[发明专利]一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及信息光电子技术领域，特别是一种既可以采用小尺寸光波导缩小光开关芯片尺寸，又可通过集成式三维光场模班变换器实现小尺寸光波导和标准单模光纤之间高效率耦合的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列。

背景技术

密集波分复用(DWDM)技术是解决宽带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。光开关阵列是构造DWDM系统中光上/下载路(OADM)和光交叉互连(OXC)功能模块的关键部件。由于波导光开关具有响应速度快、低功耗、制作工艺简单、可集成性好、无活动部件可靠性高等优点，而成为光开关阵列的重要发展方向。目前日本NTT公司采用二氧化硅技术的热光开关阵列已经投入商用。SOI(Silicon on Insulator，绝缘衬底上的硅)光开关比二氧化硅光开关具备更快的响应速度潜力、更好的CMOS工艺兼容性和OEIC集成性，将成为新一代光开关的首选技术。

一个N×N光开关阵列是由若干个2×2光开关单元通过连接波导连接成矩阵结构而构成的，所以光开关阵列也叫做光开关矩阵。SOI波导光开关由于要实现波导的单模工作，以及较大的波导横截面尺寸而有利于光纤耦合，单模波导的形状采取大横截面脊形波导结构(其横截面尺寸和单模光纤尺寸相当)。这样的大横截面脊形波导在弯曲半径很小时存在很大的弯曲辐射损耗，采用较大的弯曲半径虽然能降低波导弯曲辐射损耗，但器件长度将大大增加。过于长的光开关芯片首先是不利于加工(因为涉及到大面积波导刻蚀工艺均匀性的问题)，其次是给芯片后续封装带来困难。采用较大的弯曲半径的另一弊端是，较大的弯曲半径波导之间的交叉角很小。而波导之间因交叉引起的信道串扰是随交叉角的减小而迅速增大的。较小弯曲半径的交叉波导虽然可以获得较大的交叉角，但小弯曲波导的弯曲辐射损耗又很严重。为了改善上述情况，可采用小横截面脊形波导(其横截面尺寸远小于单模光纤尺寸)来构造光开关阵列，因为小横截面脊形波导可以在保证低弯曲辐射损耗的情况下具有较小的波导弯曲半径和较大的波导交叉角。但小横截面脊形波导同光纤之间由于模场失配严重，其耦合效率很低。由以上分析可知，采用小横截面脊形波导构造光开关阵列的情况下，缩小光开关阵列芯片尺寸和提高输入/输出波导同光纤的耦合效率是一对不可调和的矛盾，在实际制作中只能折中考虑。因此，为了从根本上解决问题，必须设计出一种新的光开光阵列耦合结构。

发明内容

本发明的目的在于提出一种既可以采用小尺寸光波导缩小光开关芯片尺寸，又可通过集成式三维光场模班变换器实现小尺寸光波导和标准单模光纤之间高效率耦合的新型波导光开关阵列耦合结构设计及其制备方法。这种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列具有较短的芯片尺寸、较高的光纤耦合效率、简单的光纤耦合工艺、较快的开关速度、低廉的封装成本。

根据上述目的，提出了一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，该光开关阵列是在SOI材料或者其它任何具有导波性能的光学材料上用常规CMOS工艺经过光刻、刻蚀、PECVD淀积/氧化制膜等工艺步骤制成的。光开关阵列是由一组输入波导、一组输出波导以及若干个2×2光开关单元在芯片上按一定空间位置分级排列组合而成的，各2×2光开关单元之间通过连接波导相互连接。在传统的光开关阵列中，输入/输出波导为普通的脊形或条形波导，为了增大同光纤的耦合效率，输入/输出波导至多采用二维锥形结构，即输入/输出波导在平行于芯片平面内呈锥形逐渐过渡，而在垂直于芯片平面内尺寸没有任何变化，这种二维模斑变换波导结构的光纤耦合效率不高。本发明提出的一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，是用两步刻蚀工艺，直接在输入波导和输出波导上制作三维锥形光场模斑变换器，通过三维锥形光场模斑变换器在输入端将标准单模光纤的光场压缩耦合到小横截面输入光波导中，在输出端再将小横截面输出光波导的光场扩大耦合到标准单模光纤中。从而达到既可以采用小尺寸光波导缩小光开关芯片尺寸，又可通过集成式三维光场模班变换器实现小尺寸光波导和标准单模光纤之间高效率耦合的目的。

一种集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，该波导光开关阵列包括：

输入/输出光波导；

在各输入/输出光波导上集成的三维光场模斑变换器；

各级2×2光开关单元；

各级2×2光开关单元之间的连接光波导。

所述的集成有光场模斑变换器的波导光开关阵列，小尺寸的输入/输出波导和标准单模光纤之间的高效率耦合是通过集成在输入/输出波导上的光场模斑变换器实现的。