专利名称：基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在光电子科学和技术领域中、可用于全光通信、光纤到户、以及波分复用等网络系统中、对不同的输入光波信号可同时进行功率分离和交叉互连的光集成开关器件。属于光功率分离和光交叉互连集成开关器件的创新技术。
背景技术：
光功率分离器(optical power splitter-OPS)和光交叉互连(opticalcross-connect-OXC)是全光通信网特别是光纤到户(fiber to the home-FTTH)网中最重要的两种元器件之一。它们可以根据不同用户的需求将不同波长的光信号输送到不同的终端用户。传统的OPS有两种，一种是以Y分支结构为基本单元的1×2OPS，另一种是由Y分支结构级联形成的大规模1×NOPS。这两种OPS的不足之处是光信号在Y分支的交叉处的串音或损耗较大。为此，人们用多模干涉原理(multi mode interference-MMI)研制出了损耗较小的1×NOPS。然而，不论是基于Y分支结构OPS、还是基于MMI原理的OPS，它们都不能对不同波长的光信号进行交叉互连。虽然近年来出现了对OXC的研究报道，但这些OXC却不能对光信号进行功率分离。OPS和OXC是全光通信网和多波长波分复用系统中的所需的关键元器件，而目前的OPS和OXC都是分立器件，故难于满足用户的使用要求。
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光功率分离和光交叉互连功能的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件。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，其结构新颖，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，包括有三个单模输入波导(1、2、3)、两个单模输出波导(4、5)，且三个单模输入波导(1、2、3)与两个单模输出波导(4、5)之间做出有多模波导区(12)。
上述单模输入波导(2、3)上分别做出有弯曲部分(6、7)。
上述单模输出波导(4、5)上分别做出有弯曲部分(7、8)。
上述单模输入波导(2、3)及单模输出波导(4、5)均以水平方向为对称。
上述多模波导区(12)是一个多模干涉区，同时也是一个折射率改变区。
上述单模输入波导(1、2、3)、单模输出波导(4、5)、及多模波导区(12)可以是脊形波导，也可以是沟道波导。
上述多模波导区(12)的折射率改变区可以是靠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、声光效应等任何外界因素可改变材料折射率的区域。
上述光波导的截面包括有衬底(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)，下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)依次覆盖在衬底(19)上，两个金属电极(23、25)分别设在覆盖层(24)及衬底(19)的上方及下方。
上述衬底(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)可以是对光通信波长透明的光电子材料。
上述光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(硅在绝缘体上SOI)、SiGe-on-insulator(硅锗在绝缘体上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。
本发明由于采用了具有三个单模输入波导、一个多模波导、和两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，同时也是一个折射率可改变的区域。这种光功率分离和光交叉互连集成开关器件具有功率分离、光交叉互连、光合波、双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，是一种单片化和智能化集成的光电子器件，其可广泛用于全光通信、光纤到户、波分复用等网络和系统中。本发明是一种设计巧妙，方便实用的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件。
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为图1沿A-B方向的横截面示意图；图3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，包括有三个单模输入波导(1、2、3)、两个单模输出波导(4、5)，且三个单模输入波导(1、2、3)与两个单模输出波导(4、5)之间做出有多模波导区(12)。上述单模输入波导(2、3)上分别做出有弯曲部分(6、7)，上述单模输出波导(4、5)上分别做出有弯曲部分(7、8)。本实施例中，图1所示10为输入波导(2、3)上的直波导段，11为输入波导(2、3)上的弯曲波导段，14为单模输出波导(4、5)上的直波导段，13为单模输出波导(4、5)上的弯曲波导段，15和16分别是三个输入波导1和2以及1和3之间的间距，17是两输出波导4和5之间的间距，18是两输出波导最近的距离。本实施例中，三个单模输入波导(1，2，3)和两个单模输出波导(4，5)的宽度都为10μm。三个单模输入波导1与2和1与3之间的间距15和16分别是25μm，2和3的直波导10的长度为500μm，4与5弯曲部分6和7的水平长度11为784μm，弯曲半径3cm。两输出波导4与5的间距17为30μm，13和14(见附图1)分别为507μm和500μm，8和9的弯曲半径为3cm，间距18为6μm。多模干涉区12为多模波导，宽度32.2μm，长度1209μm。所有波导的刻蚀深度都为1.0μm。器件总长度3500μm。
上述单模输入波导(2、3)及单模输出波导(4、5)均以水平方向为对称。
上述多模波导区(12)是一个多模干涉区，同时也是一个折射率改变区。
上述单模输入波导(1、2、3)、单模输出波导(4、5)、及多模波导区(12)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。本实施例中，输入波导(1、2、3)及输出波导(5、6)是脊形单模波导，波导(12)脊形多模波导。
上述多模波导区(12)的折射率改变区可以是靠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、声光效应等任何外界因素可改变材料折射率的区域。本实施例中，多模波导区(12)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(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)，下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)依次覆盖在衬底(19)上，两个金属电极(23、25)分别设在覆盖层(24)及衬底(19)的上方及下方。
