一种超大带宽硅基波导MEMS光开关制造技术

本发明专利技术公开了一种超大带宽硅基波导MEMS光开关。光开关主要由输入波导、带有纳米斜槽的交叉波导、输出波导三部分构成。交叉波导由两个完全相同的正交椭圆柱构成，交叉波导的四个端口分别延伸出单模条形波导作为输入/输出波导；交叉波导主体的中心全刻蚀有纳米斜槽，在对称的两根波导上也全刻蚀有纳米槽，贯通掏空交叉波导及纳米槽附近的下包层，通过调控加在交叉波导两端的电压来调控纳米斜槽的宽度，以此光路的直通或全反射。本发明专利技术通过调节加在交叉波导上的电压来切换光开关的传播路径，结构简单，方便集成和级联，有望实现小型化、低成本、调控速度快的阵列波导光开关。

A MEMS optical switch with large bandwidth and silicon waveguide

【技术实现步骤摘要】
一种超大带宽硅基波导MEMS光开关
本专利技术涉及一种超大带宽硅基波导MEMS光开关，尤其是涉及一种能通过加偏置电压来控制光传输方向的集成硅基波导MEMS光开关。
技术介绍
由于数据流量的快速增长，人们对数据中心网络的可重构性和可扩展性的要求越来越高，对数据中心网络中的快速光电路交换机进行了广泛的研究。传统的以电为核心的开关已不能满足高速大容量通信的需求，因此人们将目光逐渐转向光通信。自上个世纪90年代以来，光通信得到了快速的发展，作为光通信关键环节的光互连与光开关的地位自然也随之越来越重要。光开关是光学系统和光网络的关键性元件，在全光传输网络中可以实现全光层的路由选择、波长选择、光插/分复用、光交叉连接(OXC)以及网络的自动保护和监视等功能。光开关的主要性能指标有开关速度、插入损耗、串扰、偏振敏感性、工作带宽、升级能力、可靠性、稳定性等，不同领域或不同系统对光开关的要求也不尽相同。为满足不同的需求，采用各种不同交换原理和技术的光开关被广泛提出。有在自由空间采用电磁铁或电机移动光纤、棱镜、微镜等光学元件来实现光路转换的机械式光开关；也有利用材料的电光效应、磁光效应、声光效应等实现光路的转换的波导光开关；还有其他类型的光开关，如液晶光开关、全息光开关等。波导光开关易于集成，体积小，开关速度快，是目前研究光开关的一个重要方向。虽然光波导材料的种类较多，但研究最广泛的光波导材料还算是硅基，SOI(Silicon-on-Insulator)是典型的硅基材料，它被用于制作介质光波导、无源波导器件以及有源波导器件。SOI波导光开关的优越性主要表现在以下几点：能与传统的硅工艺兼容，可实现光电集成；波导和包层之间的折射率差大，能很好的束缚光场；单个器件集成体积小，有利于大规模集成。硅基光开关有电光型和热光型，基于这两种原理的光开关已经有很多研究，大家也开始尝试用新的方法来调控光开关，MEMS就是其中一种。MEMS技术的英文全称为:Micro-Electro-MechanicalSystems，即微机电系统技术。MEMS的尺寸一般在毫米量级甚至更小，它的内部结构则在微纳米量级。MEMS光开关是一种颇具研究价值的微型光开关，能将光、电、机械结合起来，一般通过静电驱动和磁致伸缩等方式来实现光路通断的功能，体积小、成本低、易集成，可批量制作，重复性好。
技术实现思路
针对已有的
技术介绍
，本专利技术的目的在于提供一种超大带宽硅基波导MEMS光开关，在交叉波导主体的中心全刻蚀出具有一定倾角的纳米斜槽，通过调控加在交叉波导两端的电压去调控纳米斜槽的宽度大小，以此控制光的传播方向，达到切换光路的效果。