专利名称：基于soi光波导的反射型热光可变光衰减器及制备方法
技术领域：
本发明属于光电子器件领域，涉及一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减 器及其制备方法。
背景技术：
可变光衰减器是光通信系统中的关键器件之一，在密集波分复用系统中可用作光 源通道能量控制、接收器能量控制、光放大器增益平坦化、信道均衡。对可变光衰减器的特 性要求包括插入损耗低、衰减范围大、低偏振模态色散、低偏振相关损耗、低波长相关损 耗、响应时间快、体积小、功耗低、易于集成等。可变光衰减器主要有机械式可变光衰减器、 波导式可变光衰减器、液晶式可变光衰减器、微机械可变光衰减器等。波导式光衰减器尤其 是硅基波导式光衰减器由于方便和其它光学器件集成，因此具有较好的应用前景。硅基波导式光衰减器的结构形式主要有马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪型、多模干涉 (MMI)型和弯曲波导热光型。M-Z型热光可变光衰减器的缺点在于分路合路必然会引入一 定的损耗，同时器件的尺寸较大。MMI型衰减器的原理是调节二重镜像的相位，以实现对光 的衰减，而实际的工艺中准确的对二重镜像点定位有一定难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SOI (Silicon on Insulator)光波导的反射型热光 可变光衰减器及其制备方法。本发明所述的基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器的结构如图1所示，其 特征在于可变光衰减器是在SOI衬底的顶层硅一侧制作，为一体脊型结构，沿着输入光的 方向顺次是输入单模波导1、第一单模渐变波导2、多模波导3、第二单模渐变波导4、输出单 模波导5 ；在各段波导的上表面制备有一层二氧化硅上包层，在二氧化硅上包层的上面制 备有用于热光调制的平行四边形金属电极；平行四边形金属电极的一组对边与多模波导的 宽度相等且垂直于输入光方向，平行四边形金属电极分为上直角三角形金属电极和下直角 三角形金属电极，下直角三角形金属电极制备在多模波导3正上方的二氧化硅上包层上， 在与输入光垂直的方向上，下直角三角形金属电极的截面渐次变小，上直角三角形金属电 极制备在多模波导3外侧的二氧化硅上包层上。下直角三角形金属电极是波导内侧的热光调制区，该可变光衰减器的基本工作原 理可以直观的解释为当无热光调制时，整个多模波导折射率分布均勻，记为Nrff，输入光几 乎无损耗地通过多模波导；当外加电压对下直角三角形金属电极调制区进行加热时，下直 角三角形金属电极使多模波导在对角线处形成一个折射率分界面，位于下直角三角形金属 电极区域下面的多模波导的折射率开始逐渐增大，记其增量为△，而另一部分多模波导的 折射率没有变化，因而在下直角三角形金属电极的边界处形成一个折射率分界面，于是将 会使输入光产生部分反射，使输出光得到衰减。如果合理的选择下直角三角形金属电极的 倾角α (即下直角三角形金属电极的斜边与输入光方向的夹角)，并继续增大Δ，就会使入射光在折射率分界面上产生全反射，从而使器件获得最大衰减。二氧化硅绝缘层上面的上直角三角形金属电极是波导外侧的热光调制区，它的作 用是为了尽量避免折射率分界面产生的反射光再次反射回多模波导，用以引导反射光使之 从侧壁泄漏，增强器件对光的衰减。图示中的所有光波导均是刻蚀深度相同(h)的脊型结 构，各部分波导唯一的不同在于其脊的形状和宽度不同。对于单模波导的参数设计，其波导宽度W、内脊高度H和外脊高度h之间满足单模
r
传输条件,<C + "—7T ’其中丨=I c = 0. 3，=上> 0.5。取SOI硅片顶层硅厚度即H = 5um, UHH
优化后设计的脊宽w和外脊h分别为3um和3um。优化后的多模波导宽度和长度分别为
