專利名稱：2×3光波導開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在光通信領域中，可對不同波長或相同波長的光信號進行路由選擇、交叉互連或耦合的光開關器件。屬于光波導開關的創(chuàng)新技術。
背景技術：
光開關是全光通信網(wǎng)特別是光纖到戶網(wǎng)中最重要的元器件之一。光開關可以對光信號進行路由選擇和切換，可以根據(jù)不同用戶的需求將不同的光信號輸送到不同的終端用戶。現(xiàn)行的光波導開關有Y型分支1×2光開關、X型2×2光開關、3×2光開關、以及由Y分支1×2結構或X型2×2結構作為基本單元級聯(lián)形成的M×N光開關陣列。其共同特點是都只局限于兩個輸出端，難于滿足用戶的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于突破現(xiàn)有光開關只有兩個輸出端的局限，提供一種具有三端口輸出的光波導開關。本發(fā)明可在一個芯片上利用同一種微制作工藝技術實現(xiàn)單片集成，其可廣泛用于全光通信網(wǎng)和波分復用系統(tǒng)中。
本發(fā)明的結構示意圖如附圖所示，包括有兩個單模輸入波導(A)、(B)、三個單模輸出波導(1)、(2)、(3)及多模波導區(qū)(4)，其中多模波導區(qū)(4)設置在輸入波導(A)、(B)與輸出波導(1)、(2)、(3)之間，多模波導區(qū)(4)的入口端與輸入波導(A)、(B)相接，多模波導區(qū)(4)的出口端分別與輸出波導(1)、(2)、(3)相接。
上述單模輸出波導(2)由錐形波導部分(7)和直波導部分(8)組成，其中錐形波導部分(7)的一端與多模波導區(qū)(4)的出口端相接，另一端與直波導部分(8)相接。
上述多模波導區(qū)(4)為多模干涉區(qū)，且其上設有兩個折射率改變區(qū)(5)、(6)。
上述折射率改變區(qū)(5)、(6)可分別獨立運作，也可以同時運作。
上述多模波導區(qū)(4)中的折射率改變區(qū)(5)、(6)可以是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)；也可以是通過光照改變其折射率的光注入?yún)^(qū)；或是在器件工作過程中通過熱光效應、聲光效應等外界因素改變其材料折射率的區(qū)域。
上述單模輸入波導(A)、(B)和單模輸出波導(1)、(2)、(3)都是脊形波導。
上述光波導的截面包括有襯底(14)、導波層(15)、覆蓋層(20)，導波層(15)、覆蓋層(20)依次覆蓋在襯底(14)上。
上述折射率改變區(qū)(5)、(6)所在的導波層(15)中有p型或n型摻雜區(qū)(18)和其旁邊的n型或p型摻雜區(qū)(16)，兩個金屬電極(19)、(17)分別設在其上方。
上述導波層(15)可以是對光通信波長透明的光電子材料；上述襯底(14)、覆蓋層(20)可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料。
上述對近紅外光透明的光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe等IV族材料，GaAs基和InP基上的III-V族化合物半導體材料，或者是有機聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
上述光電子材料可以用常規(guī)的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化學汽相淀積方法生長。
上述光波導開關可以用傳統(tǒng)的半導體器件微制作工藝制作，也可以用新型的光電子器件微制作技術制作，其中的光波導可以用干法刻蝕或濕法刻蝕技術得到。
本發(fā)明由于采用了具有兩個單模輸入波導、一個多模波導、和三個單模輸出波導共三部分組成的結構，其中多模波導位于器件的中間，是一個多模干涉區(qū)，同時做有兩個折射率可改變的區(qū)域。這種光開關可以把從任意一個端口輸入的光信號分別從三個輸出端口輸出，也可以把從兩個輸入端口同時輸入的光信號耦合到中間一個輸出端口輸出，或者調(diào)節(jié)到除中間的一個輸出端口以外的任意兩個輸出端口輸出。此外，本發(fā)明可在一個芯片上利用同一種微制作工藝技術實現(xiàn)單片集成，其可廣泛用于全光通信網(wǎng)和波分復用系統(tǒng)中。本發(fā)明是一種設計巧妙，方便實用的2×3光波導開關。


