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CN108227084A - 一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法 - Google Patents

一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法 Download PDF

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CN108227084A
CN108227084A CN201810039337.1A CN201810039337A CN108227084A CN 108227084 A CN108227084 A CN 108227084A CN 201810039337 A CN201810039337 A CN 201810039337A CN 108227084 A CN108227084 A CN 108227084A
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孙晓宇
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Abstract

本发明公开了一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，包括：硅基衬底；二氧化硅缓冲层，覆盖于硅基衬底上；芯层，镀在二氧化硅缓冲层上；二氧化硅上包层，覆盖于芯层上；以及芯层波导，设置于芯层中，其中，芯层波导包括：两个3dB定向耦合器，组成了马赫‑曾德干涉仪，两个3dB定向耦合器用于实现对TE、TM偏振波的均等分束，包括：150微米的S型弯曲波导和25微米的直波导，以及马赫‑曾德臂直波导，设置于两个3dB定向耦合器之间，用于连接两个3dB定向耦合器。本发明的一种基于氮化硅波导得到偏振无关集成光开关具有结构简单、成本低、高消光比、高偏振无关等优点，在光信号切换处理领域中具有重要的实用价值。

Description

一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种开关，具体涉及一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法。
背景技术
近年来，由于超高清视频格式的扩展、移动数据流量的增加以及云端密集型数据服务的出现【在先技术1：Kwack M J,Tanemura T,Higo A,et al.Opt.Express.20(27),28734-41(2012)】，通信网络带宽和容量规模快速增加，网络节点的处理能力一直是"信息高速公路"的需要解决的问题，基于现有传统光信号处理器件，不仅带宽、速度遇到瓶颈，所消耗的能量也急剧增大，迫切需要研究和发展新型大容量的节点处理技术，开发出超高速低能耗的新型集成光电子器件。光开关可无阻塞地连接任意输入输出光纤之间作为数据交换器件，具有插入损耗低、重复性高、响应速度快等一系列优点，是数据中心光交换系统中重要的器件之一。
在过去的几年里，由于硅光电子学快速发展，以硅为衬底材料的光互连打破了以金属为基底的互连瓶颈。以硅材料为衬底的大量1×N、N×N以及M×N光开关，展现了串扰低、开关动作快、功率消耗低等优秀特性【在先技术2：H.Zhou,J.Yang,M.Wang,et al.OptLetters.37(12),2307(2012)】。硅基集成光电子器件由于其与半导体CMOS工艺兼容的成熟加工方法、低廉的材料成本、优良的光电混合集成特性，在能耗、性能、尺寸和成本等方面优势明显，在制作光开关领域有着重要应用。但是硅光开关还是有许多缺点，第一，硅光开关无法克服其由于热光系数低而导致功率消耗过高的缺陷。第二，现有的硅基光开关具有很强的偏振依赖特性，在未知输入光偏振的情况下，需要额外的偏振控制器件，不但增加了插入损耗并且提高了系统的复杂度，对其大规模应用有所限制。
氮化硅这一硅基材料具有从可见光到中红外光的宽透射谱，其与包覆层的折射率相差约0.5，比绝缘体上硅折射率差值(～2)小，使得波导尺寸在微米量级，相对降低了加工难度；同时又比高折射率玻璃平面光波导折射率差值(～0.1)大，使得器件尺寸相对较小。适中的折射率与器件尺寸也使得氮化硅波导成为十分具有前景的材料。基于氮化硅材料的光学无源器件已经被广泛研究，如偏振分束器、光栅耦合器、高品质因子微环、微盘器件等，但还未见偏振无关的集成光开关的相关报道，因而基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关具有良好的应用前景。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法。
本发明提供了一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，具有这样的特征，包括：硅基衬底；二氧化硅缓冲层，覆盖于硅基衬底上；芯层，镀在二氧化硅缓冲层上；二氧化硅上包层，覆盖于芯层上；以及芯层波导，设置于芯层中，其中，芯层波导包括：两个3dB定向耦合器，组成了马赫-曾德干涉仪，两个3dB定向耦合器用于实现对TE、TM偏振波的均等分束，包括：150微米的S型弯曲波导和25微米的直波导，以及马赫-曾德臂直波导，设置于两个3dB定向耦合器之间，用于连接两个3dB定向耦合器。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，马赫-曾德臂直波导上固定有金属加热器，该金属加热器用于控制相位实现对输出路径的切换。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，金属加热器为Ti/Au加热器，厚度为100/10纳米，面积为250×5平方微米。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，二氧化硅缓冲层的厚度为3微米，折射率为1.45，二氧化硅上包层的厚度为2微米。