本专利技术采用的具体技术方案是：光开关包括二氧化硅埋氧层和布置在二氧化硅埋氧层上的两个输入波导、带有纳米斜槽的交叉波导、两个输出波导三部分；带有纳米斜槽的交叉波导包括交叉波导主体和开设在交叉波导主体上的纳米斜槽，交叉波导主体由两个大小形状完全相同的椭圆柱重合布置组成，两个椭圆柱中心重合且长轴相互垂直重合布置，形成四瓣花瓣形；交叉波导主体的中心刻蚀有纳米斜槽，具体是在两个椭圆柱重合布置形成的两侧对称内凹之间全刻蚀开设直线形的纳米斜槽，纳米斜槽将带有纳米斜槽的交叉波导分为两个交叉子波导；交叉波导主体的两个椭圆柱的长轴两端均作为端口，共计形成四个端口，四个端口分别连接四根单模条形波导，以其中紧挨相邻的两个端口分别连接输入波导一和输入波导二，另外两个端口分别连接输出波导一和输出波导二，输入波导一和输出波导二对称布置在交叉波导主体的第一个椭圆柱的长轴两端，输入波导二和输出波导一对称布置在交叉波导主体的第二个椭圆柱的长轴两端；纳米斜槽一端延伸贯穿出输出波导一和输出波导二之间的交叉波导主体的内凹边缘处，纳米斜槽另一端延伸贯穿出输入波导一和输入波导二之间的交叉波导主体的内凹边缘处；在输入波导二和输出波导一的中间处全刻蚀分别形成纳米槽一和纳米槽二，两个纳米槽沿垂直于自身波导延伸方向布置；带有纳米斜槽的交叉波导周围和下方附近的二氧化硅埋氧层被去掉形成空气隙，空气隙径向向外要覆盖超过纳米槽一和纳米槽二下方，即保证纳米槽一和纳米槽二下方的二氧化硅埋氧层被去掉，使得带有纳米斜槽的交叉波导在二氧化硅埋氧层表面的平面内能发生弯曲形变；将两个交叉子波导接入外部电路，通过调控加在两个交叉子波导之间的偏压大小来调控纳米斜槽的宽度大小进而控制光的传播方向，实现切换光的传播路径。利用腐蚀溶液将带有纳米斜槽的交叉波导周围和下方附近的二氧化硅埋氧层向下整个贯通去掉形成空气隙。在带有纳米斜槽的交叉波导上的纳米斜槽采用全刻蚀，即纳米斜槽的刻蚀深度为椭圆柱的全部高度。纳米槽一和纳米槽二采用全刻蚀，即纳米槽一和纳米槽二的刻蚀深度分别为输出波导一和输入波导二的全部高度。整个光开关器件上布置的波导均采用同一种硅材料，厚度一致。所述的二氧化硅埋氧层作为下包层，上包层为空气。本专利技术的光波导处于上下包层材料之间，被刻蚀成条形结构，能允许基模光在内部传输。本专利技术涉及到的所有材料，在光通信波段基本具有透明特性，整个结构的材料吸收损耗只占总损耗的极小部分。包括多个相同结构的光开关，单个光开关完全相同，构成了光开关阵列，多个光开关阵列均匀分布，相邻光开关正对的端口对接连接在一起，使得光开关级联，光开关阵列根据输入到输出的需要，通过控制光信号经过路径上的每个光开关来控制光的传播路径，实现整个光开关阵列的光信号传输。光开关阵列中相邻光开关对接的两个端口各自所在波导为同一波导，通过同一波导制成，所有光开关的二氧化硅埋氧层为一体。整个光开关结构或阵列光开关结构均可采用单片集成制作。本专利技术在交叉波导中心位置上全刻蚀纳米斜槽，并将其附近区域的下包层腐蚀掉，结构设计简单，与CMOS工艺相兼容。在分离的两部分交叉波导上添加偏置电压，通过控制电压来调控纳米斜槽的宽度大小，以此控制光的传播路径。本专利技术通过调节加在交叉波导上的电压来切换光开关的传播路径，结构简单，方便集成和级联，有望实现小型化、低成本、调控速度快的阵列波导光开关。本专利技术具有的有益效果是：1.结构简单、设计方便，可显著降低器件的制作成本；2.除硅波导外并没有引入其他的材料，与CMOS工艺相兼容；3.设计原理简单，开关机制采用全反射和材料的弯曲变形原理，通俗易懂；4.单个器件的插入损耗较小，波长敏感性小，大带宽，制作容差大；5.采用“十”字正交结构，方便级联成光开关阵列。附图说明图1是本专利技术初始状态的结构俯视图。图2是图1的A-A’剖视图。图3是图1的B-B’剖视图。图4是图1的C-C’剖视图。图5是加上偏压后的结构等效电路图。图6是加上一定偏压后的结构俯视图。图7是本专利技术形成光开关阵列的结构俯视图。图中：1、二氧化硅埋氧层，2、掏空埋氧层后形成的空气隙，3、输入波导一，4、带有纳米斜槽的交叉波导，5、纳米斜槽，6、纳米槽一，7、输出波导一，8、输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超大带宽硅基波导MEMS光开关，其特征在于：光开关包括二氧化硅埋氧层(1)和布置在二氧化硅埋氧层(1)上的两个输入波导(3、10)、带有纳米斜槽的交叉波导(4)、两个输出波导(7、8)三部分；带有纳米斜槽的交叉波导(4)包括交叉波导主体和开设在交叉波导主体上的纳米