CN103777283B

CN103777283B - 一种输入位置控制的多模干涉型光开关及其制备方法

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Publication number: CN103777283B
Application number: CN201410034800.5A
Authority: CN
Inventors: 孙小菡; 戚健庭; 蒋卫锋
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: CN103777283A

Abstract

本发明公开了一种输入位置控制的多模干涉型光开关，包括平面光波光路芯片、光源、输入光纤阵列和电动自动调芯装置，平面光波光路芯片包括硅衬底、二氧化硅缓冲层、波导，以及覆盖层，波导包括输入级单模波导、中间级多模波导和n个输出级单模波导；光源与输入光纤阵列的输入端连接，输入光纤阵列的输出端与输入级单模波导的输入端连接，输入级单模波导的输出端通过中间级多模波导与n个输出级单模波导的输入端连接；输入光纤阵列固定连接在电动自动调芯装置上。该光开关的开关状态可调，且工艺、结构简单，成本低。本发明还公开了一种上述的输入位置控制的多模干涉型光开关的调节方法，该调节方法简单，可快速实现开关状态的调节。

Description

一种输入位置控制的多模干涉型光开关及其制备方法

技术领域

本发明属于集成光子器件技术领域，具体来说，涉及一种输入位置控制的多模干涉型光开关及其制备方法。

背景技术

光开关是一种可以对光传输过程中的光信号进行通道转换的关键器件，可以广泛应用在全光层的路由选择、波长选择和光交叉连接等功能的实现上。根据工作介质分类，光开关可分为自由空间光开关和平面波导型（文中简称：PLC型）光开关。

PLC型光开关利用半导体工艺制备，具有结构紧凑、可批量制作、稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅(英文全称:Silica-on-Silicon，文中简称:SoS)工艺的PLC型光开关是较早被应用于光通信、传感系统中的PLC器件；并且其具有热稳定、低非线性、高带宽、集成高和成本低等特点。现有的可调PLC型光开关主要通过材料的电光效应、热光效应、磁光效应、声光效应等原理，需要添加折射率调制模块来改变多模波导的折射率实现开关状态可调，制作工艺难度大，结构复杂，成本较高。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种输入位置控制的多模干涉型光开关，该光开关的开关状态可调，且结构简单，成本低；同时，本发明还提供该光开关芯片的调节方法，该调节方法简单，可快速实现开关状态的调节。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种输入位置控制的多模干涉型光开关，该光开关包括平面光波光路芯片、光源、输入光纤阵列和电动自动调芯装置，平面光波光路芯片包括硅衬底、生长在硅衬底上方的二氧化硅缓冲层、生长在二氧化硅缓冲层上方的波导，以及生长在波导上的覆盖层，波导包括输入级单模波导、中间级多模波导和n个输出级单模波导，n为偶数，且n≥2；光源与输入光纤阵列的输入端连接，输入光纤阵列的输出端与输入级单模波导的输入端连接，输入级单模波导的输出端通过中间级多模波导与n个输出级单模波导的输入端连接；输入光纤阵列固定连接在电动自动调芯装置上。

进一步，所述的电动自动调芯装置包括六维微调架、与六维微调架连接的驱动器，以及与驱动器连接的调芯控制器，六维微调架夹持输入光纤阵列，调芯控制器对输入光纤阵列做X方向调节定位，X方向为水平面上与平面光波光路芯片的光轴相垂直的方向。

进一步，所述的输入光纤阵列对输入级单模波导无X方向偏移时，光信号从位于中部的输出级单模波导的输出端输出。

一种上述的输入位置控制的多模干涉型光开关的调节方法，该调节方法包括以下步骤：

步骤10）：使用异丙醇溶液反复擦拭输入光纤阵列的端面和平面光波光路芯片端面，直至端面干净，然后吹干；

步骤20）：放置和固定平面光波光路芯片：利用电动自动调芯装置中的六维微调架夹持输入光纤阵列，利用波导夹具夹持平面光波光路芯片，并将平面光波光路芯片置于输入光纤阵列一侧，使得输入光纤阵列的输出端与平面光波光路芯片的输入端相对；