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，S型弯曲波导、直波导以及马赫-曾德臂直波导均为氮化硅波导，氮化硅波导折射率为2.01，厚度H为580纳米，宽度W为660纳米。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，S型弯曲波导的长度为150微米，半径为406微米，侧向偏移的距离为30微米。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，直波导的长度为25微米。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，马赫-曾德臂直波导的长度为250微米。
在本发明提供的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关中，还可以具有这样的特征：其中，3dB定向耦合器的波导的整体厚度为580纳米，起始宽度为1微米，起始耦合间隙为30微米，直波导的耦合区域的波导宽度为0.66微米，耦合间隙为0.5微米。
本发明还提供了一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关的制作方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
步骤1，在350摄氏度下，通过等离子体增强化学气相沉积于硅基衬底上形成3微米厚的二氧化硅缓冲层；
步骤2，在二氧化硅缓冲层上涂覆抗蚀剂作为氮化硅光子电路的蚀刻掩模，使用电子束光刻和等离子蚀刻，实时监控刻蚀深度，得到表面平坦的氮化硅波导；
步骤3，氮化硅波导经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积2微米厚的二氧化硅上包层；
步骤4，将金属加热器附着到马赫-曾德臂直波导上，在其背面上抛光并切割以进行性能表征。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关及其制作方法，因为采用的S型弯曲波导的起始宽度较宽，所以降低了传输损耗从而实现了偏振无关，且增加了制造的容差。因为采用的S型弯曲波导的光耦合应用了一种基于耦合波模式理论的光波导模型，所以克服了常用方法中遇到的数值分歧问题。因为采用的马赫-曾德臂直波导安装的金属加热器能够通过加热电极控制相位，从而实现了光路切换。因此，本发明的一种基于氮化硅波导得到偏振无关集成光开关具有结构简单、成本低、高消光比、高偏振无关等优点，在光信号切换处理领域中具有重要的实用价值。
附图说明
图1是本发明的实施例中的基于氮化硅波导的偏振无关光开关示意图；
图2是本发明的实施例中的3dB耦合器直波导耦合区域的截面示意图；
图3是本发明的实施例中的耦合波导宽度为0.66微米时不同耦合长度和耦合间隙下TE、TM偏振波的相应输出比等高线图；
图4是本发明的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关制作流程的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图1是本发明的实施例中的基于氮化硅波导的偏振无关光开关示意图，图2是本发明的实施例中的3dB耦合器直波导耦合区域的截面示意图。
如图1和2所示，本实施例的一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，包括：硅基衬底1，二氧化硅缓冲层2，两个芯层3，二氧化硅上包层4和芯层波导。
二氧化硅缓冲层2，覆盖于所述硅基衬底1上。
二氧化硅缓冲层的厚度为3微米，折射率为1.45。
芯层3，镀在所述二氧化硅缓冲层2上。
二氧化硅上包层2，覆盖于所述芯层3上。
所述二氧化硅上包层的厚度为2微米。
芯层波导，设置于所述芯层3中。
所述芯层波导包括：两个3dB定向耦合器5和马赫-曾德臂直波导6。
两个3dB定向耦合器5，组成了马赫-曾德干涉仪，所述两个3dB定向耦合器5用于实现对TE、TM偏振波的均等分束，包括：150微米的S型弯曲波导和25微米的直波导。
3dB定向耦合器5的波导的整体厚度为580纳米，起始宽度为1微米，起始耦合间隙为30微米，所述直波导的耦合区域的波导宽度为0.66微米，耦合间隙为0.5微米。
S型弯曲波导、所述直波导以及马赫-曾德臂直波导6均为氮化硅波导，所述氮化硅波导折射率为2.01，厚度H为580纳米，宽度W为660纳米。
S型弯曲波导的长度为150微米，半径为406微米，侧向偏移的距离为30微米。
直波导的长度为25微米，直波导之间的间隙G为500纳米。
马赫-曾德臂直波导6，设置于所述两个3dB定向耦合器5之间，用于连接所述两个3dB定向耦合器5。
马赫-曾德臂直波导6的长度为250微米。
马赫-曾德臂直波导6上固定有金属加热器7，该金属加热器7用于控制相位从而实现对输出路径的切换。
金属加热器7为Ti/Au加热器，厚度为100/10纳米，面积为250×5平方微米。
图3是本发明的实施例中的耦合波导宽度为0.66微米时不同耦合长度和耦合间隙下TE、TM偏振波的相应输出比等高线图。
如图3所示，将输出比定义为10×log(η交叉口/η直通口)，其中，单位为分贝，η交叉口为与输入波导交叉的输出波导端口的透射率，η直通口为与输入波导直通的输出波导端口的透射率。图中Rtm表示为横磁波TM模式下输出比，Rte表示为横电波TE模式下的输出比。由图3可知，在耦合波导宽度为0.66微米情况下，当耦合长度和耦合间隙分别为25微米和0.5微米，该光开关的TE、TM偏振波有0分贝的输出比，即对两个偏振态均实现交叉输出。
