CN113625392B - 一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列 - Google Patents

Abstract

一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列，属于光通信。沿光的传播方向，由第I、第II、第III、第IV和第V组2×2光开关单元组成；每个2×2光开关单元由前、后两个耦合区和中间连接的两根长度为L的直波导构成，其中一根直波导作为调制臂，通过改变调制臂的温度使两根直波导间产生温度差，从而使波导内部传输光的相位发生改变。从下至上，是由Si衬底、带有矩形凹槽型结构的SiO₂下包层、填充在矩形凹槽内的SU‑8 2002波导芯层、PMMA上包层组成。该4×4开关阵列可以通过对于不同调制臂的调制实现每个输入端口到每个输出端口的通光，且工作在各状态下的损耗均为0.07dB以下。

Description

一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列，在性能上实现了较好的通光情况和较低的损耗。

背景技术

近年来，电子行业取得了革命性进展，半导体材料、平面微细加工和集成电路设计领域的突破起到了关键作用，这使得大规模、低成本的集成电路成为可能。然而在信号传输和开关速度上，电子领域存在瓶颈，尤其是通信带宽方面。为了解决这些问题，以光电子应用为基础的技术成为突破瓶颈的方法。光电子器件相对于电子器件更为小型和轻便，在通信领域具有更高的带宽和很低的传输损耗、抗电磁干扰和串扰，并可同时传输不同波长的信号，以满足高的带宽需要。

在光纤通信系统中，各种大容量、高速度、低损耗、高可靠性的光电子器件被广泛地应用。其中，平面光波导型的器件正越来越被重视，并成为近年来新的研究热点。基于热光效应的波导光开关和可变光衰减器也正在从实验室走向实际应用，这两种器件也是光插分复用器和光交叉连接器的核心元件，在光纤网络中能够实现波分复用/解复用、自动保护倒换、光功率均衡、在线监测等功能。光波导型热光器件由于具有尺寸小、结构紧凑、易与其它波导器件集成等优点，而引起了科研工作者极大的兴趣。波导型热光器件的指标如插入损耗、串扰、热光开关的开关响应时间和可变光衰减器的最大衰减量等特性参数也能够满足实际应用领域的要求，因而受到国内外研究者的广泛关注。

建立在平面光波导技术之上的器件，具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好以及易于与其它器件集成等优点。目前，平面光波导集成光学元件已在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。平面光波导器件大致上可以分为无源器件和有源器件两类：无源器件是指通过特定的器件结构控制光波在器件中的传输行为，并产生符合要求的输出光波或反射光波的器件；而有源器件则是指通过异质结构、量子阱以及掺杂等实现光信号的产生、放大以及接收等等。随着光网络技术的不断发展，对光电子集成技术提出了更高的要求。如多波长工作系统需要工作于不同波长的阵列激光器，光交换单元需要大规模的光开关阵列，密集波分复用/解复用器、可调谐滤波器、调制器等关键部件都依赖于集成光学技术的发展。实际上，基于微电子技术的集成电路已经发展的比较成熟，并已经实用化。所以，光电子集成的发展主要沿着光集成的方向在发展，与此同时也促进了平面光波导分立器件和集成器件的发展和进步。

平面光波导器件具有小型化、结构紧凑和易于集成的优点，在光纤接入网和光纤到户等短距离通信系统中具有重要价值。在此基础上，有机聚合物材料和无机二氧化硅材料混合集成的光波导器件既可以发挥无机材料低损耗的优点，又可以利用有机材料热光系数、电光系数大的优点，将两者结合起来设计与制备的平面光波导器件，将在平面光子集成中具有重要的应用前景。

发明内容

本发明的意义在于克服现有技术的不足，提出了一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列。

本发明将二氧化硅材料性质稳定、低损耗的优点与聚合物材料热光效应显著、折射率易于调整的优点相结合，制备了一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列。本发明将二氧化硅光波导器件与聚合物光波导器件的结构混合集成，并对器件的关键尺寸进行优化，利用RSoft(业内公知公用的光学仿真软件)进行模拟，分别得到了本发明所述的4×4光开关阵列在不同工作状态下的光场分布，仿真结果显示附加损耗仅有～0.07dB。

