CN1845484B - 实现可重构光分插复用器的结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种实现可重构光分插复用器的结构，是在基于绝缘体上的硅的波导结构上实现的，其特征在于，包括：一马赫-曾得干涉仪结构包括输入端口、下路端口、上路端口、输出端口、第一干涉臂、第二干涉臂，其功能是实现光的上下路；第一、第二多模干涉仪，该第一多模干涉仪连接上路端口、下路端口与第一干涉臂、第二干涉臂，第二多模干涉仪连接第一干涉臂的另一端，第二干涉臂的另一端与上路端口，输出端口；第一、第二布拉格光栅，该第一、第二布拉格光栅制作在干涉臂上，其功能是选择上下路的波长；第一、第二加热电极，该第一、第二加热电极制作在干涉臂上，覆盖第一、第二布拉格光栅区域，以实现改变波导的有效折射率，从而实现对所述上下路波长的选择。

Description

实现可重构光分插复用器的结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及集成光学领域，是一种实现可重构光分插复用器的结构，其是基于绝缘体上的硅(SOI)的波导结构，利用布拉格(Bragg)光栅选择上下路的波长，利用多模干涉器(MMI)和马赫-曾得干涉仪(MZI)结构实现光的上下路，利用加热电极改变波导的有效折射率，从而实现对所上下路波长的选择。
背景技术
光分插复用器(OADM)是未来全光网络的关键部件之一。实现OADM的方法很多，例如利用阵列波导光栅(AWG)、光纤光栅(FBG)和其它干涉型滤光器件(Filter)实现光的上下路。但基于FBG和Filter的OADM不便于集成，基于AWG的OADM虽有不少优点，但对工艺要求很高，在目前国内的工艺条件下很难实现。因此，也有一部分人对基于SOI的Bragg光栅进行了研究，其基本结构如图1(a)所示。硅衬底1上是约1μm厚的二氧化硅层2，之上是作为波导层的上层硅3。脊型波导4上刻蚀Bragg光栅5，图1(b)为脊型波导的截面图，图1(c)为光栅5的侧视图。当光在脊型波导4中传播，满足Bragg条件的波长的光就会被Bragg光栅5反射回来，结合其他结构(如MZI)，就可以实现光的上下路。Bragg光栅的周期Λ(见图1(c))与波导有效折射率NII(见图1(b))以及被反射峰值波长λ的关系为：
             λ＝2NIIΛ                 (1)
可见对于1550nm左右的中心波长，基于SOI脊型波导结构的Bragg光栅的周期大约只有223nm左右。中心波长的反射率与光栅区的长度及刻蚀的深度有关。栅区越长，刻蚀越深，反射率就越大。对于用于OADM的Bragg光栅，其对中心波长的反射率越高越好，最理想的情况为100％。然而，栅区越长，就会导致芯片尺寸的增大，不利于大规模集成，因此最好的方法就是深刻蚀。
如果用干法深刻蚀如此小周期的结构，对工艺要求非常高，这就给在波导上刻蚀光栅造成了困难。
此外，这种结构虽然可以实现波长的上下路，但对于固定的波导结构，固定的光栅周期，只能实现对固定波长的上下路。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种实现可重构光分插复用器(ROADM)的结构及其制造方面，其具有成本低、结构与制造工艺简单、便于实现对所上下路波长选择的特点。
本发明一种实现可重构光分插复用器的结构，是在基于绝缘体上的硅的波导结构上实现的，其特征在于，包括：
一马赫-曾得干涉仪结构，该马赫-曾得干涉仪结构包括输入端口、下路端口、上路端口、输出端口、第一干涉臂、第二干涉臂，其功能是实现光的上下路；
第一、第二多模干涉仪，该第一多模干涉仪连接上路端口、下路端口与第一干涉臂、第二干涉臂，第二多模干涉仪连接第一干涉臂的另一端，第二干涉臂的另一端与上路端口，输出端口；
第一、第二布拉格光栅，该第一、第二布拉格光栅制作在干涉臂上，其功能是选择上下路的波长；
第一、第二加热电极，该第一、第二加热电极制作在干涉臂上，覆盖第一、第二布拉格光栅区域，以实现改变波导的有效折射率，从而实现对所上下路波长的选择。
其中基于绝缘体上的硅的波导结构为梯形或矩形截面的大芯径硅脊型单模波导。
其中第一、第二布拉格光栅为表面浮雕光栅，光栅结构为三角形或梯形锯齿。
