專利名稱：一種可調(diào)變光學(xué)衰減器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)變光學(xué)衰減器及其制作方法，屬于光學(xué)通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可調(diào)變光學(xué)衰減器(VOA)在光通信傳輸系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，其主要功能是用來減弱或控制光信號(hào)。光通信傳輸系統(tǒng)的最基本的特性應(yīng)該是可調(diào)，特別是隨著DWDM (密集波分復(fù)用)傳輸系統(tǒng)和EDFA (摻餌光纖放大器)在光通信中的應(yīng)用，在多個(gè)光信號(hào)傳輸通道上必須進(jìn)行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要進(jìn)行動(dòng)態(tài)飽和的控制，另外，在光傳輸過程中還需要對(duì)其它信號(hào)進(jìn)行控制，這些都使得VOA陣列成為其中不可或缺的關(guān)鍵器件。當(dāng)前，世界上有多種制造可調(diào)變光學(xué)衰減器(VOA)的技術(shù)，包括微機(jī)電(MEMS)技術(shù)、液晶技術(shù)、磁光技術(shù)等，這些不僅需要傳統(tǒng)光學(xué)方式的校準(zhǔn)，有些還包含機(jī)械移動(dòng)部分， 因此制作和應(yīng)用都比較復(fù)雜，而且產(chǎn)品尺寸大，不利于集成。隨著DWDM系統(tǒng)的發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)可靈活升級(jí)的可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)的潛在的巨大需求，越來越需要通道數(shù)多而體積小的可調(diào)變光學(xué)衰減器陣列?；谄矫婀獠▽?dǎo)(PLC)技術(shù)的可調(diào)變光學(xué)衰減器陣列，是利用半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝設(shè)備，在同一個(gè)襯底上制造多個(gè)光學(xué)衰減器器件構(gòu)成，具有體積小、易集成、可靠性高、價(jià)格便宜、適于大規(guī)模生產(chǎn)等眾多特點(diǎn)。當(dāng)前世界上幾種主要的PLC技術(shù)平臺(tái)包括用聚合材料(polymers)制造光波導(dǎo)，用光學(xué)晶體材料制造光波導(dǎo)，和在硅片上生長(zhǎng)二氧化硅(silica-on-silicon)制造光波導(dǎo)等三種技術(shù)手段，用聚合材料(即透明高分子材料)制成的光波導(dǎo)器件有造價(jià)低，選材的靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，而且當(dāng)用熱光效應(yīng)來控光的時(shí)候，電功耗小。但由于聚合材料的光學(xué)損耗較大，用它制成的光學(xué)器件目前不被工業(yè)界接受；用光學(xué)晶體制成的光波導(dǎo)器件具有高速度的優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高、損耗大；目前最為工業(yè)界接受的較為成熟的技術(shù)平臺(tái)是硅片上長(zhǎng)二氧化娃(silica-on-silicon)的方法。Silica-on-si 1 icon技術(shù)平臺(tái)是在硅晶圓片上長(zhǎng)出二氧化硅的下包層、波導(dǎo)芯，雖然挪用的是半導(dǎo)體工業(yè)中已經(jīng)成熟的離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝(PECVD)，但在硅晶圓上生長(zhǎng)二氧化硅不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且造價(jià)高，另外，由于是兩種不同的材料，形成的器件應(yīng)力相對(duì)較大，器件的偏振相關(guān)損耗(PDL)也較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可調(diào)變光學(xué)衰減器及其制作方法。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下