一、一种有机无机混合集成的矩形波导结构：

为了实现有机无机混合集成，使用无机材料SiO₂作为下包层，聚合物材料SU-82002作为波导芯层，聚合物材料PMMA作为上包层，三者的折射率分别为1.4448、1.571和1.483。

该矩形波导结构的横截面示意图如附图1所示，通过在矩形凹槽型结构内填充聚合物芯层材料实现矩形波导结构。在选定器件材料后，对Si衬底上的SiO₂进行刻蚀得到具有矩形凹槽型结构的器件(矩形凹槽型结构为在SiO₂上刻蚀，俯视图为矩形形状的槽型结构，该槽型结构在每个位置的横截面都为相同尺寸的矩形)，并将芯层材料SU-8 2002填充至矩形凹槽内，在矩形凹槽型结构中形成矩形波导芯层；随后在波导芯层顶部及未被刻蚀的SiO₂下包层共同所处的平面上填充PMMA上包层，从而得到具备“下包层、芯层和上包层”的有机无机混合集成的矩形波导结构。

所设计的有机无机混合集成的光波导器件的中心波长λ为1550nm，下面设计波导芯层的尺寸。首先给出矩形波导芯层的

模的特征方程：

其中，

式中，a和b分别是矩形波导芯层的宽度和厚度(设定a＝b，两者为变量)，p和q分别是模式的阶数(两者为变量)，λ为中心波长(取值为1.55)，n₁和n₂分别为芯层的折射率和上包层的折射率(分别取值为1.571和1.483)。波矢

(通过计算，取值为4.053668)，其中，k_x和k_y分别为矩形波导在x方向和y方向上的传播常数(通过计算，均取值为0.327938)，q_x和q_y分别为矩形波导在x方向和y方向上的衰减常数(通过计算，均取值为1.348087)，k_c和n_c为矩形波导

模的传播常数和有效折射率(两者为变量)，k_s和n_s为平板波导的传播常数和有效折射率(两者为变量)，n_g为群折射率(n_g为变量)。

如附图2所示，计算了波导有效折射率n_c、n_s和波导芯层厚度b的关系。在满足单模条件的基础上，考虑到工艺容差，选择a＝b＝2.5μm，此时的光场分布情况如附图3所示，得到矩形波导芯层的有效折射率n_c为1.537。

二、一种基于有机无机混合集成的2×2光开关单元：

所设计的2×2光开关单元的结构示意图如附图4所示，沿光的传播方向，该单元由前、后两个耦合区和中间连接的两根长度为L的直波导构成。每个耦合区的结构示意图如附图5所示，由2个前S弯耦合器、2个直波导耦合器和2个后S弯耦合器级联后构成，2个前S弯耦合器、2个直波导耦合器和2个后S弯耦合器为双波导对称结构；2个前S弯耦合器的输入端口作为2×2光开关单元的输入端口Input1、Input2，2个后S弯耦合器的输出端口作为2×2光开关单元的输出端口Output1和Output2；两根长度为L的直波导分别连接在2个前S弯耦合器的输出端和2个后S弯耦合器的输入端之间，其中一根直波导作为调制臂，通过改变调制臂的温度使两根直波导间产生温度差，从而使波导内部传输光的相位发生改变，实现开关功能；每个S弯耦合器由两个完全相同且中心对称的圆弧组成，拼接在一起呈“S弯”形状。

其中，Gap为2个直波导耦合器的间距，Length为直波导耦合器的长度，Width为两个S弯耦合器端口处的间距，θ为S弯耦合器的S弯结构对应圆弧的圆心角度数，R为S弯耦合器的S弯结构对应圆弧的所在圆半径。

首先，对开关中耦合区的参数进行设计。由于整个器件都是基于上述有机无机混合集成的矩形波导结构，因此器件中所有部分的宽度和厚度都为2.5μm(分别对应矩形波导芯层的宽度和厚度)。为了使器件更加紧凑，我们选择直波导耦合器的间距Gap为1.5μm。进行S弯耦合器设计时，将两输入端口纤芯距设置为50μm，此时Width为47.5μm，即用纤芯距(50μm)与波导芯层宽度(2.5μm)做差的结果。如附图5所示，θ、R、Width和gap之间为以下的几何关系：

