專利名稱：3×2光波導(dǎo)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于全光通信網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中、對(duì)多種光波長可單獨(dú)控制和運(yùn)作或同時(shí)運(yùn)作的光波導(dǎo)開關(guān)器件。屬于光波導(dǎo)開關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
對(duì)多種光通信波長信號(hào)能同時(shí)進(jìn)行功率分離、波分復(fù)用、交叉互連、開關(guān)等作用的智能化單片集成光波導(dǎo)器件一直是全光通信傳輸系統(tǒng)和多波長波分復(fù)用系統(tǒng)中所需的關(guān)鍵元器件。目前所用的這些光器件都是具有上述功能之一的分立器件，任何一種目前所用的光器件無法同時(shí)具有功率分離、波分復(fù)用、交叉互連、甚至開關(guān)等功能。現(xiàn)行的光波導(dǎo)開關(guān)有Y型分支結(jié)構(gòu)的1×2光開關(guān)、X型結(jié)構(gòu)的2×2光開關(guān)、以及由Y分支1×2結(jié)構(gòu)或X型2×2結(jié)構(gòu)作為基本單元級(jí)聯(lián)形成的M×N光開關(guān)陣列。Y分支1×2光開關(guān)只有一個(gè)輸入波導(dǎo)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)只能對(duì)所輸入的一種光波長信號(hào)進(jìn)行功率分離、或通過兩個(gè)輸出波導(dǎo)臂的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)功能。其缺點(diǎn)是與光波波長無關(guān)，因而不能對(duì)不同波長的信號(hào)進(jìn)行分離、交叉互連等。X型2×2光開關(guān)雖然有兩個(gè)輸入波導(dǎo)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)，但該結(jié)構(gòu)只能對(duì)所輸入的波長信號(hào)進(jìn)行開關(guān)，卻不能對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)功率分離，同樣不能對(duì)不同波長的光信號(hào)進(jìn)行交叉互連、波分復(fù)用等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)而提供一種同時(shí)具有功率分離、波分復(fù)用、光交叉互連、光分插復(fù)用、多波長開關(guān)等多種功能的3×2光波導(dǎo)開關(guān)。本發(fā)明可在一個(gè)芯片上利用同一種微制作工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成和智能化集成，其可廣泛用于全光通信網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖所示，包括有三個(gè)輸入波導(dǎo)(2、3、4)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)(5、6)、三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)的交叉部分中做出有折射率改變區(qū)(17、18)。
上述折射率改變區(qū)(17、18)可控制三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)交叉部分中的兩個(gè)反射面(15、16)。
上述折射率改變區(qū)(17、18)可通過通載電、熱、光以實(shí)現(xiàn)對(duì)其折射率的改變。
上述輸入波導(dǎo)(2、4)的中間做出有彎曲部分(7、8)。
上述折射率改變區(qū)(17、18)可分別獨(dú)立運(yùn)作，也可以同時(shí)運(yùn)作。
上述折射率改變區(qū)(17、18)可以是靠pn結(jié)通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)；也可以是通過光照改變其折射率的光注入?yún)^(qū)；或是在器件工作過程中通過熱光效應(yīng)、聲光效應(yīng)外界因素改變其材料的折射率。
上述輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)可以是單模波導(dǎo)，也可以是多模波導(dǎo)。
上述輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)可以是脊形波導(dǎo)，也可以是溝道波導(dǎo)。
上述溝道波導(dǎo)可以是掩埋波導(dǎo)、植入波導(dǎo)或裝載波導(dǎo)。
上述光波導(dǎo)開關(guān)的截面包括有襯底(1)、下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)，下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)依次覆蓋在襯底(1)上。
上述導(dǎo)波層(20)是對(duì)近紅外光透明的光電子材料；上述襯底(1)、下包層(19)、上包層(21)可以是對(duì)近紅外光透明的光電子材料，也可以是對(duì)近紅外光不透明的光電子材料。
上述光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs基上的III-V族化合物半導(dǎo)體材料；或者是有機(jī)聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
