CN104216145A - 平面波导型可调光衰减器 - Google Patents

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陈谷红
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Abstract

本发明涉及集成光学技术领域。它提出了一种多信道平面波导型可调光衰减器，是基于平面光波导技术，采用硅基沉积二氧化硅和金属薄膜溅射法的多层平面晶圆加工制作工艺和技术。该衰减器的光路由马赫-曾德尔干涉仪的上臂调节支路和下臂直通支路构成；加热电路由高电导率的导电层和高电阻率的加热层构成；光电控制回路由光耦合器、光电二极管、运算放大器、微处理器构成，能对可调电源作出线性调节和控制，从而在衰减器的输出端得到不同大小的光功率；并采用深度刻蚀的隔热槽结构，可减小光衰减器的串扰。该光器件不但集成度高，性能稳定可靠；而且制作工艺成熟、稳定、适合大批量生产，可广泛应用于光通信网络系统和光学仪器设备。

Description

平面波导型可调光衰减器
技术领域
本发明是一种多信道平面波导型可调光衰减器(VOA)，属于集成光学技术领域。
背景技术
目前光衰减器已有多种类型的制造技术，大致可分为分立微光元件技术、微机电系统(MEMS)技术及平面光波导(PLC)技术等。分立微光元件技术又可分为机械、磁光效应、热光效应、电光效应、声光效应等诸多型式，但分立微光元件通常体积较大，单件生产成本较高；而采用微机电系统和平面光波导技术制造的可调光衰减器适合光路的集成化和模块化发展的需要，体积小、成本低、集成度高，适合大批量生产。微机电系统的可调光衰减器虽然也可以实现小型化和集成化，但器件存在运动部件，其稳定性和可靠性不如平面光波导器件。
采用平面光波导技术制造的可调光衰减器也有利用磁光效应、热光效应、电光效应、声光效应等多种型式。虽然热光效应的可调光衰减器是目前最为普遍被采用的型式之一，控制灵活方便、性能稳定可靠、调节精度高，但其调节深度不够广，制成多信道可调光衰减器时串扰较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种尺寸小、集成度高、性能稳定的多信道平面波导型可调光衰减器，它可用于平衡和调节光的强度，在光信号传输过程中起到调节信号强度和平衡多路信号幅值的作用，也可用于控制信号的通、断，是现代光通讯网络系统和各类光学仪器必不可少的重要器件。
本发明的方案是设计一个多层光电晶圆结构，其光波导采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作，波导光芯沉积于硅基晶圆上，并置于折射率和厚度都不同于光芯的二氧化硅衬垫和覆盖包层中，其衬垫和覆盖包层的折射率略小于光芯的折射率，厚度则是光芯厚度的二到三倍；加热和导电的金属薄膜层采用溅射工艺制作；防金属氧化保护层的制作采用化学气相沉积工艺；隔热槽则采用深度化学刻蚀工艺制成。可调光衰减器的光电结构特征是：由马赫-曾德尔干涉仪的上、下臂支路构成具有调节和直通功能的光路结构；由耦合器、光电二极管、运算放大器、微处理器组成控制电路；由电子控制的可调电源、高电导率的导电电路和高电阻率的加热器组成加热电路。
本发明与现有技术比较具有如下优点：
1.由于采用硅基沉积二氧化硅和金属薄膜溅射法的多层光电晶圆半导体加工技术和工艺制作，克服了传统光纤熔锥器件在生产工艺和器件性能上存在的稳定性和可靠性问题，提高了器件的生产效率和性能。平面工艺器件适合大批量生产，而且体积小，重量轻，集成度高，成本低。
2.利用二氧化硅材料的热光效应，通过改变支路光波导的温度，导致二氧化硅材料折射系数的变化来调节光信号的相位和强度。由于采用电子控制的可调加热电路，控制灵活方便、性能稳定可靠、调节精度高，无运动部件。
3.由于采用深度蚀刻的隔热槽结构，可隔离衰减器上、下支路之间的热传导以及多路信道之间的交叉热传导，提高了衰减器的调节深度，减小了多信道可调光衰减器的串扰。
附图说明
本发明有如下附图：
图1至图10是本发明平面光波导加工过程中的截面结构示意图
其中：图1硅基晶圆
图2沉积未掺杂的二氧化硅下包层(衬垫)