为了保证器件紧凑，同时确保弯曲损耗最低，我们设定R为21550μm，此时θ约为1.872度。

在确定了Gap、Width与R的取值后，还需讨论直波导耦合器的长度Length的取值，目的是使光信号通过直波导耦合器后均以接近50％的功率输入到下一组S弯耦合器中。在RSoft仿真软件中，对直波导耦合器的长度Length从500μm到600μm分别进行扫描仿真，结果显示当Length设为551μm时，从两个直波导耦合器输出的光强均为50％左右，光信号通过直波导耦合器后的输出功率与直波导耦合器的长度Length之间的关系如附图6所示。

将前、后两个耦合区通过两根长度为L的直波导进行级联，形成2×2光开关结构，设定长度L为3000μm，将该光开关的具体参数总结在附表1。

表1：有机无机混合集成2×2光开关的设计参数

公式5给出π相位变化与两根长度为L的直波导温度差的关系：

通过改变调制臂的温度，使两根长度为L的直波导之间产生温度差，ΔT为该两根直波导之间的温度差，α为波导芯层热光系数。我们采用SU-8 2002为波导芯层，波导芯层热光系数α取值为1.84×10^-4K^-1，其中K为温度单位(开尔文)，λ为上述的中心波长(取值为1.55)，在软件中进行扫描得到附图7，即两个输出端口Output1和Output2输出光场强度与ΔT的关系，仿真结果显示，当ΔT为1.6K时，最大程度上实现了开关的状态改变。

使用RSoft仿真软件对不同工作状态下的开关进行了光场传输的模拟，仿真结果分别如图8(a)和(b)所示。当不进行调制时(即两根直波导间没有温度差)，考虑到输入光通过耦合区沿当前波导输出和耦合到另一根波导输出相比存在π/2的相位滞后，在输出端口Output1，来自输入端口Input1的光经过两个耦合区累积相位差为π，从而满足相干相消条件，输出光被大大削弱甚至关断；而在输出端口Output2，光的相位和来自输入端口Input1的光保持同步，从而发生相干相长现象，因此，耦合进入输入端口Input1的光通过该光开关单元会在输出端口Output2输出，即工作在Cross状态(如附图8(a)所示)；当进行调制时(在调制电极上施加电压)，将会导致波导芯层的折射率发生变化，从而改变了光的传播光程并引入相位差，调节两根长度为L的直波导温度差ΔT为1.6K时，使之形成π相移，那么在输出端口Output1和输出端口Output2的相位关系随之发生反转，信号此消彼长，耦合进入输入端口Input1的光通过该光开关单元会在输出端口Output1输出，即工作在Bar状态(如附图8(b)所示)。从而通过进行调制，实现了从Cross状态到Bar状态的转变，该开关单元在Cross状态和Bar状态下的损耗分别为0.0230dB和0.0228dB。该结构具备了光开关的基本功能，即完成了有机无机混合集成的2×2开关单元的结构设计与软件仿真。

三、一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列：

将5组上述2×2光开关单元进行级联，形成4×4光开关阵列结构，如附图9所示。所设计的4×4光开关阵列结构，沿光的传播方向，由第I组2×2光开关单元、第II组2×2光开关单元、第III组2×2光开关单元、第IV组2×2光开关单元和第V组2×2光开关单元组成；其中，第I组2×2光开关单元的一个输出端接第III组2×2光开关单元的一个输入端，第I组2×2光开关单元的另一个输出端接第V组2×2光开关单元的一个输入端；第II组2×2光开关单元的一个输出端接第V组2×2光开关单元的另一个输入端，第II组2×2光开关单元的另一个输出端接第IV组2×2光开关单元的一个输入端；第V组2×2光开关单元的一个输出端接第III组2×2光开关单元的另一个输入端，第V组2×2光开关单元的另一个输出端接第IV组2×2光开关单元的另一个输入端。第I组2×2光开关单元和第II组2×2光开关单元的输入端分别作为4×4光开关阵列的4个输入端口(I1、I2、I3和I4)，第III组2×2光开关单元和第IV组2×2光开关单元的输出端分别作为4×4光开关阵列的4个输出端口(O1、O2、O3和O4)；第I组2×2光开关单元、第II组2×2光开关单元、第III组2×2光开关单元、第IV组2×2光开关单元的调制臂分别作为4×4光开关阵列的4个调制臂(1、2、3、4)。该4×4光开关阵列的输入-输出状态与对应所需进行调制的调制臂的逻辑关系如表2所示，针对每个调制臂施加电压的功率为8.714mW(在4×4光开关阵列的每一组2×2光开关单元中，两根长度为L的直波导之间温度差为上文得出的1.6K)。

