一種基于平面波導(dǎo)的光開關(guān)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平面波導(dǎo)的光開關(guān)及其制造方法，屬于光纖通信設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光傳送網(wǎng)(OTN)是當(dāng)前全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，光聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)將依賴于新一代光開關(guān)、波分復(fù)用器、光衰減器和光放大器等元器件的進展。新一代器件的特征將是它們在光域性能的提高和多功能的集成。其中光開關(guān)是實現(xiàn)光傳輸路徑變換的關(guān)鍵器件，被廣泛應(yīng)用于光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接器(OXC)、光分插復(fù)用器(OADM)、光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、器件測試及自愈保護等方面。
[0003]實現(xiàn)光開關(guān)的技術(shù)方案很多，除了傳統(tǒng)的機械式光開關(guān)外，還有磁光開關(guān)，M-Z型干涉式光開關(guān)，熱光開關(guān)，聲光開關(guān)，液晶開關(guān)，MEMS開關(guān)等。不同的實現(xiàn)原理和工藝特點使其在性能指標(biāo)上各不相同，如插損(IL)、串?dāng)_(Crosstalk)、偏振相關(guān)度(PDL)、波長相關(guān)度(WDL)、溫度相關(guān)性(TDL)、重復(fù)性等等上的差異導(dǎo)致各自應(yīng)用方式不同。
[0004]熱光開關(guān)利用熱光效應(yīng)對光場的調(diào)制可用于制造小型的如I X 2光開關(guān)。通過集成多個1X2光開關(guān)也可組成較大的陣列。干涉式熱光開關(guān)主要利用M-Z干涉原理，在兩個波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達(dá)到開關(guān)的目的。干涉式熱光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，串?dāng)_較低，功耗較小，可以與AWG集成在一起組成0ADM，從而被廣泛應(yīng)用。但是普通干涉熱光開關(guān)存在波長敏感性的問題，當(dāng)傳輸?shù)膸挶容^寬時，不同波長經(jīng)過這類型光開關(guān)產(chǎn)生的相位差不一致，這樣導(dǎo)致不是所有波長都在M-Z干涉儀的第二個臂上進行精確的控制開和關(guān)，如果波長帶寬較寬時，就會出現(xiàn)不同波導(dǎo)分支之間串?dāng)_，降低器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明就是針對上述問題，本發(fā)明是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于系統(tǒng)集成，可以同時解決現(xiàn)有光開關(guān)的波長敏感性和溫度敏感性問題的一種基于平面波導(dǎo)的光開關(guān)及其制造方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案，一種基于平面波導(dǎo)的光開關(guān)包括平面襯底和設(shè)置在平面襯底上的M-Z干涉儀，其結(jié)構(gòu)要點在于M-Z干涉儀包括入射波導(dǎo)、3dB耦合器、出射波導(dǎo)和并聯(lián)在兩個3dB耦合器之間的主波導(dǎo)、分支波導(dǎo)，主波導(dǎo)表面設(shè)置有金屬加熱器，主波導(dǎo)包括兩種熱光色散系數(shù)材料組成兩個波導(dǎo)分支。
[0007]作為本發(fā)明的進一步改進，主波導(dǎo)的兩個波導(dǎo)分支由含兩種熱光系數(shù)的波導(dǎo)材料構(gòu)成。
[0008]本發(fā)明的另一個目的是提供一種基于平面波導(dǎo)的光開關(guān)的制造方法，包括如下步驟:
1.確定主波導(dǎo)和分支波導(dǎo)纖芯長度；
2.用化學(xué)氣相淀積工藝(CVD)，在硅片上生長一層S12,其中摻雜磷、硼離子，作為主波導(dǎo)、分支波導(dǎo)和3dB耦合器的下包層；
3.用CVD工藝，在下包層上再生長一層S12，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜鍺離子，獲得需要的折射率差；
4.通過退火硬化工藝，使下包層和波導(dǎo)芯層S12變得致密均勻；
5.進行光刻，將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護起來；