圖1(a)為本發(fā)明光開關的立體圖；圖1(b)為本發(fā)明光開關的俯視圖；圖2(a)為圖1(b)中折射率改變區(qū)(5)沿C-D方向的橫截面示意圖；圖2(b)為圖1(b)中折射率改變區(qū)(6)沿E-F方向的橫截面示意圖；圖3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)為本發(fā)明的幾種運作功能模擬結果示例圖。
具體實施例方式實施例本發(fā)明的結構示意圖如圖1(a)、圖1(b)、圖2(a)、圖2(b)所示，包括有兩個單模輸入波導A、B、三個單模輸出波導1、2、3及多模波導區(qū)4，其中多模波導區(qū)4設置在輸入波導A、B與輸出波導1、2、3之間，多模波導區(qū)4的入口端與輸入波導A、B相接，多模波導區(qū)4的出口端分別與輸出波導1、2、3相接。
上述單模輸出波導2由錐形波導部分7和直波導部分8組成，其中錐形波導部分7的一端與多模波導區(qū)4的出口端相接，另一端與直波導部分8相接。
上述多模波導區(qū)4為多模干涉區(qū)，且其上設有兩個折射率改變區(qū)5、6。
上述折射率改變區(qū)5、6可分別獨立運作，也可以同時運作。本實施例中，圖1b所示9是兩個輸入波導A、B之間的間距，10和11分別是輸出波導2、3以及1、2之間的最近間距，12和13分別是輸出波導1、2以及2、3之間的直波導段之間的間距。本實施例中，兩個單模輸入波導A、B和三個單模輸入波導1、2、3的寬度均為6μm。兩個單模輸入波導A、B的長度為1000μm，間距9是18μm。單模輸出波導(2)的錐形波導部分7的長度為2000μm，始端和末端的寬度分別為12μm和6μm，單模輸出波導(2)的直波導部分(8)的長度為1500μm。輸出波導1、3的長度都是3500μm。輸出波導1、2以及2、3之間的最近間距11、10均為3μm，輸出波導1、2以及2、3之間的直波導段之間的間距12、13均為6μm。多模干涉區(qū)4為多模波導，寬度30μm，長度9500μm。兩個折射率改變區(qū)5、6在光傳播方向上分別位于多模干涉區(qū)4的1/2及3/4處，在垂直光傳播方向上分別位于多模干涉區(qū)的左側(cè)和右側(cè)，如圖1所示，長度和寬度分別為260μm和15μm。所有波導的厚度均為2.6μm，刻蝕深度為1.0μm。器件的總長度為1.4cm。
上述單模輸入波導A、B及單模輸出波導1、2、3都是脊形波導。
上述多模波導區(qū)4中的折射率改變區(qū)5、6可以是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)；也可以是通過光照改變其折射率的光注入?yún)^(qū)；或是在器件工作過程中通過熱光效應、聲光效應等外界因素改變其材料折射率的區(qū)域。本實施例中，多模波導區(qū)4的折射率改變區(qū)是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)。
上述光波導的截面包括有襯底14、導波層15、覆蓋層20，導波層15、覆蓋層20依次覆蓋在襯底14上。
上述導波層15可以是對近紅外光透明的光電子材料。上述襯底14、覆蓋層20可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料。本實施例中，導波層15是SiGe材料，襯底14是Si材料、覆蓋層20是SiO2材料。
上述折射率改變區(qū)5、6的導波層15中有p型摻雜區(qū)16和n型摻雜區(qū)18，兩個金屬電極17、19分別設在p型摻雜區(qū)16和n型摻雜區(qū)18的上方。
本發(fā)明實施例在設計時，襯底14為p型Si材料，摻雜濃度2×1016cm-3，導波層15為p型SiGe材料，摻雜濃度2×1016cm-3。p型摻雜區(qū)16和n型摻雜區(qū)18的摻雜濃度均為1×1018cm-3。
圖3為本發(fā)明在使用時的模擬結果的示例圖，模擬設計所用的波長為λ＝1550nm，結果如下(1)如果光信號只從輸入端口A輸入，在折射率改變區(qū)5、6沒有施加偏壓時，光信號將會從輸出端口3輸出；只在折射率改變區(qū)5施加偏壓時，光信號將被調(diào)節(jié)到輸出端口1輸出，在折射率改變區(qū)5、6同時施加偏壓時，光信號將會被調(diào)節(jié)到輸出端口2輸出，分別如圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)所示。
(2)如果光信號只從輸入端口B輸入，在折射率改變區(qū)5、6沒有施加偏壓時，光信號將會從輸出端口1輸出；在折射率改變區(qū)5施加偏壓時，光信號將被調(diào)節(jié)到輸出端口3輸出，在折射率改變區(qū)5、6同時施加偏壓時，光信號將會被調(diào)節(jié)到輸出端口2輸出，分別如圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)所示。