步骤30）：在输入光纤阵列的端面点涂折射率匹配液，

步骤40）：通过调整输入光纤阵列的输出端端面与平面光波光路芯片的输入端端面之间的平行度，实现输入光纤阵列与平面光波光路芯片光轴之间的平行；

步骤50）：通过显微观测系统调节输入光纤阵列的输出端端面与平面光波光路芯片的输入端端面之间的间隔；

步骤60）：通光调整，固定输入光纤阵列和平面光波光路芯片光轴同轴；

步骤70）：对输入光纤阵列做X方向调节定位：调芯控制器向驱动器发送偏移指令实现X方向的驱动控制，驱动器驱动六维微调架做X方向偏移，六维微调架带动输入光纤阵列做X方向偏移，实现输入光纤阵列X方向不同位置的定位调节，当改变输入光纤阵列对输入级单模波导X方向偏移距离时，则改变输入级单模波导内的谐振现象，继而改变中间级多模波导内的干涉关系，最终改变边缘处n重像的相位关系，从而实现不同开关状态切换。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）工艺难度低。本发明的一种输入位置控制的多模干涉型光开关通过无源PLC型芯片实现光开关；通过微调输入光纤阵列的横向偏移，改变输入级单模波导内的谐振现象，继而改变中间级多模波导内的干涉关系，最终改变边缘处四重像的相位关系，实现开关状态可调。然而，现有的可调PLC型光开关需要制作有源PLC型芯片实现开关功能，主要通过材料的电光效应、热光效应、磁光效应、声光效应等原理改变多模波导的折射率实现开关状态可调。制作有源PLC型芯片的工艺难度比无源PLC型芯片高。

（2）结构和调制方法简单。本发明的一种输入位置控制的多模干涉型光开关自身无需添加折射率控制模块，结构简单，通过微调架微调输入端的位置实现输入模场分布的改版，可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光通信、光信息处理以及光子/光电子集成；然而，现有的可调多模干涉型光开关自需要添加折射率调制模块来改变多模波导的折射率实现开关状态可调，结构复杂，成本较高。

（3）低非线性、低损耗和高热稳定性。SoS型PLC多模干涉型光开关芯片基于石英玻璃制作，由材料特性决定其具有极低的损耗，可到0.01dB/cm，这是其他材料无法达到的。由于石英材料为各向同性材料，从而决定基于SoS型PLC型多模干涉型光开关芯片具有极低的非线性，从而可以使得光开关适合高能量的传输。

（4）宽工作带宽。本发明一种输入位置控制的多模干涉型光开关采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。SoS型PLC芯片具有较宽的工作带宽，可以在红光到近红外范围内工作，从而可以使得光开关器适合多种波长的传输。

（5）高耦合效率。本发明PLC多模干涉型光开关采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。由于石英玻璃折射率和单模光纤折射率非常接近；并且由单模条件决定PLC波导尺寸和单模光纤也具有很好的尺寸匹配。因此，本发明型多模干涉型光开关和单模光纤具有极好的耦合效率，可小于0.1dB每端口。

（6）制备工艺兼容性好，成本低。基于SoS光波导工艺制备出芯片，具备PLC工艺集成度高的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中制作完成的硅衬底、二氧化硅缓冲层与波导结构示意图。

图3是本发明实施例中制作完成的PLC芯片部分的俯视图。

图4是本发明实施例中制作完成的波导横截面的结构示意图。

图5是本发明实施例中制作完成覆盖层的波导横截面结构示意图。

图6是本发明中的电动自动调芯装置和输入光纤阵列的连接示意图。

图7是本发明实施例中不同输入位置下的光场分布图（单位：μm）。

图中有：平面光波光路芯片1、光源2、输入光纤阵列3、电动自动调芯装置4、硅衬底101、二氧化硅缓冲层102、波导103、覆盖层104、输入级单模波导1031、中间级多模波导1032、输出级单模波导1033、六维微调架401、驱动器402、调芯控制器403、第一输出级单模波导10331、第二输出级单模波导10332、第三输出级单模波导10333、第四输出级单模波导10334。

