CN105829956A - 热光移相器 - Google Patents
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Abstract
一种热光移相器(100，200，300)，包括衬底(1)、设于衬底(1)上的包层(2)、位于包层(2)内的波导芯层(3)、温度控制器(4，11)、以及对波导芯层(3)加热的加热器(5，10)。温度控制器(4，11)与加热器(5，10)间隔设置，且温度控制器(4，11)设于波导芯层(3)的周缘，用于降低波导芯层(3)的温度。本热光移相器，通过增加温度控制器(4，11)，在波导芯层(3)及包层(2)温度升高后或温度升高后需降低时，可以快速降低波导芯层(3)的温度，从而实现消除当波导芯层(3)温度升高时周围器件的热串扰，加快热光移相器(100，200，300)的响应时间，结构简单且性能可靠。
Description
热光移相器 技术领域
本发明涉及通信领域， 尤其涉及一种热光移相器。 背景技术
热光波导开关与传统的机械、微机械开关相比， 具有工艺简单、成本低廉、 响应速度快 (开关时间可以达到 μδ量级)的优点，且在开关损耗、 串扰、 消光比、 开关尺寸等性能方面优势明显。 采用绝缘衬底上的硅（SOI )材料制作的热光开 关与微电子 (CMOS)工艺兼容， 可以利用硅微加工技术能将开关集成在单片硅基 底上， 易于级联组成大规模的开关矩阵， 具有广阔的应用潜力和发展前景。
常见的热光波导开关一般由输入、 输出耦合器及两个调制臂支撑， 输入光 由输入耦合器分成两路， 在两条光波导里分别传输， 在其中一条或两条光路中 施加热光移相器， 用以改变两臂的相位差， 以使具有不同相位的输出光经输出 耦合器输出， 从而控制光在两个端口的分光比， 实现光开关的功能。 但是这些 现有的热光移相器响应时间快， 所需的功率高， 通过刻蚀光波导周围的包层形 成空气隔离槽， 由于空气的热导率很低， 能减小向外扩散的热量， 能大大降低 移相器所需的功耗， 但是空气隔离槽会影响热光移相器的散热性， 被加热的波 导温度无法迅速降低， 导致开关的响应时间上升到几个 ms, 严重影响了热光波 导开关的性能。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于， 提供一种热光移相器， 增加温度 控制器， 降低波导芯层的温度， 从而加快开关的响应时间。
为了解决现有技术中波导芯层温度升高无法迅速降低的技术问题， 本发明 实施例提供了一种热光移相器， 所述热光移相器包括衬底； 设于所述衬底上的 包层； 位于所述包层内的波导芯层； 温度控制器； 以及对所述波导芯层加热的 加热器； 所述温度控制器与所述加热器间隔设置， 并且所述温度控制器设于所 述波导芯层的周缘， 所述温度控制器用于降低所述波导芯层的温度。
其中， 所述加热器的材质为金属薄膜， 且所述加热器位于所述波导芯层的 上方或下方。
其中， 所述加热器的材质为掺杂的波导， 且所述加热器设于所述包层内， 并位于所述波导芯层的一侧或两侧。
另外，本发明实施例还提供了一种热光移相器，所述热光移相器包括衬底； 设于所述衬底上的包层； 位于所述包层内的波导芯层； 以及， 所述热光移相器 还包括温度控制器， 所述温度控制器相对于所述波导芯层设置， 且所述温度控 制器位于所述波导芯层的周缘， 所述温度控制器用于升高所述波导芯层的温度， 以及用于降低所述波导芯层的温度。
其中， 所述温度控制器为半导体制冷器。
其中， 所述半导体制冷器的材质为碲化铋、 碲化铅、 硅锗或碲铋合金。 其中， 所述热光移相器还包括两个第一隔离槽， 所述两个第一隔离槽垂直 于所述衬底设置， 且所述两个第一隔离槽将所述包层分隔成并排设置的三部分， 分别为第一包层， 以及两个位于所述第一包层两侧的第二包层， 所述波导芯层 位于所述第一包层内， 所述温度控制器设于所述第一包层的上方或下方。