(3)如果光信號從輸入端口A、B同時輸入，在折射率改變區(qū)5、6沒有施加偏壓時，從輸入端口A、B輸入的光信號將會分別從輸出端口3、1輸出，在折射率改變區(qū)5施加偏壓時，從輸入端口A、B輸入的光信號將會分別從輸出端口1、3輸出，在折射率改變區(qū)5、6同時施加偏壓時，從輸入端口A、B輸入的光信號將會被耦合在一起并從輸出端口2輸出，分別如圖3(g)、圖3(h)和圖3(i)所示。
在本發(fā)明實施例中，折射率改變區(qū)5、6所施加的正向偏壓均為1V。2×3光波導開關的平均消光比為27dB，插入損耗約2.0dB。
權利要求
1.一種基于多模干涉原理的2×3光波導開關，其特征在于包括有兩個單模輸入波導(A)、(B)、三個單模輸出波導(1)、(2)、(3)及多模波導區(qū)(4)，其中多模波導區(qū)(4)設置在輸入波導(A)、(B)與輸出波導(1)、(2)、(3)之間，多模波導區(qū)(4)的入口端與輸入波導(A)、(B)相接，多模波導區(qū)(4)的出口端分別與輸出波導(1)、(2)、(3)相接。
2.根據(jù)權利要求1所述的2×3光波導開關，其特征在于上述單模輸出波導(2)由錐形波導部分(7)和直波導部分(8)組成，其中錐形波導部分(7)的一端與多模波導區(qū)(4)的出口端相接，另一端與直波導部分(8)相接。
3.根據(jù)權利要求1所述的2×3光波導開關，其特征在于上述多模波導區(qū)(4)為多模干涉區(qū)，且其上設有兩個折射率改變區(qū)(5)、(6)。
4.根據(jù)權利要求3所述的2×3光波導開關，其特征在于上述折射率改變區(qū)(5)、(6)可分別獨立運作，也可以同時運作。
5.根據(jù)權利要求4所述的2×3光波導開關，其特征在于上述多模波導區(qū)(4)中的折射率改變區(qū)(5)、(6)可以是靠pn結通過外加正向偏壓控制的載流子注入?yún)^(qū)；也可以是通過光照改變其折射率的光注入?yún)^(qū)；或是在器件工作過程中通過熱光效應、聲光效應等外界因素改變其材料折射率的區(qū)域。
6.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的2×3光波導開關，其特征在于上述單模輸入波導(A)、(B)和單模輸出波導(1)、(2)、(3)都是脊形波導。
7.根據(jù)權利要求6所述的2×3光波導開關，其特征在于上述光波導的截面包括有襯底(14)、導波層(15)、覆蓋層(20)，導波層(15)、覆蓋層(20)依次覆蓋在襯底(14)上。
8.根據(jù)權利要求7所述的2×3光波導開關，其特征在于上述折射率改變區(qū)(5)、(6)所在的導波層(15)中有p型或n型摻雜區(qū)(18)和其旁邊的n型或p型摻雜區(qū)(16)，兩個金屬電極(19)、(17)分別設在其上方。
9.根據(jù)權利要求7所述的2×3光波導開關，其特征在于上述導波層(15)可以是對光通信波長透明的光電子材料；上述襯底(14)、覆蓋層(20)可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料。
10.根據(jù)權利要求9所述的2×3光波導開關，其特征在于上述對近紅外光透明的光電子材料可以是Si基上的Si、SiGe等IV族材料，GaAs基和InP基上的III-V族化合物半導體材料，或者是有機聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多模干涉原理、結構單元為2×3的光波導開關。包括有兩個單模輸入波導、三個單模輸出波導及多模波導區(qū)，其中多模波導區(qū)設置在輸入波導與輸出波導之間，多模波導區(qū)的入口端與輸入波導相接，多模波導區(qū)的出口端分別與輸出波導相接。多模波導區(qū)是一個多模干涉區(qū)，其上設有兩個折射率可改變的區(qū)域。本發(fā)明可以把從任意一個端口輸入的光信號分別從三個輸出端口輸出，也可以把從兩個輸入端口同時輸入的光信號耦合到中間一個輸出端口輸出，或者調(diào)節(jié)到除中間的一個輸出端口以外的任意兩個輸出端口輸出。此外，本發(fā)明可在一個芯片上實現(xiàn)單片集成，其制作工藝簡單，與現(xiàn)行的集成電路兼容，可廣泛用于全光通信、光纖到戶等網(wǎng)絡和系統(tǒng)中。
文檔編號G02B6/122GK1707294SQ20051003472
公開日2005年12月14日 申請日期2005年5月23日 優(yōu)先權日2005年5月23日
發(fā)明者李寶軍, 陳志文, 李章健 申請人:中山大學