專利名稱：超高指數(shù)對(duì)比度平面嚴(yán)格無(wú)阻塞高端計(jì)數(shù)交叉連接開關(guān)矩陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由超高指數(shù)對(duì)比度材料制成的高集成光波電路。本發(fā)明特別涉及光學(xué)開關(guān)陣列及其構(gòu)造方法。
背景技術(shù)：
基于交叉連接開關(guān)陣列的平面光波電路在本領(lǐng)域中是公知的。Okuno等人在ECOC，4p.83(1994)公開了一種利用了硅基平面光波電路的嚴(yán)格無(wú)阻塞16×16熱光矩陣開關(guān)。Goth等人在J.Lightwave Tech.，19，p.371(2001)公開了一種利用了在6英寸薄片上的硅基平面光波電路的低損耗、高消光系數(shù)的嚴(yán)格無(wú)阻塞16×16熱光矩陣開關(guān)。Okuno等人和Goth等人的開關(guān)陣列是基于Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)中的熱—光效應(yīng)。通過硅基片上的硅石而實(shí)現(xiàn)的開關(guān)矩陣的尺寸由在硅石中經(jīng)常產(chǎn)生的折射率對(duì)比度來(lái)限制，該對(duì)比度大約是4％左右。
Rabbering等人在Proc.ECOC 27，PD-78(2001)公開了一種利用1×2Y支路或數(shù)字光學(xué)開關(guān)結(jié)構(gòu)中的熱—光效應(yīng)的聚合16×16數(shù)字光學(xué)開關(guān)矩陣。
Eldada在Proc.SPIE 5225，49(2003)公開了一種平面聚合波導(dǎo)技術(shù)平臺(tái)，其特征在于，在熱光設(shè)備中的低損耗和高消光以及低能量消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種平面開關(guān)矩陣，包括一波導(dǎo)層和一電極層，所述波導(dǎo)層包括多個(gè)1×2Y支路熱光數(shù)字光學(xué)開關(guān)，每一個(gè)所述Y支路包括一掩埋信道波導(dǎo)，該掩埋信道波導(dǎo)顯示出的折射率對(duì)比度超過5％。
所述電極層包括多個(gè)電極，每一個(gè)電極設(shè)置在所述掩埋信道波導(dǎo)的覆層上，因此每一Y支路設(shè)置兩個(gè)電極。
本發(fā)明還提供一種用于執(zhí)行光學(xué)開關(guān)功能的方法，該方法包括(a)把一輸入光信號(hào)引向平面開關(guān)矩陣內(nèi)的第一開關(guān)；(b)依靠平面開關(guān)矩陣中的一個(gè)或多個(gè)其他開關(guān)的交叉連接順序的熱光驅(qū)動(dòng)激活和鈍化，把所述輸入信號(hào)引向一個(gè)或多個(gè)其他開關(guān)，波導(dǎo)層包括多個(gè)1×2Y支路熱光數(shù)字光學(xué)開關(guān)，每一個(gè)所述Y支路包括一掩埋信道波導(dǎo)，該掩埋信道波導(dǎo)顯示出的折射率對(duì)比度超過5％。
電極層包括多個(gè)電極，每一個(gè)電極設(shè)置在所述掩埋信道波導(dǎo)的覆層上，因此每一Y支路設(shè)置這樣兩個(gè)電極。


圖1示出了2,095,104個(gè)1×2開關(guān)的20級(jí)，其組成本發(fā)明的1024×1024的嚴(yán)格無(wú)阻塞交叉連接開關(guān)矩陣。
圖2示出了在(a)條狀(bar state)和(b)交叉狀(cross state)的30％指數(shù)對(duì)比度的的2×2MMI-基的熱-光開關(guān)。
圖3示出用來(lái)最小化芯片(chip)尺寸和在波導(dǎo)交叉中消除過量損耗的多級(jí)(multi-level)光學(xué)連接的頂視圖和側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的實(shí)施中，高達(dá)1024×1024陣列的開關(guān)矩陣通過利用高達(dá)30％的指數(shù)對(duì)比度而被仿真。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)1024×1024的光學(xué)開關(guān)矩陣被仿真，其尺寸為12×12cm2，該尺寸小得足夠在標(biāo)準(zhǔn)6‘’的硅片上具有4個(gè)這樣的矩陣。