表2：4×4光开关阵列的输入-输出状态与对应所需施加调制的调制臂的逻辑关系

使用RSoft仿真软件，对4×4光开关阵列工作在16个工作状态下的光场传输进行模拟，16个工作状态下的仿真结果如附图10所示。仿真结果表明，该4×4开关阵列可以通过对于不同调制臂的调制实现每个输入端口到每个输出端口的通光，且工作在各状态下的损耗均为0.07dB以下。综上所述，即完成了有机无机混合集成的4×4开关阵列的结构设计与软件仿真。

与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的有机无机混合集成结构可归纳出三个优点，从还原设计方面考虑，该结构只需刻蚀下包层、填充芯层，能够尽量保证槽壁陡直，并与仿真中理想的矩形结构基本匹配，可以实现一个更好的波导形貌，克服了传统湿法刻蚀导致波导芯层形貌不平整、不均匀的缺点；从光学性能方面考虑，该结构使波导芯层和上下包层紧密贴合，很大程度上抑制了传统结构中因贴合不紧密导致光在芯层与包层间的泄漏情况，从而有效地降低了插入损耗，得到了更好的光学性能；从工艺复杂程度方面考虑，该结构能够仅通过改变旋涂转速和次数控制芯层厚度，省去了显影与刻蚀的步骤，同时降低了工艺复杂程度与工艺成本。

本发明的以及无机混合集成2×2光开关单元和4×4光开关阵列分别具有约99.5％和98.5％的通光率以及低于0.023dB和0.06dB的损耗，与现有器件相比，具备更好的通光情况和更低的损耗。

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。

附图1为本发明的矩形波导结构(有机无机混合集成结构)的横截面示意图；

附图2为波导有效折射率ns，nc随波导芯层厚度b的变化关系示意图；

附图3为本发明的矩形波导结构(有机无机混合集成结构)的光场分布图；

附图4为所设计的2×2光开关单元的结构示意图；

附图5为所设计的2×2光开关单元每个耦合区的结构示意图；

附图6为光信号通过直波导耦合器后的输出功率与直波导耦合器的长度Length之间的关系；

附图7为2×2光开关单元的两个输出端口Output1和Output2输出光场强度与ΔT之间的关系；

附图8(a)和(b)分别为所设计的2×2光开关单元分别工作在Cross状态和Bar状态下的光场传输仿真结果；

附图9为有机无机混合集成4×4光开关阵列的结构示意图；

附图10为有机无机混合集成4×4光开关阵列在16个工作状态下的光场传输仿真结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，下面描述的实施例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做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。

实施例1：

在Si衬底上进行热氧化，生长一层厚度为5μm的SiO₂作为下包层；

对SiO₂下包层进行ICP刻蚀，在上面刻出俯视图为所设计的4×4光开关阵列器件、刻蚀宽度和刻蚀深度均为2.5μm的凹槽型结构(4×4光开关阵列的结构即为附图9所示的“通过5组上述设计的2×2开关单元级联”形成的结构，可由河南仕佳光子科技有限公司代工)；

在凹槽型结构上旋涂波导芯层材料SU-8 2002，旋涂转速为5000r/min，将深度为2.5μm的凹槽型结构填满后，芯层材料将会在芯层顶部与未被刻蚀的SiO₂下包层共同所处的平面上溢出厚度为2.0μm左右的一层；