具体实施方式

为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。

本发明的一种输入位置控制的多模干涉型光开关，包括平面光波光路芯片1、光源2、输入光纤阵列3和电动自动调芯装置4。平面光波光路芯片1包括硅衬底101、生长在硅衬底101上方的二氧化硅缓冲层102、生长在二氧化硅缓冲层102上方的波导103，以及生长在波导103上的覆盖层104。波导103包括输入级单模波导1031、中间级多模波导1032和n个输出级单模波导1033，n为偶数，且n≥2。作为优选，n为4。光源2与输入光纤阵列3的输入端连接，输入光纤阵列3的输出端与输入级单模波导1031的输入端连接，输入级单模波导1031的输出端通过中间级多模波导1032与n个输出级单模波导1033的输入端连接；输入光纤阵列3固定连接在电动自动调芯装置4上。

上述结构的光开关中，如图6所示，电动自动调芯装置4包括六维微调架401、与六维微调架401连接的驱动器402，以及与驱动器402连接的调芯控制器403。六维微调架401夹持输入光纤阵列3，调芯控制器403对输入光纤阵列3做X方向调节定位，X方向为水平面上与平面光波光路芯片1的光轴相垂直的方向。

进一步，中间级多模波导1032的长度使得输出特性满足：所述的输入光纤阵列3对输入级单模波导1031无X方向偏移时，光信号从位于中部的输出级单模波导1033的输出端输出。在此长度改变X方向偏移能够得到2ⁿ-1种不同的通光状态和1种关状态,2ⁿ种不同的开关状态，组成一个完整的1×n光开关矩阵。而对于常规尺寸的1×n多模干涉耦合器，其中间级多模波导的长度使得输出特性满足：在输入光纤阵列对输入级单模波导无X方向偏移时，输出能量是四路均分的。因此对于常规1×n多模干涉耦合器，当输入光纤阵列3进行X方向偏移时，虽然能够实现一些不同的输出状态，却不能构成完整的1×n开关矩阵，因此常规尺寸的1×n多模干涉耦合器不能通过改变输入光纤阵列X方向偏移构成1×n多模干涉型光开关。

上述的输入位置控制的多模干涉型光开关通过六维微调架401微调输入光纤阵列3的横向偏移实现光信号调制。具体的的调节方法包括以下步骤：

步骤10）：使用异丙醇溶液反复擦拭输入光纤阵列3的端面和平面光波光路芯片1端面，直至端面干净，然后吹干。

步骤20）：放置和固定平面光波光路芯片1：利用电动自动调芯装置4中的六维微调架401夹持输入光纤阵列3，利用波导夹具夹持平面光波光路芯片1，并将平面光波光路芯片1置于输入光纤阵列3一侧，使得输入光纤阵列3的输出端与平面光波光路芯片1的输入端相对。

步骤30）：在输入光纤阵列3的端面点涂折射率匹配液。折射率匹配液可采用MORITEX公司生产的产品，在1310nm处的折射率为1.445，与二氧化硅折射率差小于0.01，反射损耗小于50dB。当然，折射率匹配液还可以采用其他公司生产的产品。

步骤40）：通过调整输入光纤阵列3的输出端端面与平面光波光路芯片1的输入端端面之间的平行度，实现输入光纤阵列3与平面光波光路芯片1光轴之间的平行。

步骤50）：通过显微观测系统调节输入光纤阵列3的输出端端面与平面光波光路芯片1的输入端端面之间的间隔。作为优选，间隔距离为1μm。

步骤60）：通光调整，固定输入光纤阵列3和平面光波光路芯片1光轴同轴。通光调整的过程是：在平面光波光路芯片1的输入端一侧放置一个半透半反棱镜，通过显微观测系统观测成像光斑，确定通光效果，并实现通光调整。在完成通光调整后，在不同开关状态切换时无需再使用显微观察系统和半透半反棱镜。

步骤70）：对输入光纤阵列3做X方向调节定位：调芯控制器403向驱动器402发送偏移指令实现X方向的驱动控制，驱动器402驱动六维微调架401做X方向偏移，六维微调架401带动输入光纤阵列3做X方向偏移，实现输入光纤阵列3在X方向不同位置的定位调节，从而实现不同开关状态切换。