上述光電子材料可以用常規(guī)的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化學(xué)汽相淀積方法生長。
上述光波導(dǎo)開關(guān)可以用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件微制作工藝制作，也可以用新型的光電子器件微制作技術(shù)制作，其中的光波導(dǎo)可以用干法刻蝕或濕法刻蝕技術(shù)得到。
本發(fā)明由于采用了具有三個(gè)輸入波導(dǎo)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)及三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)的交叉部分中做出有兩個(gè)折射率改變區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過這兩個(gè)折射率改變區(qū)可實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的功率分離、波分復(fù)用、光交叉互連、光分插復(fù)用、多波長光開關(guān)等多種功能。此外，本發(fā)明可在一個(gè)芯片上利用同一種微制作工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成和智能化集成，其可廣泛用于全光通信網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中。本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)巧妙，方便實(shí)用的3×2光波導(dǎo)開關(guān)。


下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)交叉部分的結(jié)構(gòu)放大圖；圖3為本發(fā)明的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的幾種運(yùn)作功能模擬結(jié)果示例圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、2所示，包括有三個(gè)輸入波導(dǎo)(2、3、4)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)(5、6)、三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)的交叉部分中做出有折射率改變區(qū)(17、18)。本實(shí)施例中，三個(gè)輸入波導(dǎo)之間的距離為25μm，輸入波導(dǎo)交叉角θ為1.5°。兩個(gè)輸出波導(dǎo)之間的間距為30μm，輸出波導(dǎo)交叉角為2θ＝3°，本發(fā)明的總長度3mm。圖2所示三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)的交叉部分中的波導(dǎo)10→14和12→13分別是兩個(gè)直形波導(dǎo)，它們交叉形成2×2結(jié)構(gòu)。11為直條形波導(dǎo)，它同其它兩個(gè)直形波導(dǎo)構(gòu)成了3×2結(jié)構(gòu)，15和16分別為三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)交叉部分中的兩個(gè)反射面，稱作“鏡面”，鏡面15和16分別由折射率改變區(qū)17和18控制。
上述折射率改變區(qū)(17、18)可通過通載電、熱、光以實(shí)現(xiàn)對(duì)其折射率的改變。即折射率改變區(qū)(17、18)可以是靠pn結(jié)通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)；也可以是通過光照改變其折射率的光注入?yún)^(qū)；或是在器件工作過程中通過熱光效應(yīng)、聲光效應(yīng)外界因素改變其材料的折射率。本實(shí)施例中，折射率改變區(qū)(17、18)是靠pn結(jié)通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)。
上述輸入波導(dǎo)(2、4)的中間做出有彎曲波導(dǎo)部分(7、8)。本實(shí)施例中，彎曲波導(dǎo)部分(7、8)的彎曲半徑為30mm。
上述折射率改變區(qū)(17、18)可分別獨(dú)立運(yùn)作，也可以同時(shí)運(yùn)作。
上述輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)可以是單模波導(dǎo)，也可以是多模波導(dǎo)。本實(shí)施例中，輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)是單模波導(dǎo)。
上述輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)可以是脊形波導(dǎo)，也可以是溝道波導(dǎo)。本實(shí)施例中，輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)是脊形單模波導(dǎo)。
上述溝道波導(dǎo)可以是掩埋波導(dǎo)、植入波導(dǎo)或裝載波導(dǎo)。
上述光波導(dǎo)開關(guān)的截面包括有襯底(1)、下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)，下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)依次覆蓋在襯底(1)上。