在制作基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关之前，先通过变化耦合间隙和波导的宽度分别计算TE、TM模式的奇模有效折射率和偶模有效折射率通过公式耦合长度Lc＝工作波长/(2×(n偶模-n奇模))得到相应的耦合长度，再通过耦合长度与耦合间隙的指数关系Lc＝AeBG，得到拟合系数A、B，配合多项式函数对于不同宽度的波导可计算得到不同的拟合系数用于优化波导，最终得到偏振无关的3dB耦合器5参数。计算得3dB耦合器5的直波导耦合长度为25微米，耦合间隙为0.5微米，波导宽度为0.66微米。
对于3dB耦合器5弯曲波导的设计中：弯曲波导可近似为短的直波导3dB耦合器，S型弯曲波导的总长度为150微米，有30微米的侧向偏移，半径约为406微米，在弯曲波导的起始段，波导宽度为1微米，间隙为30微米，至直波导耦合区域，弯曲波导的宽度逐渐变为0.66微米，耦合间隙变为0.5微米。
最终优化的3dB耦合器5的结构对于TE、TM偏振波均可实现1×2均分，实现真正的偏振无关。
图4是本发明的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关制作流程的示意图。
如图4所示，本实施例的一种基于氮化硅波导得到偏振无关集成开关的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，在350摄氏度下，通过等离子体增强化学气相沉积于硅基衬底1上形成3微米厚的二氧化硅缓冲层2；
步骤2，在二氧化硅缓冲层2上涂覆抗蚀剂作为氮化硅光子电路的蚀刻掩模，使用电子束光刻和等离子蚀刻，实时监控刻蚀深度，得到表面平坦的氮化硅波导；
步骤3，氮化硅波导经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积2微米厚的二氧化硅上包层4；
步骤4，将金属加热器6附着到马赫-曾德臂直波导51上，在其背面上抛光并切割以进行性能表征。
实施例的作用与效果
本实施例的一种基于氮化硅波导得到偏振无关集成开关及其制作方法，因为采用的S型弯曲波导的起始宽度较宽，所以降低了传输损耗从而实现了偏振无关，且增加了制造的容差。因为采用的S型弯曲波导的光耦合应用了一种基于耦合波模式理论的光波导模型，所以克服了常用方法中遇到的数值分歧问题。因为采用的马赫-曾德臂直波导安装的金属加热器能够通过加热电极控制相位，从而实现了光路切换。因此，本实施例的一种基于氮化硅波导得到偏振无关集成光开关具有结构简单、成本低、高消光比、高偏振无关等优点，实现了偏振无关，在光信号切换处理领域中具有重要的实用价值。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于，包括：
硅基衬底；
二氧化硅缓冲层，覆盖于所述硅基衬底上；
芯层，镀在所述二氧化硅缓冲层上；
二氧化硅上包层，覆盖于所述芯层上；以及
芯层波导，设置于所述芯层中，
其中，所述芯层波导包括：
两个3dB定向耦合器，组成了马赫-曾德干涉仪，所述两个3dB定向耦合器用于实现对TE、TM偏振波的均等分束，包括：150微米的S型弯曲波导和25微米的直波导，以及
马赫-曾德臂直波导，设置于所述两个3dB定向耦合器之间，用于连接所述两个3dB定向耦合器。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于：
所述马赫-曾德臂直波导上固定有金属加热器，该金属加热器用于控制相位从而实现对输出路径的切换。
3.根据权利要求2所述的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于：
其中，所述金属加热器为Ti/Au加热器，厚度为100/10纳米，面积为250×5平方微米。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于：
其中，所述二氧化硅缓冲层的厚度为3微米，折射率为1.45，
所述二氧化硅上包层的厚度为2微米。
5.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于：
其中，所述S型弯曲波导、所述直波导以及马赫-曾德臂直波导均为氮化硅波导，
所述氮化硅波导折射率为2.01，厚度H为580纳米，宽度W为660纳米。
6.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于：
其中，所述S型弯曲波导的长度为150微米，半径为406微米，侧向偏移的距离为30微米。
7.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导的偏振无关集成光开关，其特征在于：
其中，所述直波导的长度为25微米。
8.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导得到偏振无关集成光开关，其特征在于：
其中，所述马赫-曾德臂直波导的长度为250微米。
9.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导得到偏振无关集成开关，其特征在于：
其中，所述3dB定向耦合器的波导的整体厚度为580纳米，起始宽度为1微米，起始耦合间隙为30微米，所述直波导的耦合区域的波导宽度为0.66微米，耦合间隙为0.5微米。
10.一种如权利要求1-9所述的基于氮化硅波导得到偏振无关集成光开关的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在350摄氏度下，通过等离子体增强化学气相沉积于所述硅基衬底上形成3微米厚的所述二氧化硅缓冲层；
步骤2，在所述二氧化硅缓冲层上涂覆抗蚀剂作为氮化硅光子电路的蚀刻掩模，使用电子束光刻和等离子蚀刻，实时监控刻蚀深度，得到表面平坦的所述氮化硅波导；
步骤3，所述氮化硅波导经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积2微米厚的所述二氧化硅上包层；
步骤4，将所述金属加热器附着到所述马赫-曾德臂直波导上，在其背面上抛光并切割以进行性能表征。
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