一种基于功能化聚合物片上集成的多层光互连波导开关矩阵制造技术

一种基于功能化聚合物片上集成的多层光互连波导开关矩阵，属于光子集成技术领域，从下自上由衬底层、底层电极、底层波导芯层、中间层波导芯层、中间层电极、顶层波导芯层和顶层电极组成，中间层电极的下底面与顶层波导芯层的下底面为同一水平位置；各层结构间被包覆层分隔开；按功能区分，包括层间耦合开关阵列、波长选择开关和多模干涉开关三部分，层间耦合开关阵列主要实现层间信号交互的开关切换功能，波长选择开关主要实现传输通道切换功能，多模干涉开关主要实现传输通道切换功能。本发明专利技术可以实现三层光互连波导开关矩阵的功能，基于三层光互连波导开关矩阵的功能原理，通过拓展结构可实现片上集成多层光互连波导开关矩阵功能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于功能化聚合物片上集成的多层光互连波导开关矩阵


[0001]本专利技术属于光子集成
，具体涉及一种基于功能化聚合物片上集成的多层光互连波导开关矩阵。

技术介绍

[0002]现今，高速光通信已成为光电子学的最大应用领域。随着全球光纤信息网络化的持续发展，基于集成光路的波导开关矩阵由于具有工作信道可选、位相延迟可控和信号路由可调等特点，已被广泛应用于芯片间的高速光互连系统。目前商用的光波导开关矩阵主要为单层平面式光波回路结构，这限制了波导开关矩阵在片上单位尺寸内的信道拓扑延展性、工作带宽扩容性和信号切换灵活性。而实现片上集成多层光互连开关矩阵的设计与开发是解决问题的关键所在。相关技术可实现光子芯片间高速高密度三维集成式光互连的构想，在大数据中心、光控相控式雷达、光子计算机等领域具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有单层平面光波导技术的不足，提出了一种基于功能化聚合物的片上集成的多层光互连波导开关矩阵，通过对光波导有效折射率的热光调制效应，利用光波导耦合技术、波分复用技术和自映像原理，实现多层光互连波导开关矩阵功能，解决了高速高密度片上光互连中多层开关切换的技术难点。
[0004]本专利技术以基于功能化聚合物片上集成的三层光互连波导开关矩阵为例，为解决上述难点问题，采用以下技术方案：
[0005]如图1(a)所示，三层光互连波导开关矩阵从下至上由衬底层1、底层电极6、底层波导芯层3、中间层波导芯层4、中间层电极7、顶层波导芯层5和顶层电极8组成，中间层电极7的下底面与顶层波导芯层5的下底面为同一水平位置，各层结构间被包覆层2分隔开；所述的顶层电极8、中间层电极7和底层电极6由方形金属钝化区、宽矩形金属连接线和窄矩形加热电极组成。
[0006]图(a)中a、b、c的横截面分别如图1(c)、1(d)、1(e)所示。在a横截面处，本专利技术所述的三层光互连波导开关矩阵，从下至上依次由衬底层1、底层波导芯层3、中间层波导芯层4、顶层波导芯层5和顶层电极8组成，各层间及各层与电极层间均由包覆层2所填充；在b横截面处，本专利技术所述的三层光互连波导开关矩阵，从下至上依次由衬底层1、底层电极6、底层波导芯层3、中间层波导芯层4、顶层波导芯层5组成，各层间均由包覆层2所填充，顶层波导芯层5表面被包覆层2所覆盖；在c横截面处，本专利技术所述的三层光互连波导开关矩阵，从下至上依次由衬底层1、底层电极6、底层波导芯层3、中间层波导芯层4、中间层电极7、顶层波导芯层5和顶层电极8组成，各层间及各层与电极层间均由包覆层2所填充，顶层波导芯层5表面被包覆层2所覆盖。
[0007]如图1(b)和1(f)所示，本专利技术所述的三层光互连波导开关矩阵，按功能划分由层间耦合开关阵列9、波长选择开关10和多模干涉开关11三部分组成，多模干涉开关11位于波
导开关矩阵的中央位置。层间耦合开关阵列9主要实现层间信号交互的开关切换功能，分为结构与尺寸相同的输入端层间耦合开关阵列9
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1和输出端层间耦合开关阵列9
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2两部分，分别位于多模干涉开关11的左右两端呈对称分布。波长选择开关10主要实现传输通道切换功能，分为结构与尺寸相同的顶部波长选择开关10
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1和底部波长选择开关10
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2两部分，分别位于多模干涉开关11的上下两端呈对称分布。
[0008]如图2(a)所示，输入端层间耦合开关阵列9
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1按照功能又分为作用于顶层波导芯层5和中间层波导芯层4的顶部层间耦合开关9
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3以及作用于中间层波导芯层4和底层波导芯层3的底部层间耦合开关9
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4。如图2(b)所示，顶部层间耦合开关9
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3中的结构单元由顶层电极8、顶层波导芯层5、中间层波导芯层4和衬底层1组成，组成顶部层间耦合开关9
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3的顶层波导芯层5为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构，组成顶部层间耦合开关9
