一種波導(dǎo)熱光開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。具體地說，涉及一種波導(dǎo)熱光開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]與機械光開關(guān)、液晶光開關(guān)、MEMS光開關(guān)等現(xiàn)有光開關(guān)相比，波導(dǎo)光開關(guān)由于沒有機械移動部件，在可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。在波導(dǎo)光開關(guān)中，熱光開關(guān)具有體積小、工藝簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。波導(dǎo)熱光開關(guān)在光通信、光計算、光傳感等領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景，在保護通信網(wǎng)絡(luò)、檢測通信網(wǎng)絡(luò)和檢測光學(xué)器件中都有重要應(yīng)用，尤其是在光通信系統(tǒng)中，光開關(guān)是光分插復(fù)用器和光交叉連接器的重要組成部分。響應(yīng)時間和功耗是波導(dǎo)熱光開關(guān)的主要性能指標(biāo)。現(xiàn)有的波導(dǎo)熱光開關(guān)主要有兩種，分別是3102型和全聚合物型，兩者皆以導(dǎo)熱系數(shù)較大的Si材料為襯底。由于S12材料熱光系數(shù)較小，Si02型波導(dǎo)功耗較大，但其插入損耗較小?？煽啃暂^高、穩(wěn)定性較好。由于聚合物材料具有較大的熱光系數(shù)，因此全聚合物型熱光開關(guān)功耗較小，但其插入損耗較大、可靠性較低、穩(wěn)定性較差。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中有一種有機/無機混合結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)，如圖1所示，利用聚合物材料SU_8(—種基于環(huán)氧樹脂的負型紫外光刻膠)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別作為芯層和上包層、無機材料S12作為下包層、Si材料作為襯底。該熱光開關(guān)兼具低的功耗和快的響應(yīng)速度，但是由于它只是在垂直于波導(dǎo)平面的縱向上進行有機無機混合，使得插入損耗很大、可靠性低、穩(wěn)定性差。此外，由于封裝時該熱光開關(guān)器件要和光纖耦合對準(zhǔn)，聚合物和光纖材料Si02的熱膨脹系數(shù)和應(yīng)力條件都不同，因此很難通過反復(fù)的高低溫測試。而且波導(dǎo)端面的研磨和拋光質(zhì)量也不如Si02材料，并且從生產(chǎn)制造的角度看，如果芯層都用聚合物，產(chǎn)品良率很難提高上去，且同一晶圓上制作出的各個器件之間的性能指標(biāo)也有較大波動，即性能不穩(wěn)定。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]為此，本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于現(xiàn)有有機/無機混合結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)插入損耗很大、可靠性低、穩(wěn)定性差，從而提出一種插入損耗低、可靠性和穩(wěn)定性高的波導(dǎo)熱光開關(guān)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了如下技術(shù)方案:
[0006]—種波導(dǎo)熱光開關(guān)，依次包括襯底、下包層、上包層和加熱電極，沿著波導(dǎo)熱光開關(guān)的長度方向依次分為輸入波導(dǎo)區(qū)、第一分束及合束區(qū)、熱光調(diào)制區(qū)、第二分束及合束區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)，在下包層和上包層之間具有沿波導(dǎo)熱光開關(guān)長度方向穿設(shè)于上包層內(nèi)的兩根波導(dǎo)芯。
[0007]優(yōu)選地，波導(dǎo)芯的橫截面為方形，其寬度和高度均為5?8 μ m。