本发明的输入位置控制的多模干涉型光开关，通过六维微调架401微调节输入光纤阵列3的横向偏移，从而改变多模波导的干涉现象，实现开关状态可调。由输入级单模波导1031端口输入一定频率的信号，经过中间级多模波导1032，输出一定功率的n路信号。当输入光场存在横向偏移时，则会在输入直波导内产生次高阶模导致的谐振现象。当输入光场的横向偏移距离不同时，会导致直波导内的谐振现象不相同，继而导致多模波导内的干涉现象不相同，最终边缘处n重像的相位关系发生改变，根据自镜像原理，1×n多模干涉型光开关产生不同的开关状态。微调输入位置可以通过电动自动调芯装置4实现，进而控制输出像的强度，达到开关状态可调的目的。

实施例：1×4多模干涉型光开关。

如图1所示，本发明的一种输入位置控制的多模干涉型光开关，包括平面光波光路芯片1、光源2、输入光纤阵列3和电动自动调芯装置4。平面光波光路芯片1包括硅衬底101、生长在硅衬底101上方的二氧化硅缓冲层102、生长在二氧化硅缓冲层102上方的波导103，以及生长在波导103上的覆盖层104。波导103包括输入级单模波导1031、中间级多模波导1032和4个输出级单模波导1033。光源2与输入光纤阵列3的输入端连接，输入光纤阵列3的输出端与输入级单模波导1031的输入端连接，输入级单模波导1031的输出端通过中间级多模波导1032与n个输出级单模波导1033的输入端连接；输入光纤阵列3固定连接在电动自动调芯装置4上。

下面以介绍上述实施例的光开关的制备方法，包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片。利用热氧化法在硅衬底上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层102。如图2所示，利用等离子体增强化学气相沉积方法制备波导层（103），本实施例中硅烷和氮气的体积比为1:20，温度250℃—400℃，硅烷流量为200sccm；通过在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层（103），掺杂过程中锗烷与氩气的体积比为1:10，锗烷与氩气总流量为18.5sccm。且波导层（103）和二氧化硅缓冲层（102）折射率差为0.4%。

步骤20）：如图3和图4所示，在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺，制备输入位置控制的1×4多模干涉型光开关的PLC芯片部分，包括：输入级单模波导1031，中间级多模波导1032，第一输出级单模波导10331，第二输出级单模波导10332，第三输出级单模波导10333，第四输出级单模波导10334。步骤20）具体包括步骤201）和步骤202）。

步骤201）光刻工艺：利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，掩模板图形包括输入级单模波导1031，中间级多模波导1032，第一输出级单模波导10331，第二输出级单模波导10332，第三输出级单模波导10333，第四输出级单模波导10334。首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，转速为2000~8000r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上。进而在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。将晶圆片和掩模板图形位置对准后曝光；随后在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。进而采用质量浓度为0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s。显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却。最后，利用高倍率显微镜检查图形质量。

步骤202）刻蚀工艺。利用反应离子刻蚀（反应离子刻蚀文中简称：RIE）工艺，Cl₂为20sccm，Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅。然后在质量浓度为99.5％丙酮溶液中浸泡10min去除残留的光刻胶,烘干后进行SiO₂波导的刻蚀。刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O₂与CHF₃流量比为0.05-1；O₂与CHF₃的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm光开关的波导结构。

步骤30）：覆盖层制备。如图5所示，对步骤20）得到的晶圆片，经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG(B₂O₃-P₂O₅-S_iO₂glass)二氧化硅覆盖层、退火工艺，得到输入位置控制的1×4多模干涉型光开关PLC芯片部分。

步骤40）：切片研磨。利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，将晶圆上的每个芯片分离。然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的光开关PLC芯片部分，从而使得输入级单模波导1031，第一输出级单模波导10331，第二输出级单模波导10332，第三输出级单模波导10333，第四输出级单模波导10334的端面与PLC芯片1端面一致。