图3沉积掺锗的二氧化硅芯层
图4铬层
图5光刻胶层
图6光刻胶影像
图7刻蚀铬层
图8二氧化硅芯层的精密刻蚀
图9去除光刻胶和铬层
图10沉积掺硼和磷的二氧化硅覆盖包层
图11至图15是本发明多层光电结构截面示意图
其中：图11光芯覆盖包层上形成加热层
图12加热层上形成导电层
图13形成金属薄膜防氧化保护层
图14刻蚀二氧化硅覆盖包层和衬垫
图15深度刻蚀层形成隔热槽结构
图16是本发明光电回路及控制线路工作原理示意图
图中：
具体实施方式
下面结合附图阐述本发明的具体实施方式：
本发明的光衰减器是采用硅基沉积二氧化硅和金属薄膜溅射法的多层晶圆半导体加工技术和工艺制作而成的，如图15多层光电结构截面示意图所示，由硅基晶圆(1)、衬垫(2)、波导光芯(3)、覆盖包层(7)、加热层(8)、导电层(9)、保护层(10)和隔热槽(11)构成，其工艺步骤为：
1.采用等离子气相沉积法，在硅基晶圆(1)上，沉积衬垫(2)，如图2所示；
2.采用等离子气相沉积法，在衬垫(2)上，沉积波导光芯(3)，如图3所示；
3.经过高温退火后，在波导光芯(3)上，溅射一层铬(4)，如图4所示；
4.涂覆一层光刻胶，如图5所示；
5.在掩模板下通过光刻机完成光刻胶的光刻，形成光刻胶影像，如图6所示；
6.利用反应离子刻蚀技术，刻蚀铬层，形成如图7所示的结构示意图；
7.按照波导所要求的尺寸和精度，完成二氧化硅波导光芯的精密刻蚀，形成所设计的平面波导光路，如图8所示；
8.去除光刻胶和铬层，形成如图9所示的结构示意图；
9.沉积掺硼和磷的二氧化硅覆盖包层，形成如图10所示的结构示意图；
10.在光芯覆盖包层上采用金属薄膜溅射工艺形成加热层(8)和导电层(9)，形成如图11和图12所示的结构示意图；
11.用化学气相沉积工艺形成金属薄膜防氧化保护层(10)，形成如图13所示的结构示意图；
12.深度刻蚀层(11)的加工采用化学刻蚀工艺，制成隔热槽，形成如图15所示的结构示意图；
13.切割晶圆，抛光打磨裸片，完成芯片的封装。
其中波导光芯(3)二氧化硅材料的折射率略大于衬垫(2)和覆盖包层(7)二氧化硅材料的折射率；而衬垫(2)和覆盖包层(7)的厚度是波导光芯(3)厚度的二到三倍，以保证光信号高效率地在波导光芯中传送。薄膜加热层(8)采用电阻率较高的钨、铬或铂等电热金属材料；薄膜导电层(9)则采用电导率较高的铜、金或铝等金属电导材料；防金属氧化薄膜保护层(10)的材料是氮化硅，以保护金属加热和导电薄膜，防止被氧化；深度刻蚀层(11)的化学刻蚀深入至硅基晶圆(1)，形成有效的隔热槽(16)。
本发明的光路采用马赫-曾德尔干涉仪结构，如图16所示。光信号从输入端(17)进入衰减器，然后平均分成二路：上臂支路(24)和下臂支路(12)。上臂支路为调节支路，位于其上方的是金属加热薄膜，作为加热器(13)，根据需要对上臂支路(24)的温度进行调节，利用二氧化硅材料的热光效应(折射率和温度具有线性正比关系)，通过改变波导材料的温度来改变材料的折射率，使光信号的相位发生变化，上臂支路(24)的信号经调节移相后与下臂支路(12)的直通信号在干涉仪输出端(18)合二为一，二个原先相位和幅值相同的信号经过调节后变为二个幅值仍然相等，但相位不再相同的信号，叠加后将改变原先信号的强度。输出端(18)的信号经过光耦合器(19)后，一部分光信号被耦合/采样，进入光电二极管(20)，这光电二极管(20)的作用是将光信号转化为电信号，从光电二极管输出的电信号再进入运算放大器(21)，该运算放大器的作用是将微小的电信号放大，从运算放大器出来的电信号再进入微处理器(22)，这微处理器依据大小不同的电信号，对可调电源(15)作出相应的调节，当调节至上、下臂支路信号相位相差180度时输出信号强度为零，这时的衰减器还可以作为光开关使用。加热电路除了加热器(13)外还包括：导电层(9)、导电电路(14)和电子控制可调电源(15)，通过控制电源的电压或电流来改变加热器(13)输出的热量，达到调节温度的目的。图中隔热槽(16)的作用是隔离马赫-曾德尔干涉仪光路上、下臂支路之间的热传导以及多路信道之间的交叉热传导，可提高利用热光效应的平面波导型衰减器的调节深度，减小多路集成光衰减器各信道间的串扰。

