一种基于马赫-曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成波导光开关阵列的技术领域，特别涉及一种基于马赫-曾德结构 的氮化硅波导热光开关阵列芯片及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 集成波导光开关阵列是一种控制光导通和断开作用的一种集成光子器件，被广泛 应用于光通信系统中的光交叉复用、光网络的保护倒换系统、网络性能的实时监控系统、光 器件的测试中的光源控制、光传感系统等。基于马赫-曾德结构的波导热光开关的工作机 理一般是利用热光效应改变光波导介质的折射率，从而改变马赫-曾德干涉器中参考臂与 干涉臂的相位差，通过控制其相长或相消干涉来实现对光导通和断开的功能。目前常见的 1 x N波导光开关阵列通常是由1 X 2光开关单元结构级联而成。
[0003] 近年来，随着高速光通信网络和集成光子器件技术的发展，已经出现大端口数 的光开关阵列或大规模光开关阵列，用于构成光交叉连接（0XC)设备的核心，实现动态 波长路由和自动交换。常见的波导热光开关阵列类型主要包括：基于二氧化硅（planar lightwave circuit, PLC)的波导热光开关阵列、基于娃基二氧化娃（SOI)的波导热光开关 阵列和基于聚合物的波导热光开关阵列。基于二氧化硅的波导热光开关阵列由于其光波导 芯层和包层折射率差很小，光波导弯曲半径很大，导致器件尺寸很大，不利于高密度集成， 材料热光系数小，功耗大，且其制作工艺复杂，成本较高；基于硅基二氧化硅的波导热光开 关阵列中光波导芯层和包层折射率差很大，光波导弯曲半径和器件尺寸很小，但是器件的 传输损耗和插入损耗较大，加工工艺复杂，成本很高，且无法应用于可见光波段；基于聚合 物的波导热光开关阵列中光波导芯层和包层折射率差适中，器件尺寸适中，热光系数很大， 器件功耗较小，但材料长期稳定性较差，且制备工艺与半导体工艺不兼容；
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于马赫-曾德结构的 氮化硅波导热光开关阵列芯片，以实现光波导芯层和包层折射率差大、器件尺寸小、传输损 耗小、适用于可见和近红外波段、热光系数和功耗适中、材料稳定性高、加工工艺简单且与 半导体CMOS工艺兼容。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种基于马赫-曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片，由多个级联的1X2马 赫-曾德型氮化硅波导热光开关单元构成，其中每个1 X 2马赫-曾德型氮化硅波导热光开 关单元包括一根输入光波导、一个1X2分支光波导、一根参考臂光波导、一根干涉臂光波 导、一个3dB定向親合器、两根输出光波导，分别为第一输出光波导和第二输出光波导，输 入光波导的输出端连接1X2分支光波导的输入端，1X2分支光波导的两个输出端分别连 接参考臂光波导和干涉臂光波导的输入端，参考臂光波导和干涉臂光波导的输出端分别连 接3dB定向耦合器的两个输入端，干涉臂光波导的顶部设有电流控制的加热电极，3dB定向 親合器的两个输出端分别连接第一输出光波导和第二输出光波导的输入端，第一输出光波 导和第二输出光波导的输出端分别接下一级的1X2马赫-曾德型氮化硅波导热光开关单 元的输入光波导。
[0007] 进一步的，所述1 X 2马赫-曾德型氮化硅波导热光开关单元的光波导的结构包括 基底、下包层、芯层、上包层和加热电极；所述下包层设置在基底的上表面，所述芯层设置在 下包层的上表面，且芯层的面积小于下包层的面积，所述芯层上表面以及位于芯层周侧的 下包层上表面均与上包层的下表面贴合；所述加热电极设置在位于干涉臂光波导的上包层 的上表面。
[0008] 进一步的，所述基底为硅片；下包层为折射率为1. 44~1. 45的二氧化硅；芯层为 折射率为2. 0的氮化硅；上包层为折射率为1. 44~1. 45的二氧化硅；加热电极为为电阻率 大于1. 6X10_8Dm的金属，如铝、铜或金。
[0009] 进一步的，所述芯层为矩形光波导结构。
[0010] 本发明的另一个目的是提供一种上述基于马赫-曾德结构的氮化硅波导热光开 关阵列芯片的制备方法，其技术方案如下：
[0011] 一种基于马赫-曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片的制备方法，包括以下 步骤：
