CN204758962U

CN204758962U - 一种波导热光开关

Info

Publication number: CN204758962U
Application number: CN201520475149.5U
Authority: CN
Inventors: 田亮; 髙任峰; 汪昌君; 马春雷
Original assignee: SUZHOU FENGTONG PHOTOELECTRIC Co Ltd
Current assignee: SUZHOU FENGTONG PHOTOELECTRIC Co Ltd
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2025-07-03

Abstract

一种波导热光开关，该波导热光开关依次包括衬底、下包层、上包层和加热电极，沿着波导热光开关长度方向依次分为输入波导区、第一分束及合束区、热光调制区、第二分束及合束区和输出波导区，在下包层和上包层之间具有沿波导热光开关的长度方向穿设于上包层内的两根波导芯。解决了现有有机/无机混合结构的热光开关插入损耗很大、可靠性低、稳定性差的技术问题。而且，其后续封装工艺也会和现有主流封装工艺相兼容，不用增加额外的投入。

Description

一种波导热光开关

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域。具体地说，涉及一种波导热光开关。

背景技术

与机械光开关、液晶光开关、MEMS光开关等现有光开关相比，波导光开关由于没有机械移动部件，在可靠性方面具有明显优势。在波导光开关中，热光开关具有体积小、工艺简单、稳定性好等优点。波导热光开关在光通信、光计算、光传感等领域都有着广阔的发展前景，在保护通信网络、检测通信网络和检测光学器件中都有重要应用，尤其是在光通信系统中，光开关是光分插复用器和光交叉连接器的重要组成部分。响应时间和功耗是波导热光开关的主要性能指标。现有的波导热光开关主要有两种，分别是SiO₂型和全聚合物型，两者皆以导热系数较大的Si材料为衬底。由于SiO₂材料热光系数较小，SiO2型波导功耗较大，但其插入损耗较小。可靠性较高、稳定性较好。由于聚合物材料具有较大的热光系数，因此全聚合物型热光开关功耗较小，但其插入损耗较大、可靠性较低、稳定性较差。

现有技术中有一种有机/无机混合结构的热光开关，如图1所示，利用聚合物材料SU-8(一种基于环氧树脂的负型紫外光刻胶)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别作为芯层和上包层、无机材料SiO₂作为下包层、Si材料作为衬底。该热光开关兼具低的功耗和快的响应速度，但是由于它只是在垂直于波导平面的纵向上进行有机无机混合，使得插入损耗很大、可靠性低、稳定性差。此外，由于封装时该热光开关器件要和光纤耦合对准，聚合物和光纤材料SiO2的热膨胀系数和应力条件都不同，因此很难通过反复的高低温测试。而且波导端面的研磨和抛光质量也不如SiO2材料，并且从生产制造的角度看，如果芯层都用聚合物，产品良率很难提高上去，且同一晶圆上制作出的各个器件之间的性能指标也有较大波动，即性能不稳定。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于现有有机/无机混合结构的热光开关插入损耗很大、可靠性低、稳定性差，从而提出一种插入损耗低、可靠性和稳定性高的波导热光开关。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：

一种波导热光开关，依次包括衬底、下包层、上包层和加热电极，沿着波导热光开关的长度方向依次分为输入波导区、第一分束及合束区、热光调制区、第二分束及合束区和输出波导区，在下包层和上包层之间具有沿波导热光开关长度方向穿设于上包层内的两根波导芯。

优选地，波导芯的横截面为方形，其宽度和高度均为5～8μm。

优选地，输入波导区和输出波导区的长度均为0.5～3mm，第一分束及合束区和第二分束及合束区均分别分为耦合区和过渡区，且各自耦合区的长度均为1000～1300μm、各自过渡区的长度均为1～3mm，热光调制区的长度为5～10mm。

优选地，第一分束及合束区和第二分束及合束区中的耦合区的两根波导芯的间距为5～10μm，热光调制区、输入波导区和输出波导区中两根波导芯的间距相等且为40～60μm。

优选地，加热电极的长度为5～10mm、宽度为5～10μm、厚度为80～120nm。

优选地，上包层的厚度为1～3μm，下包层的厚度为2～5μm。

优选地，第一分束及合束区和第二分束及合束区中的过渡区的波导芯均为S型弯曲的。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实施例提供的波导热光开关，在波导平面上进行了横向的有机无机混合集成。与在波导芯层都用掺杂SiO2材料的热光开关相比，这种结构的热光开关驱动功率非常小；与在波导芯层都用聚合物材料的热光开关相比，这种结构的热光开关不仅在插入损耗、可靠性、稳定性等性能指标上得到了非常大的改善，而且其后续封装工艺也会和现有主流封装工艺相兼容，而不用增加额外的研发投入，可有效降低生产成本。

