结构示意图如图1、2所示，包括有两个单模输入波导A、B、四个单模输出波导1、2、3、4及多模波导区5，其中多模波导区5设置在输入波导A、B与输出波导1、2、3、4之间，多模波导区5的入口端与输入波导A、B相接，多模波导区5的出口端与输出波导1、2、3、4相接。
上述单模输出波导1和4分别做有弯曲部分12和13。
上述多模波导区5为多模干涉区，且其上设有两个可分别独立运作，也可以同时运作的折射率调制区6、7，折射率调制区6、7共形成四种折射率组合状态。此外，多模波导区5上还设有一个矩形空气槽8。
本实施例中，图1(b)所示15是两个输入波导A、B之间的间距，18和19分别是输出波导1、2以及3、4之间的最近间距，20、21和22分别是输出波导1、2，2、3以及3、4之间的间距。本实施例中，两个单模输入波导A、B和四个单模输入波导1、2、3、4的宽度均为6μm。两个单模输入波导A、B的长度14为1000μm，间距15是24μm。输出波导1和4的弯曲部分12和13的水平长度16为850μm，弯曲半径2.58cm，1和4的直波导17的长度为1000μm。输出波导2、3的长度为1850μm。输出波导1、2以及3、4之间的最近间距18、19均为3μm，输出波导1、2和3、4之间的直波导段之间的间距20、22均为10μm，输出波导2、3之间的间距21为6μm。多模干涉区5为多模波导，宽度36μm，长度14150μm。上述两个折射率调制区6、7及矩形空气槽8在光传播方向上分别位于多模干涉区5的始端、1/2端及末端处，在垂直光传播方向上分别位于多模干涉区5的中间、左或右侧及中间。如图1所示，折射率调制区6的长度和宽度分别为700μm和24μm，折射率调制区7的长度和宽度分别为258μm和18μm，矩形空气槽8的长度和宽度分别为500μm和6μm。所有波导的厚度均为2.6μm，刻蚀深度为1.0μm。器件的总长度为1.7cm。
上述单模输入波导A、B、多模波导5及单模输出波导1、2、3、4都是脊形波导。
上述多模波导区5中的折射率调制区6、7可以是靠pn结通过外加正向偏压控制的载流子注入区；也可以是通过光照改变其折射率的光注入区；或是在器件工作过程中通过热光效应、声光效应等外界因素改变其材料折射率的区域。本实施例中，多模波导区5的折射率调制区是靠pn结通过外加正向偏压控制的载流子注入区。
上述光波导的截面包括有衬底9、下包层10、导波层11、覆盖层23，下包层10、导波层11、覆盖层23依次覆盖在衬底9上。
上述导波层11可以是对近红外光透明的光电子材料。上述衬底9、下包层10、覆盖层23可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料。本实施例中，导波层11是SiGe材料，衬底9是Si材料、下包层10是掺杂的p型Si材料，覆盖层23是SiO2材料。
上述折射率调制区6的导波层11中有n型掺杂区25，两个金属电极24、26分别设在n型掺杂区25的上方和衬底9的下方。
上述折射率调制区7的导波层11中有p型掺杂区27和n型掺杂区29，两个金属电极28、30分别设在p型掺杂区27和n型掺杂区29的上方本发明实施例在设计时，衬底9为p+型Si材料，掺杂浓度2×1018cm-3，下包层10为p型Si，掺杂浓度2×1016cm-3，导波层11为p型SiGe材料，掺杂浓度2×1016cm-3。p型掺杂区27和n型掺杂区25、29的掺杂浓度均为1×1018cm-3。
图3为本发明在使用时的模拟结果的示例图，模拟设计所用的波长为λ＝1550nm，结果如下(1)如果光信号只从输入端口A输入，在折射率调制区6、7没有施加偏压时，光信号将会从输出端口3输出；只在折射率调制区6施加偏压时，光信号将被调节到输出端口4输出；只在折射率调制区7施加偏压时，光信号将被调节到输出端口2输出；在折射率调制区6、7同时施加偏压时，光信号将会被调节到输出端口1输出，分别如图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)所示。
(2)如果光信号只从输入端口B输入，在折射率调制区6、7没有施加偏压时，光信号将会从输出端口2输出；只在折射率调制区6施加偏压时，光信号将被调节到输出端口1输出；只在折射率调制区7施加偏压时，光信号将被调节到输出端口3输出；在折射率调制区6、7同时施加偏压时，光信号将会被调节到输出端口4输出，分别如图3(e)、3(f)、3(g)和3(h)所示。