[0012] 步骤一：在基底上制作二氧化娃下包层；
[0013] 步骤二：在下包层上制作氮化硅薄膜；
[0014] 步骤三：在氮化硅薄膜上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，并通过光刻、显影过程在光 刻胶层上形成光开关阵列波导结构；
[0015] 步骤四：以光刻胶图形作为掩膜，刻蚀氮化硅层，刻蚀深度为氮化硅层厚度，然后 去除残留光刻胶，形成氮化硅波导芯层；
[0016] 步骤五：在波导芯层上制作二氧化硅上包层；
[0017] 步骤六：在二氧化硅上包层上通过热蒸发或电子束蒸发法制作厚度为100~ 200nm的金属薄膜；
[0018] 步骤七：在金属薄膜上通过旋转涂覆法旋涂光刻胶，并通过光刻、显影过程在金属 薄膜上形成加热电极图形，再用酸腐蚀液对露出的金属层进行腐蚀，从而形成金属加热电 极，制得所述基于马赫-曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片。
[0019] 进一步的，步骤一中，通过热氧化法、水热水解法或等离子增强化学沉积法制作二 氧化硅下包层。
[0020] 进一步的，步骤二中，通过低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法制 作氮化硅薄膜。
[0021] 进一步的，步骤四中，通过反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀法刻蚀氮化硅层。
[0022] 进一步的，步骤五中，通过等离子增强化学气相沉积法制作二氧化硅上包层。
[0023] 进一步的，步骤六中，通过热蒸发或电子束蒸发法制作金属薄膜。
[0024] 本发明的有益效果是：
[0025] 本发明提供的一种基于马赫_曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片具有以 下优点：
[0026] (1)与现有技术相比，本发明所设计的波导热光开关阵列芯片采用二氧化硅和氮 化硅作为器件材料，与半导体CMOS工艺兼容且工艺流程简单，适合大批量生产，具有成本 低和易于集成的优点。
[0027] (2)本发明所设计的波导热光开关阵列芯片采用高折射率差的二氧化硅和氮化硅 作为上、下包层和芯层材料，可以实现很小的光波导弯曲半径，具有器件尺寸小的优点。
[0028] (3)本发明所设计的波导热光开关阵列芯片采用二氧化硅和氮化硅作为上、下包 层和芯层材料，光波导的传输损耗较低，并可以同时实现适用于可见光和近红外光的光开 关阵列，且材料的稳定性尚。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明结构的1 XN光开关阵列结构的顶面俯视图。
[0030] 图2为本发明结构的1X2光开关单元结构的顶面俯视图。
[0031] 图3为本发明结构的1X2光开关单元结构中加热电极中心处的侧面剖视图。
[0032] 图4为本发明结构的1 X4光开关阵列结构的顶面俯视图。
[0033] 图5为本发明结构的1X4型光波导开关阵列输出插损特性示意图。
[0034] 图中，1 :输入光波导、2 :1X2分支光波导、3 :参考臂光波导、4 :干涉臂光波导、5 : 3dB定向親合器、6 :第一输出光波导、7 :第一输出光波导、9 :基底、10 :下包层、11 :芯层、 12 :上包层、8 :加热电极、13~15 :第一~三加热电极。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0036] 如图1所示是本发明的一种基于马赫-曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片 的具体实施示意图，其中每个1 X 2马赫-曾德型氮化硅波导热光开关单元如图2所示。
[0037] -种基于马赫_曾德结构的氮化硅波导热光开关阵列芯片，通过多个级联的1X2 马赫-曾德型氮化硅波导热光开关单元构成，其中每个1 X 2马赫-曾德型氮化硅波导热光 开关单元包括一根输入光波导1、一个1 X 2分支光波导2、一根参考臂光波导3、一根干涉臂 光波导4、一个3dB定向親合器5、两根输出光波导，分别为第一输出光波导6和第二输出光 波导7,输入光波导1的输出端连接1X2分支光波导2的输入端，1X2分支光波导2的两 个输出端分别连接参考臂光波导3和干涉臂光波导4的输入端，参考臂光波导3和干涉臂 光波