CN107065074A - 一种单片集成的可调光功率解复用器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单片集成的可调光功率解复用器及制作方法，属于光通信技术领域。所述单片集成的可调光功率解复用器，包括：在同一块衬底材料上集成的阵列波导光栅解复用器和基于马赫曾德尔干涉原理的可调光衰减器阵列，所述阵列波导光栅解复用器通过阵列波导与可调光衰减器阵列连接。本发明具有成本低、可靠性高、体积小等优点。

Description

一种单片集成的可调光功率解复用器及制作方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种单片集成的可调光功率解复用器及制作方法。
背景技术
多波长光信号传输常用于长距离的骨干网中，以实现高速大容量的光通信。多波长光通信的密集波分复用（DWDM）系统中，光学解复用器一直扮演者重要的角色。在通信系统的节点处，需要光学解复用器将多波信号分解成单个单一波长的信号光。光在长距离传输的过程中产生的光学损耗一般由EDFA来弥补，然而EDFA本身所固有的增益不平坦特性，使得我们从解复用器下载下来的各个波长的信号光功率参差不齐。
目前常规的可调波分复用器中，包含了光功率可调的复用/解复用器，主要是将多波复用/解复用器和可调光衰减器阵列，通过尾纤对尾纤的熔接并加以电路上的控制实现的。该类光功率可调的复用/解复用器，一般由两个器件（复用器，光衰减器阵列）组成。分立器件组装成的光功率可调的复用/解复用器比起单片集成的器件，往往存在高制作成本、低可靠性、体积庞大等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种单片集成的可调光功率解复用器及制作方法，本发明具有成本低、可靠性高、体积小等优点。
本发明采用的技术方案是：
一种单片集成的可调光功率解复用器，包括：在同一块衬底材料上集成的阵列波导光栅解复用器和基于马赫曾德尔干涉原理的可调光衰减器阵列，所述阵列波导光栅解复用器通过阵列波导与可调光衰减器阵列连接。
其中，所述阵列波导光栅解复用器，依次包括AWG输入波导、AWG输入星形耦合器、AWG阵列波导、AWG输出星形耦合器、AWG输出阵列波导输出，完成解复用功能；其中，AWG输入波导与AWG输入星形耦合器连接，AWG输入星形耦合器通过AWG阵列波导与AWG输出星形耦合器连接，AWG输出星形耦合器与AWG输出阵列波导连接。
其中，所述可调光衰减器阵列，包含有多个可调光衰减器，每个所述可调光衰减器分为上下两路光波导，以及与上下两路光波导两端连接的VOA输入波导、VOA输出波导，其中一路光波导镀有加热电极，且所述加热电极还连接有加热电极引线。
一种如上述所述的单片集成的可调光功率解复用器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S1、采用湿热氧化法，在硅基晶圆衬底上氧化一层二氧化硅下包层15；
步骤S2、利用化学气相沉积法，在下包层上沉积波导芯层；
步骤S3、在波导芯层上利用反应离子刻蚀技术形成阵列波导光栅解复用器光路和可调光衰减器阵列光路，所述阵列波导光栅解复用器光路通过阵列波导与可调光衰减器阵列光路连接；
步骤S4、利用化学气相沉积法沉积一层二氧化硅上包层；
步骤S5、在上包层上采用金属薄膜溅射工艺形成加热电极层和加热电极引线层；
步骤S6、采用等离子体化学气相沉积工艺形成金属薄膜防氧化保护层；
步骤S7、经高温退火和高压处理后，完成晶圆的加工；
步骤S8、晶圆切割，完成可调光功率解复用器芯片的制作。
