CN1713008A - 可调变平面光波导光学衰减器及其生产方法 - Google Patents

Abstract

可调变平面光波导光学衰减器及其生产方法，是一种用半导体器件生产工艺设备在平面芯片上制造一个或大量光学器件的技术平台。按照本发明所提供的设计方案，在硅衬底上有二氧化硅下包层，在二氧化硅下包层上形成核心波导及覆盖住核心波导的二氧化硅上包层，并在核心波导与二氧化硅上包层间设置侧沟槽，在侧沟槽内充满光热材料，在核心波导上面的二氧化硅上包层上形成加热电极，在器件的上表面设置封帽。本发明用混合集成的方法结合二氧化硅和聚合物的各自优点制成可调变光衰减器(VOA)。

Description

可调变平面光波导光学衰减器及其生产方法

技术领域

平面光波导集成光路英文为Planar light-wave circuit(PLC)，是一种用半导体器件生产工艺设备在平面芯片上制造一个或大量光学器件的技术平台，像半导体集成电路一样，平面光波导集成光学器件有可靠性高、体积小，以及易于大批量工业化生产等众多优点。

背景技术

当前世界上几种主要的PLC技术平台包括用聚合材料(polymers)制造光波导，用光学晶体材料制造光波导，和在硅片上生长二氧化硅(silica-on-silicon)制造光波导等三种技术手段，用聚合材料(即透明高分子材料)制成的光波导器件有理论上的造价低，选材的灵活性好等优点。而且当用热光效应来控光的时候，电功耗小。但由于聚合材料的光学损耗较大，用它制成的光学器件目前不被工业界接受。用光学晶体制成的光波导器件具有高速度的优点。但造价高、损耗大。所以目前最为工业界接受的较为成熟的技术平台是硅片上长二氧化硅(silica-on-silicon)的方法。

Silica-on-silicon技术平台挪用半导体工业中已成熟的离子增强化学汽相沉积工艺(Plasma enhanced chemical vapor deposition简称PECVD)。在硅大圆片上长出二氧化硅的下包层、核心波导。然后用离子反应刻蚀将核心波导刻制成所需波导形状。最后用PECVD长成二氧化硅上包层。上、下包层的二氧化硅光学折射率相同。但因使用不同的掺杂掺入少量铅磷硼，使核心波导二氧化硅的折射率较高，高于包层约百分之0.7左右。如此形成弱波导模式，光主要在核心波导中传播，这同二氧化硅制成的玻璃光纤的原理一样。二氧化硅(即玻璃)制成的光波导具有低传播损耗，长期工作稳定性，以及易于与工业标准的玻璃光纤藕合等其它两种方法无法比拟的优点。

每单位温度变化所产生的光学折射率变化叫热光系数。由于二氧化硅的热光系数远小于聚合物的热光系数，所以二氧化硅光波导器件的温度稳定性远高于聚合物的温度稳定性。然而，如果我们想用热光效应来控制光波变化，所需的热能也会相应高很多，这会在器件制造、应用等方面带来很多困难。

发明内容

本发明的目的在于寻求一种可调变平面光波导光学衰减器及其生产方法，用混合集成的方法结合二氧化硅和聚合物的各自优点制成可调变光衰减器(VOA)。VOA是光学网路中最常见的关键器件之一，它在光学网路中的作用是调整光强。其功能类似电阻器在电路中的功能。

按照本发明所提供的设计方案，在硅衬底上有二氧化硅下包层，在二氧化硅下包层上形成核心波导及覆盖住核心波导的二氧化硅上包层，象前面讲述的一样，形成光波导，然后在核心波导两侧的二氧化硅上包层间设置侧沟槽，在侧沟槽内充满热光材料，在核心波导上面的二氧化硅上包层上形成加热电极，在器件的上表面设置封帽。

这种可调变平面光波导光学衰减器及其生产方法是：先在硅衬底上形成一层二氧化硅下包层，再在二氧化硅下包层上形成一层掺杂二氧化硅核心层，其掺杂成分为少量铅磷硼，以至于折射略高于下包层百分之0.7。然后将多余的参杂核心层腐蚀掉，留下的部分成为具有一定形状的核心波导，然后，在二氧化硅下包层上形成一层能将核心波导封闭住的二氧化硅上包层，其折射率与上包层上对下包层一样。然后在对应于核心波导部位的上包层设置金属电极，并将核心波导两侧的上包层腐蚀掉，形成侧沟槽，在侧沟槽内填充光热材料，最后在整个器件的表面设置一层封帽，将所有元件封闭在一起，形成一个波导光学衰减器。所述光热材料为聚合物；该聚合物的特性是：在常温下，该聚合物的折射率与核心波导一样，在加热后，该聚合物的折射率就会上升或下降至与上下包层一样，但与核心波导不一样；聚合物可以是固态或液态。在本发明中，我们用的光热材料是光学玻璃测试用的折射率油层，这种材料可在很多光学器件公司买到。利用上述方法，可在硅衬底上形成一个由众多单个波导光学衰减器阵列而成的集成式波导光学衰减器。

