基于二氧化硅平面光波导的2×2集成光开关的制作方法

本实用新型涉及波导集成光开关，特别涉及基于二氧化硅的平面光波导技术的2×2集成光开关。

背景技术：

为了满足不同类型的数据需求，光通信网中的通信数据数量急剧增加，网络技术的应用开始受到了网络设备的延迟以及耗电量的限制。为了满足在高速率转换下处理更多信息量的需求，业界提出了动态光路网络方案。动态光路网络需通过多端口数的光开关进行快速光路切换。光开关是实现全光交换的核心器件，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作，可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对提高目前复杂灵活性具有重要的意义，光开关的研究已成为全光通信领域研究的焦点。

近年来，制造成本合理的多端口光开关一直是一个挑战。基于绝缘体上硅的光开关具有低功耗以及与互补金属氧化物半导体制造工艺兼容的优点，可以实现低成本，高集成、小尺寸的光学器件，为未来的高速光网络提供了可行的解决方案。由于Si(n＝3.48)和SiO2(n＝1.4444)之间的高折射率差作为强约束因子，使硅光器件的结构非常紧凑。但另一方面，这也使得硅光子器件具有偏振依赖性，包括偏振模色散，偏振相关损耗(PDL)和工作波长的偏振依赖性，这是硅光子学中的重大挑战之一。

目前，基于二氧化硅平面光波电路技术被广泛研究于各种光学集成器件，由于插入损耗及偏振相关损耗低，无活动部件，可靠性和重复性高，易于连接光纤，耦合效率高，成本低，适合大规模生产，因此如何应用于集成光开关，是本领域技术人员研究的方向。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于二氧化硅平面光波导的2×2集成光开关，具有结构简单、成本低、高消光比、低偏振相关损耗等优点。

实现上述目的的技术方案是：

一种基于二氧化硅平面光波导的2×2集成光开关，包括：

硅基衬底；

覆盖于所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；

折射率高于所述二氧化硅缓冲层，并镀在所述二氧化硅缓冲层上的二氧化硅芯层；以及

覆盖于所述二氧化硅芯层上的二氧化硅上包层；

其中，所述二氧化硅芯层的芯层波导为两个多模干涉仪组成的马赫-曾德干涉仪，该马赫-曾德干涉仪的马赫-曾德干涉臂下埋有用于对波导进行加热以调制相位的金属电极。

优选的，所述二氧化硅缓冲层的厚度大于10微米以上，所述二氧化硅上包层的厚度为10微米，折射率均为1.4444；所述二氧化硅芯层的厚度为6微米，折射率为1.4567。

优选的，所述多模干涉仪的干涉区域长度为9473微米，宽度为120微米，厚度为6微米；

所述马赫-曾德干涉臂的长度为500微米。

优选的，所述多模干涉仪的干涉区域的输入端口波导与输出端口波导均为相同锥形波导和第一直波导的组合。

优选的，锥形波导的长度为304.9微米，连接多模干涉仪端的宽度为12.4微米，连接第一直波导端的宽度为6微米；所述第一直波导的宽度为6微米，长度为100微米，输入端口波导和输出端口波导中心各自与干涉区域中心偏移量为20.3微米；

输入端口波导的输入端和输出端口波导的输出端均为S型弯曲波导和第二直波导的组成，其中，S型弯曲波导长度为300微米，半径为406微米，侧向偏移的距离为100微米，第二直波导长度为100微米；S型弯曲波导和第二直波导的宽度均为6微米，厚度均6微米。

优选的，所述金属电极为Ti/Pt(钛/铂)金属加热器，厚度为100/10纳米，面积为300×8平方微米。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用为两个相同多模干涉仪组成的马赫-曾德干涉仪，其具有两个输入端口和两个输出端口，任意输入端口在输入波长为1550纳米时，可在两个输出端口实现50比50功率分束。在马赫-曾德臂下附着金属电极，基于热光效应通过调节附加在电极上的电压对热效应范围内芯层进行折射率调制从而达到对光信号相位调制，最终实现光在两个输出端口的切换。具有结构简单、成本低、高消光比、低偏振相关损耗等优点，在未来高速动态光网中的光路切换节点处具有重要的潜在应用。

附图说明

图1是本实用新型的2×2集成光开关的示意图；

图2是本实用新型中马赫-曾德干涉仪干涉臂相位调制区域的截面图。

图3为所设计的多模干涉仪基于光束传输法模拟的光束传输的场分布图；

图4为多模干涉仪两个输出端口输出能量的曲线图；

图5为所设计基于二氧化硅平面光波导电路的2×2集成光开关基于光束传输法模拟的光束传输的场分布图；

图6为在调制单根马赫-曾德臂的折射率下光信号两个输出端口输出能量的曲线图；

图7是本实用新型的2×2集成光开关的制造流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1和图2，本实用新型的基于二氧化硅平面光波导的2×2集成光开关，包括：硅基衬底1、二氧化硅缓冲层2、二氧化硅芯层3和二氧化硅上包层4。

二氧化硅缓冲层2覆盖于硅基衬底1上，分为第一部分和第二部分。二氧化硅芯层3的折射率高于二氧化硅缓冲层2，并镀在二氧化硅缓冲层2上。二氧化硅上包层4覆盖于二氧化硅芯层3上。