所述阵列波导光栅解复用器光路，依次包括AWG输入波导、AWG输入星形耦合器、AWG阵列波导、AWG输出星形耦合器、AWG输出阵列波导输出，完成解复用功能；其中，AWG输入波导与AWG输入星形耦合器连接，AWG输入星形耦合器通过AWG阵列波导与AWG输出星形耦合器连接，AWG输出星形耦合器与AWG输出阵列波导连接。
其中，所述可调光衰减器阵列光路，包含有多个可调光衰减器，每个所述可调光衰减器分为上下两路光波导，以及与上下两路光波导两端连接的VOA输入波导、VOA输出波导。
其中，所述波导芯层二氧化硅材料的折射率略大于下包层和上包层二氧化硅材料的折射率，所述上包层和下包层的厚度是波导芯层的厚度3至5倍，以保证光信号高效率地在波导芯层中传输。
其中，所述加热电极层采用电阻率较高的钨、铬或铂。
其中，所述加热电极引线层采用电导率较高的铜、金或铝。
其中，所述金属薄膜防氧化保护层的材料是氮化硅，以保护加热电极层和加热电极引线层，防止氧化。
有益效果：
本发明提供一种单片集成的可调光功率解复用器结构，其中包括在同一块衬底材料上集成阵列波导光栅解复用器和基于马赫曾德尔干涉原理的可调光衰减器阵列。多波信号从输入端进入后，不同波长的光阵列波导光栅解复用进入对应的可调光衰减器阵列。通过给可调光衰减器阵列的加热电极加热，使得两根波导内的传输光产生一定相位差，在输出端形成不同程度的光衰减，实现光功率可调的目的。本发明具有成本低、可靠性高、体积小等优点。
附图说明
图1 是本发明提供的一种单片集成的可调光功率解复用器结构示意图。
图2 是阵列波导光栅解复用器结构图。
图3 是可调光衰减器阵列结构示意图。
图4 是可调光衰减器阵列剖面结构图。
图5是本发明提供的一种单片集成的可调光功率解复用器制作流程示意图。
其中：
2：阵列波导 3：阵列波导光栅解复用器
4：可调光衰减器阵列 5：AWG输入波导
6：AWG输入星形耦合器 7：AWG阵列波导
8：AWG输出星形耦合器 9：AWG输出波导阵列
10：VOA输入波导 11：VOA输出波导
12：加热电极 13：加热电极引线
14：硅基晶圆衬底 15：下包层
16：波导芯层 17：加热电极层
18：上包层 19：加热电极引线层
20：金属薄膜防氧化保护层。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明中进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例所述的一种单片集成的可调光功率解复用器，其特征在于，包括：在同一块衬底材料上集成的阵列波导光栅解复用器3和基于马赫曾德尔干涉原理的可调光衰减器阵列4，所述阵列波导光栅解复用器3通过阵列波导2与可调光衰减器阵列4连接。
如图2所示，所述阵列波导光栅解复用器3，依次包括AWG输入波导5、AWG输入星形耦合器6、AWG阵列波导7、AWG输出星形耦合器8、AWG输出阵列波导9输出，完成解复用功能；其中，AWG输入波导5与AWG输入星形耦合器6连接，AWG输入星形耦合器6通过AWG阵列波导7与AWG输出星形耦合器8连接，AWG输出星形耦合器8与AWG输出阵列波导9连接。
阵列波导光栅解复用器3的工作原理是：当含有多个波长的光信号由AWG输入波导5进入AWG输入星形耦合器6时，由于不存在光学的横向限制，光在AWG输入星形耦合器6衍射。在AWG输入星形耦合器6的末端衍射场耦合进入AWG阵列波导7并传输。由于相邻阵列波导存在长度差，因此到达AWG输出星形耦合器8阵列波导中不同的光波信号产生不同的相位差，最后聚焦在AWG输出星形耦合器8不同的位置，由AWG输出阵列波导9输出，完成解复用功能。
如图3、4所示，所述可调光衰减器阵列4，包含有多个可调光衰减器，每个所述可调光衰减器分为上下两路光波导，以及与上下两路光波导两端连接的VOA输入波导10、VOA输出波导11，其中一路光波导镀有加热电极12，且所述加热电极12还连接有加热电极引线13。