其中， 所述热光移相器还包括两个第一隔离槽及至少一个第二隔离槽， 所 述两个第一隔离槽将所述包层分隔成并排设置的三部分， 分别为第一包层， 以 及两个位于所述第一包层两侧的第二包层， 所述波导芯层位于所述第一包层内， 所述温度控制器设于所述第一包层的上方， 所述至少一个第二隔离槽形成于所 述第一包层与所述衬底之间， 所述至少一个第二隔离槽与所述两个第一隔离槽 连通。
其中， 所述第二隔离槽为两个， 所述热光移相器包括牺牲层， 所述牺牲层 形成于所述衬底上， 所述牺牲层由所述两个第二隔离槽分隔成三部分， 且所述 被分隔的三部分分别位于所述第一包层及所述两个第二包层的下方。
其中， 所述第二隔离槽为一个， 所述热光移相器还包括牺牲层， 所述牺牲 层形成于所述衬底上， 牺牲层由所述第二隔离槽分隔成两部分， 且所述被分隔 的两部分分别位于所述第二包层的下方。
其中， 所述衬底的材质为包含石英或硅的玻璃材料， 或掺杂磷、 硼或锗的 玻璃材料。
其中， 所述波导芯层的材质为硅、 氮化硅、 聚合物或半导体材料。
其中， 所述包层由折射率小于所述波导芯层的材料构成。
其中， 所述包层的材质为二氧化硅或聚合物。
其中， 所述牺牲层由腐蚀速率大于所述衬底的材料构成。
其中， 所述牺牲层由导热率小于所述衬底的材料构成。
本发明实施例提供的热光移相器， 通过增加温度控制器， 在波导芯层及包 层温度升高后或温度升高需要降温时， 可以快速降低波导芯层的温度， 从而实 现消除当波导芯层温度升高时周围器件的热串扰， 加快热光移相器的响应时间， 结构简单且性能可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付 出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1是本发明第一实施例提供的热光移相器的示意图；
图 2是本发明第一实施例提供的设有第一隔离槽的热光移相器的示意图； 图 3 是本发明第一实施例提供的设有两个第二隔离槽的热光移相器的示意 图；
图 4是本发明第一实施例提供的设有一个第二隔离槽的热光移相器的示意 图；
图 5是本发明第二实施例提供的热光移相器的示意图；
图 6是本发明第二实施例提供的设有第一隔离槽的热光移相器的示意图； 图 7是本发明第二实施例提供的设有两个第二隔离槽的热光移相器的示意 图；
图 8是本发明第二实施例提供的设有一个第二隔离槽的热光移相器的示意 图；
图 9是本发明第三实施例提供的热光移相器的示意图；
图 10是本发明第三实施例提供的设有第一隔离槽的热光移相器的示意图； 图 11是本发明第三实施例提供的设有两个第二隔离槽的热光移相器的示意 图；
图 12是本发明第三实施例提供的设有两个第二隔离槽的热光移相器的示意 图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的热光移相器， 所述热光移相器包括衬底； 设于所述衬 底上的包层； 位于所述包层内的波导芯层； 温度控制器； 以及对所述波导芯层 加热的加热器； 所述温度控制器相对于所述波导芯层设置， 且所述温度控制器 设于所述包层的上方或下方， 所述温度控制器与所述加热器间隔设置， 所述温 度控制器用于降低所述波导芯层的温度。
本发明实施例提供的热光移相器， 通过增加所述温度控制器， 在所述波导 芯层及包层温度升高后或温度升高需降低时， 可以快速降低所述波导芯层的温 度， 从而消除当所述波导芯层温度升高时周围器件的热串扰， 加快所述热光移 相器的响应时间。
具体实施方式如下：
请参阅图 1 ,为本发明第一实施例的一种热光移相器 ,本发明第一实施例中 , 所述热光移相器 100包括衬底 1 ; 设于所述衬底 1上的包层 2; 位于所述包层 2 内的波导芯层 3 ; 温度控制器 4; 以及对所述波导芯层 3加热的加热器 5; 所述 温度控制器 4与所述加热器 5间隔设置， 并且所述温度控制器 4相对于设于所 述波导芯层 3的周缘， 所述温度控制器 4用于降低所述波导芯层 3的温度。 本 实施例中，所述温度控制器 4是仅具有制冷功能的制冷装置，如普通的制冷器。 当然还可以是具有加热及制冷功能的装置， 如半导体制冷器。 所述加热器 5 的 材质为金属薄膜， 且所述加热器 5位于所述波导芯层 3的上方或下方。