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3的中间层波导芯层4为输入直波导
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弯曲波导
‑‑
中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构，在衬底层1和中间层波导芯层4之间、中间层波导芯层4和顶层波导芯层5之间、顶层波导芯层5和顶层电极8之间均由包覆层2填充，且中间层波导芯层4和顶层波导芯层5所在层刻蚀后除波导芯层之外的区域由包覆层2所填充；如图2(c)所示，顶层波导芯层5和中间层波导芯层4在中间直波导部分(如图2(c)的虚线框所示)形成层间定向耦合区域，顶层电极8位于该层间定向耦合区域的正上方，用于给顶层波导芯层5的中间直波导进行加热(利用电流通过电极时产生的热量从而实现调制效果，仅需确保顶层电极8的接触电极两端连接至外部电源正负两极即可)。如图2(d)所示，底部层间耦合开关9
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4中的结构单元由中间层波导芯层4、底层波导芯层3、底层电极6和衬底层1组成，组成底部层间耦合开关9
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4的中间层波导芯层4为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构，组成底部层间耦合开关9
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4的底层波导芯层3为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构，在衬底层1和底层电极6之间、底层电极6和底层波导芯层3之间、底层波导芯层3和中间层波导芯层4之间、中间层波导芯层4之上均由包覆层2填充，且底层电极6、底层波导芯层3和中间层波导芯层4所在层刻蚀后除波导芯层之外的区域由包覆层2所填充；如图2(e)所示，中间层波导芯层4和底层波导芯层3在中间直波导部分(如图2(e)的虚线框所示)形成层间定向耦合区域，底层电极6位于该层间定向耦合区域的正下方，用于给底层波导芯层3的中间直波导进行加热(利用电流通过电极时产生的热量从而实现调制效果，仅需确保底层电极6的接触电极两端连接至外部电源正负两极即可)。
[0009]如图1(e)和图3(a)所示，顶部波长选择开关10
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1从下至上依次由衬底层1、顶层波导芯层5和顶层电极8组成，如图1(e)和图3(c)所示底部波长选择开关10
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2从下至上依次由衬底层1、底层电极6和底层波导芯层3组成，各层间及各层与电极层间均由包覆层2所填充，底层波导芯层3表面被包覆层2所覆盖。如图3(a)和3(b)所示，顶部波长选择开关10
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1中的顶层波导芯层5为马鞍形阵列波导光栅结构，为由输入端弯曲波导、直波导、输入端自由传输区、直波导、等差序列长度的阵列波导、直波导、输出端自由传输区、直波导和输出端弯曲波导顺序连接的结构，在输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于功能化聚合物片上集成的三层光互连波导开关矩阵，其特征在于：从下至上由衬底层(1)、底层电极(6)、底层波导芯层(3)、中间层波导芯层(4)、中间层电极(7)、顶层波导芯层(5)和顶层电极(8)组成，中间层电极(7)的下底面与顶层波导芯层(5)的下底面为同一水平位置，各层结构间被包覆层(2)分隔开，底层波导芯层(3)、中间层波导芯层(4)、顶层波导芯层(5)、底层电极(6)、中间层电极(7)被包覆在包覆层(2)中，；按功能划分，该三层光互连波导开关矩阵由层间耦合开关阵列(9)、波长选择开关(10)和多模干涉开关(11)三部分组成，多模干涉开关(11)位于波导开关矩阵的中央位置；层间耦合开关阵列(9)分为结构与尺寸相同的输入端层间耦合开关阵列(9
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1)和输出端层间耦合开关阵列(9
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2)两部分，分别位于多模干涉开关(11)的左右两端呈对称分布；波长选择开关(10)分为结构与尺寸相同的顶部波长选择开关(10
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1)和底部波长选择开关(10
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2)两部分，分别位于多模干涉开关11的上下两端呈对称分布。2.如权利要求1所述的一种基于功能化聚合物片上集成的三层光互连波导开关矩阵，其特征在于：输入端层间耦合开关阵列(9
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1)按照功能分为作用于顶层波导芯层(5)和中间层波导芯层(4)的顶部层间耦合开关阵列(9
