一种基于平面波导的光开关及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种平面波导的光开关及其制造方法，属于光纤通信设备领域。
【背景技术】
[0002]光传送网(OTN)是当前全光网络的发展趋势，光联网的实现将依赖于新一代光开关、波分复用器、光衰减器和光放大器等元器件的进展。新一代器件的特征将是它们在光域性能的提高和多功能的集成。其中光开关是实现光传输路径变换的关键器件，被广泛应用于光层的路由选择、波长选择、光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)、光网络监控、器件测试及自愈保护等方面。
[0003]实现光开关的技术方案很多，除了传统的机械式光开关外，还有磁光开关，M-Z型干涉式光开关，热光开关，声光开关，液晶开关，MEMS开关等。不同的实现原理和工艺特点使其在性能指标上各不相同，如插损(IL)、串扰(Crosstalk)、偏振相关度(PDL)、波长相关度(WDL)、温度相关性(TDL)、重复性等等上的差异导致各自应用方式不同。
[0004]热光开关利用热光效应对光场的调制可用于制造小型的如I X 2光开关。通过集成多个1X2光开关也可组成较大的阵列。干涉式热光开关主要利用M-Z干涉原理，在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。干涉式热光开关结构紧凑，成本较低，串扰较低，功耗较小，可以与AWG集成在一起组成0ADM，从而被广泛应用。但是普通干涉热光开关存在波长敏感性的问题，当传输的带宽比较宽时，不同波长经过这类型光开关产生的相位差不一致，这样导致不是所有波长都在M-Z干涉仪的第二个臂上进行精确的控制开和关，如果波长带宽较宽时，就会出现不同波导分支之间串扰，降低器件的性能。
【发明内容】
[0005]本发明就是针对上述问题，本发明是提供一种结构紧凑，体积小，便于系统集成，可以同时解决现有光开关的波长敏感性和温度敏感性问题的一种基于平面波导的光开关及其制造方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下方案，一种基于平面波导的光开关包括平面衬底和设置在平面衬底上的M-Z干涉仪，其结构要点在于M-Z干涉仪包括入射波导、3dB耦合器、出射波导和并联在两个3dB耦合器之间的主波导、分支波导，主波导表面设置有金属加热器，主波导包括两种热光色散系数材料组成两个波导分支。
[0007]作为本发明的进一步改进，主波导的两个波导分支由含两种热光系数的波导材料构成。
[0008]本发明的另一个目的是提供一种基于平面波导的光开关的制造方法，包括如下步骤:
1.确定主波导和分支波导纤芯长度；
2.用化学气相淀积工艺(CVD)，在硅片上生长一层S12,其中掺杂磷、硼离子，作为主波导、分支波导和3dB耦合器的下包层；
3.用CVD工艺，在下包层上再生长一层S12，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差；
4.通过退火硬化工艺，使下包层和波导芯层S12变得致密均匀；
5.进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来；
6.根据步骤I计算出的结论，通过采用反应离子刻蚀(RIE)工艺，将非波导区域刻蚀掉，同时刻蚀耦合器并在主波导上刻蚀出聚合物芯层的凹槽控制主波导的两个波导分支和分支波导的长度;在凹槽内注入主波导聚合物芯层材料；
7.在主波导、分支波导和3dB耦合器上旋涂并热固化低折射率聚合物上包层材料形成一个整体；
8.在主波导上制作加热器并引出加热导线。
[0009]步骤(2)下包层可为S12,其中掺杂磷、硼离子。
[0010]步骤(2)下包层可为材料为玻璃或铌酸锂基底。
[0011 ]步骤(3)为S12，作为波导芯层，其中掺杂锗离子。
[0012]发明的有益效果
本发明采用在平面衬底上设置入射波导、3dB耦合器、出射波导和并联的主波导、分支波导;结构紧凑，体积小，便于系统集成；由于主波导采用了两种热光色散系数的材料，在主波导加热时，使得不同波长光经过主波导后实现和分支波导保持固定的相位差，再经第二个3dB耦合器进行耦合干涉，使得光最终分别经两条出射波导输出，从而实现到达所有波长同步进行开关控制的目的，解决了波长的敏感性和温度敏感性问题，更适用于波长带宽较宽情况。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]本发明包括平面衬底110和在平面衬底110上制作干涉仪100，M-Z干涉仪100包括入射波导101，出射波导106、107，2个3dB耦合器102、105，主波导103和分支波导104并联在2个3dB耦合器102，105之间；主波导103的两个波导分支103A、103C是由两种热光系数的波导材料构成，主波导103上面覆盖金属加热器103B。主波导103的两个波导分支103A、103C由含两种热光系数的波导材料构成。工作时，入射光通过入射波导101通过第一个3dB耦合器102将光分到主波导103的两个波导分支103A、103C和分支波导104中；它们的热光色散系数存在偏差。主波导103的一个波导分支103A和分支波导104在正常的工作状态下有相同的传输光程;通过对主波导103的加热器103B进行加热，使得波导材料折射率变化，引起两个波导分支103A、103C的相位差发生半波长变化，再经第二个3dB耦合器105进行耦合干涉，使得光最终进入不同的出射波导106、107中；即通过控制主波导103的温度，实现温度不敏感性和波长不敏感性。当光程差相等时，输出光从出射波导106输出；程差为半波长时，光从出射波导107输出。
[0015]下面具体分析本发明对温度不敏感性和波长不敏感性: 设定参数如下:
主波导103的波导分支103A长度为LI，折射率为nl，热光系数为Al，热光色散系数为BI ； 主波导103的波导分支103C的长度为L2，折射率为n2，热光折射为A2，热光色散系数为
B2；
分支波导104的长度为L3，折射率为n3，热光折射为Al，热光色散系数为BI。
[0016]1、温度不敏感性分析 1.1常温时，主波导103的分支波导1034的光程为1^1*111+1^*112 分支波导104的光程为1^3*113
当二者光程相等时，输出光从出射波导106输出；
1.2当整体温度上升Δ Tl时:
主波导 103A, 103C的光程为Ll*(nl+ Δ T1*A1)+L2*(n2+ Δ Τ1*Α2)
分支波导104的光程为1^3*(113+ Δ Τ1*Α3)
如果满足条件:L3*(n3+ Δ Tl*A3)=Ll*(nl+ Δ T1*A1)+L2*(n2+ Δ T1*A2)(1)
输出光从出射波导106输出；
当主波导103的温度上升到Δ T2时，
分支波导104的温度不变，分支波导104的光程为L3*(n3+Δ Τ1*Α3)
主波导的光程为Ll*(nl+( Δ Tl+ Δ T2)*Al)+L2*(n2+( Δ Tl+ Δ Τ2)*Α2)
与温升前的光程差相差为:LI* Δ T2*A1+L2* Δ Τ2*Α2
如