30um、600umo单模渐变波导的目的在于缓慢的使单模波导出来的光斑增大到多模波导的尺寸 大小。这部分的设计原则是采用足够长的波导来过渡，以尽量减小宽度变化带来的损耗。仿 真优化后的过渡区长度为1500um，其入口处的宽度为3um，其出口处的宽度为30um。金属调制电极的倾角是一个很重要的参数，从图5可以看出，α增大大必然使得 全反射时Δ也增大，而Δ又是热光调制所决定，不能太大，但α太小必然使得工艺不好控 制，因此我们折中考虑取α =3°。此时Δ > 5Χ10_3可发生全反射。本发明所述的器件的特点(1)在SOI多模波导上，制作热光调制区域，通过改变调制区的折射率，形成折射 率的分界面，利用反射原理对输入光信号进行衰减，结构简单，调制方便，对制作精度要求不高。(2)采用ICP刻蚀的方法，一次刻蚀同时得到单模和多模波导的结构，制作工艺简 单，便于和其它SOI基器件集成。本发明所述基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器采用光刻、感应耦合等离 子体(ICP)刻蚀、生长金属膜和金属膜的腐蚀等工艺制作。本发明所述的基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器制备步骤如下A 选取SOI衬底，其顶层硅为(100)晶向，厚度在4 8微米，电阻率4 8 Ω -cm； 埋层二氧化硅的厚度为1 3微米；衬底硅的厚度200 500微米；B 在SOI衬底的顶层硅一侧，按照所设计的器件的结构和尺寸，通过光刻、ICP刻 蚀顶层硅1. 5 3微米，形成脊型的各部分波导结构；C 在SOI衬底的顶层硅一侧，采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法，制作二 氧化硅作为波导的上包层；D 在二氧化硅上包层的上面蒸发铝电极，厚度为50 150nm ；E 在铝电极上光刻，用光刻胶作掩膜，湿法腐蚀铝，形成平行四边形的加热电极；F:用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI衬底分离出来，引出电极，从而 完成本发明器件的制作。采用上述方法的可变光衰减器，可以在0 30dB范围内，实现对光信号的连续可 变衰减。
图1 本发明所述的基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器的从上面看到的 结构示意图；图2 图1所示光衰减器的AA，剖视图；图3 图1所示光衰减器的BB’剖视图；图4 图1所示光衰减器的CC’剖视图；图5 本发明所述光衰减器当输入光全反射时，铝电极倾角α与折射率变化Δ的 关系曲线；图6 本发明所述光衰减器的衰减量随折射率变化的曲线；如图1所示，各部分名称为单模波导1，第一单模渐变波导2，多模波导3，第二单 模渐变波导4，输出单模波导5，倾角为α的平行四边形铝加热电极205，折射率分界面7， 二氧化硅上包层204 ；如图2所示，各部分名称为衬底硅201，埋层二氧化硅202，顶层硅203，二氧化硅 上包层204，平行四边形铝加热电极205 ；
具体实施例方式实施例1 单模波导的宽度3um，内脊和外脊的高度分别为5um和3um ；多模波导宽W = 30 μ m，长L = 600 μ m,调制电极三角形倾角约为3°，侧壁外的三角形区域的设计与多模波 导内的三角形调制区相同；波导过渡区的长度1500um。在上述参数下，对该结构进行了模拟，图5显示了在不同的折射率调制下，衰减单 元的衰减特性。从图中可以看出，无折射率调制时，静态损耗约为0.007dB，随着折射率的 增加，输出功率随之减小，当折射率变化Δ >5Χ10_3后，随即发生全反射，此后输出功率极 小，低于30dB。从图5、6中可以看出实现0到30dB热光衰减需要的温度变化约为0到30 度。为了降低驱动电压，实际制作中采用两个调制电极并列放置在多模波导上，同时加电压 实现调制。当器件的结构尺寸设计完成后，可以采用下面的方法制作器件。A 选取SOI衬底，参数如表1。表1 :S0I晶片材料的参数
B 在SOI衬底的顶层硅一侧，光刻、ICP刻蚀顶层硅，刻蚀的工艺参数见表2，刻蚀 深度为2微米，形成脊型波导；表2 ICP刻蚀窗口的工艺参数