上述襯底(1)、下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)可以是對(duì)近紅外光透明的光電子材料。上述光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs基上的III-V族化合物半導(dǎo)體材料；或者是有機(jī)聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
上述光電子材料可以用常規(guī)的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化學(xué)汽相淀積方法生長。
上述光波導(dǎo)開關(guān)可以用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件微制作工藝制作，也可以用新型的光電子器件微制作技術(shù)制作，其中的光波導(dǎo)可以用干法刻蝕或濕法刻蝕技術(shù)得到。
本發(fā)明實(shí)施例在制作時(shí)，利用硅(Si)作為襯底1的材料，用硅鍺(SiGe)合金材料作為光波導(dǎo)層20的材料。
材料生長中所用Si襯底1為p+型材料，摻雜濃度為2×1018cm-3。利用超高真空汽相淀積方法在襯底1上生長出厚度為5nm的p型Si下包層19，摻雜濃度為2×1016cm-3，同時(shí)生長厚度為2.5μm的SiGe(Ge的組份為4％)合金導(dǎo)波層20，然后生長出厚度約為5nm的重?fù)诫sn+型Si層作為上覆蓋層、用于制作兩個(gè)折射率改變區(qū)17和18，其摻雜濃度為1×1018cm-3。
制作中，利用干法刻蝕技術(shù)通過去掉多余的重?fù)诫sn+層、只留下折射率改變區(qū)17和18上的n+層的方法得到載流子注入?yún)^(qū)17和18。SiGe光波導(dǎo)層20也用干法刻蝕得到。本發(fā)明實(shí)施例中的SiGe導(dǎo)波層20的寬度均為10μm，所有脊形單模波導(dǎo)的刻蝕深度約1.1μm左右。脊形單模波導(dǎo)形成之后，在其上覆蓋二氧化硅作為上包層21。經(jīng)傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體工藝制作(包括退火、金屬電極的蒸鍍、刻蝕等)方法制作出本發(fā)明的3×2光波導(dǎo)開關(guān)。
本發(fā)明中的關(guān)鍵部分折射率改變區(qū)(17、18)是兩個(gè)載流子注入?yún)^(qū)，它是由p型SiGe導(dǎo)波層和其上的n+型Si層組成的兩個(gè)pn+結(jié)。在17和18上分別加上正向偏壓后，由于載流子注入到SiGe導(dǎo)波層20后引起SiGe材料的折射率發(fā)生變化，從而出現(xiàn)兩個(gè)反射鏡面15和16，通過這兩個(gè)反射鏡面可以對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行控制。
本發(fā)明在使用時(shí)可有多種功能，圖4所示為其幾種運(yùn)作功能模擬結(jié)果的示例圖，功能模擬實(shí)驗(yàn)測試所用的三種波長分別為λ1＝1540nm，λ2＝1550nm，λ3＝1560nm。結(jié)果如下(1)如果只將λ1耦合進(jìn)波導(dǎo)3，且在兩個(gè)反射區(qū)17和18都不加正向偏壓，則沒有鏡面15和16出現(xiàn)，此時(shí)λ1將一分為二，分別從波導(dǎo)5和6輸出，如圖4(a)所示。如果在任意一個(gè)反射區(qū)17或18上加一正向偏壓，則鏡面15或16將出現(xiàn)，例如在17上加偏壓，鏡面15出現(xiàn)，此時(shí)λ1將被反射至波導(dǎo)6輸出，如圖4(b)所示。這種情況下，本發(fā)明的3×2光波導(dǎo)開關(guān)起光功率分離器的作用和1×2數(shù)字光開關(guān)的作用。
(2)如果將λ2耦合進(jìn)波導(dǎo)2，或?qū)ⅵ?耦合進(jìn)波導(dǎo)4，例如將λ3耦合進(jìn)波導(dǎo)4且在無偏壓時(shí)，從波導(dǎo)4輸入的光將從波導(dǎo)5輸出，如圖4(c)所示；在反射區(qū)17加偏壓后，光將反射至波導(dǎo)6輸出，如圖4(d)所示。這種情況下，本發(fā)明是一種2×2光開關(guān)。
(3)如果將λ2和λ3分別耦合進(jìn)波導(dǎo)2和波導(dǎo)4，光將分別從波導(dǎo)6和5輸出，此時(shí)為光交叉情況，如圖4(e)所示。在有偏壓時(shí)兩種波長的光將被反射至波導(dǎo)5或6輸出。
(4)如果將λ1和λ3或λ1和λ2分別耦合進(jìn)各自的輸入波導(dǎo)，無偏壓時(shí)波長λ1將被一分為二，λ2或λ3將交叉輸出。在有偏壓的情況下，兩種波長的光將合在一起被反射至波導(dǎo)5或6，分別如圖4(f)和4(g)所示。這種情況下，本發(fā)明是一種波復(fù)用器(也叫合波器)，同時(shí)是一種雙波長的2×2光開關(guān)。
(5)若同時(shí)將三種波長光信號(hào)λ1、λ2、λ3分別輸入到輸入波導(dǎo)3、2和4，在無偏壓時(shí)，分波和合波后的輸出情況如圖4(h)所示。在有偏壓的情況下，三種波長光信號(hào)將合在一起沿波導(dǎo)5或6輸出。如圖4(i)所示。此時(shí)本發(fā)明為一種多波長波復(fù)用器(和合波器)，同時(shí)為一種多波長光開關(guān)。