(3)如果光信号从输入端口A、B同时输入，在折射率调制区6、7没有施加偏压时，从输入端口A、B输入的光信号将会分别从输出端口3、2输出；只在折射率调制区6施加偏压时，从输入端口A、B输入的光信号将会分别从输出端口4、1输出；只在折射率调制区7施加偏压时，从输入端口A、B输入的光信号将会分别从输出端口2、3输出；在折射率调制区6、7同时施加偏压时，从输入端口A、B输入的光信号将分别从输出端口1、4输出，分别如图3(i)、3(j)、3(k)和3(1)所示。
在本发明实施例中，折射率改变区6、7所施加的正向偏压均为1V。2×4光波导开关的平均串音为26.7dB，插入损耗约0.9dB。
权利要求
1.一种基于多模干涉原理的2×4光波导开关，其特征在于包括有两个单模输入波导(A)、(B)、四个单模输出波导(1)、(2)、(3)、(4)及多模波导区(5)。其中多模波导区(5)设置在输入波导(A)、(B)与输出波导(1)、(2)、(3)、(4)之间。多模波导区(5)的入口端与输入波导(A)、(B)相接，多模波导区(5)的出口端与输出波导(1)、(2)、(3)、(4)相接。
2.根据权利要求1所述的2×4光波导开关，其特征在于上述单模输出波导(1)和(4)上分别做有弯曲部分(12)和(13)。
3.根据权利要求1所述的2×4光波导开关，其特征在于上述多模波导区(5)为多模干涉区，且其上设有两个可分别独立运作，也可以同时运作的折射率调制区(6)、(7)，以及一个矩形空气槽(8)。
4.根据权利要求3所述的2×4光波导开关，其特征在于上述两个折射率调制区(6)、(7)及矩形空气槽(8)在光传播方向上分别位于多模干涉区(5)的始端、1/2端及末端处，在垂直光传播方向上分别位于多模干涉区(5)的中间、左或右侧及中间。
5.根据权利要求4所述的2×4光波导开关，其特征在于上述多模波导区(5)中的折射率调制区(6)、(7)可以是靠pn结通过外加正向偏压控制的载流子注入区；也可以是通过光照改变其折射率的光注入区；或是在器件工作过程中通过热光效应、声光效应等外界因素改变其材料折射率的区域。
6.根据权利要求1至5任一项所述的2×4光波导开关，其特征在于上述单模输入波导(A)、(B)、多模波导(5)和单模输出波导(1)、(2)、(3)、(4)都是脊形波导。
7.根据权利要求6所述的2×4光波导开关，其特征在于上述光波导的截面包括有衬底(9)、下包层(10)、导波层(11)、覆盖层(23)，下包层(10)、导波层(11)、覆盖层(23)依次覆盖在衬底(9)上。
8.根据权利要求7所述的2×4光波导开关，其特征在于上述折射率调制区(6)所在的导波层(11)中有p型或n型掺杂区(25)，相应的金属电极(24)设在其上方，另一金属电极(26)设在相应的衬底(9)下方。
9.根据权利要求7所述的2×4光波导开关，其特征在于上述折射率调制区(7)所在的导波层(11)中有p型或n型掺杂区(29)和其旁边的n型或p型掺杂区(27)，两个金属电极(30)、(28)分别设在其上方。
10.根据权利要求7所述的2×4光波导开关，其特征在于上述导波层(11)可以是对光通信波长透明的光电子材料(Si基上的Si、SiGe等IV族材料，GaAs基和InP基上的III-V族化合物半导体材料，或者是有机聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料)；上述衬底(9)、下包层(10)、覆盖层(23)可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料。
全文摘要
本发明涉及一种基于多模干涉原理、结构单元为2×4的光波导开关。包括有两个单模输入波导、四个单模输出波导及多模波导区，其中多模波导区设置在输入波导与输出波导之间，多模波导区的入口端与输入波导相接，多模波导区的出口端与输出波导相接。多模波导区是一个多模干涉区，其上设有两个折射率调制区。本发明充分利用两个折射率调制区(共四种的折射率组合状态)来调节光信号输出，两个调制区可把从任意一个端口输入的光信号分别从四个输出端口输出，也可以把从两个输入端口同时输入的光信号调节到两个不同的输出端口输出。此外，本发明可在一个芯片上实现单片集成，与现行的集成电路兼容，可广泛用于全光通信、光纤到户等网络和系统中。
文档编号G02B6/35GK1737626SQ20051003641
公开日2006年2月22日 申请日期2005年8月9日 优先权日2005年8月9日
发明者李宝军, 陈志文 申请人:中山大学