一种光路折叠式波导光开关阵列及其方法技术

本发明专利技术涉及信息光电子技术领域，一种光路折叠式波导光开关阵列及其方法。包括：各级２×２光开关单元；各级２×２光开关单元之间的连接光波导；对连接光波导进行９０°转折的若干组微型全内反射镜；光开关驱动电极。在工艺上，这种光路折叠式波导光开关阵列由于需要的芯片尺寸比传统的采用Ｓ型弯曲波导连接结构的光开关阵列小若干倍，因此对刻蚀波导工艺均匀性的要求大大降低。在光纤耦合封装工艺上，由于光路折叠式波导光开关阵列可以使输入波导和输出波导位于光开关阵列芯片的同一端面，避免了传统光开关阵列芯片双端耦合对准的问题，可以采用同一光纤阵列在光开关阵列芯片同一端进行单端耦合对准，大大降低了耦合难度和耦合成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信息光电子
，特别是一种可缩短器件尺寸、降低插入损耗以及降低信道串扰的光路折叠式波导光开关阵列及其方法。
技术介绍
密集波分复用(DWDM)技术是解决宽带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。光开关阵列是构造DWDM系统中光上/下载路(OADM)和光交叉互连(OXC)功能模块的关键部件。由于波导光开关具有响应速度快、低功耗、制作工艺简单、可集成性好、无活动部件可靠性高等优点，而成为光开关阵列的重要发展方向。目前日本NTT公司采用二氧化硅技术的热光开关阵列已经投入商用。SOI(Silicon on Insulator，绝缘衬底上的硅)光开关比二氧化硅光开关具备更快的响应速度潜力、更好的CMOS(互补金属-氧化物-半导体)工艺兼容性和更大的OEIC(光电集成回路)集成性，将成为新一代光开关的首选技术。一个N×N光开关阵列是由若干个2×2光开关单元通过连接波导连接成矩阵结构而构成的，所以光开关阵列也叫做光开关矩阵。各连接波导和连接波导之间不可避免地存在着波导弯曲和波导交叉。SOI波导光开关由于要实现波导的单模工作，以及较大的波导横截面尺寸而有利于光纤耦合，单模波导的形状采取脊形结构。这样的脊形波导在弯曲半径很小时存在很大的弯曲辐射损耗，采用较大的弯曲半径虽然能降低波导弯曲辐射损耗，但器件长度将大大增加。过于长的光开关芯片首先是不利于加工(因为涉及到大面积波导刻蚀工艺均匀性的问题)，其次是给芯片后续封装带来困难。采用较大的弯曲半径的另一弊端是，较大的弯曲半径波导之间的交叉角很小。而波导之间因交叉引起的信道串扰是随交叉角的减小而迅速增大的。较小弯曲半径的交叉波导虽然可以获得较大的交叉角，但小弯曲波导的弯曲辐射损耗又很严重。由以上分析可知，在采用S形弯曲波导连接光开关阵列的情况下，降低交叉波导的串扰和降低弯曲波导的辐射损耗是一对不可调和的矛盾，在实际制作中只能折中考虑。因此，为了从根本上解决问题，必须设计出一种新的光开光阵列结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种可缩短器件尺寸、降低插入损耗以及降低信道串扰的新型波导光开关阵列结构设计及其制备方法。其具有大幅度缩短的芯片尺寸、较高的芯片成品率、简单易行的单端光纤耦合工艺步骤、低廉的封装成本。根据上述目的，提出了一种新型光路折叠式波导光开关阵列，该光开关阵列是在SOI材料或者其它任何具有导波性能的光学材料上用常规CMOS工艺经过光刻、干法/湿法刻蚀、PECVD(等离子增强化学气相沉积)淀积/氧化制膜等工艺步骤制成的。光开关阵列是由若干个2×2光开关单元在芯片上按一定空间位置分级排列组合而成的，各2×2光开关单元之间通过连接波导相互连接。在传统的光开关阵列中，各级2×2光开关单元之间的连接波导通常采用S型弯曲波导，这种S型弯曲波导连接方式的弊端已经在
技术介绍
中阐明。本专利技术提出的新型光路折叠式波导光开关阵列，是用直波导结合微型全内反射镜技术，通过用微型全内反射镜多次将直波导进行90°转折，实现波导光开关阵列各级光开关单元之间光路的空间反复折叠，以及各交叉波导之间垂直交叉，从而达到缩短波导光开关阵列器件长度，改善波导光开关阵列信道串扰和插入损耗性能的目的。附图说明图1是一个传统4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图。图2是本专利技术的光路折叠式4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图。图3是本专利技术的光路折叠式波导光开关阵列中起光路折叠作用的微型全内反射镜实际制作器件的顶视图显微镜照片图。图4是用二维时域有限差分法模拟的微型全内反射镜的光场传输图。