CN107608029A - 一种阵列可调光衰减器及其衰减和制作方法 - Google Patents

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徐晓辉
陈辉
张伊
丁丽
周天红
马卫东
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 

Abstract

本发明涉及一种衰减器及其衰减和制作方法，属于光通信领域，具体是涉及一种阵列可调光衰减器及其衰减和制作方法。本发明采用弯曲光波导结构设计，可以减小由输入端漏光形成的杂散光对相邻信道产生的光串扰；并且，在信道之间采用深刻蚀的隔热槽设计，在槽中填充低导热及低膨胀性能的Polymer材料，可以有效的隔离各信道之间的交叉热传导。

Description

一种阵列可调光衰减器及其衰减和制作方法
技术领域
本发明涉及一种衰减器及其衰减和制作方法，属于光通信领域，具体是涉及一种阵列可调光衰减器及其衰减和制作方法。
背景技术
可调光衰减器(Variable Optical Attenuation,VOA)是DWDM(密集波分复用)光通信信号传输系统中不可缺少的器件，它的功能和作用是平衡和调节光信号的幅度，进而实现信号的有效传输和接收。目前可调光衰减器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(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术等。其中，基于热光效应PLC技术制造的马赫曾德干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer,MZI)型VOA具有稳定性好，尺寸小，成本低，易于集成，适合大规模生产等优点，已成为最广泛使用的可调光衰减器之一。
一般基于热光效应PLC技术的MZI型VOA光路结构输入输出光波导多设计成直波导，如图1所示，当制成阵列可调光衰减器时，由于输入端漏光形成的杂散光容易对相邻信道产生光干扰，从而导致器件的光学性能指标变差，如偏振相关损耗大、光串扰大等；另外，基于热光效应的VOA普遍功耗较高，制成阵列结构时，容易影响相邻通道的光衰减，导致热串扰现象。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种阵列可调光衰减器及其制作方法。该衰减器及其衰减和制作方法采用弯曲光波导结构设计，可以减小由输入端漏光形成的杂散光对相邻信道产生的光串扰；并且，在信道之间采用深刻蚀的隔热槽设计，在槽中填充低导热及低膨胀性能的Polymer材料，可以有效的隔离各信道之间的交叉热传导。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种阵列可调光衰减器，包括至少一个信道单元，所述信道单元包括至少两路相互独立的调制光波导以及设置于至少一路调制光波导上的加热电极；与所述调制光波导相连的输入光波导和/或输出光波导具有遮挡漏光以防止漏光与调制光波导耦合的弯曲状部位。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器，各路调制光波导分光于同一输入光波导并汇聚于同一输出光波导。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器，所述的加热电极两端连接有导电功能的电极引线。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器，所述信道单元为若干个，相邻信道单元之间设置有隔热槽。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器，所述隔热槽内填充有导热系数小于0.026W/(m.k)、热膨胀系数小于0.5×10^-6/K的聚合物。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器，所述加热电极的电阻率为50～500nΩ·m；和/或与所述加热电极相连的电极引线的电导率为60～110％IACS。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器，所述加热电极上设置有金属薄膜防氧化保护层。
一种阵列可调光衰减方法，包括：
将光信号从输入弯曲光波导引入衰减器后平均分成至少两个传输光路；
利用输入光波导和/或输出光波导的弯曲状部位遮挡输入光波导和/或输出光波导的漏光以防止漏光与调制光波导耦合；
加热至少一个传输光路以改变该光路的光信号相位；
将各传输光路的光信号叠加以实现光信号的衰减。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器的制作方法，包括：
在衬底上形成二氧化硅下包层，在所述下包层上沉积波导芯层；
在所述波导芯片上刻蚀可调光衰减器阵列光路；
沉积包裹所述波导芯片的二氧化硅上包层，在所述上包层上形成和波导芯层相邻的加热电极层；
其中，刻蚀可调光衰减器阵列光路时，刻蚀具有遮挡漏光以防止漏光与调制光波导耦合的弯曲状部位的输入光波导和/或输出光波导。
优选的，上述的一种阵列可调光衰减器的制作方法，包括：
在各信道之间蚀刻隔热槽，在隔热槽中填充Polymer材料；
和/或
在所述上包层上形成包裹所述加热电极层的金属薄膜防氧化保护层。
因此，本发明具有如下优点：
1.由于输入光波导和输出光波导采用弯曲光波导结构设计，可以减小由输入端漏光形成的杂散光对相邻信道产生的光串扰，从而可以提升器件性能，如偏振相关损耗和光串扰减小等。
2.由于信道之间采用深刻蚀的隔热槽设计，并在槽中填充低导热及低膨胀性能的Polymer材料，可以有效的隔离各信道之间的交叉热传导，从而降低热串扰对光衰减的影响，以达到提升衰减精度的目的。
附图说明
图1是为现有技术中平面光波导MZI型VOA结构示意图；
图2是本发明提供的一种平面光波导MZI型VOA结构示意图；
图3是图2的剖面结构示意图；
图4是本发明提供的一种阵列可调光衰减器结构示意图；
图5是本发明提供的一种阵列可调光衰减器制作流程示意图；