其中第一、第二布拉格光栅刻蚀在基于绝缘体上的硅波导结构的脊型波导上，具有固定的周期，其周期与脊型波导有效折射率相对应，能够反射设定的波长。
其中第一、第二多模干涉仪两臂上刻蚀的第一、第二布拉格光栅是完全相同的。
其中第一、第二加热电极用高电阻金属材料，分布在第一、第二布拉格光栅的栅区。
本发明一种实现可重构光分插复用器结构的制造方法，是在基于绝缘体上的硅的波导结构上实现的，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在基于绝缘体上的硅基片上用湿法腐蚀的方法刻蚀两个布拉格光栅；
(2)刻蚀脊型波导，实现马赫-曾得干涉仪结构，保证两干涉臂上两个布拉格光栅相同；
(3)蒸镀金属电极，该金属电极制作在干涉臂上，覆盖两个布拉格光栅，完成可重构光分插复用器的制作。
其中步骤(1)是利用全息曝光制作掩模；利用湿法腐蚀制作三角形或梯形锯齿的布拉格光栅。
其中步骤(2)是先设计马赫-曾得干涉仪结构的版图；制版；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为掩蔽层；利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片刻蚀出马赫-曾得干涉仪结构；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅保护层。
其中步骤(3)是先设计电极结构的版图；制版；蒸镀用作加热电极的金属；利用所设计的电极结构的版图反刻形成电极。
附图说明
为了进一步说明的内容及特点，一下结合一个特定的实施例和该实施例的附图来做进一步的说明，其中：
图1是基于SOI的Bragg光栅基本结构示意图
图2是本发明实施例的ROADM。
图3是本发明实施例的Bragg光栅侧视示意图。
图4是本发明ROADM的工艺流程图。
具体实施方式
请参阅图2所示，本发明一种实现可重构光分插复用器的结构，是基于SOI的波导结构上实现的，该SOI的波导结构为梯形或矩形截面的大芯径硅脊型单模波导，包括：
一马赫-曾得干涉仪结构，该马赫-曾得干涉仪结构包括上路端口2
1、下路端口22、上路端口23、输出端口24、第一干涉臂25、第二干涉臂26，其功能是实现光的上下路；
第一、第二多模干涉仪11、12，该第一多模干涉仪11连接上路端口21、下路端口22与第一干涉臂25、第二干涉臂26，第二多模干涉仪12连接第一干涉臂25的另一端，该第二干涉臂26的另一端与上路端口23，输出端口24，该第一、第二多模干涉仪11、12两臂上刻蚀的第一、第二Bragg光栅31、32是完全相同的；
第一、第二Bragg光栅31、32，该第一、第二Bragg光栅31、32制作在干涉臂25、26上，其功能是选择上下路的波长，该第一、第二Bragg光栅31、32为表面浮雕光栅，光栅结构为三角形或梯形锯齿，该第一、第二Bragg光栅31、32刻蚀在SOI波导结构的脊型波导上，具有固定的周期，其周期与脊型波导有效折射率相对应，能够反射设定的波长；
第一、第二加热电极33、34，该第一、第二加热电极33、34制作在干涉臂25、26上，覆盖第一、第二Bragg光栅31、32区域，以实现改变波导的有效折射率，从而实现对所上下路波长的选择，该第一、第二加热电极33、34用高电阻金属材料，分布在第一、第二Bragg光栅31、32的栅区。
请再结合参阅图4所示，本发明一种实现可重构光分插复用器结构的制造方法，是基于SOI的波导结构上实现的，该方法包括以下步骤：
(1)在SOI基片上用湿法腐蚀的方法刻蚀两个Bragg光栅31、32；该步骤(1)是利用全息曝光制作掩模；利用湿法腐蚀制作三角形或梯形锯齿的Bragg光栅；
(2)刻蚀脊型波导，实现MZI结构，保证两干涉臂25、26上两个Bragg光栅31、32相同；该步骤(2)是先设计MZI结构的版图；制版；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为掩蔽层；利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片刻蚀出MZI结构；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅保护层；