具体的， 所述温度控制器 4设于所述波导芯层 3的上方。 所述加热器 5位 于所述包层 2的上方， 且所述加热器 5与所述温度控制器 4间隔设置。 所述包 层 2设于所述衬底 1上。 所述波导芯层 3收容于所述包层 2内， 且位于所述包 层 2的中心处。 所述衬底 1 的材质为包含石英或硅的玻璃材料， 或掺杂磷、 硼 或锗的玻璃材料。 所述包层 2由折射率小于所述波导芯层 3的材料构成， 如二 氧化硅或聚合物。 本实施例中， 所述包层 2的材质为二氧化硅。 所述波导芯层 3 的材质为硅、 氮化硅、 聚合物或半导体材料。 所述波导芯层 3为条形或脊形。
本发明实施例提供的热光移相器， 通过增加所述温度控制器， 在所述波导 芯层及包层温度升高后或温度升高需降低时， 可以快速降低波导芯层的温度， 从而实现消除当所述波导芯层温度升高时周围器件的热串扰， 加快热光移相器 的响应时间， 且加热器为金属薄膜， 简化了加工工艺， 使得结构简单且性能可 靠。
进一步的， 请参阅图 2, 所述热光移相器 100还包括两个第一隔离槽 6, 所 述两个第一隔离槽 6垂直于所述衬底 1设置， 且所述两个第一隔离槽 6将所述 包层 2分隔成并排设置的三部份； 所述包层 2的三部份分别为位于中间部分的 第一包层 21 , 以及两个位于所述第一包层 21 两侧的第二包层 22。 所述波导芯 层 3位于所述第一包层 21 内， 所述温度控制器 4设于所述第一包层 21的上方 或下方。
具体的， 所述温度控制器 4与所述加热器 5间隔设于所述第一包层 21的上 方。 所述两个第一隔离槽 6分别通过刻蚀所述包层 2形成， 所述两个第一隔离 槽 6用于减少所述波导芯层 3沿水平方向上向外的热传导。
进一步的， 所述热光移相器 100还包括至少一个第二隔离槽（未图示）， 所 述至少一个第二隔离槽形成于所述第一包层 21与所述衬底 1之间， 所述至少一 个第二隔离槽分别与所述两个第一隔离槽 6连通。
请参阅图 3 , 当所述第二隔离槽 7为两个， 所述热光移相器 100包括第一牺 牲层 8, 所述第一牺牲层 8形成于所述衬底 1上， 且由所述两个第二隔离槽 7分 隔为三部分， 进而使得所述被分隔的三部分第一牺牲层 8分别位于所述第一包 层 21及所述两个第二包层 22的下方， 对所述第一包层 21及所述两个第二包层 22起到支撑作用。
具体的， 所述两个第二隔离槽 7的形成方式为： 所述衬底 1上设置第一牺 牲层 8, 所述第一牺牲层 8位于所述衬底 1及所述包层 2之间。 所述两个第二隔 离槽 7通过刻蚀所述第一牺牲层 8形成， 且所述两个第二隔离槽 7与所述两个 第一隔离槽 6连通， 进而将所述第一牺牲层分隔设置成上述的三部分。 所述两 个第二隔离槽 7用于减少所述衬底 1与所述波导芯层 3之间的热传导。 本实施 例中， 所述第一牺牲层 8由腐蚀速率大于所述衬底 1 的材料构成， 并且所述第 一牺牲层 8 由导热率小于所述衬底 1 的材料构成， 从而便于所述第二隔离槽 7 的刻独。
请参阅图 4, 当所述第二隔离槽 7为一个， 所述热光移相器 100还包括第二 牺牲层 9, 所述第二牺牲层 9形成于所述衬底 1上， 所述第二牺牲层 9由所述第 二隔离槽 8分隔为两部分， 且所述被分隔的两部分分别位于所述两个第二包层 22的下方。
具体的， 所述第二隔离槽 7的形成方式为： 在所述衬底 1上设置第二牺牲 层 9, 所述第二牺牲层 9位于所述衬底 1及所述包层 2之间。 所述第二隔离槽 7 通过刻蚀所述第二牺牲层 9形成，且所述第二隔离槽 7与所述两个第一隔离槽 6 连通， 进而将所述第二牺牲层 9 分隔设置成上述的两部分。 所述第二隔离槽 7 用于将所述衬底 1与所述波导芯层 3隔离， 降低所述衬底 1与所述波导芯层 3 之间的热传导。 本实施例中， 所述第二牺牲层 9由腐蚀速率大于所述衬底 1 的 材料构成， 并且所述第二牺牲层 9由导热率小于所述衬底 1 的材料构成， 从而 便于所述第二隔离槽 7的刻蚀。