一種可調(diào)變光學(xué)衰減器，包括二氧化硅襯底，所述二氧化硅襯底上設(shè)有外部二氧化硅上包層，所述外部二氧化硅上包層內(nèi)部設(shè)有凹槽，所述外部二氧化硅上包層與凹槽之間設(shè)有側(cè)溝槽，所述側(cè)溝槽內(nèi)充滿熱光材料，所述外部二氧化硅上包層、側(cè)溝槽、凹槽的上部覆有封帽，所述凹槽底部設(shè)有波導(dǎo)芯，所述波導(dǎo)芯上部設(shè)有內(nèi)部二氧化硅上包層，所述封帽內(nèi)部與內(nèi)部二氧化硅上包層相接處設(shè)有金屬電極。一種制作上述可調(diào)變光學(xué)衰減器的方法，選用二氧化硅為襯底；在二氧化硅襯底上直接生長(zhǎng)波導(dǎo)芯，將多余的摻雜芯層腐蝕掉，留下的部分作為波導(dǎo)芯；然后在二氧化硅襯底上形成一層完全覆蓋波導(dǎo)芯的內(nèi)部二氧化硅上包層，在內(nèi)部二氧化硅上包層的上表面設(shè)置金屬電極，其位置正對(duì)波導(dǎo)芯；將波導(dǎo)芯兩側(cè)的上包層分別腐蝕掉，形成兩個(gè)側(cè)溝槽；在側(cè)溝槽內(nèi)充滿聚合物熱光材料；最后將整個(gè)器件的表面設(shè)置一層封帽將所有元件封閉在一起。作為優(yōu)選，所述外部二氧化硅上包層、內(nèi)部二氧化硅上包層與二氧化硅襯底折射率相同。作為優(yōu)選，所述波導(dǎo)芯為摻雜的二氧化硅?，F(xiàn)有的平面光波導(dǎo)對(duì)光的傳輸是基于波導(dǎo)芯和包層之間的光折射率差，通過物理上的光學(xué)全反射來實(shí)現(xiàn)的，光學(xué)全反射發(fā)生在波導(dǎo)芯和包層界面上的要求是波導(dǎo)芯的光折射率大于包層折射率，這樣保證了光波通過全反射限制在波導(dǎo)芯內(nèi)。而實(shí)際情況是，即使在全反射情況下，并不是所有能量都被限制在波導(dǎo)芯內(nèi)，有一部分光會(huì)圍繞波導(dǎo)芯在包層中傳輸，稱為瞬逝波，這部分光能與波導(dǎo)芯和包層的折射率有關(guān)。波導(dǎo)芯為摻雜的二氧化硅，其折射率高于包層，如此形成弱波導(dǎo)傳播模式，使得光信號(hào)主要在波導(dǎo)芯內(nèi)傳輸，類似于光在光纖中傳播的原理。側(cè)溝槽內(nèi)的熱光材料為聚合物， 在常溫下，其折射率與波導(dǎo)芯折射率相同，當(dāng)受熱后，該聚合物的折射率將會(huì)發(fā)生改變，上升或是下降至與包層折射率相同。由于聚合物熱光系數(shù)遠(yuǎn)大于二氧化硅，故任何固態(tài)或是液體聚合物均可以作為熱光材料，我們采用的是液態(tài)聚合物(光學(xué)玻璃測(cè)試用的折射率油層)。當(dāng)其與包層折射率接近或是相同時(shí)，光信號(hào)將在波導(dǎo)芯中正常傳輸，無衰減；當(dāng)聚合物折射率與波導(dǎo)芯折射率接近或是相同時(shí)，波導(dǎo)芯中的光信號(hào)將會(huì)完全泄露到聚合物中，從而使波導(dǎo)芯中輸出的光強(qiáng)接近為零；通過改變電極的電流加熱，進(jìn)而改變聚合物的折射率， 使得當(dāng)聚合物折射率在包層折射率與波導(dǎo)芯折射率之間變化時(shí)，輸出光信號(hào)亦在全透過和最大衰減值中變化，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的可調(diào)變控制。本發(fā)明通過金屬電極給側(cè)溝槽內(nèi)的熱光材料加熱，使之折射率發(fā)生改變，從而影響波導(dǎo)芯中光信號(hào)的傳輸，進(jìn)而控制輸出光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)光學(xué)衰減。因此，本發(fā)明沒有任何機(jī)械移動(dòng)部分，不需要傳統(tǒng)光學(xué)方式的校準(zhǔn)，大大簡(jiǎn)化和降低了工藝制作；另外，本發(fā)明省去了傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝先在硅襯底上生長(zhǎng)二氧化硅下包層的步驟，在二氧化硅襯底上直接生長(zhǎng)出波導(dǎo)芯，減去了二氧化硅下包層的生長(zhǎng)時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的生長(zhǎng)周期，降低了產(chǎn)品成本；另外，由于襯底和下包層為同種材料，消除了襯底對(duì)器件的應(yīng)力影響，有效地降低了器件的偏振相關(guān)損耗；此外，本發(fā)明是基于平面光波導(dǎo)的器件，可在同一個(gè)襯底上排列多個(gè)器件構(gòu)成陣列，集成度高、生產(chǎn)成本低、重復(fù)性和可靠性高，具有與其他平面光學(xué)芯片進(jìn)行更高度集成的能力。通過在二氧化硅襯底上直接生長(zhǎng)出波導(dǎo)芯，不僅減去了二氧化硅下包層的生長(zhǎng)時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的生長(zhǎng)周期，而且降低了產(chǎn)品成本；另外，由于襯底和下包層為同種材料，消除了襯底對(duì)器件的應(yīng)力影響，有效地降低了器件的偏振相關(guān)損耗；通過在同一襯底上排列多個(gè)器件構(gòu)成VOA陣列，達(dá)到高的集成度。