[0008]優(yōu)選地，輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)的長度均為0.5?3_，第一分束及合束區(qū)和第二分束及合束區(qū)均分別分為耦合區(qū)和過渡區(qū)，且各自耦合區(qū)的長度均為1000?1300 μπκ各自過渡區(qū)的長度均為I?3mm，熱光調(diào)制區(qū)的長度為5?10mm。
[0009]優(yōu)選地，第一分束及合束區(qū)和第二分束及合束區(qū)中的耦合區(qū)的兩根波導(dǎo)芯的間距為5?10 μπι，熱光調(diào)制區(qū)、輸入波導(dǎo)區(qū)和輸出波導(dǎo)區(qū)中兩根波導(dǎo)芯的間距相等且為40?60 μ mD
[0010]優(yōu)選地，加熱電極的長度為5?10mm、寬度為5?10 μπι、厚度為80?120nm。
[0011]優(yōu)選地，上包層的厚度為I?3 μm，下包層的厚度為2?5 μπι。
[0012]優(yōu)選地，第一分束及合束區(qū)和第二分束及合束區(qū)中的過渡區(qū)的波導(dǎo)芯均為S型彎曲的。
[0013]本實用新型的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:
[0014]本實施例提供的波導(dǎo)熱光開關(guān)，在波導(dǎo)平面上進行了橫向的有機無機混合集成。與在波導(dǎo)芯層都用摻雜Si02材料的熱光開關(guān)相比，這種結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)驅(qū)動功率非常小；與在波導(dǎo)芯層都用聚合物材料的熱光開關(guān)相比，這種結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)不僅在插入損耗、可靠性、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)上得到了非常大的改善，而且其后續(xù)封裝工藝也會和現(xiàn)有主流封裝工藝相兼容，而不用增加額外的研發(fā)投入，可有效降低生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0015]圖1現(xiàn)有技術(shù)中的一種有機/無機混合結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)的橫截面示意圖；
[0016]圖2是本實用新型實施例1的一種波導(dǎo)熱光開關(guān)中波導(dǎo)芯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是本實用新型實施例1的一種波導(dǎo)熱光開關(guān)的橫截面示意圖；
[0018]圖4是本實用新型實施例2的一種制作出了摻雜S12材料的波導(dǎo)芯部分的波導(dǎo)熱光開關(guān)半成品結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖5是本實用新型實施例2的一種制作出了整個波導(dǎo)芯部分的波導(dǎo)熱光開關(guān)半成品結(jié)構(gòu)不意圖。
[0020]圖中附圖標(biāo)記表不為:1_襯底、2_下包層、3_上包層、4_波導(dǎo)芯、5_加熱電極、6-輸入波導(dǎo)區(qū)、7-第一分束及合束區(qū)、8-熱光調(diào)制區(qū)、9-第二分束及合束區(qū)、10-輸出波導(dǎo)區(qū)
【具體實施方式】
[0021]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型的內(nèi)容，下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型所提供的技術(shù)方案作進一步的詳細描述。
[0022]實施例1
[0023]如圖2和3所示，本實施例提供了一種波導(dǎo)熱光開關(guān)，依次包括襯底1、下包層2、上包層3和加熱電極5，下包層2為S12材料，上包層3為聚合物材料，沿著波導(dǎo)熱光開關(guān)長度方向依次分為輸入波導(dǎo)區(qū)6、第一分束及合束區(qū)7、熱光調(diào)制區(qū)8、第二分束及合束區(qū)9和輸出波導(dǎo)區(qū)10，在下包層2和上包層3之間具有沿波導(dǎo)熱光開關(guān)的長度方向穿設(shè)于上包層3內(nèi)的兩根波導(dǎo)芯4，熱光調(diào)制區(qū)8的波導(dǎo)芯4的材料為聚合物，其他區(qū)的波導(dǎo)芯4的材料為摻雜S12材料。
