一种硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关制造技术

一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关，属于硅基光电子器件技术领域。由输入波导和输出波导、3

【技术实现步骤摘要】
一种硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关


[0001]本专利技术属于硅基光电子器件
，具体涉及一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关。

技术介绍

[0002]随着信息时代的快速发展，人类对互联网服务的需求急剧增加，需要构建一个大容量的数据通信中心。光互联逐渐取代电互连，光交换代替电交换。与电交换相比，光交换具有低串扰、低延时、大容量等优点，契合下一代数据中心对互联技术的需求。而硅基光子技术，具有与互补金属氧化物(Complementary Metal Oxide Semicondutor，CMOS)工艺生产线兼容、成本低、集成度高等优点，是实现大规模光子集成的工艺平台。
[0003]硅基光开关，作为光交换网络中的核心器件，相较于传统的微机电系统(Micro
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Electro
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Mechanical Systems,MEMS)开关，具有体积小、功耗低的优点，且相应速度更快、驱动电压更低，研究硅基光开关单元器件对未来构建高速光通信网络具有重要意义。
[0004]光开关种类繁多，根据其利用的物理效应可以分为热光开关、电光开关、磁光开关和声光开关。马赫增德尔干涉仪(Mach
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Zehnder Interferometer,MZI)型2
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2电光开关，3
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dB耦合器采用多模干涉仪(Multimode Interferometer,MMI)结构，具有大的工作带宽和良好的抗干扰能力。
[0005]现如今，光通信网络需要扩大容量来满足社会日益增加的信息需求，传统的单模电光开关只能传输一种模式，本专利技术提出一种支持传输TE0、TE1两种模式的3
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dB耦合器，因为现阶段对高阶模的调制效率较低，因此，在调制臂中传输的光的模式依然为TE0模式，相较于传统的两条调制臂，本专利技术采用四条调制臂，分别调制不同输入信号模式的光。

