具有熱隔離和熱限制的支柱的集成熱光開關的制作方法
【專利說明】
[0001 ]本申請要求享有于2014年3月5日提交的、申請?zhí)枮?4/197，301、名稱為"具有熱隔 離和熱限制的支柱的集成熱光開關"的美國專利申請的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合 在本申請中。
技術領域
[0002] 本發(fā)明設及一種熱光開關，尤其設及一種熱隔離熱光開關的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0003] 光開關是一種可使光纖或集成光路（IOCs)中的信號可選擇地從一個光路切換到 另一光路的開關。它們廣泛應用于電信產(chǎn)業(yè)。1x2和/或2x2光開關是波分復用(WDM)系統(tǒng)中 的重要組件，尤其是在可重配置的結(jié)構(gòu)中。光網(wǎng)絡具有超大的容量，但是光傳輸設備的高封 裝成本限制了光網(wǎng)絡的應用。增加集成度能夠降低光子集成電路(PICs)和封裝的成本。高 集成度可W通過降低各光學組件的功耗來實現(xiàn)。因此，需要開發(fā)一種超低功耗的光開關。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 依照本發(fā)明的一個實施例，一種熱光開關包括光波導；與所述光波導的表面熱接 觸的加熱電阻絲；W及連接于所述光波導的側(cè)面的多個熱流動限制支柱，所述多個熱流動 限制支柱支撐所述光波導，W使所述光波導通過所述光波導與位于所述光波導下的襯底之 間形成的間隙與所述襯底實質(zhì)上熱隔離，所述支柱限制熱量從所述光波導流向支撐所述支 柱的支撐結(jié)構(gòu)。
[0005] 依照本發(fā)明的一個實施例，一種用于控制光信號的網(wǎng)絡組件包括:處理器;連接于 所述處理器的接收器；W及連接于所述接收器的光子集成電路(PIC)，所述PIC包括多個熱 光開關，各所述熱光開關包括:光波導；與所述光波導的表面熱接觸的加熱電阻絲；W及連 接于所述光波導的側(cè)面的多個熱流動限制支柱，所述多個熱流動限制支柱支撐所述光波 導，W使所述光波導通過所述光波導與位于所述光波導下的襯底之間形成的間隙與所述襯 底實質(zhì)上熱隔離，所述支柱限制熱量從所述光波導流向支撐所述支柱的支撐結(jié)構(gòu)。
[0006] 依照本發(fā)明的一個實施例，一種光子集成電路(PIC)包括多個光輸入；W及連接于 所述輸入的多個熱光開關，各所述熱光開關包括:光波導;與所述光波導的表面熱接觸的加 熱電阻絲；W及連接于所述光波導的側(cè)面的多個熱流動限制支柱，所述多個熱流動限制支 柱支撐所述光波導，W使所述光波導通過所述光波導與位于所述光波導下的襯底之間形成 的間隙與所述襯底實質(zhì)上熱隔離，所述支柱限制熱量從所述光波導流向支撐所述支柱的支 撐結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0007] 為了更完整地理解本發(fā)明W及本發(fā)明的優(yōu)點，現(xiàn)結(jié)合附圖進行描述，其中：
[000引圖1為一實施例的熱光開關元件的俯視圖；
[0009] 圖2為一實施例的熱光開關元件沿A-A線的剖視圖；
[0010] 圖3為一實施例的熱光開關元件沿B-B線的剖視圖；
[0011] 圖4示出了一實施例的熱流動限制支柱；
[0012]圖5示出了一實施例的1X2MZI TO開關的平面俯視圖；
[001引圖6示出了 一實施例的顯示熱阻RthSi日2圖示的熱流動限審Ij支柱；
[0014] 圖7示出了一實施例的MZI TO開關的一個臂和相鄰開關的一部分的細節(jié)示意圖；
[0015] 圖8-10示出了一實施例的標記有等效電路的TO開關元件；
[0016] 圖11示出了一實施例的TO開關元件的等效電路；
[0017] 圖12為一實施例的光子集成電路(PIC)的方框圖；W及
[0018] 圖13為一實施例的光數(shù)據(jù)路由器的方框圖。
【具體實施方式】
[0019] W下對本發(fā)明優(yōu)選實施例的制作和應用進行詳細討論。但應理解的是，本發(fā)明提 供了許多可應用的發(fā)明構(gòu)思，其可W體現(xiàn)在各種特定的環(huán)境中。所討論的具體實施例僅是 為了說明制造和使用本發(fā)明的具體方式，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0020] 當前的PIC忍片包括馬赫-岑德爾干設儀(MZI)型熱光(TO)開關，其開關單元尺寸 約為200微米(皿）X 530皿(即約0.106mm2)。運種開關的功耗約為20-40毫瓦特(mW)。本發(fā)明 實施例中公開的光開關，各開關單元尺寸約為IOOjim X 400]im，開關功耗約為0.3-0.5mW，使 得每個忍片上可集成超過6000個開關。