对上述制备方法制备的输入位置控制的1×4多模干涉型光开关进行试验测试。光场从输入级单模波导1031输入，经过中间级多模波导1032，从第一输出级单模波导10331、第二输出级单模波导10332、第三输出级单模波导10333和第四输出级单模波导10334输出一定强度分布的光场。当输入光纤阵列3对输入级单模波导1031X方向偏移距离不同时，会导致直波导内的谐振现象不相同，继而导致多模波导内的干涉现象不相同，最终边缘处四重像的相位关系发生改变。根据自镜像原理，1×4MMI光开关产生不同的开关状态，实现通过微调输入位置完成光信号调制。本实施例中，采用650nm红光，通过微调输入光纤阵列3的横向偏移，改变输出光斑的分布状态，实现开关状态可调，得到1×4的光开关阵列。实验结果如图7所示。图7中，数字表示输入光纤阵列在X方向的偏移距离，白点是观测到的光。比如左下角表示输入光纤阵列在X方向正方向偏移1.25μm时，光场主要从第一、第四输出级单模波导输出，而第二、第三输出级单模波导几乎没有光场输出。从图7中可以看出：在X方向无偏移位置时，光场主要从第二、第三输出级单模波导输出；当X方向正向偏移0.07μm时，光场主要从第二输出级单模波导输出；当X方向正向偏移0.825μm时，光场主要从第一、第二输出级单模波导输出；在其它偏移位置有着不同的开关状态。实验得到了各种开关状态以及与之相对应的偏移关系，结果证明偏移位置与开关状态存在一一对应的关系。在光开关使用之前，记录开关状态与偏移位置的关系，在开关使用过程中就可以根据所需的开关状态输入相应的位移指令。但本发明并不局限于650nm波长。

由此可见，本发明的一种输入位置控制的多模干涉型光开关，可实现开关状态可调、热稳定、低非线性、低传输损耗、宽工作带宽、高度集成、与单模光纤高效耦合。通过六维微调架401微调节输入光纤阵列3的横向偏移，实现不同的开关状态。制备工艺兼容性好，成本低，基于SoS光波导工艺制备出芯片，通过外接微调架实现可调。这既克服了现有的有源PLC型光开关制作工艺复杂的问题，又具备PLC工艺集成度高的特点；并且不需要折射率控制模块便可实现开关状态可调；结构简单，并具有多种使用方案，通过微调节输入光纤阵列的横向偏移可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光传感、通信系统。

Claims

1.一种输入位置控制的多模干涉型光开关的调节方法，其特征在于，该调节方法包括以下步骤：

步骤10）：使用异丙醇溶液反复擦拭输入光纤阵列（3）的端面和平面光波光路芯片（1）端面，直至端面干净，然后吹干；

步骤20）：放置和固定平面光波光路芯片（1）：利用电动自动调芯装置（4）中的六维微调架（401）夹持输入光纤阵列（3），利用波导夹具夹持平面光波光路芯片（1），并将平面光波光路芯片（1）置于输入光纤阵列（3）一侧，使得输入光纤阵列（3）的输出端与平面光波光路芯片（1）的输入端相对；

步骤30）：在输入光纤阵列（3）的端面点涂折射率匹配液，

步骤40）：通过调整输入光纤阵列（3）的输出端端面与平面光波光路芯片（1）的输入端端面之间的平行度，实现输入光纤阵列（3）与平面光波光路芯片（1）光轴之间的平行；

步骤50）：通过显微观测系统调节输入光纤阵列（3）的输出端端面与平面光波光路芯片（1）的输入端端面之间的间隔；

步骤60）：通光调整，固定输入光纤阵列（3）和平面光波光路芯片（1）光轴同轴；

步骤70）：对输入光纤阵列（3）做X方向调节定位：调芯控制器（403）向驱动器（402）发送偏移指令实现X方向的驱动控制，X方向为水平面上与平面光波光路芯片（1）的光轴相垂直的方向；驱动器（402）驱动六维微调架（401）做X方向偏移，六维微调架（401）带动输入光纤阵列（3）做X方向偏移，实现输入光纤阵列（3）X方向不同位置的定位调节，当改变输入光纤阵列（3）对输入级单模波导（1031）X方向偏移距离时，则改变输入级单模波导（1031）内的谐振现象，继而改变中间级多模波导（1032）内的干涉关系，最终改变边缘处n重像的相位关系，从而实现不同开关状态切换。

2.按照权利要求1所述的输入位置控制的多模干涉型光开关的调节方法，其特征在于，所述的步骤50）中，间隔距离为1μm。

3.按照权利要求1所述的输入位置控制的多模干涉型光开关的调节方法，其特征在于，所述的通光调整是在平面光波光路芯片（1）的输入端一侧放置一个半透半反棱镜，通过显微观测系统观测成像光斑，确定通光效果，并实现通光调整。