专利名称：3×2光波导开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于全光通信网和波分复用系统中、对多种光波长可单独控制和运作或同时运作的光波导开关器件。属于光波导开关的创新技术。
背景技术：
对多种光通信波长信号能同时进行功率分离、波分复用、交叉互连、开关等作用的智能化单片集成光波导器件一直是全光通信传输系统和多波长波分复用系统中所需的关键元器件。目前所用的这些光器件都是具有上述功能之一的分立器件，任何一种目前所用的光器件无法同时具有功率分离、波分复用、交叉互连、甚至开关等功能。现行的光波导开关有Y型分支结构的1×2光开关、X型结构的2×2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。Y分支1×2光开关只有一个输入波导、两个输出波导，该结构只能对所输入的一种光波长信号进行功率分离、或通过两个输出波导臂的控制实现数字开关功能。其缺点是与光波波长无关，因而不能对不同波长的信号进行分离、交叉互连等。X型2×2光开关虽然有两个输入波导、两个输出波导，但该结构只能对所输入的波长信号进行开关，却不能对光信号实现功率分离，同样不能对不同波长的光信号进行交叉互连、波分复用等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种同时具有功率分离、波分复用、光交叉互连、光分插复用、多波长开关等多种功能的3×2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和智能化集成，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，包括有三个输入波导(2、3、4)、两个输出波导(5、6)、三个输入波导与两个输出波导的交叉部分中做出有折射率改变区(17、18)。
上述折射率改变区(17、18)可控制三个输入波导与两个输出波导交叉部分中的两个反射面(15、16)。
上述折射率改变区(17、18)可通过通载电、热、光以实现对其折射率的改变。
上述输入波导(2、4)的中间做出有弯曲部分(7、8)。
上述折射率改变区(17、18)可分别独立运作，也可以同时运作。
上述折射率改变区(17、18)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、声光效应外界因素改变其材料的折射率。
上述输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)可以是单模波导，也可以是多模波导。
上述输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)可以是脊形波导，也可以是沟道波导。
上述沟道波导可以是掩埋波导、植入波导或装载波导。
上述光波导开关的截面包括有衬底(1)、下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)，下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)依次覆盖在衬底(1)上。
上述导波层(20)是对近红外光透明的光电子材料；上述衬底(1)、下包层(19)、上包层(21)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。
上述光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs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三个输入波导、两个输出波导及三个输入波导与两个输出波导的交叉部分中做出有两个折射率改变区的结构，通过这两个折射率改变区可实现对光信号的功率分离、波分复用、光交叉互连、光分插复用、多波长光开关等多种功能。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和智能化集成，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3×2光波导开关。
下面结合附图详细说明本发明的具体结构图1为本发明的结构示意图；图2为本发明三个输入波导与两个输出波导交叉部分的结构放大图；图3为本发明的横截面结构示意图；图4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、2所示，包括有三个输入波导(2、3、4)、两个输出波导(5、6)、三个输入波导与两个输出波导的交叉部分中做出有折射率改变区(17、18)。本实施例中，三个输入波导之间的距离为25μm，输入波导交叉角θ为1.5°。两个输出波导之间的间距为30μm，输出波导交叉角为2θ＝3°，本发明的总长度3mm。图2所示三个输入波导与两个输出波导的交叉部分中的波导10→14和12→13分别是两个直形波导，它们交叉形成2×2结构。11为直条形波导，它同其它两个直形波导构成了3×2结构，15和16分别为三个输入波导与两个输出波导交叉部分中的两个反射面，称作“镜面”，镜面15和16分别由折射率改变区17和18控制。
上述折射率改变区(17、18)可通过通载电、热、光以实现对其折射率的改变。即折射率改变区(17、18)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、声光效应外界因素改变其材料的折射率。本实施例中，折射率改变区(17、18)是靠pn结通过外加正向偏压控制的载流子注入区。
上述输入波导(2、4)的中间做出有弯曲波导部分(7、8)。本实施例中，弯曲波导部分(7、8)的弯曲半径为30mm。
上述折射率改变区(17、18)可分别独立运作，也可以同时运作。
上述输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)可以是单模波导，也可以是多模波导。本实施例中，输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)是单模波导。
上述输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)可以是脊形波导，也可以是沟道波导。本实施例中，输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)是脊形单模波导。
上述沟道波导可以是掩埋波导、植入波导或装载波导。
上述光波导开关的截面包括有衬底(1)、下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)，下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)依次覆盖在衬底(1)上。
上述衬底(1)、下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)可以是对近红外光透明的光电子材料。上述光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs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。
本发明实施例在制作时，利用硅(Si)作为衬底1的材料，用硅锗(SiGe)合金材料作为光波导层20的材料。
