[發明專利]一種集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列及其方法

無效

• 申請號: 200610011657.3
• 申請日: 2006-04-13
• 公開（公告）號: CN101055338A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 陳少武;李艷萍;余金中
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02B6/35
• 分類號: G02B6/35;G02B6/136;H04J14/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 段成云

技術領域

本發明涉及信息光電子技術領域，特別是一種既可以采用小尺寸光波導縮小光開關芯片尺寸，又可通過集成式三維光場模班變換器實現小尺寸光波導和標準單模光纖之間高效率耦合的集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列。

背景技術

密集波分復用(DWDM)技術是解決寬帶、大容量光纖網絡通信的一種有效方法。光開關陣列是構造DWDM系統中光上/下載路(OADM)和光交叉互連(OXC)功能模塊的關鍵部件。由于波導光開關具有響應速度快、低功耗、制作工藝簡單、可集成性好、無活動部件可靠性高等優點，而成為光開關陣列的重要發展方向。目前日本NTT公司采用二氧化硅技術的熱光開關陣列已經投入商用。SOI(Silicon?on?Insulator，絕緣襯底上的硅)光開關比二氧化硅光開關具備更快的響應速度潛力、更好的CMOS工藝兼容性和OEIC集成性，將成為新一代光開關的首選技術。

一個N×N光開關陣列是由若干個2×2光開關單元通過連接波導連接成矩陣結構而構成的，所以光開關陣列也叫做光開關矩陣。SOI波導光開關由于要實現波導的單模工作，以及較大的波導橫截面尺寸而有利于光纖耦合，單模波導的形狀采取大橫截面脊形波導結構(其橫截面尺寸和單模光纖尺寸相當)。這樣的大橫截面脊形波導在彎曲半徑很小時存在很大的彎曲輻射損耗，采用較大的彎曲半徑雖然能降低波導彎曲輻射損耗，但器件長度將大大增加。過于長的光開關芯片首先是不利于加工(因為涉及到大面積波導刻蝕工藝均勻性的問題)，其次是給芯片后續封裝帶來困難。采用較大的彎曲半徑的另一弊端是，較大的彎曲半徑波導之間的交叉角很小。而波導之間因交叉引起的信道串擾是隨交叉角的減小而迅速增大的。較小彎曲半徑的交叉波導雖然可以獲得較大的交叉角，但小彎曲波導的彎曲輻射損耗又很嚴重。為了改善上述情況，可采用小橫截面脊形波導(其橫截面尺寸遠小于單模光纖尺寸)來構造光開關陣列，因為小橫截面脊形波導可以在保證低彎曲輻射損耗的情況下具有較小的波導彎曲半徑和較大的波導交叉角。但小橫截面脊形波導同光纖之間由于模場失配嚴重，其耦合效率很低。由以上分析可知，采用小橫截面脊形波導構造光開關陣列的情況下，縮小光開關陣列芯片尺寸和提高輸入/輸出波導同光纖的耦合效率是一對不可調和的矛盾，在實際制作中只能折中考慮。因此，為了從根本上解決問題，必須設計出一種新的光開光陣列耦合結構。

發明內容

本發明的目的在于提出一種既可以采用小尺寸光波導縮小光開關芯片尺寸，又可通過集成式三維光場模班變換器實現小尺寸光波導和標準單模光纖之間高效率耦合的新型波導光開關陣列耦合結構設計及其制備方法。這種集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列具有較短的芯片尺寸、較高的光纖耦合效率、簡單的光纖耦合工藝、較快的開關速度、低廉的封裝成本。

根據上述目的，提出了一種集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列，該光開關陣列是在SOI材料或者其它任何具有導波性能的光學材料上用常規CMOS工藝經過光刻、刻蝕、PECVD淀積/氧化制膜等工藝步驟制成的。光開關陣列是由一組輸入波導、一組輸出波導以及若干個2×2光開關單元在芯片上按一定空間位置分級排列組合而成的，各2×2光開關單元之間通過連接波導相互連接。在傳統的光開關陣列中，輸入/輸出波導為普通的脊形或條形波導，為了增大同光纖的耦合效率，輸入/輸出波導至多采用二維錐形結構，即輸入/輸出波導在平行于芯片平面內呈錐形逐漸過渡，而在垂直于芯片平面內尺寸沒有任何變化，這種二維模斑變換波導結構的光纖耦合效率不高。本發明提出的一種集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列，是用兩步刻蝕工藝，直接在輸入波導和輸出波導上制作三維錐形光場模斑變換器，通過三維錐形光場模斑變換器在輸入端將標準單模光纖的光場壓縮耦合到小橫截面輸入光波導中，在輸出端再將小橫截面輸出光波導的光場擴大耦合到標準單模光纖中。從而達到既可以采用小尺寸光波導縮小光開關芯片尺寸，又可通過集成式三維光場模班變換器實現小尺寸光波導和標準單模光纖之間高效率耦合的目的。

一種集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列，該波導光開關陣列包括：

輸入/輸出光波導；

在各輸入/輸出光波導上集成的三維光場模斑變換器；

各級2×2光開關單元；

各級2×2光開關單元之間的連接光波導。

所述的集成有光場模斑變換器的波導光開關陣列，小尺寸的輸入/輸出波導和標準單模光纖之間的高效率耦合是通過集成在輸入/輸出波導上的光場模斑變換器實現的。