二氧化硅芯层3的芯层波导为两个多模干涉仪组成的马赫-曾德干涉仪，该马赫-曾德干涉仪的马赫-曾德干涉臂5下埋入金属电极6，对其加上高频电压，用于对波导进行高效加热以调制相位，从而实现光路的切换。金属电极6加高频电压进行相位控制，使用频率在MHz以上量级的方波电压，代替传统的直流相控方法，以降低开关功耗。金属电极6为Ti/Pt金属加热器，厚度为100/10(Ti为100/Pt为10)纳米，面积为300×8平方微米。金属电极6之间以及金属电极6边缘的氧化硅刻槽处理，图中标号12表示刻槽，减少热光调制时电极热量往空气中的损耗。

本实施例中，二氧化硅缓冲层2的厚度大于10微米，本实施例中为12微米，二氧化硅上包层4的厚度为10微米，折射率均为1.4444；二氧化硅芯层3的厚度为6微米，折射率为1.4567。多模干涉仪的干涉区域长度a为9473微米，宽度b为120微米，厚度为6微米。马赫-曾德干涉臂5的长度d为500微米。

多模干涉仪的干涉区域的输入端口波导与输出端口波导均为相同锥形波导8和第一直波导9的组合，能减少输入、输出端与多模干涉区域的耦合损耗。锥形波导8的长度为304.9微米，连接多模干涉仪端的宽度为12.4微米，连接第一直波导9端的宽度为6微米。第一直波导9的宽度为6微米，长度为100微米，输入端口波导和输出端口波导中心各自与干涉区域中心偏移量c为20.3微米。

输入端口波导的输入端和输出端口波导的输出端均为S型弯曲波导10和第二直波导12的组成，其中，S型弯曲波导10长度为300微米，半径为406微米，侧向偏移的距离为100微米，第二直波导11长度为100微米；S型弯曲波导10和第二直波导11的宽度均为6微米，厚度均6微米。

图3显示了所设计的多模干涉仪基于光束传输法模拟的光束传输的场分布图。图4显示了多模干涉仪两个输出端口输出能量的曲线图。多模干涉仪任一输入端在输入波长为1550nm光信号下，经过长度为9473微米，宽度为120微米多模干涉区域，在两个输出端口50比50输出。

图5显示了当光信号波导端口一输入，光信号沿着光波导传播，当到达第一个多模干涉区域，发生多模干涉，光信号在第一个多模干涉仪中被均分，即从两个输出端口50比50输出。通过调节马赫-曾德干涉臂5中其中一根臂的折射率，即使光信号产生相位变化，使得光信号在第二个多模干涉仪的两个输出端口之间转换，从而实现2×2光开关功能。图6显示了通过调节马赫-曾德干涉臂5中其中一根臂的折射率，即等价热光调制光信号在波导中的相位，光信号两个输出端口输出能量的曲线图。通过计算当光信号从交叉端输出时消光比为59.58dB，当光信号从直通端输出时消光比为41.83dB，这里的消光比定义为10×log(Pa/Pb)，其中Pa为光信号输出端的光功率，Pb为光信号未输出端的光功率。

图7所示，上述2×2集成光开关的制造方法，包括下列步骤：

步骤1，在350摄氏度下，通过等离子体增强化学气相沉积方法在硅基衬底1上生长二氧化硅缓冲层2的第一部分，本实施例中，该第一部分的厚度为9微米。

步骤2，将两个金属电极6附着到二氧化硅缓冲层2的第一部分上，再通过等离子体增强化学气相沉积方法生长二氧化硅缓冲层2的第二部分，该第二部分的厚度为3微米。

步骤3，通过等离子体增强化学气相沉积方法生长二氧化硅芯层3，二氧化硅芯层3有锗掺杂，本实施例中厚度为6微米。采用磁控溅射在二氧化硅芯层3上镀镉作为复合刻蚀掩模，使用光刻以及离子束刻蚀形成芯层波导结构。芯层波导经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积方法生长二氧化硅上包层4，二氧化硅上包层4的厚度为10微米。

步骤5，在金属电极6之间以及金属电极6边缘的氧化硅刻槽处理。

综上，本实用新型的2×2集成光开关包含两个相同的多模干涉仪的马赫-曾德干涉仪结构，在马赫-曾德臂下附着金属电极6对热效应范围内芯层进行折射率调制从而达到对光信号相位调制，通过调节附加在电极上的电压可实现光在两个输出端口的转换。

对多模干涉仪的设计，首先通过理论计算多模干涉仪区域的宽度，结合入射波长根据公式其中w为多模干涉区域宽度，λ为入射波长，ε为模式极，对于横电模ε＝0，对于横磁模ε＝1，na为包覆层的折射率，nb为波导芯层的折射率。其次，通过多模干涉区的宽度计算其拍长其中，nr为包覆层的折射率，we为多模干涉区域宽度，拍长La与多模干涉区长度L的关系为L＝kLa，其中，k为整数、受限共振机制中，如果k分别是奇数或偶数，则形成自成像点为同向或者镜像图像。由此可以得到所需多模干涉仪的初步的理论参数。

最终多模干涉仪设计参数为:波导芯层的厚度为6微米，多模干涉区域长度为9473微米，宽度为120微米。锥形波导8的长度为304.9微米，连接多模干涉仪端的宽度为12.4微米，连接第一直波导9端的宽度为6微米。第一直波导9的宽度为6微米，长度为100微米，输入端口波导和输出端口波导中心与多模干涉区域中心偏移量为20.3微米。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。