材料生长中所用Si衬底1为p+型材料，掺杂浓度为2×1018cm-3。利用超高真空汽相淀积方法在衬底1上生长出厚度为5nm的p型Si下包层19，掺杂浓度为2×1016cm-3，同时生长厚度为2.5μm的SiGe(Ge的组份为4％)合金导波层20，然后生长出厚度约为5nm的重掺杂n+型Si层作为上覆盖层、用于制作两个折射率改变区17和18，其掺杂浓度为1×1018cm-3。
制作中，利用干法刻蚀技术通过去掉多余的重掺杂n+层、只留下折射率改变区17和18上的n+层的方法得到载流子注入区17和18。SiGe光波导层20也用干法刻蚀得到。本发明实施例中的SiGe导波层20的宽度均为10μm，所有脊形单模波导的刻蚀深度约1.1μm左右。脊形单模波导形成之后，在其上覆盖二氧化硅作为上包层21。经传统的硅半导体工艺制作(包括退火、金属电极的蒸镀、刻蚀等)方法制作出本发明的3×2光波导开关。
本发明中的关键部分折射率改变区(17、18)是两个载流子注入区，它是由p型SiGe导波层和其上的n+型Si层组成的两个pn+结。在17和18上分别加上正向偏压后，由于载流子注入到SiGe导波层20后引起SiGe材料的折射率发生变化，从而出现两个反射镜面15和16，通过这两个反射镜面可以对输入的光信号进行控制。
本发明在使用时可有多种功能，图4所示为其几种运作功能模拟结果的示例图，功能模拟实验测试所用的三种波长分别为λ1＝1540nm，λ2＝1550nm，λ3＝1560nm。结果如下(1)如果只将λ1耦合进波导3，且在两个反射区17和18都不加正向偏压，则没有镜面15和16出现，此时λ1将一分为二，分别从波导5和6输出，如图4(a)所示。如果在任意一个反射区17或18上加一正向偏压，则镜面15或16将出现，例如在17上加偏压，镜面15出现，此时λ1将被反射至波导6输出，如图4(b)所示。这种情况下，本发明的3×2光波导开关起光功率分离器的作用和1×2数字光开关的作用。
(2)如果将λ2耦合进波导2，或将λ3耦合进波导4，例如将λ3耦合进波导4且在无偏压时，从波导4输入的光将从波导5输出，如图4(c)所示；在反射区17加偏压后，光将反射至波导6输出，如图4(d)所示。这种情况下，本发明是一种2×2光开关。
(3)如果将λ2和λ3分别耦合进波导2和波导4，光将分别从波导6和5输出，此时为光交叉情况，如图4(e)所示。在有偏压时两种波长的光将被反射至波导5或6输出。
(4)如果将λ1和λ3或λ1和λ2分别耦合进各自的输入波导，无偏压时波长λ1将被一分为二，λ2或λ3将交叉输出。在有偏压的情况下，两种波长的光将合在一起被反射至波导5或6，分别如图4(f)和4(g)所示。这种情况下，本发明是一种波复用器(也叫合波器)，同时是一种双波长的2×2光开关。
(5)若同时将三种波长光信号λ1、λ2、λ3分别输入到输入波导3、2和4，在无偏压时，分波和合波后的输出情况如图4(h)所示。在有偏压的情况下，三种波长光信号将合在一起沿波导5或6输出。如图4(i)所示。此时本发明为一种多波长波复用器(和合波器)，同时为一种多波长光开关。
另经测试可知，本发明实施例这种3×2 SiGe光波导开关的工作电压为1.3～1.4V，开关电流约为120mA，开关时间在100至200纳秒的范围内。
权利要求
1.一种3×2光波导开关，其特征在于包括有三个输入波导(2、3、4)、两个输出波导(5、6)、三个输入波导与两个输出波导的交叉部分中做出有折射率改变区(17、18)。
2.根据权利要求1所述的3×2光波导开关，其特征在于上述折射率改变区(17、18)可控制三个输入波导与两个输出波导交叉部分中的两个反射面(15、16)。
3.根据权利要求1所述的3×2光波导开关，其特征在于上述折射率改变区(17、18)可通过通载电、热、光以实现对其折射率的改变。
4.根据权利要求1所述的3×2光波导开关，其特征在于上述输入波导(2、4)的中间做出有弯曲部分(7、8)。
5.根据权利要求1所述的3×2光波导开关，其特征在于上述折射率改变区(17、18)可分别独立运作，也可以同时运作。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的3×2光波导开关，其特征在于上述折射率改变区(17、18)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、声光效应外界因素改变其材料的折射率。
7.根据权利要求6所述的3×2光波导开关，其特征在于上述输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)可以是单模波导，也可以是多模波导。
8.根据权利要求7所述的3×2光波导开关，其特征在于上述输入波导(2、3、4)及输出波导(5、6)可以是脊形波导，也可以是沟道波导。
9.根据权利要求8所述的3×2光波导开关，其特征在于上述沟道波导可以是掩埋波导、植入波导或装载波导。
10.根据权利要求6所述的3×2光波导开关，其特征在于上述光波导开关的截面包括有衬底(1)、下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)，下包层(19)、导波层(20)、上包层(21)依次覆盖在衬底(1)上。
11.根据权利要求6所述的3×2光波导开关，其特征在于上述导波层(20)是对近红外光透明的光电子材料；上述衬底(1)、下包层(19)、上包层(21)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。
12.根据权利要求6所述的3×2光波导开关，其特征在于上述光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs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。
13.根据权利要求6所述的3×2光波导开关，其特征在于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。
14.根据权利要求6所述的3×2光波导开关，其特征在于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，其中的脊形光波导可以用干法刻蚀或湿法刻蚀技术得到。
全文摘要
本发明是一种可用于全光通信网和波分复用系统中、对多种光波长可单独控制和运作或同时运作的光波导开关器件。包括有三个输入波导(2、3、4)、两个输出波导(5、6)、三个输入波导与两个输出波导的交叉部分中做出有折射率改变区(17、18)。上述折射率改变区(17、18)可控制三个输入波导与两个输出波导交叉部分中的两个反射面(15、16)。上述折射率改变区(17、18)可通过通载电、热、光以实现对其折射率的改变。本发明通过两个折射率改变区实现对光信号的功率分离、波分复用、光交叉互连、光分插复用、多波长光开关等多种功能。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和智能化集成，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3×2光波导开关。
文档编号H04J14/02GK1556423SQ20031011762
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者李宝军 申请人:中山大学