旋涂芯层后分别进行60℃/10min和90℃/20min的前烘；待器件冷却至室温后，使用IBM光刻机进行时间为7s的曝光固化；曝光完成后，分别进行65℃/10min和95℃/20min的后烘；

待器件冷却至室温后，对器件进行ICP刻蚀，具体实验参数：分别通入浓度为20sccm的Ar与浓度为30sccm的氧气、上下电极功率分别为500w和200w、抽真空时间为25s、刻蚀时间为65s，此时的刻蚀深度为2.0μm。该ICP刻蚀步骤不需要掩膜版，能有效地将芯层材料溢出凹槽型结构的一层清除；

在器件上旋涂厚度为2.5μm的上包层材料PMMA，旋涂转速为4000r/min；最后在上包层材料上镀一层用来进行热光调制的铝电极，铝电极分布在4×4光开关阵列中每个2×2开关单元的调制臂区域的正上方，每个铝电极的形状均为相同的矩形，矩形的长度为3000μm(与L保持一致)，宽度为5μm。

Claims (2)

1.一种基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列，其特征在于：沿光的传播方法，是由第I组2×2光开关单元、第II组2×2光开关单元、第III组2×2光开关单元、第IV组2×2光开关单元和第V组2×2光开关单元组成；其中，第I组2×2光开关单元的一个输出端接第III组2×2光开关单元的一个输入端，第I组2×2光开关单元的另一个输出端接第V组2×2光开关单元的一个输入端；第II组2×2光开关单元的一个输出端接第V组2×2光开关单元的另一个输入端，第II组2×2光开关单元的另一个输出端接第IV组2×2光开关单元的一个输入端；第V组2×2光开关单元的一个输出端接第III组2×2光开关单元的另一个输入端，第V组2×2光开关单元的另一个输出端接第IV组2×2光开关单元的另一个输入端；第I组2×2光开关单元和第II组2×2光开关单元的输入端分别作为4×4光开关阵列的4个输入端口(I1、I2、I3和I4)，第III组2×2光开关单元和第IV组2×2光开关单元的输出端分别作为4×4光开关阵列的4个输出端口(O1、O2、O3和O4)；第I组2×2光开关单元、第II组2×2光开关单元、第III组2×2光开关单元、第IV组2×2光开关单元的调制臂分别作为4×4光开关阵列的4个调制臂(1、2、3、4)；从下至上，是由Si衬底、带有矩形凹槽型结构的SiO₂下包层、填充在矩形凹槽内的SU-8 2002波导芯层、在波导芯层顶部及SiO₂下包层共同所处的平面上填充的PMMA上包层组成；

沿光的传播方向，2×2光开关单元是由前、后两个耦合区和中间连接的两根长度为L的直波导构成；每个耦合区的结构由2个前S弯耦合器、2个直波导耦合器和2个后S弯耦合器级联后构成，2个前S弯耦合器、2个直波导耦合器和2个后S弯耦合器为双波导对称结构；2个前S弯耦合器的输入端口作为2×2光开关单元的输入端口Input1、Input2，2个后S弯耦合器的输出端口作为2×2光开关单元的输出端口Output1和Output2；两根长度为L的直波导分别连接在2个前S弯耦合器的输出端和2个后S弯耦合器的输入端之间，其中一根直波导作为调制臂，通过改变调制臂的温度使两根直波导间产生温度差，从而使波导内部传输光的相位发生改变，实现开关功能；每个S弯耦合器由两个完全相同且中心对称的圆弧组成，拼接在一起呈“S弯”形状；

Gap为2个直波导耦合器的间距，Length为直波导耦合器的长度，Width为两个S弯耦合器端口处的间距，θ为S弯耦合器的S弯结构对应圆弧的圆心角度数，R为S弯耦合器的S弯结构对应圆弧的所在圆半径；θ、R、Width和gap之间为以下的几何关系为：

2.如权利要求1所述的基于有机无机混合集成的4×4光开关阵列，其特征在于：Gap为1.5μm，Width为47.5μm，R为21550μm，Length为551μm，L为3000μm，波导芯层的宽度和厚度均为2.5μm，波导芯层的有效折射率n_c为1.537，两根直波导间的温度差ΔT为1.6K时实现开关的状态改变。

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