图5是实际制作的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片的局部显微镜照片图。图6所示为本专利技术的一个具体实施例的制作工艺流程图。具体实施例方式为进一步说明本专利技术的内容及特点，以下结合附图及具体的SOI 4×4波导光开关阵列实施例对本专利技术作进一步的详细描述，其中图1是为了对比起见而给出的一个传统4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图(长宽未按实际比例画出)。图中标有SE的矩形方框表示一个2×2光开关单元，各矩形方框之间的连线表示S形连接波导。一个在硅膜厚度为8微米的SOI衬底材料上实际制作的这样的传统4×4波导光开关阵列芯片，其长度为460mm，宽度为1mm，可见其芯片长宽在比例上极不匀称。光开关各输出信道之间的平均串扰为-15dB左右。图2是本专利技术提出的新型光路折叠式4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图(长宽未按实际比例画出)。图中标有SE的矩形方框表示一个2×2光开关单元，各矩形方框之间的连线表示连接波导。各连接波导的90°转折是通过微型全内反射镜(TIR Mirror)对光路反射实现的。可以看出，与图1所示传统4×4波导光开关阵列不同的是，各连接波导之间的交叉角均为90°垂直交叉。连接波导的垂直交叉引起的信道串扰要远远小于连接波导小角度交叉引起的信道串扰。一个在硅膜厚度为8微米的SOI衬底材料上实际制作的这样的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片，其各输出信道之间的平均串扰为-30dB左右。同时，各级光开关单元的空间排列也不再象图1所示传统4×4波导光开关阵列那样按左右顺序依次排布，而是通过微型全内反射镜对光路的反射转折，在空间进行多次折叠，使各级光开关单元在横向上对齐排布。这样就改善了光开关阵列芯片在长宽比例上的不匀称度。实际制作的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片，其长度为200mm，宽度为3.2mm。可见芯片长度缩短了一倍以上，这样就可以大大降低芯片制作时对波导刻蚀工艺均匀性的要求，有利于提高芯片制备的成品率。此外，如果对图2所示的光路折叠式4×4波导光开关阵列的输出波导再进行两次90°转折，就可以使光开关阵列的输出波导和输入波导处在芯片的同一侧，这样在进行后续的光纤耦合时就可以实现芯片单端耦合对准，降低了芯片双端耦合对准的工艺难度，有利于降低耦合成本，提高产量。图3是在本专利技术提出的新型光路折叠式波导光开关阵列中起光路折叠作用的微型全内反射镜实际制作器件的顶视图显微镜照片(左)和侧视图扫描电子显微镜照片(右)。图4是用二维时域有限差分法(2D-FDTD)模拟的微型全内反射镜的光场传输情况。这种微型全内反射镜的理论反射率为96％，插入损耗仅为0.18dB。图5是实际制作的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片的局部显微镜照片。在照片中可以看到微型全内反射镜和垂直交叉的连接光波导。请参阅图6，图中所示为本专利技术的一个具体实施例的制作工艺流程。这里是以微型全内反射镜的湿法化学腐蚀制作过程为例，说明光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片的制作过程。在实际制作过程中光开关单元(包括连接光波导)和微型全内反射镜是分别用干法刻蚀工艺和湿法化学腐蚀工艺分两步制作的。为了精确控制微型全内反射镜的位置，这里采用了双掩模自对准两步刻蚀工艺，第一步用干法刻蚀工艺制作出各光开关单元和连接波导，第二步用湿法化学腐蚀工艺制作出微型全内反射镜。图6中b-k各图是如a图所示沿M-M′方向截面在不同工艺阶段的示意图。具体工艺步骤如下所述。首先清洗SOI衬底片(图6b)，然后在1000℃下氧化约250nm的氧化硅掩模(图6c)。沿<110>晶向光刻波导和带有窗口的承载微型全内反射镜刻蚀的三角区。在光刻胶的保护下用HF腐蚀出波导图形后，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：该波导光开关阵列包括：各级２×２光开关单元；各级２×２光开关单元之间的连接光波导；对连接光波导进行９０°转折的若干组微型全内反射镜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈少武，刘敬伟，余金中，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]