[0024]具體地，下包層2采用的S12材料，其在1550nm波長下的折射率為1.45、體振幅衰減系數(shù)為0，導(dǎo)熱系數(shù)為1.4W.Κ 1 -m 1O由于其導(dǎo)熱系數(shù)較大，這將加快波導(dǎo)芯4中的熱量散失，從而可以縮短器件的響應(yīng)時間。
[0025]本實施例提供的波導(dǎo)熱光開關(guān)，在波導(dǎo)平面上進行了橫向的有機無機混合集成，這不僅會使器件的插入損耗、可靠性、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)得到提高，而且其后續(xù)封裝工藝也會和現(xiàn)有主流封裝工藝相兼容，而不用增加額外的研發(fā)投入。
[0026]優(yōu)選地，波導(dǎo)芯4的橫截面為方形，其寬度和高度均為5?8 μπι，上包層3的厚度為I?3 μm，下包層2的厚度為2?5 μπι。進一步優(yōu)選地，波導(dǎo)芯4的寬度和高度都為6 μπι,上包層3厚度為2 μπι，下包層2厚度為3 μπι，該參數(shù)完全符合現(xiàn)在主流封裝技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)，而且可以保證波導(dǎo)的單模傳輸。
[0027]優(yōu)選地，波導(dǎo)芯4中的摻雜S12材料為鍺摻雜S1 2材料，其在1550nm波長下的折射率為1.46。
[0028]具體地，熱光調(diào)制區(qū)8的波導(dǎo)芯4中的聚合物材料優(yōu)選紫外聚合式氟化聚合物材料，其損耗低、成膜性好、具有超高熱光系數(shù)，熱光系數(shù)具體可高達200-300ppm.K \而普通的S12材料為1ppm.K \從而可以大大地降低器件功耗。該種聚合物材料的折射率通過摻雜處理可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整。本實施例中為了減小在兩種材料界面處產(chǎn)生的回波損耗，通過調(diào)整使得該聚合物材料與波導(dǎo)芯4中的摻雜Si02材料在相同波長下的折射率相等。
[0029]優(yōu)選地，上包層3的聚合物材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚二甲基硅氧烷材料在1550nm波長下的折射率為1.403?1.405、體振幅衰減系數(shù)為2.8dB/cm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.134?0.159W-K1-1ii1O由于聚二甲基硅氧烷材料和波導(dǎo)芯4材料之間的折射率差較大，因此消逝場在聚二甲基硅氧烷上包層3中的穿透深度較小，以至于用較薄的上包層3就可以將光場能量很好地限制在光波導(dǎo)芯中，這將加快加熱電極5產(chǎn)生的熱量從上包層3向波導(dǎo)芯4的傳導(dǎo)速率并降低熱場分布梯度，從而可以縮短器件的響應(yīng)時間并降低器件的功耗。另外，這種聚合物材料價格低廉、穩(wěn)定性好，有突出的耐老化性、良好的絕緣性和機械強度，還具有良好的光學(xué)特性和成膜特性。
[0030]具體地，輸入波導(dǎo)區(qū)6和輸出波導(dǎo)區(qū)10的長度LI均為0.5?3mm，第一分束及合束區(qū)7和第二分束及合束區(qū)9均分別分為耦合區(qū)和過渡區(qū)，且各自耦合區(qū)的長度L3均為1000?1300 μπι、各自過渡區(qū)的長度L2均為I?3mm，熱光調(diào)制區(qū)8的長度L為5?10mm。第一分束及合束區(qū)7和第二分束及合束區(qū)9中的過渡區(qū)的波導(dǎo)芯4均為S型彎曲的，以降低損耗。第一分束及合束區(qū)7和第二分束及合束區(qū)9中的耦合區(qū)兩根波導(dǎo)芯4的間距d2為5?10 μ m，熱光調(diào)制區(qū)8、輸入波導(dǎo)區(qū)6和輸出波導(dǎo)區(qū)10中兩根波導(dǎo)芯4的間距dl相等且均為40?60 μ m。
[0031]另外，本實施例提供的該波導(dǎo)熱光開關(guān)中的設(shè)置于熱光調(diào)制區(qū)8上的加熱電極5采用鋁材料，其在1550nm波長下的折射率為1.44、體振幅衰減系數(shù)為16.0dB/cm。且，該加熱電極5的長度為5?10mm、寬度為5?10 μπκ厚度為80?120nm。襯底I采用Si材料，其在1550nm波長下的折射率為3.45，導(dǎo)熱系數(shù)為163W.K 1.m \可視為良好的熱沉材料。
[0032]工作原理:在1550nm工作波長下，當(dāng)耦合區(qū)長度和兩根波導(dǎo)芯的間距滿足一定條件時，親合器將實現(xiàn)3dB的分波狀態(tài)和合波狀態(tài)。當(dāng)從端口 Inl輸入信號光且不在加熱電