C 在SOI衬底的顶层硅一侧，采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)方法，制作1 微米二氧化硅作为波导的上包层。D 在SOI顶层硅一侧，二氧化硅上包层的上面蒸发铝IOOnm作为加热电极；E 在铝电极上光刻，用光刻胶作掩膜，磷酸湿法腐蚀铝，形成平行四边形加热电 极；F:用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，引出电极，从 而完成本发明器件的制作，对可变光衰减器的衰减特性进行了测试，衰减量可以达到30dB。
权利要求
一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器，其特征在于可变光衰减器是在SOI衬底的顶层硅(203)一侧制作，为一体脊型结构，沿着输入光的方向顺次是输入单模波导(1)、第一单模渐变波导(2)、多模波导(3)、第二单模渐变波导(4)、输出单模波导(5)；在各段波导的上表面制备有一层二氧化硅上包层(204)，在二氧化硅上包层的上面制备有用于热光调制的平行四边形金属电极(205)。
2.如权利要求1所述的一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器，其特征在于 平行四边形金属电极(205)的一组对边与多模波导(3)的宽度相等且垂直于输入光方向， 平行四边形金属电极(205)分为上直角三角形金属电极和下直角三角形金属电极，下直角 三角形金属电极制备在多模波导(3)正上方的二氧化硅上包层上，在与输入光垂直的方向 上，下直角三角形金属电极的截面渐次变小，上直角三角形金属电极制备在多模波导(3) 外侧的二氧化硅上包层上。
3.如权利要求1所述的一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器，其特征在于 下直角三角形金属电极的斜边与输入光方向的夹角α =3°。
4.权利要求1所述的一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器的制备方法，其 步骤如下A 选取SOI衬底，其顶层硅(203)为(100)晶向，厚度在4 8微米，电阻率4 8 Ω -cm ；埋层二氧化硅(202)的厚度为1 3微米；衬底硅(201)的厚度200 500微米；B 在SOI衬底的顶层硅(203) —侧，按照所设计的器件的结构和尺寸，通过光刻、ICP 刻蚀顶层硅1. 5 3微米，形成脊型的各部分波导结构；C 在SOI衬底的顶层硅(203) —侧，采用等离子增强化学汽相淀积方法，制作二氧化硅 作为波导的上包层(204)；D 在二氧化硅上包层(204)的上面蒸发铝电极，厚度为50 150nm ；E 在铝电极上光刻，用光刻胶作掩膜，湿法腐蚀，形成用于热光调制的平行四边形金属 电极(205)；F 用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI衬底上分离出来，引出电极，从而完 成一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器的制作。
全文摘要
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器及其制备方法。该器件是在SOI衬底的顶层硅一侧制作，为一体脊型结构，沿着输入光的方向顺次是输入单模波导1、第一单模渐变波导2、多模波导3、第二单模渐变波导4、输出单模波导5；在各段波导的上表面制备有一层二氧化硅上包层204，在二氧化硅上包层的上面制备有用于热光调制的平行四边形金属电极205。本发明所述基于SOI光波导的反射型热光可变光衰减器采用光刻、感应耦合等离子体(ICP)刻蚀、生长金属膜和金属膜的腐蚀等工艺制作。该可变光衰减器可以在0～30dB范围内，实现对光信号的连续可变衰减。
文档编号G02F1/01GK101915998SQ20101023494
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者刘彩霞, 周敬然, 张歆东, 沈亮, 瞿鹏飞, 董玮, 郭文滨, 阮圣平, 陈维友 申请人:吉林大学