CN101303433A - 平面光集成可重构光分插复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电集成器件技术领域。它提出了一种平面光集成可重构光分插复用器，是基于平面光波导技术，采用硅基沉积二氧化硅和溅射金属薄膜的半导体多层晶圆加工工艺和技术制作。其集成光电回路由密集光波分解复用器/复用器、光分插信道，阵列光开关、可调光衰减器和光检测器构成。该器件不但结构紧凑、集成度高、体积小，重量轻，性能稳定可靠，而且制作工艺成熟、稳定、适合大批量生产、生产效率高、成本低，适用于光通信***的长距离干线传输网、环形城域网和局域接入网，可实现***网络设备的在线升级，不中断业务扩容，组网经济，配置灵活。

Description

平面光集成可重构光分插复用器

技术领域

本发明是一种平面光集成可重构光分插复用器(ROADM)，属于集成光电器件技术领域。

背景技术

光分插复用器是一种复合型器件，通常包括波分解复用/复用器，光开关，光衰减器和光检测器。目前已有的制造技术，大致可分为分立微光元件技术、微机电***(MEMS)技术及平面光波导(PLC)技术等。分立微光元件通常体积较大，由单件分立微光元件复合后制成的光分插复用器损耗较大，生产成本较高。而采用微机电***和平面光波导技术制造的光分插复用器适合光路的集成化和模块化发展的需要，可以实现缩小体积、降低成本、提高集成度和大批量生产的目标。虽然微机电***的光分插复用器也可以实现小型化和集成化，但存在运动部件，其稳定性和可靠性不如平面光波导器件。采用平面光波导技术制造的可重构光分插复用器工艺日趋成熟、性能稳定可靠。如电路向集成化发展成为电路集成芯片一样，光路也正在走向集成化，发展成为光路集成芯片，并在此基础上进一步实现光电一体化和模块化。

现有的光分插复用器大部分都是由分立微光元件复合制成的，其分插频率或波长是固定的，其信道不能根据通信***的要求进行重组，属于不可重构型的光分插复用器，换言之，不同分插频率或波长的光信号需要配上不同光路结构的光分插复用器，因此其实用性和经济性受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成度高、体积小、重量轻、性能稳定可靠控制灵活方便的可重构型光分插复用器，其分插频率或波长可根据通信***的要求随时进行转换和控制，适用于密集波分复用光通信***的长距离干线传输网、环形城域网和局域接入网，可实现***网络设备的在线升级，不中断业务扩容，***配置灵活，组网经济。

本发明的方案是设计一个多层晶圆结构，其光波导采用硅基沉积二氧化硅的化学气相沉积半导体加工技术和工艺制作，波导光芯沉积在硅基晶圆上，并置于折射率和厚度都不同于波导光芯的二氧化硅衬垫和覆盖包层中，其衬垫和覆盖包层的折射率略小于光芯的折射率，厚度则是波导光芯的三到五倍；加热和导电金属薄膜层采用溅射工艺制作；防金属氧化保护层的制作采用化学气相沉积工艺；隔热槽和光电二极管芯片嵌入槽采用深度化学蚀刻工艺制成。在光电回路结构上，将可重构光分插复用器设计成一个多功能复合型的模块器件，集成了包括密集波分解复用器/复用器光路、分插信道光路，阵列光开关光路、可调光衰减器和光检测器光电回路。

本发明与现有技术比较具有如下优点：

1采用多层晶圆半导体加工技术和工艺制作的可重构光分插复用器，克服了现有分立微光体块元器件在生产工艺和器件性能上存在的稳定性和可靠性问题，提高了器件的生产效率和性能。采用平面波导工艺制作的器件不但集成度高、体积小，重量轻、损耗小，而且适合大批量生产、成本低。

2采用平板波导和平面阵列波导结构设计的波分解复用/复用器的多信道光路是并联的，其***损耗小，可实现密集频率或波长信号的分插复用功能。由传统分立微光体块元器件构成的波分解复用/复用器的信道光路是串联的，由于其***损耗大，无法实现多信道密集频率或波长信号的分插复用功能。

3采用2×2拓扑结构光耦合器构成的阵列光开关集成光路，可根据电子控制***的指令，转换或重组光信号的传输信道。

4采用带导电和加热层结构设计的马赫-曾德干涉仪构成可调光衰减器集成光电回路，利用波导光芯二氧化硅材料的热光效应，通过电子控制电路，可灵活方便地调节输出光信号的强度，调节精度高，性能稳定可靠且无运动部件。

5采用深度蚀刻技术加工制成的隔热槽，可隔离衰减器上、下光支路之间的热传导以及多路信道之间的交叉热传导，提高了衰减器的调节深度，减小了可调光衰减器多路信道间的串扰。

