专利名称：一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列及其方法
技术领域：
本发明涉及信息光电子技术领域，特别是一种既可以采用小尺寸光波导缩小光开关芯片尺寸，又可通过集成式三维光场模班变换器实现小尺寸光波导和标准单模光纤之间高效率耦合的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列。
背景技术：
密集波分复用(DWDM)技术是解决宽带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。光开关阵列是构造DWDM系统中光上/下载路(OADM)和光交叉互连(OXC)功能模块的关键部件。由于波导光开关具有响应速度快、低功耗、制作工艺简单、可集成性好、无活动部件可靠性高等优点，而成为光开关阵列的重要发展方向。目前日本NTT公司采用二氧化硅技术的热光开关阵列已经投入商用。SOI(Silicon on Insulator，绝缘衬底上的硅)光开关比二氧化硅光开关具备更快的响应速度潜力、更好的CMOS工艺兼容性和OEIC集成性，将成为新一代光开关的首选技术。
一个N×N光开关阵列是由若干个2×2光开关单元通过连接波导连接成矩阵结构而构成的，所以光开关阵列也叫做光开关矩阵。SOI波导光开关由于要实现波导的单模工作，以及较大的波导横截面尺寸而有利于光纤耦合，单模波导的形状采取大横截面脊形波导结构(其横截面尺寸和单模光纤尺寸相当)。这样的大横截面脊形波导在弯曲半径很小时存在很大的弯曲辐射损耗，采用较大的弯曲半径虽然能降低波导弯曲辐射损耗，但器件长度将大大增加。过于长的光开关芯片首先是不利于加工(因为涉及到大面积波导刻蚀工艺均匀性的问题)，其次是给芯片后续封装带来困难。采用较大的弯曲半径的另一弊端是，较大的弯曲半径波导之间的交叉角很小。而波导之间因交叉引起的信道串扰是随交叉角的减小而迅速增大的。较小弯曲半径的交叉波导虽然可以获得较大的交叉角，但小弯曲波导的弯曲辐射损耗又很严重。为了改善上述情况，可采用小横截面脊形波导(其横截面尺寸远小于单模光纤尺寸)来构造光开关阵列，因为小横截面脊形波导可以在保证低弯曲辐射损耗的情况下具有较小的波导弯曲半径和较大的波导交叉角。但小横截面脊形波导同光纤之间由于模场失配严重，其耦合效率很低。由以上分析可知，采用小横截面脊形波导构造光开关阵列的情况下，缩小光开关阵列芯片尺寸和提高输入/输出波导同光纤的耦合效率是一对不可调和的矛盾，在实际制作中只能折中考虑。因此，为了从根本上解决问题，必须设计出一种新的光开光阵列耦合结构。
发明内容
本发明的目的在于提出一种既可以采用小尺寸光波导缩小光开关芯片尺寸，又可通过集成式三维光场模班变换器实现小尺寸光波导和标准单模光纤之间高效率耦合的新型波导光开关阵列耦合结构设计及其制备方法。这种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列具有较短的芯片尺寸、较高的光纤耦合效率、简单的光纤耦合工艺、较快的开关速度、低廉的封装成本。
根据上述目的，提出了一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，该光开关阵列是在SOI材料或者其它任何具有导波性能的光学材料上用常规CMOS工艺经过光刻、刻蚀、PECVD淀积/氧化制膜等工艺步骤制成的。光开关阵列是由一组输入波导、一组输出波导以及若干个2×2光开关单元在芯片上按一定空间位置分级排列组合而成的，各2×2光开关单元之间通过连接波导相互连接。在传统的光开关阵列中，输入/输出波导为普通的脊形或条形波导，为了增大同光纤的耦合效率，输入/输出波导至多采用二维锥形结构，即输入/输出波导在平行于芯片平面内呈锥形逐渐过渡，而在垂直于芯片平面内尺寸没有任何变化，这种二维模斑变换波导结构的光纤耦合效率不高。本发明提出的一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，是用两步刻蚀工艺，直接在输入波导和输出波导上制作三维锥形光场模斑变换器，通过三维锥形光场模斑变换器在输入端将标准单模光纤的光场压缩耦合到小横截面输入光波导中，在输出端再将小横截面输出光波导的光场扩大耦合到标准单模光纤中。从而达到既可以采用小尺寸光波导缩小光开关芯片尺寸，又可通过集成式三维光场模班变换器实现小尺寸光波导和标准单模光纤之间高效率耦合的目的。
一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，该波导光开关阵列包括输入/输出光波导；在各输入/输出光波导上集成的三维光场模斑变换器；各级2×2光开关单元；各级2×2光开关单元之间的连接光波导。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，小尺寸的输入/输出波导和标准单模光纤之间的高效率耦合是通过集成在输入/输出波导上的光场模斑变换器实现的。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，集成式光场模斑变换器和输入/输出波导之间的位置对准既可以通过自对准工艺实现，也可以通过其它变通的工艺手段实现。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，所述光开关阵列可以在任何具有导波性能的光学材料上制备。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，光学材料是SOI，SiO2，Polymer，GeSi/Si，GaAs，InP，LiNiO3。