请参阅图 5 , 为本发明第二实施例提供的热光移相器 200, 本发明的第二实 施例中， 与本发明的第一实施例的热光移相器 100不同之处在于， 所述加热器 10的材质为掺杂的波导， 且所述加热器 10设于所述包层 2内， 并位于所述波导 芯层 3的一侧或两侧。
具体的， 所述加热器 10为两个。 所述两个加热器 10位于所述第一包层 21 内所述波导芯层 3的两侧， 且所述两个加热器 10分别相对所述波导芯层 3对称 设置， 从而减少所述两个加热器 10与所述波导芯层 3的距离， 便于所述两个加 热器 10升高所述波导芯层 3的温度， 提高热光移相器 200的工作效率。 所述温 度控制器 4相对所述波导芯层 3位于所述包层 2上方。
请参阅图 6, 所述热光移相器 200包括两个所述第一隔离槽 6, 所述两个第 一隔离槽 6将所述包层 2分隔成三个部分， 分别为第一包层 21 , 以及两个位于 所述第一包层 21两侧的第二包层 22, 所述两个加热器 10及所述波导芯层均位 于所述第一包层 21内。
请参阅图 7, 为所述热光移相器 200包括两个所述第二隔离槽 7时， 所述两 个第二隔离槽 7形成于所述衬底 1及所述包层 2之间， 且与两个第一隔离槽 6 连通。 所述两个第二隔离槽 7用于减少所述衬底 1与所述波导芯层 3之间的热 传导。
请参阅图 8, 为所述热光移相器 200包括一个所述第二隔离槽 7时， 所述第
二隔离槽 7形成于所述衬底 1及所述包层 2之间， 且与所述两个第一隔离槽 6 连通。
请参阅图 9, 为本发明第三实施例提供的热光移相器 300, 本发明的第三实 施例中， 与本发明第一实施例的热光移相器 100 不同之处在于， 所述温度控制 器 11具有加热及制冷功能， 用于升高所述波导芯层 3的温度， 或降低所述波导 芯层 3的温度，即所述热光移相器 100包括衬底 1 ;设于所述衬底 1上的包层 2; 位于所述包层 2内的波导芯层 3 ; 以及， 所述热光移相器 100还包括温度控制器 11 ,所述温度控制器 11相对所述波导芯层 3设置，且所述温度控制器 11设于所 述波导芯层 3 的周缘， 用于升高所述波导芯层的温度， 或降低所述波导芯层 3 的温度。
具体的， 所述温度控制器 11设于所述包层 2的上方。 所述温度控制器 11 为半导体制冷器， 所述半导体制冷器的材质为碲化铋、 碲化铅、 硅锗或碲铋合 金。 所述温度控制器 11的工作原理如下： 所述温度控制器 11 包括 P型半导体 (未图示）和 N型半导体（未图示）， 且所述 P型半导体及所述 N型半导体通 过电极连接在一起。 当有电流从所述温度控制器 11流过时， 所述电流产生的热 量会从所述温度控制器 11 的一端传到另一端， 从而在所述温度控制器 11 的两 端形成一端加热一端制冷。 通过控制所述电流的方向和大小， 可以改变所述温 度控制器 11的加热和制冷的方向，从而使得所述波导芯层 3的温度升高或降低。 当然， 在其他实施例中， 所述温度控制器 11也可为与加热器一体集成的器件。
请参阅图 10, 本发明实施例三提供的热光移相器 300还包括两个所述第一 隔离槽 6,所述两个第一隔离槽 6用于减少所述波导芯层 3沿水平方向上向外的 热传导。
请一并参阅图 11及图 12 ,分别为本发明实施例三提供的热光移相器 300包 括两个所述第二隔离槽 7及包括一个所述第二隔离槽 7的情况。 所述第二隔离 槽 7均用于减少所述衬底 1与所述波导芯层 3之间的热传导。
本发明实施例三通过增加所述温度控制器 11 ,且所述温度控制器 11为半导 体制冷器， 可实现一端加热一端制冷， 在升高所述波导芯层 3 的温度后， 又能 及时将所述波导芯层 3 的温度降低下来， 从而实现反向调节相位， 消除周围器 件对所述热光移相器 300的影响， 且减少了部件， 从而节省了空间。
最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限