与阵列波导光栅解复用器3不同，可调光衰减器阵列4的各单元结构和波长不相关。可调光衰减器阵列4的光路过程如下：光信号从VOA输入波导10进入可调光衰减器，然后平均分成上下两路调制光波导。上调制光波导为调节支路，其上面镀有加热电极12，利用二氧化硅的热光效应，通过改变波导材料的温度来改变材料的折射率，根据需要在加热电极12上加载电压使之发热并将热量传递到上调制光波导实现温度调节，使光信号的相位发生变化，这样上调制光波导的信号经相移调节后与下调制光波导的光信号在VOA输出波导11干涉，两个原先相位和幅值相同的信号经过调节后变为两个幅值仍然相等但相位不同的信号，叠加后将改变原先信号的强度从而实现光信号的衰减。
实施例2
需要说明的是，上述实施例1是结构实施例，本实施例2是方法实施例，本实施例2与上述实施例1属于同一技术构思，在本实施例中未详尽描述的内容，请参见实施例1。
如图5所示，本发明实施例所述的一种单片集成的可调光功率解复用器的制作方法，包括：
步骤S1、采用湿热氧化法，在硅基晶圆衬底14上氧化一层二氧化硅下包层15；
步骤S2、利用化学气相沉积法，在下包层15上沉积波导芯层16；
步骤S3、在波导芯层16上利用反应离子刻蚀技术形成所设计的平面波导光路，平面波导光路包括阵列波导光栅解复用器3光路和可调光衰减器阵列4光路，所述阵列波导光栅解复用器3光路通过阵列波导2与可调光衰减器阵列4光路连接；
需要说明的是，所述阵列波导2是基于波导芯层16利用反应离子刻蚀技术形成的。
步骤S4、利用化学气相沉积法沉积一层二氧化硅上包层18；
步骤S5、在上包层18上采用金属薄膜溅射工艺形成加热电极层17和加热电极引线层19；
步骤S6、采用等离子体化学气相沉积工艺形成金属薄膜防氧化保护层20；
步骤S7、经高温退火和高压处理后，完成晶圆的加工；
步骤S8、晶圆切割，完成可调光功率解复用器芯片的制作。
在本实施例中，所述阵列波导光栅解复用器3光路，依次包括AWG输入波导5、AWG输入星形耦合器6、AWG阵列波导7、AWG输出星形耦合器8、AWG输出阵列波导9输出，完成解复用功能；其中，AWG输入波导5与AWG输入星形耦合器6连接，AWG输入星形耦合器6通过AWG阵列波导7与AWG输出星形耦合器8连接，AWG输出星形耦合器8与AWG输出阵列波导9连接。
在本实施例中，所述可调光衰减器阵列4光路，包含有多个可调光衰减器，每个所述可调光衰减器分为上下两路光波导，以及与上下两路光波导两端连接的VOA输入波导10、VOA输出波导11。进一步的，通过所述步骤S5、在上包层18上采用金属薄膜溅射工艺形成加热电极层17和加热电极引线层19，最终形成实施例1所述的可调光衰减器阵列4结构。
所述波导芯层16二氧化硅材料的折射率略大于下包层15和上包层18二氧化硅材料的折射率。
所述上包层15和下包层18的厚度是波导芯层16的厚度3至5倍，以保证光信号高效率地在波导芯层16中传输。
所述加热电极层17采用电阻率较高的钨、铬或铂等电极金属材料。
所述加热电极引线层19采用电导率较高的铜、金或铝等金属电导材料。
所述金属薄膜防氧化保护层20的材料是氮化硅，以保护加热电极层17和加热电极引线层19，防止氧化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单片集成的可调光功率解复用器，其特征在于，包括：在同一块衬底材料上集成的阵列波导光栅解复用器（3）和基于马赫曾德尔干涉原理的可调光衰减器阵列（4），所述阵列波导光栅解复用器（3）通过阵列波导（2）与可调光衰减器阵列（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种单片集成的可调光功率解复用器，其特征在于，所述阵列波导光栅解复用器（3），依次包括AWG输入波导（5）、AWG输入星形耦合器（6）、AWG阵列波导（7）、AWG输出星形耦合器（8）、AWG输出阵列波导（9）输出，完成解复用功能；其中，AWG输入波导（5）与AWG输入星形耦合器（6）连接，AWG输入星形耦合器（6）通过AWG阵列波导（7）与AWG输出星形耦合器（8）连接，AWG输出星形耦合器（8）与AWG输出阵列波导（9）连接。