附图说明

图1现有技术中的一种有机/无机混合结构的热光开关的横截面示意图；

图2是本实用新型实施例1的一种波导热光开关中波导芯的结构示意图；

图3是本实用新型实施例1的一种波导热光开关的横截面示意图；

图4是本实用新型实施例2的一种制作出了掺杂SiO₂材料的波导芯部分的波导热光开关半成品结构示意图；

图5是本实用新型实施例2的一种制作出了整个波导芯部分的波导热光开关半成品结构示意图。

图中附图标记表示为：1-衬底、2-下包层、3-上包层、4-波导芯、5-加热电极、6-输入波导区、7-第一分束及合束区、8-热光调制区、9-第二分束及合束区、10-输出波导区

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的内容，下面结合附图和实施例对本实用新型所提供的技术方案作进一步的详细描述。

实施例1

如图2和3所示，本实施例提供了一种波导热光开关，依次包括衬底1、下包层2、上包层3和加热电极5，下包层2为SiO₂材料，上包层3为聚合物材料，沿着波导热光开关长度方向依次分为输入波导区6、第一分束及合束区7、热光调制区8、第二分束及合束区9和输出波导区10，在下包层2和上包层3之间具有沿波导热光开关的长度方向穿设于上包层3内的两根波导芯4，热光调制区8的波导芯4的材料为聚合物，其他区的波导芯4的材料为掺杂SiO₂材料。

具体地，下包层2采用的SiO₂材料，其在1550nm波长下的折射率为1.45、体振幅衰减系数为0，导热系数为1.4W·K^-1·m^-1。由于其导热系数较大，这将加快波导芯4中的热量散失，从而可以缩短器件的响应时间。

本实施例提供的波导热光开关，在波导平面上进行了横向的有机无机混合集成，这不仅会使器件的插入损耗、可靠性、稳定性等性能指标得到提高，而且其后续封装工艺也会和现有主流封装工艺相兼容，而不用增加额外的研发投入。

优选地，波导芯4的横截面为方形，其宽度和高度均为5～8μm，上包层3的厚度为1～3μm，下包层2的厚度为2～5μm。进一步优选地，波导芯4的宽度和高度都为6μm，上包层3厚度为2μm，下包层2厚度为3μm，该参数完全符合现在主流封装技术的国家标准，而且可以保证波导的单模传输。

优选地，波导芯4中的掺杂SiO₂材料为锗掺杂SiO₂材料，其在1550nm波长下的折射率为1.46。

具体地，热光调制区8的波导芯4中的聚合物材料优选紫外聚合式氟化聚合物材料，其损耗低、成膜性好、具有超高热光系数，热光系数具体可高达200-300ppm·K^-1，而普通的SiO₂材料为10ppm·K^-1，从而可以大大地降低器件功耗。该种聚合物材料的折射率通过掺杂处理可在一定范围内任意调整。本实施例中为了减小在两种材料界面处产生的回波损耗，通过调整使得该聚合物材料与波导芯4中的掺杂SiO2材料在相同波长下的折射率相等。

优选地，上包层3的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚二甲基硅氧烷材料在1550nm波长下的折射率为1.403～1.405、体振幅衰减系数为2.8dB/cm，导热系数为0.134～0.159W·K^-1·m^-1。由于聚二甲基硅氧烷材料和波导芯4材料之间的折射率差较大，因此消逝场在聚二甲基硅氧烷上包层3中的穿透深度较小，以至于用较薄的上包层3就可以将光场能量很好地限制在光波导芯中，这将加快加热电极5产生的热量从上包层3向波导芯4的传导速率并降低热场分布梯度，从而可以缩短器件的响应时间并降低器件的功耗。另外，这种聚合物材料价格低廉、稳定性好，有突出的耐老化性、良好的绝缘性和机械强度，还具有良好的光学特性和成膜特性。

具体地，输入波导区6和输出波导区10的长度L1均为0.5～3mm，第一分束及合束区7和第二分束及合束区9均分别分为耦合区和过渡区，且各自耦合区的长度L3均为1000～1300μm、各自过渡区的长度L2均为1～3mm，热光调制区8的长度L为5～10mm。第一分束及合束区7和第二分束及合束区9中的过渡区的波导芯4均为S型弯曲的，以降低损耗。第一分束及合束区7和第二分束及合束区9中的耦合区两根波导芯4的间距d2为5～10μm，热光调制区8、输入波导区6和输出波导区10中两根波导芯4的间距d1相等且均为40～60μm。