制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员 应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其 中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (15)
1.一种热光移相器， 其特征在于， 所述热光移相器包括衬底；
设于所述衬底上的包层； 位于所述包层内的波导芯层； 温度控制器； 以及 对所述波导芯层加热的加热器； 所述温度控制器与所述加热器间隔设置， 并且 所述温度控制器设于所述波导芯层的周缘， 所述温度控制器用于降低所述波导 芯层的温度。
2. 如权利要求 1所述的热光移相器， 其特征在于， 所述加热器的材质为金 属薄膜， 且所述加热器位于所述波导芯层的上方或下方。
3. 如权利要求 1所述的热光移相器， 其特征在于， 所述加热器的材质为掺 杂的波导，且所述加热器设于所述包层内，并位于所述波导芯层的一侧或两侧。
4.一种热光移相器， 其特征在于， 所述热光移相器包括衬底；
设于所述衬底上的包层； 位于所述包层内的波导芯层； 以及，
所述热光移相器还包括温度控制器， 所述温度控制器相对于所述波导芯层 设置， 且所述温度控制器位于所述波导芯层的周缘， 所述温度控制器用于升高 所述波导芯层的温度， 以及用于降低所述波导芯层的温度。
5. 如权利要求 4所述的热光移相器， 其特征在于， 所述温度控制器为半导 体制冷器。
6如权利要求 5 所述的热光移相器， 其特征在于， 所述半导体制冷器的材 质为碲化铋、 碲化铅、 硅锗或碲铋合金。
7. 如权利要求 1至 6任意一项所述的热光移相器， 其特征在于， 所述热光 移相器还包括两个第一隔离槽， 所述两个第一隔离槽垂直于所述衬底设置， 且 所述两个第一隔离槽将所述包层分隔成并排设置的三部分， 分别为第一包层， 以及两个位于所述第一包层两侧的第二包层， 所述波导芯层位于所述第一包层 内， 所述温度控制器设于所述第一包层的上方或下方。
8. 如权利要求 1至 6所述的热光移相器， 其特征在于， 所述热光移相器还 包括两个第一隔离槽及至少一个第二隔离槽， 所述两个第一隔离槽将所述包层 分隔成并排设置的三部分， 分别为第一包层， 以及两个位于所述第一包层两侧 的第二包层， 所述波导芯层位于所述第一包层内， 所述温度控制器设于所述第 一包层的上方， 所述至少一个第二隔离槽形成于所述第一包层与所述衬底之间，
所述至少一个第二隔离槽与所述两个第一隔离槽连通。
9. 如权利要求 8所述的热光移相器，其特征在于，所述第二隔离槽为两个， 所述热光移相器包括牺牲层， 所述牺牲层形成于所述衬底上， 所述牺牲层由所 述两个第二隔离槽分隔成三部分， 且所述被分隔的三部分分别位于所述第一包 层及所述两个第二包层的下方。
10.如权利要求 8所述的热光移相器，其特征在于，所述第二隔离槽为一个， 所述热光移相器还包括牺牲层， 所述牺牲层形成于所述衬底上， 所述牺牲层由 所述第二隔离槽分隔成两部分， 且所述被分隔的两部分分别位于所述第二包层 的下方。
11. 如权利要求 1至 10任意一项所述的热光移相器， 其特征在于， 所述衬 底的材质为包含石英或硅的玻璃材料， 或掺杂磷、 硼或锗的玻璃材料。
12. 如权利要求 1至 10任意一项所述的热光移相器， 其特征在于， 所述波 导芯层的材质为硅、 氮化硅、 聚合物或半导体材料。
13. 如权利要求 1至 10任意一项所述的热光移相器， 其特征在于， 所述包 层由折射率小于所述波导芯层的材料构成。
14. 如权利要求 1至 10任意一项所述的热光移相器， 其特征在于， 所述包 层的材质为二氧化硅或聚合物。
15. 如权利要求 9或 10所述的热光移相器， 其特征在于， 所述牺牲层由腐 蚀速率大于所述衬底的材料构成。
16. 如权利要求 9或 10所述的热光移相器， 其特征在于， 所述牺牲层由导 热率小于所述衬底的材料构成。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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