述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其光波导和集成式三维光场模斑变换器既可以采用干法刻蚀工艺，也可以采用各向异性湿法化学腐蚀工艺，或者是采用干法刻蚀和湿法化学腐蚀相结合的工艺制作。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，干法刻蚀工艺是RIE，ICP等离子刻蚀，各向异性湿法化学腐蚀工艺是硅的KOH溶液腐蚀。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，所述光开关阵列的驱动方式既可以是热光驱动，也可以是电光驱动。
所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，光开关阵列可以具有任意网络拓扑结构，光开关的连通特性既可以是阻塞型的，也可以是完全无阻塞型或者重排无阻塞型的。
图1是一个传统波导光开关阵列的输入/输出波导示意图。
图2是本发明的集成在输入/输出光波导上的三维光场模斑变换器示意图。
图3为本发明的一个具体实施例的制作工艺流程图。
具体实施例方式
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及一个具体的集成有光场模斑变换器的SOI 8×8波导光开关阵列实施例对本发明作进一步的详细描述，其中图1是为了对比起见而给出的一个传统波导光开关阵列的输入/输出波导示意图(长宽未按实际比例画出)。一个在硅膜厚度为8微米的SOI衬底材料上实际制作的这样的传统8×8波导光开关阵列芯片，其长度为460mm，宽度为1mm，可见其芯片长宽在比例上极不匀称。光开关各输出信道之间的平均串扰为-15dB左右。
图2是本发明提出的集成在输入/输出光波导上的三维光场模斑变换器示意图(长宽未按实际比例画出)。图中201是制作在输入/输出光波导上的三维光场模斑变换器，其在平行于芯片的方向上为一定长度的锥形结构，在垂直于芯片的方向上厚度不变，其位置位于输入/输出光波导的正上方。图中202是小尺寸输入/输出光波导，203是SOI材料的埋氧层。在本实施例中，一个在硅膜为8μm厚的SOI材料上制备的具体的三维光场模斑变换器，其长度为1.5mm，高度为4μm，锥形前端宽8μm，锥形末端宽度为零。本实施例所描述的在硅膜为8μm厚的SOI材料上制备的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其芯片整体长度为320mm，宽度为1mm，可见其芯片长度能较大幅度缩短。光开关各输出信道之间的平均串扰为-24dB左右(实验测试值)。
附图标记说明101脊形输入/输出光波导102SOI埋氧层102SOI硅衬底201三维集成式光场模斑变换器202小尺寸脊形光波导203SOI埋氧层请参阅图3，图中所示为本发明的一个具体实施例的制作工艺流程。这里是以三维光场模斑变换器的制作过程为例，说明集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列芯片的制作过程。具体工艺流程为首先清洗SOI片，热氧化生成500nm的SiO2作为掩模层，光刻光场模斑变换器图形(图5a)；一次ICP刻蚀，形成光场模斑变换器台阶4μm，保留台阶上SiO2掩模(图5b)；涂光刻胶，光刻光波导图形(图5c)；二次ICP刻蚀，形成2μm脊形波导，去胶(图5d)；然后除去所有掩模，再用热氧化工艺生成160nm的SiO2作为波导的上包层(图5e)。在氧化硅包层上生长金属Cr/Au层，再光刻制作电极。最后是划片和波导端面抛光。
综上所述，本发明所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列至少具有以下优点1.本发明一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其具有比传统波导光开关阵列短的芯片长度。
2.本发明一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其输入/输出光波导通过集成光场模斑变换器，可以实现和标准单模光纤的高效率耦合，因此具有相对简单的后续耦合工艺过程，较低的耦合成本和较高的产量。
3.本发明一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，由于其具有比传统波导光开关阵列短的芯片长度，因此对大面积波导刻蚀的工艺均匀性要求不高，能够有较高的芯片成品率。