在本發(fā)明中，在掩埋信道結(jié)構(gòu)中提供至少5％最好為30％的指數(shù)對(duì)比度，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)模式的超高限制以及超小的曲率半徑。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，使用具有30％的折射率對(duì)比度的聚合材料，以形成掩埋信道波導(dǎo)，其是本發(fā)明的開關(guān)的平面光波電路元件的構(gòu)造的關(guān)鍵所在。由于利用熱—光效應(yīng)用于達(dá)到光學(xué)開關(guān)的目的需要在波導(dǎo)的表面上沉積電子，所以，與氣體覆層(air-clad)相比，僅適于在掩埋信道波導(dǎo)的表面上沉積。
基于作為最小建構(gòu)模塊的1×2熱—光的Y支路數(shù)字光學(xué)開關(guān)的用于開關(guān)矩陣的一般布局是，遞歸樹(Recursive Tree)結(jié)構(gòu)(RTS)。使用該結(jié)構(gòu)是因?yàn)槠渚哂锌山邮艿慕徊娼牵约八膳c基于數(shù)字光學(xué)開關(guān)的開關(guān)及其組合部件一起使用的兼容性。
本發(fā)明提供一種RTS N×N設(shè)計(jì)(其中N＝2n)。以2n級(jí)設(shè)置2N(N-1)個(gè)1×2開關(guān)，所述級(jí)與2n-1個(gè)光學(xué)互連級(jí)相連接。在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，附圖1中所示的1024×1024＝210×210RTS的設(shè)計(jì)包括以2×10＝20級(jí)設(shè)置的2×1024×1023＝2,095,104個(gè)1×2開關(guān)，所述級(jí)與2×10-1＝19個(gè)光互連級(jí)相連接。這表示大概2百萬(wàn)個(gè)1×2開關(guān)的陣列與4,190,208個(gè)S彎曲互連，以提供嚴(yán)格無(wú)阻塞連接性，所述彎曲在6,816,768個(gè)位置交叉。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知，圖1的陣列中的插入損失和串?dāng)_將取決于給定的光信號(hào)流過的通路，這是因?yàn)橥ㄟ^矩陣的不同通路具有不同的長(zhǎng)度和不同數(shù)量的交叉。最小的損失和最小的串?dāng)_與1-1和1024-1024相關(guān)聯(lián)，這些是最短的通路而且不包括任何交叉。1-1024和1024-1，其是具有3,047個(gè)交叉口的最長(zhǎng)的路徑，被認(rèn)為將呈現(xiàn)更大的插入損失和更多的串?dāng)_。
在N×N開關(guān)的內(nèi)容中描述的本發(fā)明，可廣泛應(yīng)用于Man開關(guān)，其中M和N是兩個(gè)獨(dú)立的整數(shù)。
設(shè)計(jì)本發(fā)明的開關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)基于使用(I)直波導(dǎo)，(ii)彎曲，(iii)交叉，以及(iv)1×2Y支路熱-光數(shù)字光學(xué)開關(guān)。當(dāng)這些構(gòu)建部件被單獨(dú)特征化和優(yōu)化時(shí)，眾所周知的疊加原理能被用于精確地預(yù)測(cè)整個(gè)開關(guān)電路的性能。
所述目的是，獲取具有整體顯示出如下特征的開關(guān)矩陣在1550nm波長(zhǎng)上的0.01到0.2dB/cm范圍內(nèi)的插入損失，在-40到-60dB范圍內(nèi)的串?dāng)_限制，以及20到50mW每加熱器的熱-光開關(guān)的能量損耗。
為達(dá)到上述目的，在本發(fā)明的實(shí)踐中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以很方便的使用分析的束傳播方法(BPM-Beam PropTM)和薄膜模式匹配(FMM-FirmwareTM)方法來(lái)模擬單獨(dú)構(gòu)建的模塊。源于使用這些模型的設(shè)計(jì)規(guī)則由表1所示。
表1

本發(fā)明的開關(guān)矩陣包括一波導(dǎo)層和一電極層。表1中的設(shè)計(jì)規(guī)則限定出本發(fā)明的開關(guān)矩陣的波導(dǎo)層參數(shù)。電極層提供用于開關(guān)的熱-光作用的局部加熱。根據(jù)本發(fā)明，每一個(gè)數(shù)字光學(xué)開關(guān)(1×2Y-支路)設(shè)有兩個(gè)加熱器，每個(gè)加熱器具有兩個(gè)連接。單獨(dú)連接到每個(gè)加熱器將需要4,190,210接合基座，包括兩個(gè)接地。通過使用凹槽，可在不喪失功能性的情況下串行化所有開關(guān)級(jí)，從而減少了該數(shù)量。因此，開關(guān)矩陣的電部分包括1,048,578個(gè)信號(hào)連接以及兩個(gè)共用接地。需要對(duì)電極引線定路線的空間的結(jié)果是，中間連線級(jí)需要被延伸，其中電極引線連接加熱器和接合基座。