另外，本实施例提供的该波导热光开关中的设置于热光调制区8上的加热电极5采用铝材料，其在1550nm波长下的折射率为1.44、体振幅衰减系数为16.0dB/cm。且，该加热电极5的长度为5～10mm、宽度为5～10μm、厚度为80～120nm。衬底1采用Si材料，其在1550nm波长下的折射率为3.45，导热系数为163W·K^-1·m^-1，可视为良好的热沉材料。

工作原理：在1550nm工作波长下，当耦合区长度和两根波导芯的间距满足一定条件时，耦合器将实现3dB的分波状态和合波状态。当从端口In1输入信号光且不在加热电极5上施加电压时，则信号光全部从端口Out2输出，端口Out1的光功率值为0，这时该波导热光开关的工作状态称为交叉态。当在加热电极5上施加适当的电压，使热光调制区两波导芯中信号光的相位差改变(2n+1)π时，则信号光全部从端口Out1输出，端口Out2的光功率值为0，这时该波导热光开关的工作状态称为直通态。热光开关在直通态和交叉态之间转换所需的加热功率即为驱动功率。

实施例2

本实施例提供了一种波导热光开关的制作方法，用于制作出实施例1中的波导热光开关，包括以下步骤：

第一步，在衬底1上制作出下包层2，该下包层的材料为SiO₂。具体地，首先利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在Si材料的衬底1上生长一层3μm厚的SiO₂材料层，然后进行高温退火。高温退火的具体过程是：首先，以10-20℃/min的升温速率升温至120℃并保温20-30min；然后以10-20℃/min的升温速率升温至140℃并保温20-30min；再然后，以10-20℃/min的升温速率升温至160℃并保温20-30min；最后，随炉冷却至室温。通过上述的退火硬化方式，能够更好地消除晶格缺陷和内应力，使生长的SiO₂材料层变得致密均匀，对材料的硬底、帖服性等都有更好的效果。

第二步，在下包层2上生长掺杂SiO₂材料层，掺杂SiO₂材料层紧贴下包层2设置。

第三步，刻蚀掺杂SiO₂材料层制作出沿着下包层2的长度方向依次排列的输入波导区6、第一分束及合束区7、第二分束及合束区9和输出波导区10的波导芯4，如图4所示。

第四步，在第一分束及合束区7与第二分束及合束区9的波导芯4之间的制作出聚合物材料的热光调制区8的波导芯4，如图5所示。

第五步，在波导芯4上制作上包层3，上包层3与下包层2一起包覆波导芯4。具体过程为：首先，在波导芯4上以4000转/分钟转速旋涂聚二甲基硅氧烷材料的上包层3，旋转时间为25s；然后，在65℃下坚膜30分钟；再然后，在110℃下坚膜120分钟；最后，进行自然降温。通过这种方法可以改善成膜的均匀性和平整度，并可防止材料发生开裂。

第六步，在上包层3上制作加热电极5，制作出波导热光开关。具体过程为：首先，在上包层3上面采用溅射技术制作一层100nm厚的铝掩膜；然后，以3000转/分钟的转速在铝掩膜上旋涂BP212正型光刻胶，旋转时间为20s；再然后，在65℃下坚膜15分钟后进行自然降温；最后，利用电极掩模板进行对板光刻，曝光5s后将器件放在显影液中显影，以去除多余的铝电极，只在热光调制区8的一根波导芯4上保留铝电极，之后通过RIE刻蚀去除多余光刻胶得到加热电极5。

本实施例提供的波导热光开关的制作方法，其制作出的波导热光开关在波导平面上进行了横向的有机无机混合集成，这不仅会使器件的插入损耗、可靠性、稳定性等性能指标得到提高，而且其后续封装工艺也会和现有主流封装工艺相兼容，而不用增加额外的研发投入。

具体地，上述第三步中刻蚀掺杂SiO₂材料层制作出沿着下包层2的长度方向依次排列的输入波导区6、第一分束及合束区7、第二分束及合束区9和输出波导区10的波导芯4的过程包括：