上述衬底(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)可以是对光通信波长透明的光电子材料。
上述光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(硅在绝缘体上SOI)、SiGe-on-insulator(硅锗在绝缘体上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。
上述衬底(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)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，衬底材料19为p+型Si材料，掺杂浓度2×1018cm-3。材料生长时利用超高真空化学汽相淀积方法在衬底19上生长厚度为5nm的p型Si下包层20，掺杂浓度2×1016cm-3，同时生长厚度为2.5μm的SiGe(Ge的组份为4％)光波导层21，掺杂浓度2×1016cm-3。然后生长厚度约为5nm的重掺杂n+型Si层22作为光波导层21的上包层，同时用于制作多模干涉区12的载流子注入区，其掺杂浓度为1×1018cm-3。器件制作中，利用干法刻蚀技术通过去掉多余的重掺杂n+层、只留下多模干涉区12顶部的n+层作为载流子注入区。所有的单模和多模SiGe光波导层用干法刻蚀得到。SiO2覆盖层24以及n+和p+欧姆接触电极23和25分别用常规的Si工艺方法得到。
在本发明的多模干涉载流子注入区12上加正向偏压后，由于n+-Si层22中的载流子注入到其下面的SiGe波导层21，引起SiGe材料的折射率发生变化，从而可改变光在波导层中的传播常数，对光信号进行控制。
本发明在使用时可有多种功能，图3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＝1545nm，λ2＝1550nm，λ3＝1555nm，结果如下(1)如果只将λ1耦合进波导1，则λ1将被一分为二，分别从波导4和5输出，如图3(a)所示，这种情况下，该器件是一种多模干涉功率分离器。
(2)如果将λ1从波导1输入、λ2从波导2输入，则λ1将被一分为二，λ2将加在一部分λ1上以(λ1+λ2)的形式从波导5输出，在波导4只有λ1，其结果如图3(b)所示。如果将λ1从波导1输入、λ3从波导3输入，则λ3将加在一部分λ1上以(λ1+λ3)的形式从波导4输出，在波导5中只有λ1，如图3(c)所示。
(3)如果将λ2从波导2输入、λ3从波导3输入，则λ2将从交叉波导5输出，λ3将从交叉波导4输出，如图3(d)所示，此时本发明是一种无源光交叉互连。如果在多模干涉区12上加一正向偏压，则λ2和λ3将分别从直通波导4和5输出。因而，在有偏压和无偏压的情况下，本发明可看成是一种光交叉开关。
(4)若同时将三种波长光信号λ1、λ2、λ3分别输入到输入波导1、2和3，在无偏压时，λ1将被一分为二，并分别加到λ2和λ3上从交叉波导5和4输出，如图3(e)所示。在有偏压时，λ1将被一分为二，分别加到λ2和λ3上从直通波导4和5输出。此时本发明为一种功率分离和双波长波复用器(合波器)，同时为一种双波长光交叉开关。
上述所说的多模干涉3×2结构SiGe光功率分离和光交叉互连集成开关器件的最佳注入电流是370mA，注入电流密度950A/cm2，平均插入损耗约2.3dB。
权利要求
1.一种基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于包括有三个单模输入波导(1、2、3)、两个单模输出波导(4、5)，且三个单模输入波导(1、2、3)与两个单模输出波导(4、5)之间做出有多模波导区(12)。
2.根据权利要求1所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述单模输入波导(2、3)上分别做出有弯曲部分(6、7)。
3.根据权利要求1所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述单模输出波导(4、5)上分别做出有弯曲部分(7、8)。
4.根据权利要求1所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述单模输入波导(2、3)及单模输出波导(4、5)均以水平方向为对称。
5.根据权利要求1所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述多模波导区(12)是一个多模干涉区，同时也是一个折射率改变区。
6.根据权利要求1所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述单模输入波导(1、2、3)及单模输出波导(4、5)可以是脊形波导，也可以是沟道波导。
7.根据权利要求1所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述多模波导区(12)的折射率改变区可以是靠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、声光效应等任何外界因素可改变材料折射率的区域。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述光波导的截面包括有衬底(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)，下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)依次覆盖在衬底(19)上，两个金属电极(23、25)分别设在覆盖层(24)及衬底(19)的上方及下方。
9.根据权利要求8所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，其特征在于上述衬底(19)、下包层(20)、导波层(21)、上包层(22)、覆盖层(24)可以是对光通信波长透明的光电子材料。
10.根据权利要求9所述的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件，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。
全文摘要
本发明涉及一种基于多模干涉原理的、结构单元为3×2的光功率分离和光交叉互连集成光波导器件。该光器件由三个单模输入波导、一个多模波导、和两个单模输出波导共三部分组成，其中多模波导位于器件的中间，是一个多模干涉区，同时也是一个折射率可改变的区域。这种光功率分离和光交叉互连集成器件具有功率分离、光交叉互连、光合波、双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，是一种单片化和智能化集成的光电子器件，其可广泛用于全光通信、光纤到户、波分复用等网络和系统中。本发明是一种设计巧妙，方便实用的基于多模干涉原理的光功率分离和光交叉互连集成开关器件。
文档编号H04B10/12GK1558259SQ200410015098
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月13日 优先权日2004年1月13日
发明者李宝军 申请人:中山大学