在本發(fā)明的另一個(gè)更優(yōu)選實(shí)施例的構(gòu)造中，1024×1024開關(guān)矩陣尺寸為1×210cm2，在相鄰開關(guān)之間備有空氣槽，以進(jìn)一步限制光以及允許波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被更緊密地結(jié)合。在該實(shí)施例中，所用的交叉角大于37°，彎曲半徑大于10μm，以及所有的1,048,576個(gè)開關(guān)級(jí)可以以相同驅(qū)動(dòng)能量獨(dú)立地被定址。
在本發(fā)明的另一更優(yōu)選實(shí)施例中，每一個(gè)基于2×2Y-支路的開關(guān)被一2×2多模式干擾(MMI)開關(guān)(參見圖2)替換，以及開關(guān)子矩陣被錯(cuò)列以減小芯片的長(zhǎng)度。結(jié)果是，產(chǎn)生尺寸為4.2×6.3cm2的1024×1024開關(guān)矩陣，其允許四個(gè)這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)裝在標(biāo)準(zhǔn)6‘’的硅片上。
在當(dāng)前發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，多級(jí)光連接被用來(lái)(參見圖3)減小芯片的尺寸并在波導(dǎo)交叉點(diǎn)消除額外損失。
本發(fā)明的開關(guān)矩陣的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)本領(lǐng)域公知的任何方法實(shí)現(xiàn)。適合的方法包括掩模光刻技術(shù)、相掩模.光刻技術(shù)、激光直接記錄，以及電子束直接記錄，但是不限制在上述方法中。優(yōu)選使用受激準(zhǔn)分子激光器切除或電子束直接記錄以及隨后的電抗鐵蝕刻來(lái)構(gòu)成槽。
本發(fā)明的另一目的是一種用于執(zhí)行光開關(guān)功能的方法。在本發(fā)明的方法中，將一輸入光信號(hào)與在本發(fā)明的平面開關(guān)矩陣中的第一開關(guān)耦合。在本發(fā)明的實(shí)施中，矩陣中的其他開關(guān)通過使用熱-光效應(yīng)設(shè)置成“開”或“關(guān)”，以產(chǎn)生輸入信號(hào)通過開關(guān)矩陣從開關(guān)到開關(guān)的并通過期望的開關(guān)輸出的期望“通路”。
本發(fā)明不限定在一個(gè)本發(fā)明中使用的特殊類型的材料，而是可以在構(gòu)造過程中具有不同的折射率和相互兼容性。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在熱-光控制波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中使用有機(jī)聚合物。有機(jī)聚合物具有大的熱-光系數(shù)是眾所周知的。低折射率的聚合物適于用作本發(fā)明實(shí)施例中的覆層，聚合物包括四氟乙烯和4，5-二氟-2，2-二(三氟甲基)-1，3-間二氧雜環(huán)戊烯(在1550nm具有1.28的折射率)以及聚六氟丙化烯(在1550nm具有1.32的折射率)的共聚物，但不限定在上述聚合物內(nèi)。適于用作本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中的芯的高折射率的聚合物包括聚苯乙烯(在1550nm具有1.59的折射率)、聚碳酸酯(在1550nm具有1.59的折射率)、聚(鄰-氯苯乙烯)(在1550nm具有1.61的折射率)、聚酰胺-酰亞胺(在1550nm具有1.64的折射率)，以及聚乙烯(9-乙烯基咔唑)(在1550nm具有1.68的折射率)，但不限定在上述聚合物內(nèi)。
本發(fā)明人進(jìn)一步試圖使用無(wú)機(jī)波導(dǎo)材料，其在折射率上表現(xiàn)出大的差別。所述材料包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中氮化硅用作波導(dǎo)芯以及二氧化氮用作覆層。這兩種材料具有大約30％的指數(shù)對(duì)比度。波導(dǎo)的特性通過調(diào)節(jié)在給定應(yīng)用中的最佳性能的指數(shù)對(duì)比度而而被具體地定制。通過形成芯成分，很容易實(shí)現(xiàn)指數(shù)對(duì)比度的值低于30％，其中該芯成分是氮化硅和二氧化硅的混合物，這是一種公知的氧氮化硅材料。