首先，在掺杂SiO₂材料层上制作第一掩膜，具体是采用溅射技术制作一层100nm厚的铝掩膜；

然后，在第一掩膜上制作第一光刻胶，具体是以3000转/分的转速在第一掩膜上旋涂BP212正型光刻胶，旋转时间为20s，并在65℃下坚膜15分钟后进行自然降温，通过这种方法可以改善光刻胶成膜的均匀性和平整度，有利于后续光刻和显影中形成垂直度好的图案；

再然后，经光刻、显影后去除多余的第一掩膜，保留部分第一掩膜，具体是，曝光5s后将器件放在显影液中显影，以去除多余的第一掩膜，即铝掩膜；

最后，在保留了第一掩膜部分刻蚀制作出输入波导区6、第一分束及合束区7、第二分束及合束区9和输出波导区10的波导芯4，并去除多余的第一掩膜和第一光刻胶。

具体地，上述第四步中在第一分束及合束区7与第二分束及合束区9的波导芯4之间的制作出聚合物材料的热光调制区8的波导芯4的过程包括：

首先，在制作完成输入波导区6、第一分束及合束区7、第二分束及合束区9和输出波导区10的波导芯4的掺杂SiO₂材料层上制作聚合物材料层，具体是以2000转/分的转速旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料，旋转时间为20s，在150℃下坚膜120分钟，再进行自然降温，通过这种方法可以改善成膜的均匀性和平整度，可提高所制备的热光调制区8的波导芯4的质量；

其次，在聚合物材料层上制作第二掩膜，具体是采用溅射技术制作一层100nm厚的铝掩膜；

再次，在第二掩膜上制作第二光刻胶，具体是以3000转/分钟的转速在铝第二掩膜上旋涂BP212正型光刻胶，旋转时间为20s，并在65℃下坚膜15分钟后进行自然降温；

然后，经光刻、显影后去除多余的第二掩膜，只保留第一分束及合束区7的波导芯4与第二分束及合束区9的波导芯4之间的部分第二掩膜，具体是曝光5s后将器件放在显影液中显影，以去除多余的铝掩膜；

最后，在保留的第二掩膜部分刻蚀出热光调制区8的波导芯4，并去除残留的第二掩膜和第二光刻胶。

具体地，上述第二步中在下包层2上生长掺杂SiO₂材料层的步骤具体包括：

首先，利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在下包层2上生长第一SiO₂材料层，之后需要进行高温退火，且该第一SiO₂材料层的厚度优选为3μm；

然后，在第一SiO₂材料层上进行第一次掺杂处理，具体为锗离子掺杂；

再然后，在完成了第一次掺杂处理的第一SiO₂材料层上生长第二SiO₂材料层，并进行高温退火处理，且该第二SiO₂材料层的厚度优选为3μm；

最后，在第二SiO₂材料层上进行第二次掺杂处理，具体为锗离子掺杂。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种波导热光开关，依次包括衬底（1）、下包层（2）、上包层（3）和加热电极（5），沿着所述波导热光开关的长度方向依次分为输入波导区（6）、第一分束及合束区（7）、热光调制区（8）、第二分束及合束区（9）和输出波导区（10），其特征在于：

在所述下包层（2）和上包层（3）之间具有沿所述波导热光开关长度方向穿设于所述上包层（3）内的两根波导芯（4）。

2.如权利要求1所述的波导热光开关，其特征在于，所述波导芯（4）的横截面为方形，其宽度和高度均为5～8μm。

3.如权利要求1所述的波导热光开关，其特征在于，所述输入波导区（6）和所述输出波导区（10）的长度均为0.5～3mm，所述第一分束及合束区（7）和所述第二分束及合束区（9）均分别分为耦合区和过渡区，且各自耦合区的长度均为1000～1300μm、各自过渡区的长度均为1～3mm，所述热光调制区（8）的长度为5～10mm。

4.如权利要求1所述的波导热光开关，其特征在于，所述第一分束及合束区（7）和所述第二分束及合束区（9）中的耦合区的两根波导芯（4）的间距为5～10μm，所述热光调制区（8）、所述输入波导区（6）和所述输出波导区（10）中两根波导芯（4）的间距相等且为40～60μm。

5.如权利要求1所述的波导热光开关，其特征在于，所述加热电极（5）的长度为5～10mm、宽度为5～10μm、厚度为80～120nm。

6.如权利要求1所述的波导热光开关，其特征在于，所述上包层（3）的厚度为1～3μm，所述下包层（2）的厚度为2～5μm。

7.如权利要求1-6中任一项所述的波导热光开关，其特征在于，所述第一分束及合束区（7）和所述第二分束及合束区（9）中的过渡区的波导芯（4）均为S型弯曲的。