其中：
10：输入直光波导 11：上调制光波导
12：下调制光波导 13：加热电极
14：电极引线 15：输出直光波导
16：输入弯曲光波导 17：输出弯曲光波导
18：上包层 19：波导芯层
20：下包层 21：硅基晶圆衬底
22：金属薄膜防氧化保护层 23：隔热槽。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图4所示，本发明实施例所述的一种阵列可调光衰减器由多个可调光衰减器阵列配置构成。
如图2所示，所述的可调光衰减器的光电结构包括：由输入弯曲光波导16、上调制光波导11、下调制光波导12、输出弯曲光波导17构成具有调节和直通功能的光路结构；由加热电极13和电极引线14组成加热电路。所述的输入弯曲光波导的弯曲角度α为大于0度小于360度的任意角度；所述的输出弯曲光波导的弯曲角度β为大于0度小于360度的任意角度。所述的加热电极设置在上调制光波导上或者下调制光波导上或者上下两个调制光波导上，且所述的加热电极两端连接有导电功能的电极引线。
如图5所示，本发明实施例所述的一种阵列可调光衰减器的制作方法，包括：
步骤S1：采用湿热氧化法，在硅基晶圆衬底上21氧化一层二氧化硅下包层20；
步骤S2：利用化学气相沉积法，在下包层20上沉积波导芯层19；
步骤S3：在波导芯层上19利用反应离子刻蚀技术形成可调光衰减器阵列光路；
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：在各信道之间利用深刻蚀技术蚀刻隔热槽23；
步骤S6：利用旋涂技术(Spin coating)在隔热槽23中填充Polymer材料。
步骤S7：在上包层18上采用金属薄膜沉积工艺形成加热电极层13和加热电极引线层14；
步骤S8：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22；
步骤S9：经高温退火和高压处理后，完成晶圆的加工；
步骤S10：晶圆切割，完成阵列可调光衰减器芯片的制作。
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。
所述的隔热槽23位于两个信道中间区域。
所述的Polymer材料为导热系数小于0.026W/(m.k)及热膨胀系数小于0.5×10^-6/K的聚合物。
所述加热电极13采用电阻率为50～500nΩ·m的金属或合金，所述电极引线14采用电导率为60～110％IACS的金属或合金。
所述加热电极13采用钛、钨、铬、铂之一或者任意组合；所述电极引线14采用金、铜、铝之一或者任意组合。
所述金属薄膜防氧化保护层22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。
本发明实施例所述的可调光衰减器的光路过程如下：光信号从输入弯曲光波导16进入衰减器，然后平均分成上下两路。上调制光波导11为调节支路，其上面镀有加热电极13，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13上加载电压使之发热并将热量传递到上调制光波导芯层19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11的信号经相移调节后与下调制光波导12的光信号在光波导输出端17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。图中隔热槽23的作用是隔离多信道交叉热传导，可以降低热串扰对光衰减的影响，以达到提升衰减精度的目的。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种阵列可调光衰减器，包括至少一个信道单元，所述信道单元包括至少两路相互独立的调制光波导以及设置于至少一路调制光波导上的加热电极；其特征在于，与所述调制光波导相连的输入光波导和/或输出光波导具有遮挡漏光以防止漏光与调制光波导耦合的弯曲状部位。
2.根据权利要求1所述的一种阵列可调光衰减器，其特征在于，各路调制光波导分光于同一输入光波导并汇聚于同一输出光波导。
3.根据权利要求1所述的一种阵列可调光衰减器，其特征在于，所述的加热电极两端连接有导电功能的电极引线。
4.根据权利要求1所述的一种阵列可调光衰减器，其特征在于，所述信道单元为若干个，相邻信道单元之间设置有隔热槽。
5.根据权利要求4所述的一种阵列可调光衰减器，其特征在于，所述隔热槽内填充有导热系数小于0.026W/(m.k)、热膨胀系数小于0.5×10^-6/K的聚合物。
6.根据权利要求1所述的一种阵列可调光衰减器，其特征在于，所述加热电极的电阻率为50～500nΩ·m；和/或与所述加热电极相连的电极引线的电导率为60～110％IACS。
7.根据权利要求1所述的一种阵列可调光衰减器，其特征在于，所述加热电极上设置有金属薄膜防氧化保护层。
8.一种阵列可调光衰减方法，其特征在于，包括：
将光信号从输入弯曲光波导引入衰减器后平均分成至少两个传输光路；
利用输入光波导和/或输出光波导的弯曲状部位遮挡输入光波导和/或输出光波导的漏光以防止漏光与调制光波导耦合；
加热至少一个传输光路以改变该光路的光信号相位；
将各传输光路的光信号叠加以实现光信号的衰减。
9.一种阵列可调光衰减器的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成二氧化硅下包层，在所述下包层上沉积波导芯层；
在所述波导芯片上刻蚀可调光衰减器阵列光路；
沉积包裹所述波导芯片的二氧化硅上包层，在所述上包层上形成和波导芯层相邻的加热电极层；
其中，刻蚀可调光衰减器阵列光路时，刻蚀具有遮挡漏光以防止漏光与调制光波导耦合的弯曲状部位的输入光波导和/或输出光波导。
10.根据权利要求9所述的一种阵列可调光衰减器的制作方法，其特征在于，包括：
在各信道之间蚀刻隔热槽，在隔热槽中填充Polymer材料；
和/或
在所述上包层上形成包裹所述加热电极层的金属薄膜防氧化保护层。
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