当在金属电极给侧沟槽中的光热材料局部加热时，它的折射率将发生变化，从而影响核心波导中光波的传播，进而控制核心波导中的光强。具体的说，当侧沟槽中聚合物的折射率同上下包层的折射率一致或接近时，光波在核心波导中正常传播，无衰减。当侧沟槽中聚合物的折射率同核心波导的折射率一致或接近时，有效核心波导形状发生变化，核心波导中的光将泄漏到侧沟槽的聚合物中，从而使传播到输出端的光强大大减少，甚至接近于零。当加热电极使侧沟槽中聚合物的折射率在以上两种情况之中变化时，光波导的输出光也相应在全透过和最大衰减中变化，从而实现可调变光强衰减。当衰减最大使输出光为零时，此器件也可作为一个光学开关。

附图说明

图1为硅片上制造二氧化硅光波导衰减器的流程图和结构示意图。

图2为光波导衰减器结构俯视图。

图3为理论上衰减器的衰减值随侧沟槽中聚合物折射率变化的曲线。

具体实施方式

图1的右侧所示为结构图的侧视图。在硅衬底4上有二氧化硅下包层5，在二氧化硅下包层5上形成核心波导2及覆盖住核心波导2的二氧化硅上包层6，并在核心波导2与二氧化硅上包层6间设置侧沟槽，在侧沟槽内充满光热材料3，在核心波导2上面的二氧化硅上包层6上形成加热电极8，在器件的上表面设置封帽7。光波主要限制在横截面为正方形的核心波导2中沿垂直于纸面方向传播。

如图1左侧的工艺流程图所示：先在硅衬底4上形成一层二氧化硅下包5层，再在二氧化硅下包层5上形成一层参杂核心层，将多余的参杂核心层腐蚀掉，留下的部分成为具有一定形状的核心波导2，然后，在二氧化硅下包层上5形成一层能将核心波导2封闭住的二氧化硅上包层6，再在二氧化硅上包层6上对应于核心波导2的部位设置金属电极8，并将核心波导2两侧的二氧化硅上包层6腐蚀掉，形成侧沟槽，在侧沟槽内填充光热材料3，最后在整个器件的表面设置一层封帽7，将所有元件封闭在一起，形成一个波导光学衰减器。

图2中，中间阴影为核心波导2，两侧阴影为填满光热材料3如聚合物的侧沟槽。其中聚合物可为固态或液态。只要是满足折射率要求的就可以。光波自上向下传播，当侧沟槽中聚合物的光学折射率与上、下包层6、5的折射率一致或接近时，光波主要沿核心波导2从上输入端口传到下输出端口，基本无损耗；当侧沟槽中聚合物的折射率与核心波导2的折射率一致或接近时，核心波导2中的光将大部分被藕合到侧沟槽中的光热材料3而无法传到下输出端口。从而使输出光强大大减弱以至接近为零。所以通过电极对局部通电加热，我们可控制侧沟槽中聚合物的折射率在以上两个折射率中变化，从而控制输出(下端口)的光强。由于聚合物的热光系数远大于二氧化硅的热光系数，生产中我们发现仅需数毫瓦到十几毫瓦，就可使光波导的衰减从-0.4dB至-35dB间可控变化。

图3中，由于此器件有效长度仅为数毫米(mm)，宽度小于数十微米(micron)，所以可以将大量衰减器制造在一片很小的芯片上。如此制成的器件叫陈列衰减器。由于体积小，耗能小，动态范围大，相对造价低，这类器件在光通讯中有大量应用，我们所造成的1×16光衰减器阵列芯片面积为4mm×8mm。

Claims (4)

1、可调变平面光波导光学衰减器，其特征是：在硅衬底上有二氧化硅下包层，在二氧化硅下包层上形成核心波导及覆盖住核心波导的二氧化硅上包层，并在核心波导与二氧化硅上包层间设置侧沟槽，在侧沟槽内充满光热材料，在核心波导上面的二氧化硅上包层上形成加热电极，在器件的上表面设置封帽。

2、可调变平面光波导光学衰减器的生产方法，其特征是：先在硅衬底上形成一层二氧化硅下包层，再在二氧化硅下包层上形成一层参杂核心层，将多余的参杂核心层腐蚀掉，留下的部分成为具有一定形状的核心波导，然后，在二氧化硅下包层上形成一层能将核心波导封闭住的上包层，再在上包层上对应于核心波导的部位设置金属电极，并将核心波导两侧的上包层腐蚀掉，形成侧沟槽，在侧沟槽内填充光热材料，最后在整个器件的表面设置一层封帽，将所有元件封闭在一起，形成一个波导光学衰减器。

3、根据权利要求2所述可调变平面光波导光学衰减器的生产方法，其特征是：热光材料为聚合物。

4、根据权利要求2所述可调变平面光波导光学衰减器的生产方法，其特征是：在硅衬底上形成一个由众多单个波导光学衰减器阵列而成的集成式波导光学衰减器。

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