另經(jīng)測試可知，本發(fā)明實(shí)施例這種3×2 SiGe光波導(dǎo)開關(guān)的工作電壓為1.3～1.4V，開關(guān)電流約為120mA，開關(guān)時(shí)間在100至200納秒的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于包括有三個(gè)輸入波導(dǎo)(2、3、4)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)(5、6)、三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)的交叉部分中做出有折射率改變區(qū)(17、18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述折射率改變區(qū)(17、18)可控制三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)交叉部分中的兩個(gè)反射面(15、16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述折射率改變區(qū)(17、18)可通過通載電、熱、光以實(shí)現(xiàn)對(duì)其折射率的改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(2、4)的中間做出有彎曲部分(7、8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述折射率改變區(qū)(17、18)可分別獨(dú)立運(yùn)作，也可以同時(shí)運(yùn)作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述折射率改變區(qū)(17、18)可以是靠pn結(jié)通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)；也可以是通過光照改變其折射率的光注入?yún)^(qū)；或是在器件工作過程中通過熱光效應(yīng)、聲光效應(yīng)外界因素改變其材料的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)可以是單模波導(dǎo)，也可以是多模波導(dǎo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(2、3、4)及輸出波導(dǎo)(5、6)可以是脊形波導(dǎo)，也可以是溝道波導(dǎo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述溝道波導(dǎo)可以是掩埋波導(dǎo)、植入波導(dǎo)或裝載波導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述光波導(dǎo)開關(guān)的截面包括有襯底(1)、下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)，下包層(19)、導(dǎo)波層(20)、上包層(21)依次覆蓋在襯底(1)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述導(dǎo)波層(20)是對(duì)近紅外光透明的光電子材料；上述襯底(1)、下包層(19)、上包層(21)可以是對(duì)近紅外光透明的光電子材料，也可以是對(duì)近紅外光不透明的光電子材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe、SiGeC、Si-on-insulator(SOI)、SiGe-on-insulator(SGOI)材料；也可以是InP基或GaAs基上的III-V族化合物半導(dǎo)體材料；或者是有機(jī)聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述光電子材料可以用常規(guī)的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化學(xué)汽相淀積方法生長。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3×2光波導(dǎo)開關(guān)，其特征在于上述光波導(dǎo)開關(guān)可以用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件微制作工藝制作，也可以用新型的光電子器件微制作技術(shù)制作，其中的脊形光波導(dǎo)可以用干法刻蝕或濕法刻蝕技術(shù)得到。
全文摘要
本發(fā)明是一種可用于全光通信網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中、對(duì)多種光波長可單獨(dú)控制和運(yùn)作或同時(shí)運(yùn)作的光波導(dǎo)開關(guān)器件。包括有三個(gè)輸入波導(dǎo)(2、3、4)、兩個(gè)輸出波導(dǎo)(5、6)、三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)的交叉部分中做出有折射率改變區(qū)(17、18)。上述折射率改變區(qū)(17、18)可控制三個(gè)輸入波導(dǎo)與兩個(gè)輸出波導(dǎo)交叉部分中的兩個(gè)反射面(15、16)。上述折射率改變區(qū)(17、18)可通過通載電、熱、光以實(shí)現(xiàn)對(duì)其折射率的改變。本發(fā)明通過兩個(gè)折射率改變區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的功率分離、波分復(fù)用、光交叉互連、光分插復(fù)用、多波長光開關(guān)等多種功能。此外，本發(fā)明可在一個(gè)芯片上利用同一種微制作工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成和智能化集成，其可廣泛用于全光通信網(wǎng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中。本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)巧妙，方便實(shí)用的3×2光波導(dǎo)開關(guān)。
文檔編號(hào)H04J14/02GK1556423SQ20031011762
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者李寶軍 申請(qǐng)人:中山大學(xué)