設(shè)備構(gòu)成優(yōu)選的構(gòu)成方法包括，使用兩種感光性液體單體，CL和CO，以形成光波導(dǎo)。CL被用作波導(dǎo)覆層以及CO被用作波導(dǎo)芯。CL的折射率比CO的折射率低。設(shè)備建構(gòu)順序如下所示-將CL旋轉(zhuǎn)涂敷在硅晶片上。
-通過表面暴露在紫外光燈下來(lái)固化CL，使得整個(gè)層聚合以及固化。
-在固化的CL的頂端旋轉(zhuǎn)涂敷CO。
-通過具有光波導(dǎo)圖案的光掩膜，將CO暴露在紫外光燈下。
-用有機(jī)溶劑形成CO，留下作為波導(dǎo)芯的自立式結(jié)構(gòu)。
-將CL旋轉(zhuǎn)涂敷在晶片上的固化的CL/CO的頂部。
-通過表面暴露在紫外光燈下處理CL，使得整個(gè)層聚合以及固化，產(chǎn)生掩埋信道波導(dǎo)，在該波導(dǎo)中CO芯被CL充分環(huán)繞。
-通過噴射將金屬沉淀在聚合物上。
-利用光刻技術(shù)圖案化該金屬，以及形成加熱器和連接點(diǎn)基座和引線接合基座。
-通過電鍍對(duì)引線接合基座和電連接進(jìn)行鍍層，其中該電連接從接合基座引向加熱器。
-使用受激準(zhǔn)分子切除來(lái)打開設(shè)備之間的空氣槽，以增加在波導(dǎo)中的光限制以及減小相鄰波導(dǎo)之間的串?dāng)_。
權(quán)利要求
1.一種平面開關(guān)矩陣，包括波導(dǎo)層和電極層，所述波導(dǎo)層包括多個(gè)1×2Y支路熱光數(shù)字光學(xué)開關(guān)，每一個(gè)所述1×2Y支路包括掩埋信道波導(dǎo)，該掩埋信道波導(dǎo)具有的折射率對(duì)比度大于5％。所述電極層包括多個(gè)電極，每一個(gè)電極設(shè)置在所述掩埋信道波導(dǎo)的覆層上，因此每一Y支路設(shè)置這樣兩個(gè)電極。
2.權(quán)利要求1的平面開關(guān)矩陣，其中在相鄰的開關(guān)之間備有空氣槽。
3.權(quán)利要求1的平面開關(guān)矩陣，其中每一個(gè)基于2×2Y-支路的開關(guān)用2×2多模式干擾(MMI)開關(guān)替換。
4.權(quán)利要求1的平面開關(guān)矩陣，其中開關(guān)子矩陣交錯(cuò)。
5.權(quán)利要求1的開關(guān)矩陣，其中使用多級(jí)光學(xué)互連。
6.一種用于執(zhí)行光開關(guān)功能的方法，該方法包括(a)把輸入光信號(hào)引向平面開關(guān)矩陣內(nèi)的第一開關(guān)；(b)依靠平面開關(guān)矩陣中的一個(gè)或多個(gè)其他開關(guān)的互連順序的選擇性熱—光驅(qū)動(dòng)激活和鈍化，把所述輸入信號(hào)引向一個(gè)或多個(gè)其他開關(guān)；所述平面開關(guān)矩陣包括波導(dǎo)層和電極層，所述波導(dǎo)層包括多個(gè)1×2Y支路熱光數(shù)字光學(xué)開關(guān)，每一個(gè)所述Y支路包括掩埋信道波導(dǎo)，該掩埋信道波導(dǎo)具有的折射率對(duì)比度大于5％。所述電極層包括多個(gè)電極，每一個(gè)電極設(shè)置在所述掩埋信道波導(dǎo)的覆層上，因此每一Y支路設(shè)置這樣兩個(gè)電極。
7.權(quán)利要求6的方法，其中平面開關(guān)矩陣包括在相鄰的開關(guān)之間備有的空氣槽。
8.權(quán)利要求6的方法，其中在平面開關(guān)矩陣的每一個(gè)基于2×2Y-支路的開關(guān)用2×2多模式干擾(MMI)開關(guān)替換。
9.權(quán)利要求6的方法，其中平面開關(guān)矩陣中的開關(guān)子矩陣交錯(cuò)。
10.權(quán)利要求6的方法，其中平面開關(guān)矩陣包括多級(jí)光學(xué)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由超高指數(shù)(index)對(duì)比度材料制成的高度集成光波電路。本發(fā)明特別涉及光學(xué)開關(guān)陣列及其構(gòu)造方法。
文檔編號(hào)G02F1/29GK1651943SQ20051005185
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者L·埃爾達(dá)達(dá), F·朱尼基羅 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司