4.本发明一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，由于其可以采用小尺寸光波导，因此可以采用较小的波导弯曲半径和较大的波导交叉角，从而大大降低了光开关的信道串扰。
5.本发明一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，由于其可以采用小尺寸光波导，因此光开关的开关速度较快。
6.本发明一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其制作过程同目前微电子行业通行的标准CMOS工艺完全兼容，因此易于推广。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质(即在波导光开关阵列的输入/输出波导上集成三维光场模斑变换器)对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。
权利要求
1.一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于该波导光开关阵列包括输入/输出光波导；在各输入/输出光波导上集成的三维光场模斑变换器；各级2×2光开关单元；各级2×2光开关单元之间的连接光波导。
2.根据权利要求1所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于小尺寸的输入/输出波导和标准单模光纤之间的高效率耦合是通过集成在输入/输出波导上的光场模斑变换器实现的。
3.根据权利要求1所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于集成式光场模斑变换器和输入/输出波导之间的位置对准既可以通过自对准工艺实现。
4.根据权利要求1所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于所述光开关阵列可以在任何具有导波性能的光学材料上制备。
5.根据权利要求4所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于光学材料是SOI，SiO2，Polymer，GeSi/Si，GaAs，InP，LiNiO3。
6.根据权利要求1所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于其光波导和集成式三维光场模斑变换器既可以采用干法刻蚀工艺，也可以采用各向异性湿法化学腐蚀工艺，或者是采用干法刻蚀和湿法化学腐蚀相结合的工艺制作。
7.根据权利要求6所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于干法刻蚀工艺是RIE，ICP等离子刻蚀，各向异性湿法化学腐蚀工艺是硅的KOH溶液腐蚀。
8.根据权利要求1所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于所述光开关阵列的驱动方式既可以是热光驱动，也可以是电光驱动。
9.根据权利要求1所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其特征在于光开关阵列可以具有任意网络拓扑结构，光开关的连通特性既可以是阻塞型的，也可以是完全无阻塞型或者重排无阻塞型的。
10.一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列制备方法，其步骤如下首先清洗SOI片，热氧化生成500nm的SiO2作为掩模层，光刻光场模斑变换器图形；一次ICP刻蚀，形成光场模斑变换器台阶4μm，保留台阶上SiO2掩模；涂光刻胶，光刻光波导图形；二次ICP刻蚀，形成2μm脊形波导，去胶；然后除去所有掩模，再用热氧化工艺生成160nm的SiO2作为波导的上包层，在氧化硅包层上生长金属Cr/Au层，再光刻制作电极，最后是划片和波导端面抛光。
全文摘要
本发明涉及信息光电子技术领域，一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列及其方法，包括输入/输出光波导；在各输入/输出光波导上集成的三维光场模斑变换器；各级2×2光开关单元；各级2×2光开关单元之间的连接光波导；光开关驱动电极。利用在波导光开关阵列芯片输入/输出光波导上制作的集成式三维光场模斑变换器，将进入/输出小尺寸波导的光场模斑进行压缩/放大，达到提高标准单模光纤和小尺寸光波导之间的耦合效率，用小尺寸波导构造的光开关，特别是热光驱动开关，开关速度比大尺寸波导光开关要快。该集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，其制备工艺同微电子标准CMOS工艺完全兼容，因此容易制作，便于大批量生产。
文档编号H04J14/02GK101055338SQ20061001165
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月13日 优先权日2006年4月13日
发明者陈少武, 李艳萍, 余金中 申请人:中国科学院半导体研究所