附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的橫截面示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的制造流程圖3為光強(qiáng)衰減隨波導(dǎo)芯與側(cè)溝槽中聚合物折射率差值的變化曲線圖。1—二氧化硅襯底；2——波導(dǎo)芯；3——外部二氧化硅上包層；4——金屬電極； 5——側(cè)溝槽；6——封帽，7-內(nèi)部二氧化硅上包層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1中，側(cè)溝槽5位于波導(dǎo)芯2的兩側(cè)，其中充滿聚合物熱光材料，其折射率會(huì)隨著溫度變化而變化。當(dāng)側(cè)溝槽5內(nèi)聚合物折射率與包層折射率相似或相同時(shí)，光信號(hào)主要沿波導(dǎo)芯2從輸入端傳到輸出端，無衰減；當(dāng)側(cè)溝槽5內(nèi)聚合物折射率與波導(dǎo)芯2折射率接近或相同時(shí)，波導(dǎo)芯2中的光將會(huì)大部分泄露到側(cè)溝槽5中，使得輸出端的光強(qiáng)大為降低， 甚至為零。通過金屬電極4對(duì)側(cè)溝槽5內(nèi)的熱光材料加熱，可以控制側(cè)溝槽5內(nèi)的熱光材料的折射率在波導(dǎo)芯2、包層折射率之間變化，從而達(dá)到控制輸出光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)光學(xué)衰減的目的，圖3為光強(qiáng)衰減隨波導(dǎo)芯2與側(cè)溝槽5中聚合物折射率差值的變化曲線圖。具體的工藝流程圖如圖2所示選用二氧化硅為襯底；在二氧化硅襯底1上直接生長(zhǎng)波導(dǎo)芯2，波導(dǎo)芯2為摻雜的二氧化硅，折射率略高于襯底，將多余的摻雜芯層腐蝕掉， 留下具有一定形狀的部分作為波導(dǎo)芯2 ；然后在二氧化硅襯底1上形成一層能完全覆蓋波導(dǎo)芯2的內(nèi)部二氧化硅上包層7，其折射率與二氧化硅襯底1相同；在內(nèi)部二氧化硅上包層 7的上表面設(shè)置金屬電極4，其位置正對(duì)波導(dǎo)芯2 ；將波導(dǎo)芯2兩側(cè)的上包層分別腐蝕掉，形成兩個(gè)側(cè)溝槽5 ；在側(cè)溝槽5內(nèi)充滿聚合物熱光材料；最后將整個(gè)器件的表面設(shè)置一層封帽 6，將所有元件封閉在一起，形成一個(gè)光學(xué)衰減器；將多個(gè)光學(xué)衰減器集成在同一個(gè)二氧化硅襯底上構(gòu)成可調(diào)變光學(xué)衰減器陣列。最后應(yīng)說明的是以上所述僅為說明本發(fā)明的實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)變光學(xué)衰減器，包括二氧化硅襯底，其特征在于所述二氧化硅襯底上設(shè)有外部二氧化硅上包層，所述外部二氧化硅上包層內(nèi)部設(shè)有凹槽，所述外部二氧化硅上包層與凹槽之間設(shè)有側(cè)溝槽，所述側(cè)溝槽內(nèi)充滿熱光材料，所述外部二氧化硅上包層、側(cè)溝槽、凹槽的上部覆有封帽，所述凹槽底部設(shè)有波導(dǎo)芯，所述波導(dǎo)芯上部設(shè)有內(nèi)部二氧化硅上包層，所述封帽內(nèi)部與內(nèi)部二氧化硅上包層相接處設(shè)有金屬電極。
2.一種制作上述可調(diào)變光學(xué)衰減器的方法，其特征在于選用二氧化硅為襯底；在二氧化硅襯底上直接生長(zhǎng)波導(dǎo)芯，將多余的摻雜芯層腐蝕掉，留下的部分作為波導(dǎo)芯；然后在二氧化硅襯底上形成一層完全覆蓋波導(dǎo)芯的內(nèi)部二氧化硅上包層，在內(nèi)部二氧化硅上包層的上表面設(shè)置金屬電極，其位置正對(duì)波導(dǎo)芯；將波導(dǎo)芯兩側(cè)的上包層分別腐蝕掉，形成兩個(gè)側(cè)溝槽；在側(cè)溝槽內(nèi)充滿聚合物熱光材料；最后將整個(gè)器件的表面設(shè)置一層封帽將所有元件封閉在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)變光學(xué)衰減器，其特征在于所述外部二氧化硅上包層、內(nèi)部二氧化硅上包層與二氧化硅襯底折射率相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)變光學(xué)衰減器，其特征在于所述波導(dǎo)芯為摻雜的二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明為一種可調(diào)變光學(xué)衰減器及其制作方法，屬于光學(xué)通信領(lǐng)域，其包括二氧化硅襯底及設(shè)于其上的外部二氧化硅上包層，外部二氧化硅上包層內(nèi)部設(shè)有凹槽，外部二氧化硅上包層與凹槽之間設(shè)有側(cè)溝槽，側(cè)溝槽內(nèi)充滿熱光材料，外部二氧化硅上包層、側(cè)溝槽、凹槽的上部覆有封帽，凹槽底部設(shè)有波導(dǎo)芯，波導(dǎo)芯上部設(shè)有內(nèi)部二氧化硅上包層，所述封帽內(nèi)部與內(nèi)部二氧化硅上包層相接處設(shè)有金屬電極。通過在二氧化硅襯底上直接生長(zhǎng)出波導(dǎo)芯，不僅減去了二氧化硅下包層的生長(zhǎng)時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的生長(zhǎng)周期，而且降低了產(chǎn)品成本；另外，由于襯底和下包層為同種材料，消除了襯底對(duì)器件的應(yīng)力影響，有效地降低了器件的偏振相關(guān)損耗。
文檔編號(hào)G02B6/13GK102385175SQ20111035276
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者孫麥可, 宋齊望 申請(qǐng)人:孫其琴