[0021] 相比于現(xiàn)有技術的光開關，本發(fā)明公開的光開關明顯降低了改變開關狀態(tài)所需的 功耗。進一步地，相比于現(xiàn)有技術的光開關，本發(fā)明實施例中公開的光開關增加了光開關的 密度，降低了切換時間和光開關的插入損耗，并且提高了光開關的機械穩(wěn)定性和操作壽命。
[0022] 本發(fā)明公開的是一種包括用于支撐相位調(diào)諧元件的熱流動限制支柱的熱光開關， 或一種在二氧化娃(Si〇2)(也稱為娃石)上具有減少熱量的深溝槽W將熱流動限制支柱彼 此熱隔離的熱光(TO)開關元件。運提供了具有增強的高熱阻值(Rth)路徑的裝置，增加了 TO 開關元件的熱量限制，由此實現(xiàn)了整體功耗和器件尺寸的減小。
[0023] 圖1為一實施例的熱光開關元件100的俯視圖。圖2為一實施例的熱光開關元件沿 A-A線的剖視圖。圖3為一實施例的熱光開關元件沿B-B線的剖視圖。TO開關元件100包括娃 襯底114、二氧化娃層102、104、實質(zhì)上獨立的絕緣娃片（SOI)波導122、W及覆蓋該SOI波導 122的一部分的熱條式加熱器110。在一個實施例中，熱條式加熱器110是金屬，例如銷。在一 個實施例中，熱條式加熱器110約為200納米(nm)，其寬度約為2.9微米，長度約為100微米。 在一個實施例中，該TO開關元件100包含于馬赫-岑德爾干設儀(MZI)型TO開關中。在一個實 施例中，熱條式加熱器110覆蓋SOI波導122的頂部的一部分，其中頂部表示與襯底所在的、 被認為是底面相對的面。在其他實施例中，熱條式加熱器110也可W位于SOI波導122除頂部 之外的其它一面上。
[0024] SOI波導122包括內(nèi)嵌于二氧化娃包層120的娃忍106,并由多個熱限制支柱108支 撐，W使該SOI波導122通過間隙和溝槽116與周圍的二氧化娃包層102、104W及娃襯底114 實質(zhì)上熱隔離。支柱108為SOI波導122提供穩(wěn)定性，同時實質(zhì)上最小化熱接觸面積，從而減 少流入二氧化娃區(qū)域102、104和娃襯底114的熱量。間隙和溝槽116可為真空或者可W被不 傳導熱量的材料填充，例如空氣。如圖2所示，支柱108的一部分位于娃柱上。在一個實施例 中，支柱108從二氧化娃區(qū)域102、104向該SOI波導122的側(cè)面延伸，使得接觸該SOI波導122 的面積實質(zhì)上小于該支柱108另一端的面積。在一個實施例中，支柱108實質(zhì)上為梯形形狀 或結(jié)構(gòu)。在其它實施例中，支柱108實質(zhì)上為圓錐形形狀或結(jié)構(gòu)。該熱限制支柱108最小化了 與SOI波導122的熱接觸，從而大幅減少了從該SOI波導122流入二氧化娃包層102、104和娃 襯底114的熱量。該熱限制支柱108還可W提高TO開關的機械穩(wěn)定性使用壽命。熱限制支柱 108被連接到位于襯底116上方的支撐結(jié)構(gòu)130。
[0025] 在一個實施例中，SOI波導122的底部(例如，最接近娃襯底的部分)不與娃襯底接 觸，并且除基本不傳導熱量的材料W外，例如空氣，不與任何材料熱接觸。在一個實施例中， 除支柱108與該SOI波導122接觸的小面積外，該SOI波導122的側(cè)面不與二氧化娃區(qū)域102、 104熱接觸，。在一個實施例中，該SOI波導122的端部124、126可與另一波導或其它材料接 觸。
[0026] 在一個實施例中，SOI波導122的寬度W為約2.0微米至約3.0微米之間。在另一個實 施例中，SOI波導122的寬度W為約2.9微米。在一個實施例中，SOI波導122的高度h為約1.5微 米至約2.5微米之間。在另一實施例中，SOI波導122的高度h為約2.1微米。
[0027] 圖4示出了一實施例的熱限制支柱108。在一個實施例中，與SOI波導的一部分連接 的熱限制支柱108的面或表面402的寬度t，小于與支撐結(jié)構(gòu)連接的另一面404的寬度b。熱限 制支柱108還具有從SOI波導122的邊緣到支承結(jié)構(gòu)130的長度1。在一個實施例中，t為約1微 米，b在約1.8微米至約2.5微米的范圍內(nèi)，1在約2微米至約3微米的范圍內(nèi)。運種形狀大幅減 小了與SOI波導的接觸，由此減少了從SOI波導流到周圍支撐結(jié)構(gòu)和襯底的熱量。如圖所示， 在一個實施例中，熱限制支柱108大體上為梯形。
[0028] 圖5示出了一個實施例的一個lx2MZI TO開關500的平面俯視圖。該MZI TO開關500 包括兩個TO區(qū)域502、電氣焊盤508W及跟蹤連接器510。跟蹤連接器510(例如電線）允許電 流從電源焊盤508流向熱條式電阻加熱器506。各