斜槽(5)，交叉波导主体由两个大小形状完全相同的椭圆柱重合布置组成，两个椭圆柱中心重合且长轴相互垂直重合布置，形成四瓣花瓣形；交叉波导主体的中心刻蚀有纳米斜槽(5)，具体是在两个椭圆柱重合布置形成的两侧对称内凹之间全刻蚀开设直线形的纳米斜槽(5)，纳米斜槽(5)将带有纳米斜槽的交叉波导(4)分为两个交叉子波导；交叉波导主体的两个椭圆柱的长轴两端均作为端口，共计形成四个端口，四个端口分别连接四根单模条形波导，以其中紧挨相邻的两个端口分别连接输入波导一(3)和输入波导二(10)，另外两个端口分别连接输出波导一(7)和输出波导二(8)，输入波导一(3)和输出波导二(8)对称布置在交叉波导主体的第一个椭圆柱的长轴两端，输入波导二(10)和输出波导一(7)对称布置在交叉波导主体的第二个椭圆柱的长轴两端；纳米斜槽(5)一端延伸贯穿出输出波导一(7)和输出波导二(8)之间的交叉波导主体的内凹边缘处，纳米斜槽(5)另一端延伸贯穿出输入波导一(3)和输入波导二(10)之间的交叉波导主体的内凹边缘处；在输入波导二(10)和输出波导一(7)的中间处全刻蚀分别形成纳米槽一(6)和纳米槽二(9)，两个纳米槽沿垂直于自身波导延伸方向布置；带有纳米斜槽的交叉波导(4)周围和下方附近的二氧化硅埋氧层(1)被去掉形成空气隙(2)，空气隙(2)径向向外要覆盖超过纳米槽一(6)和纳米槽二(9)下方，即保证纳米槽一(6)和纳米槽二(9)下方的二氧化硅埋氧层(1)被去掉，使得带有纳米斜槽的交叉波导(4)在二氧化硅埋氧层(1)表面的平面内能发生弯曲形变；将两个交叉子波导接入外部电路，通过调控加在两个交叉子波导之间的偏压大小来调控纳米斜槽(5)的宽度大小进而控制光的传播方向，实现切换光的传播路径。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超大带宽硅基波导MEMS光开关，其特征在于：光开关包括二氧化硅埋氧层(1)和布置在二氧化硅埋氧层(1)上的两个输入波导(3、10)、带有纳米斜槽的交叉波导(4)、两个输出波导(7、8)三部分；带有纳米斜槽的交叉波导(4)包括交叉波导主体和开设在交叉波导主体上的纳米斜槽(5)，交叉波导主体由两个大小形状完全相同的椭圆柱重合布置组成，两个椭圆柱中心重合且长轴相互垂直重合布置，形成四瓣花瓣形；交叉波导主体的中心刻蚀有纳米斜槽(5)，具体是在两个椭圆柱重合布置形成的两侧对称内凹之间全刻蚀开设直线形的纳米斜槽(5)，纳米斜槽(5)将带有纳米斜槽的交叉波导(4)分为两个交叉子波导；交叉波导主体的两个椭圆柱的长轴两端均作为端口，共计形成四个端口，四个端口分别连接四根单模条形波导，以其中紧挨相邻的两个端口分别连接输入波导一(3)和输入波导二(10)，另外两个端口分别连接输出波导一(7)和输出波导二(8)，输入波导一(3)和输出波导二(8)对称布置在交叉波导主体的第一个椭圆柱的长轴两端，输入波导二(10)和输出波导一(7)对称布置在交叉波导主体的第二个椭圆柱的长轴两端；纳米斜槽(5)一端延伸贯穿出输出波导一(7)和输出波导二(8)之间的交叉波导主体的内凹边缘处，纳米斜槽(5)另一端延伸贯穿出输入波导一(3)和输入波导二(10)之间的交叉波导主体的内凹边缘处；在输入波导二(10)和输出波导一(7)的中间处全刻蚀分别形成纳米槽一(6)和纳米槽二(9)，两个纳米槽沿垂直于自身波导延伸方向布置；带有纳米斜槽的交叉波导(4)周围和下方附近的二氧化硅埋氧层(1)被去掉形成空气隙(2)，空气隙(2)径向向外要覆盖超过纳米槽一(6)和纳米槽二(9)下方，即保证纳米槽一(6)和纳米槽二(9)下方的二氧化硅埋氧层(1)被去掉，使得带有纳米斜槽的交叉波导(4)在二氧化硅埋氧层(1)表面的平面内能发生弯曲形变；将两个交叉子...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴道锌，孙仪，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33