(3)蒸镀两个金属电极33、34，该两个金属电极33、34制作在两个干涉臂25、26上，覆盖两个Bragg光栅31、32，完成可重构光分插复用器的制作；该步骤(3)是先设计电极结构的版图；制版；蒸镀用作加热电极的金属；利用所设计的电极结构的版图反刻形成电极。
本发明的工作过程为：
请参阅图2所示，图2是说明本发明实施例的示意图。波长为λ1，λ2，λ3，λ4的光从输入端口21输入，经MMI11分束到MZI的两个第一、第二干涉臂25、26，并产生一定的相位差。设Bragg光栅的周期设计为反射的中心波长为λ2，则第一、第二干涉臂25、26中传播的光λ1，λ2，λ3，λ4只有λ1，λ3，λ4通过第一、第二Bragg光栅31、32，而波长为λ2的光被反射回去，通过MMI11干涉，从下路端口22下路。而通过第一、第二Bragg光栅31、32后的光λ1，λ3，λ4，经MMI12干涉，从输出端口24输出。同理，如果波长为λ2的光从上路端口23上路，同样会被第一、第二Bragg光栅31、32反射，而从输出端口24输出。
上述情况是在光栅区的第一、第二加热电极33、34没有加电压的情况下，上下路的波长为λ2，如果加热电极加上电压，由于硅的热光效应，波导的有效折射率就会发生变化，根据公式(1)，反射的中心波长也会发生变化。因此，加一定的电压就可以相应实现上下路一定的波长，即实现可重构OADM。
图3是本发明实施例的Bragg光栅侧视示意图。第一、第二界面35、36均为Si的(111)面，夹角70.5°，对于周期为223nm的光栅，刻蚀深度最高可达157nm。此外，由于一般情况下(111)面为Si湿法腐蚀速度最慢的面，这种结构便于湿法腐蚀制作，工艺简单，成本低廉。
图4是展示制造本发明优选实例的基本工艺步骤流程图。按照图4所示方法，根据设计要求利用全息曝光制作掩模；利用湿法腐蚀制作三角形或梯形锯齿的Bragg光栅。
第二步，根据设计要求设计MZI结构的版图；制版；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为掩蔽层；利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片刻蚀出MZI结构；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅保护层。
最后，根据设计要求设计电极结构的版图；制版；蒸镀用作加热电极的金属(本实施例选用钛金属)；利用所设计的电极结构的版图反刻形成电极。然后，用上述方法制作电极引线。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。

Claims (3)

1.一种实现可重构光分插复用器结构的制造方法，是在基于绝缘体上的硅的波导结构上实现的，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在基于绝缘体上的硅基片上用湿法腐蚀的方法刻蚀两个布拉格光栅；
(2)刻蚀脊型波导，实现马赫-曾得干涉仪结构，保证两干涉臂上两个布拉格光栅相同，其中是先设计马赫-曾得干涉仪结构的版图；制版；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为掩蔽层；利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片刻蚀出马赫-曾得干涉仪结构；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅保护层；
(3)蒸镀金属电极，该金属电极制作在干涉臂上，覆盖两个布拉格光栅，完成可重构光分插复用器的制作。
2.根据权利要求1所述的实现可重构光分插复用器结构的制造方法，其特征在于，其中步骤(1)是利用全息曝光制作掩模；利用湿法腐蚀制作三角形或梯形锯齿的布拉格光栅。
3.根据权利要求1所述的实现可重构光分插复用器结构的制造方法，其特征在于，其中步骤(3)是先设计电极结构的版图；制版；蒸镀用作加热电极的金属；利用所设计的电极结构的版图反刻形成电极。
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