3.根据权利要求2所述的一种单片集成的可调光功率解复用器，其特征在于，所述可调光衰减器阵列（4），包含有多个可调光衰减器，每个所述可调光衰减器分为上下两路光波导，以及与上下两路光波导两端连接的VOA输入波导（10）、VOA输出波导（11），其中一路光波导镀有加热电极（12），且所述加热电极（12）还连接有加热电极引线（13）。
4.一种单片集成的可调光功率解复用器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S1、采用湿热氧化法，在硅基晶圆衬底（14）上氧化一层二氧化硅下包层（15）；
步骤S2、利用化学气相沉积法，在下包层（15）上沉积波导芯层（16）；
步骤S3、在波导芯层（16）上利用反应离子刻蚀技术形成阵列波导光栅解复用器（3）光路和可调光衰减器阵列（4）光路，所述阵列波导光栅解复用器（3）光路通过阵列波导（2）与可调光衰减器阵列（4）光路连接；
步骤S4、利用化学气相沉积法沉积一层二氧化硅上包层（18）；
步骤S5、在上包层（18）上采用金属薄膜溅射工艺形成加热电极层（17）和加热电极引线层（19）；
步骤S6、采用等离子体化学气相沉积工艺形成金属薄膜防氧化保护层（20）；
步骤S7、经高温退火和高压处理后，完成晶圆的加工；
步骤S8、晶圆切割，完成可调光功率解复用器芯片的制作。
5.根据权利要求4所述的一种单片集成的可调光功率解复用器制作方法，其特征在于，所述阵列波导光栅解复用器（3）光路，依次包括AWG输入波导（5）、AWG输入星形耦合器（6）、AWG阵列波导（7）、AWG输出星形耦合器（8）、AWG输出阵列波导（9）输出，完成解复用功能；其中，AWG输入波导（5）与AWG输入星形耦合器（6）连接，AWG输入星形耦合器（6）通过AWG阵列波导（7）与AWG输出星形耦合器（8）连接，AWG输出星形耦合器（8）与AWG输出阵列波导（9）连接。
6.根据权利要求4所述的一种单片集成的可调光功率解复用器制作方法，其特征在于，所述可调光衰减器阵列（4）光路，包含有多个可调光衰减器，每个所述可调光衰减器分为上下两路光波导，以及与上下两路光波导两端连接的VOA输入波导（10）、VOA输出波导（11）。
7.根据权利要求4所述的一种单片集成的可调光功率解复用器制作方法，其特征在于，所述波导芯层（16）二氧化硅材料的折射率略大于下包层（15）和上包层（18）二氧化硅材料的折射率；
所述上包层（15）和下包层（18）的厚度是波导芯层（16）的厚度3至5倍，以保证光信号高效率地在波导芯层（16）中传输。
8.根据权利要求4所述的一种单片集成的可调光功率解复用器制作方法，其特征在于，所述加热电极层（17）采用电阻率较高的钨、铬或铂。
9.根据权利要求4所述的一种单片集成的可调光功率解复用器制作方法，其特征在于，所述加热电极引线层（19）采用电导率较高的铜、金或铝。
10.根据权利要求4所述的一种单片集成的可调光功率解复用器制作方法，其特征在于，所述金属薄膜防氧化保护层（20）的材料是氮化硅，以保护加热电极层（17）和加热电极引线层（19），防止氧化。
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