6.根據(jù)步驟I計算出的結(jié)論，通過采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝，將非波導(dǎo)區(qū)域刻蝕掉，同時刻蝕耦合器并在主波導(dǎo)上刻蝕出聚合物芯層的凹槽控制主波導(dǎo)的兩個波導(dǎo)分支和分支波導(dǎo)的長度;在凹槽內(nèi)注入主波導(dǎo)聚合物芯層材料；
7.在主波導(dǎo)、分支波導(dǎo)和3dB耦合器上旋涂并熱固化低折射率聚合物上包層材料形成一個整體；
8.在主波導(dǎo)上制作加熱器并引出加熱導(dǎo)線。
[0009]步驟(2)下包層可為S12,其中摻雜磷、硼離子。
[0010]步驟(2)下包層可為材料為玻璃或鈮酸鋰基底。
[0011 ]步驟(3)為S12，作為波導(dǎo)芯層，其中摻雜鍺離子。
[0012]發(fā)明的有益效果
本發(fā)明采用在平面襯底上設(shè)置入射波導(dǎo)、3dB耦合器、出射波導(dǎo)和并聯(lián)的主波導(dǎo)、分支波導(dǎo);結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于系統(tǒng)集成；由于主波導(dǎo)采用了兩種熱光色散系數(shù)的材料，在主波導(dǎo)加熱時，使得不同波長光經(jīng)過主波導(dǎo)后實現(xiàn)和分支波導(dǎo)保持固定的相位差，再經(jīng)第二個3dB耦合器進行耦合干涉，使得光最終分別經(jīng)兩條出射波導(dǎo)輸出，從而實現(xiàn)到達(dá)所有波長同步進行開關(guān)控制的目的，解決了波長的敏感性和溫度敏感性問題，更適用于波長帶寬較寬情況。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明包括平面襯底110和在平面襯底110上制作干涉儀100，M-Z干涉儀100包括入射波導(dǎo)101，出射波導(dǎo)106、107，2個3dB耦合器102、105，主波導(dǎo)103和分支波導(dǎo)104并聯(lián)在2個3dB耦合器102，105之間；主波導(dǎo)103的兩個波導(dǎo)分支103A、103C是由兩種熱光系數(shù)的波導(dǎo)材料構(gòu)成，主波導(dǎo)103上面覆蓋金屬加熱器103B。主波導(dǎo)103的兩個波導(dǎo)分支103A、103C由含兩種熱光系數(shù)的波導(dǎo)材料構(gòu)成。工作時，入射光通過入射波導(dǎo)101通過第一個3dB耦合器102將光分到主波導(dǎo)103的兩個波導(dǎo)分支103A、103C和分支波導(dǎo)104中；它們的熱光色散系數(shù)存在偏差。主波導(dǎo)103的一個波導(dǎo)分支103A和分支波導(dǎo)104在正常的工作狀態(tài)下有相同的傳輸光程;通過對主波導(dǎo)103的加熱器103B進行加熱，使得波導(dǎo)材料折射率變化，引起兩個波導(dǎo)分支103A、103C的相位差發(fā)生半波長變化，再經(jīng)第二個3dB耦合器105進行耦合干涉，使得光最終進入不同的出射波導(dǎo)106、107中；即通過控制主波導(dǎo)103的溫度，實現(xiàn)溫度不敏感性和波長不敏感性。當(dāng)光程差相等時，輸出光從出射波導(dǎo)106輸出；程差為半波長時，光從出射波導(dǎo)107輸出。
[0015]下面具體分析本發(fā)明對溫度不敏感性和波長不敏感性: 設(shè)定參數(shù)如下:
主波導(dǎo)103的波導(dǎo)分支103A長度為LI，折射率為nl，熱光系數(shù)為Al，熱光色散系數(shù)為BI ； 主波導(dǎo)103的波導(dǎo)分支103C的長度為L2，折射率為n2，熱光折射為A2，熱光色散系數(shù)為
B2；
分支波導(dǎo)104的長度為L3，折射率為n3，熱光折射為Al，熱光色散系數(shù)為BI。
[0016]1、溫度不敏感性分析 1.1常溫時，主波導(dǎo)103的分支波導(dǎo)1034的光程為1^1*111+1^*112 分支波導(dǎo)104的光程為1^3*113
當(dāng)二者光程相等時，輸出光從出射波導(dǎo)106輸出；
1.2當(dāng)整體溫度上升Δ Tl時:
主波導(dǎo) 103A, 103C的光程為Ll*(nl+ Δ T1*A1)+L2*(n2+ Δ Τ1*Α2)
分支波導(dǎo)104的光程為1^3*(113+ Δ Τ1*Α3)
如果滿足條件:L3*(n3+ Δ Tl*A3)=Ll*(nl+ Δ T1*A1)+L2*(n2+ Δ T1*A2)(1)
輸出光從出射波導(dǎo)106輸出；
當(dāng)主波導(dǎo)103的溫度上升到Δ T2時，
分支波導(dǎo)104的溫度不變，分支波導(dǎo)104的光程為L3*(n3+Δ Τ1*Α3)
主波導(dǎo)的光程為Ll*(nl+( Δ Tl+ Δ T2)*Al)+L2*(n2+( Δ Tl+ Δ Τ2)*Α2)
與溫升前的光程差相差為:LI* Δ T2*A1+L2* Δ Τ2*Α2
如