专利名称：2×3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，可对不同波长或相同波长的光信号进行路由选择、交叉互连或耦合的光开关器件。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。现行的光波导开关有Y型分支1×2光开关、X型2×2光开关、3×2光开关、以及由Y分支1×2结构或X型2×2结构作为基本单元级联形成的M×N光开关阵列。其共同特点是都只局限于两个输出端，难于满足用户的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于突破现有光开关只有两个输出端的局限，提供一种具有三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)、三个单模输出波导(1)、(2)、(3)及多模波导区(4)，其中多模波导区(4)设置在输入波导(A)、(B)与输出波导(1)、(2)、(3)之间，多模波导区(4)的入口端与输入波导(A)、(B)相接，多模波导区(4)的出口端分别与输出波导(1)、(2)、(3)相接。
上述单模输出波导(2)由锥形波导部分(7)和直波导部分(8)组成，其中锥形波导部分(7)的一端与多模波导区(4)的出口端相接，另一端与直波导部分(8)相接。
上述多模波导区(4)为多模干涉区，且其上设有两个折射率改变区(5)、(6)。
上述折射率改变区(5)、(6)可分别独立运作，也可以同时运作。
上述多模波导区(4)中的折射率改变区(5)、(6)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)和单模输出波导(1)、(2)、(3)都是脊形波导。
上述光波导的截面包括有衬底(14)、导波层(15)、覆盖层(20)，导波层(15)、覆盖层(20)依次覆盖在衬底(14)上。
上述折射率改变区(5)、(6)所在的导波层(15)中有p型或n型掺杂区(18)和其旁边的n型或p型掺杂区(16)，两个金属电极(19)、(17)分别设在其上方。
上述导波层(15)可以是对光通信波长透明的光电子材料；上述衬底(14)、覆盖层(20)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、和三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。这种光开关可以把从任意一个端口输入的光信号分别从三个输出端口输出，也可以把从两个输入端口同时输入的光信号耦合到中间一个输出端口输出，或者调节到除中间的一个输出端口以外的任意两个输出端口输出。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2×3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)中折射率改变区(5)沿C-D方向的横截面示意图；图2(b)为图1(b)中折射率改变区(6)沿E-F方向的横截面示意图；图3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)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(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)所示，包括有两个单模输入波导A、B、三个单模输出波导1、2、3及多模波导区4，其中多模波导区4设置在输入波导A、B与输出波导1、2、3之间，多模波导区4的入口端与输入波导A、B相接，多模波导区4的出口端分别与输出波导1、2、3相接。
上述单模输出波导2由锥形波导部分7和直波导部分8组成，其中锥形波导部分7的一端与多模波导区4的出口端相接，另一端与直波导部分8相接。
上述多模波导区4为多模干涉区，且其上设有两个折射率改变区5、6。
上述折射率改变区5、6可分别独立运作，也可以同时运作。本实施例中，图1b所示9是两个输入波导A、B之间的间距，10和11分别是输出波导2、3以及1、2之间的最近间距，12和13分别是输出波导1、2以及2、3之间的直波导段之间的间距。本实施例中，两个单模输入波导A、B和三个单模输入波导1、2、3的宽度均为6μm。两个单模输入波导A、B的长度为1000μm，间距9是18μm。单模输出波导(2)的锥形波导部分7的长度为2000μm，始端和末端的宽度分别为12μm和6μm，单模输出波导(2)的直波导部分(8)的长度为1500μm。输出波导1、3的长度都是3500μm。输出波导1、2以及2、3之间的最近间距11、10均为3μm，输出波导1、2以及2、3之间的直波导段之间的间距12、13均为6μm。多模干涉区4为多模波导，宽度30μm，长度9500μm。两个折射率改变区5、6在光传播方向上分别位于多模干涉区4的1/2及3/4处，在垂直光传播方向上分别位于多模干涉区的左侧和右侧，如图1所示，长度和宽度分别为260μm和15μm。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1.4cm。
上述单模输入波导A、B及单模输出波导1、2、3都是脊形波导。
上述多模波导区4中的折射率改变区5、6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4的折射率改变区是靠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14、导波层15、覆盖层20，导波层15、覆盖层20依次覆盖在衬底14上。