Claims (9)

1.平面波导型可调光衰减器，由多层光电晶圆结构组成，包括硅基、衬垫、波导光芯、覆盖包层、加热层、导电层、保护层和深度刻蚀层，其特征在于：硅基晶圆上沉积折射率及厚度不同的二氧化硅衬垫、波导光芯和覆盖包层，构成平面光波导层；平面光波导层的光路调节支路上溅射金属薄膜加热层和导电层；在金属薄膜上沉积防金属氧化的保护层；光路调节支路和信道间刻蚀深度隔热槽；可调光衰减器的光路由马赫-曾德干涉仪单元构成；加热电路由电子控制的可调电源、高电导率的金属导电薄膜电路、高电阻率的金属加热薄膜片以及电路接口组成；光电控制回路由光耦合器、光电二极管、运算放大器、微处理器构成。
2.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：平面型波导光芯是沉积于硅基晶圆上，并置于折射率和厚度都不同于波导光芯的衬垫和覆盖包层中构成平面光波导器件；其衬垫和覆盖包层的折射率略小于波导光芯的折射率；而衬垫和覆盖包层的厚度则是波导光芯厚度的二到三倍。
3.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：平面光波导层的光路调节支路上面溅射金属薄膜加热层和导电层；导电薄膜层材料是电导率较高的金、铜或铝等金属或合金；加热薄膜层材料是电阻率较高的钨、铬或铂等金属或合金。
4.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：在金属薄膜上面沉积氮化硅薄膜构成防金属氧化保护层。
5.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：马赫-曾德尔干涉仪的上、下支路之间和各路信道之间刻蚀深度隔热槽。
6.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：马赫-曾德尔干涉仪的光路结构由信号输入端、上臂调节支路、下臂直通支路和信号输出端构成，并以此为基本单元组成具有多路信道的平面波导型可调光衰减器。
7.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：金属加热薄膜片置于马赫-曾德尔干涉仪的上臂调节支路上面构成加热器，金属导电薄膜电路置于加热薄膜片的两端，并连接器件两侧端部的电路接口，电子控制的可调电源通过电路接口与加热器连接。
8.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：嵌入光电二极管，作为采样电路，将光信号转化为电信号。
9.按权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：采用光耦合器、光电二极管、运算放大器、微处理器构成光电控制回路，能检测马赫-曾德尔干涉仪的输出功率，对可调电源作出线性调节和控制，从而在衰减器的输出端得到不同大小的光功率。
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