技术实现思路

[0006]为了解决
技术介绍
中提到的问题，本专利技术提出了一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关。本专利技术所述多模电光开关基于硅基集成光电子学技术，具有高集成度、与CMOS工艺相兼容、可以大规模制造的特点，因此具有十分重要的实用价值。
[0007]如图1所示，一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关，其特征在于：该多模电光开关从左到右依次由第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一级3
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dB耦合器(21)、第一模式转换器(31)、第二模式转换器(32)、第一弯曲波导(41)、第二弯曲波导(42)、第三弯曲波导(43)、第四弯曲波导(44)、第一移相器(51)、第二移相器(52)、第一楔形转换器(61)、第二楔形转换器(62)、第三楔形转换器(63)、第四楔形转换器(64)、第一调制臂(71)、第二调制臂(72)、第三调制臂(73)、第四调制臂(74)、第五楔形转换器(65)、第六楔形转换器(66)、第七楔形转换器(67)、第八楔形转换器(68)、第五弯曲波导(45)、第六弯曲波导(46)、第七弯曲波导(47)、第八弯曲波导(48)、第三模式转换器(33)、第四模式转换器(34)、第二级3
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dB耦合器(22)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)、金属电极引线(8)及4个金属电极(91、92、93、94)组成；该多模电光开关由下至上依次为硅衬底(01)、硅基芯层(02)和二氧
化硅包层(03)，硅基芯层(02)被包覆在二氧化硅包层(03)中。
[0008]本专利技术多模电光开关基于180nm CMOS工艺线，采用200mm SOI衬底(SOI衬底之上二氧化硅下包层的厚度为3μm，二氧化硅上包层的厚度是1μm。在1550nm的工作波长下，二氧化硅包层(03)和硅基芯层(02)的折射率分别为1.44和3.47。如图2和图6所示，移相器(51、52)、楔形转换器(61、62、63、64、65、66、67、68)、调制臂(71、72、73、74)的硅基芯层为脊型结构(横截面)，由平板层和位于平板层之上的脊组成，平板层和位于平板层之上的脊的总厚度为0.22μm；其余波导的硅基芯层为矩形结构(横截面)，矩形结构的厚度为0.22μm。第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)的芯层宽度W2为1.02μm。
[0009]如图3所示，第一级3
‑
dB耦合器(21)由第一楔形波导(2111)、第二楔形波导(2112)、第一耦合器多模波导(212)、第三楔形波导(2113)、第四楔形波导(2114)构成，第一楔形波导(2111)和第二楔形波导(2112)彼此分立的设置于第一耦合器多模波导(212)的输入端，第三楔形波导(2113)和第四楔形波导(2114)彼此分立的设置于第一耦合器多模波导(212)的输出端；第二级3
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dB耦合器(22)由第五楔形波导(2211)、第六楔形波导(2212)、第二耦合器多模波导(222)、第七楔形波导(2213)、第八楔形波导(2214)构成，第五楔形波导(2211)和第六楔形波导(2212)彼此分立的设置于第二耦合器多模波导(222)的输入端，第七楔形波导(2213)和第八楔形波导(2214)彼此分立的设置于第二耦合器多模波导(222)的输出端；楔形波导(2111～2114和2211～2214)的结构和尺寸完全相同，楔形波导(2111、2112、2211、2212)是芯层宽度随长度由窄变宽的波导，且为线性变化，最窄处的宽度W2为1.02μm，最宽处的宽度W3为2.24μm；楔形波导(2113、2114、2213、2214)是芯层宽度随长度由宽变窄的波导，且为线性变化，最宽处的宽度W3为2.24μm，最窄处的宽度W2为1.02μm；楔形波导(2111～2114和2211～2214)芯层的长度为4.9μm；第一耦合器多模波导(212)和第二耦合器多模波导(222)的芯层长度L
MMI
为88.6μm，芯层的宽度W
MMI
为5μm。第一输入波导(11)和第二输入波导(12)分别与第一楔形波导(2111)和第二楔形波导(2112)相连接，第七楔形波导(2213)和第八楔形波导(2214)分别与第一输出波导(13)和第二输出波导(14)相连接；
[0010]模式转换器(31～34)采用非对称定向耦合结构。如图4所示，第一模式转换器(31)由第一单模波导(311)、第一多模波导(312)和第一楔形波导(313)组成，第二模式转换器(32)由第二单模波导(321)、第二多模波导(322)和第二楔形波导(323)组成，第三模式转换器(33)由第三单模波导(331)、第三多模波导(332)和第三楔形波导(333)组成，第四模式转换器(34)由第四单模波导(341)、第四多模波导(342)和第四楔形波导(343)组成，第一单模波导(311)和第一多模波导(312)之间、第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关，其特征在于：该多模电光开关从左到右依次由第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一级3
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dB耦合器(21)、第一模式转换器(31)、第二模式转换器(32)、第一弯曲波导(41)、第二弯曲波导(42)、第三弯曲波导(43)、第四弯曲波导(44)、第一移相器(51)、第二移相器(52)、第一楔形转换器(61)、第二楔形转换器(62)、第三楔形转换器(63)、第四楔形转换器(64)、第一调制臂(71)、第二调制臂(72)、第三调制臂(73)、第四调制臂(74)、第五楔形转换器(65)、第六楔形转换器(66)、第七楔形转换器(67)、第八楔形转换器(68)、第五弯曲波导(45)、第六弯曲波导(46)、第七弯曲波导(47)、第八弯曲波导(48)、第三模式转换器(33)、第四模式转换器(34)、第二级3
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dB耦合器(22)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)、金属电极引线(8)及4个金属电极(91、92、93、94)组成；该多模电光开关由下至上依次为硅衬底(01)、硅基芯层(02)和二氧化硅包层(03)，硅基芯层(02)被包覆在二氧化硅包层(03)中；输入波导(11、12)和输出波导(13、14)、3
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dB耦合器(21、22)、模式转换器(31、32、33、34)、弯曲波导(41、42、43、44、45、46、47、48)、移相器(51、52)、楔形转换器(61、62、63、64、65、66、67、68)、调制臂(71、72、73、74)、电极(91、92、93、94)的重复组件结构相同；移相器(51、52)、楔形转换器(61、62、63、64、65、66、67、68)、调制臂(71、72、73、74)的硅基芯层均为脊型结构，由平板层和位于平板层之上的脊组成，平板层和位于平板层之上的脊的总厚度为0.22μm；其余波导的硅基芯层为矩形结构，矩形结构的厚度为0.22μm；第一输入波导(11)、第二输入波导(12)、第一输出波导(13)、第二输出波导(14)的芯层宽度W2为1.02μm，支持传输TE0和TE1两种模式的光。2.如权利要求1所述的一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关，其特征在于：3
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dB耦合器(21、22)采用多模干涉器结构，支持传输TE0、TE1两种模式；第一级3
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dB耦合器(21)由第一楔形波导(2111)、第二楔形波导(2112)、第一耦合器多模波导(212)、第三楔形波导(2113)、第四楔形波导(2114)构成，第一楔形波导(2111)和第二楔形波导(2112)彼此分立的设置于第一耦合器多模波导(212)的输入端，第三楔形波导(2113)和第四楔形波导(2114)彼此分立的设置于第一耦合器多模波导(212)的输出端；第二级3
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dB耦合器(22)由第五楔形波导(2211)、第六楔形波导(2212)、第二耦合器多模波导(222)、第七楔形波导(2213)、第八楔形波导(2214)构成，第五楔形波导(2211)和第六楔形波导(2212)彼此分立的设置于第二耦合器多模波导(222)的输入端，第七楔形波导(2213)和第八楔形波导(2214)彼此分立的设置于第二耦合器多模波导(222)的输出端；楔形波导(2111～2114和2211～2214)的结构和尺寸完全相同，楔形波导(2111、2112、2211、2212)是芯层宽度随长度的增加由窄变宽的波导，且为线性变化，最窄处的宽度W2为1.02μm，最宽处的宽度W3为2.24μm；楔形波导(2113、2114、2213、2214)是芯层宽度随长度的增加由宽变窄的波导，且为线性变化，最宽处的宽度W3为2.24μm，最窄处的宽度W2为1.02μm；楔形波导(2111～2114和2211～2214)芯层的长度为4.9μm；第一耦合器多模波导(212)和第二耦合器多模波导(222)的芯层长度L
MMI
为88.6μm，芯层的宽度W
MMI
为5μm；第一输入波导(11)和第二输入波导(12)分别与第一楔形波导(2111)和第二楔形波导(2112)相连接，第七楔形波导(2213)和第八楔形波导(2214)分别与第一输出波导(13)和第二输出波导(14)相连接。3.如权利要求1或2所述的一种基于硅基PIN调制的TE0/TE1多模电光开关，其特征在于：模式转换器(31～34)采用非对称定向耦合结构，能够将TE1模式转换为TE0模式；第一模式转换器(31)由第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁颖智，尹悦鑫，许馨如，曾国宴，徐智渊，管斌礼，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：