上述导波层15可以是对近红外光透明的光电子材料。上述衬底14、覆盖层20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15是SiGe材料，衬底14是Si材料、覆盖层20是SiO2材料。
上述折射率改变区5、6的导波层15中有p型掺杂区16和n型掺杂区18，两个金属电极17、19分别设在p型掺杂区16和n型掺杂区18的上方。
本发明实施例在设计时，衬底14为p型Si材料，掺杂浓度2×1016cm-3，导波层15为p型SiGe材料，掺杂浓度2×1016cm-3。p型掺杂区16和n型掺杂区18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，在折射率改变区5、6没有施加偏压时，光信号将会从输出端口3输出；只在折射率改变区5施加偏压时，光信号将被调节到输出端口1输出，在折射率改变区5、6同时施加偏压时，光信号将会被调节到输出端口2输出，分别如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示。
(2)如果光信号只从输入端口B输入，在折射率改变区5、6没有施加偏压时，光信号将会从输出端口1输出；在折射率改变区5施加偏压时，光信号将被调节到输出端口3输出，在折射率改变区5、6同时施加偏压时，光信号将会被调节到输出端口2输出，分别如图3(d)、图3(e)和图3(f)所示。
(3)如果光信号从输入端口A、B同时输入，在折射率改变区5、6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、1输出，在折射率改变区5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1、3输出，在折射率改变区5、6同时施加偏压时，从输入端口A、B输入的光信号将会被耦合在一起并从输出端口2输出，分别如图3(g)、图3(h)和图3(i)所示。
在本发明实施例中，折射率改变区5、6所施加的正向偏压均为1V。2×3光波导开关的平均消光比为27dB，插入损耗约2.0dB。
权利要求
1.一种基于多模干涉原理的2×3光波导开关，其特征在于包括有两个单模输入波导(A)、(B)、三个单模输出波导(1)、(2)、(3)及多模波导区(4)，其中多模波导区(4)设置在输入波导(A)、(B)与输出波导(1)、(2)、(3)之间，多模波导区(4)的入口端与输入波导(A)、(B)相接，多模波导区(4)的出口端分别与输出波导(1)、(2)、(3)相接。
2.根据权利要求1所述的2×3光波导开关，其特征在于上述单模输出波导(2)由锥形波导部分(7)和直波导部分(8)组成，其中锥形波导部分(7)的一端与多模波导区(4)的出口端相接，另一端与直波导部分(8)相接。
3.根据权利要求1所述的2×3光波导开关，其特征在于上述多模波导区(4)为多模干涉区，且其上设有两个折射率改变区(5)、(6)。
4.根据权利要求3所述的2×3光波导开关，其特征在于上述折射率改变区(5)、(6)可分别独立运作，也可以同时运作。
5.根据权利要求4所述的2×3光波导开关，其特征在于上述多模波导区(4)中的折射率改变区(5)、(6)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2×3光波导开关，其特征在于上述单模输入波导(A)、(B)和单模输出波导(1)、(2)、(3)都是脊形波导。
7.根据权利要求6所述的2×3光波导开关，其特征在于上述光波导的截面包括有衬底(14)、导波层(15)、覆盖层(20)，导波层(15)、覆盖层(20)依次覆盖在衬底(14)上。
8.根据权利要求7所述的2×3光波导开关，其特征在于上述折射率改变区(5)、(6)所在的导波层(15)中有p型或n型掺杂区(18)和其旁边的n型或p型掺杂区(16)，两个金属电极(19)、(17)分别设在其上方。
9.根据权利要求7所述的2×3光波导开关，其特征在于上述导波层(15)可以是对光通信波长透明的光电子材料；上述衬底(14)、覆盖层(20)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。
10.根据权利要求9所述的2×3光波导开关，其特征在于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。
全文摘要
本发明涉及一种基于多模干涉原理、结构单元为2×3的光波导开关。包括有两个单模输入波导、三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分别与输出波导相接。多模波导区是一个多模干涉区，其上设有两个折射率可改变的区域。本发明可以把从任意一个端口输入的光信号分别从三个输出端口输出，也可以把从两个输入端口同时输入的光信号耦合到中间一个输出端口输出，或者调节到除中间的一个输出端口以外的任意两个输出端口输出。此外，本发明可在一个芯片上实现单片集成，其制作工艺简单，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G02B6/122GK1707294SQ20051003472
公开日2005年12月14日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者李宝军, 陈志文, 李章健 申请人:中山大学