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3)以及作用于中间层波导芯层(4)和底层波导芯层(3)的底部层间耦合开关阵列(9
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4)；顶部层间耦合开关阵列(9
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3)中的结构单元由顶层电极(8)、顶层波导芯层(5)、中间层波导芯层(4)和衬底层(1)组成，组成顶部层间耦合开关阵列(9
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3)的顶层波导芯层(5)为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构，组成顶部层间耦合开关阵列(9
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3)的中间层波导芯层(4)为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构；顶层波导芯层(5)和中间层波导芯层(4)在中间直波导部分形成层间定向耦合区域，顶层电极(8)位于该层间定向耦合区域的正上方，用于给顶层波导芯层(5)的中间直波导进行加热；底部层间耦合开关阵列(9
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4)中的结构单元由中间层波导芯层(4)、底层波导芯层(3)、底层电极(6)和衬底层(1)组成，中间层波导芯层4表面被包覆层2所覆盖；组成底部层间耦合开关阵列(9
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4)的中间层波导芯层(4)为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构，组成底部层间耦合开关阵列(9
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4)的底层波导芯层(3)为输入直波导
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弯曲波导
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中间直波导
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弯曲波导
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输出直波导顺次连接的结构；中间层波导芯层(4)和底层波导芯层(3)在中间直波导部分形成层间定向耦合区域，底层电极(6)位于该层间定向耦合区域的正下方，用于给底层波导芯层(3)的中间直波导进行加热。3.如权利要求1所述的一种基于功能化聚合物片上集成的三层光互连波导开关矩阵，其特征在于：顶部波长选择开关(10
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1)从下至上依次由衬底层(1)、顶层波导芯层(5)和顶层电极(8)组成，底部波长选择开关(10
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2)从下至上依次由衬底层(1)、底层电极(6)和底层波导芯层(3)组成，底层波导芯层(3)表面被包覆层(2)所覆盖；顶部波长选择开关(10
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1)中的顶层波导芯层(5)为马鞍形阵列波导光栅结构，为由输入端弯曲波导、直波导、输入端自由传输区、直波导、等差序列长度的阵列波导、直波导、输出端自由传输区、直波导和输出端弯曲波导顺序连接的结构，在输入端和输出端自由传输区的两端直波导可由等腰梯形结构的楔形转换器代替用以降低损耗；在等差序列长度的阵列波导上部包覆层(2)的表面布设有与阵列波导位置和数量对应的首尾顺次连接的顶层电极(8)，用于给阵列波导进行加热；来自输入端层间耦合开关阵列(9
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1)中顶部层间耦合开关阵列(9
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3)某一顶层波导芯层(5)的某一适用波长的信号光进入到阵列波导光栅中，经输入端弯曲波导、直波导后进入输入
端自由传输区，在自由传输区发生衍射，然后耦合进入呈等差序列长度的阵列波导，由于阵列波导光程差的存在，使耦合进入输出端自由传输区的信号光会有相位差，聚焦在输出端自由传输区的不同位置上再耦合至输出端直波导，然后再经输出端弯曲波导输出到输出端层间耦合开关阵列(9
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2)中的顶部层间耦合开关阵列的多个顶层波导芯层(5)中；底部波长选择开关(10
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2)中的底层波导芯层(3)为马鞍形阵列波导光栅结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长鸣，岳建，王春雪，林航，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：