6采用深度蚀刻技术加工制成的光电二极管芯片嵌入槽，可将光电二极管芯片集成电路镶嵌在集成光路中，将光信号转换成电信号，使集成模块器件结构更加紧凑，可进一步提高器件的集成度，减小光检测回路的损耗。

7采用镶嵌在嵌入槽中的光电二极管芯片集成电路和光耦合器采样光路构成的光检测器，线性度好、检测精度高、速度快，并可作为可调光衰减器的自动反馈控制信号。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是本发明多层晶圆结构截面示意图。

图2是本发明可重构光分插复用器结构示意图。

图中1波导光芯：    二氧化硅平面光波导，传输光信号；

2衬垫：               置于光芯底部，折射率略小于光芯的二氧化硅衬垫；

3硅基晶圆             半导体硅基材，作为晶圆芯片加工的衬底；

4覆盖包层：           置于光芯上部，折射率略小于光芯的二氧化硅覆盖层；

5加热层：             作为薄膜加热器，材料为钨、铬或铂等金属；

6导电层：             作为薄膜导电电路，材料为金、铜或铝等金属；

7保护层：             防金属氧化的薄膜保护层；

8深度蚀刻槽：         作为隔热槽或光电二极管芯片嵌入槽；

9主信道输入端：       主信道密集波分解复用器的输入端；

10主信道输出端：      主信道密集波分复用器的输出端；

11波分解复用器：      作为主信道输入信号的分解器；

12波分复用器：        作为主信道输出信号的合成器；

13分插信道输入端：    分插信道***信号的输入端；

14分插信道输出端：    分插信道导出信号的输出端：

15阵列光开关：        可根据不同分插频率或波长，转换信号通道

16可调光衰减器：      调节分插信道输出光信号的强度；

17可调光衰减器：      调节主信道输出光信号的强度；

18光信号耦合器：      可获得分插信道光检测器的取样信号；

19光信号耦合器：      可获得主信道光检测器的取样信号；

20光电二极管：        将分插信道光检测的光信号转换成电信号；

21光电二极管：        将主信道光检测的光信号转换成电信号。

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明的具体实施方式：

本发明的加工工艺是采用硅基沉积二氧化硅和溅射金属薄膜的多层晶圆半导体加工技术和工艺，如图1所示，由波导光芯(1)、衬垫(2)、硅基晶圆(3)、覆盖包层(4)、加热层(5)、导电层(6)、保护层(7)和深度蚀刻槽(8)构成，其工艺步骤为：第一步，采用化学气相沉积法，在硅基晶圆(3)上，沉积衬垫(2)和波导光芯(1)；第二步，利用反应离子刻蚀技术形成所设计的平面波导光路；第三步，在衬垫(2)和波导光芯(1)的上，再沉积二氧化硅覆盖包层(4)；第四步，在光芯覆盖包层上采用金属薄膜溅射工艺生成加热层(5)和导电层(6)；第五步，采用化学气相沉积工艺生成金属薄膜防氧化保护层(7)；第六步，深度蚀刻槽(8)的加工采用化学蚀刻工艺，制成隔热槽和光电二极管芯片嵌入槽；第七步，经过高温退火和高压处理后，完成晶圆的加工；第八步，晶圆切割，裸片抛光打磨；第九步，完成芯片的封装。其中波导光芯(1)二氧化硅材料的折射率略大于衬垫(2)和覆盖包层(4)二氧化硅材料的折射率，而衬垫(2)和覆盖包层(4)的厚度是波导光芯(1)厚度的3至5倍，以保证光信号在波导光芯中传输。薄膜加热层(5)采用电阻率较高的钨、铬或铂等电热金属材料；薄膜导电层(6)则采用电导率较高的铜、金或铝等金属电导材料；防金属氧化薄膜保护层(8)的材料是氮化硅，以保护金属加热和导电薄膜，防止被氧化；深度蚀刻层(8)的化学蚀刻深入至硅基晶圆(3)，形成隔热槽和光电二极管芯片嵌入槽。

本发明集多个光电器件为一体，来实现光信号的分插复用功能，其核心部分包括：密集波分解复用/复用器、可调光衰减器、阵列光开关和光检测器。采用平板波导和平面阵列波导构成的密集波分解复用器(11)和复用器(12)可实现多路密集频率或波长信号的分解和合成；采用多路光耦合器构成的阵列光开关(15)，可转换或重组光信号的传输信道；采用马赫-曾德干涉仪构成可调光衰减器(16、17)，通过电子控制***，利用热光效，可控制光输出信号的强度；采用光信号耦合器(18、19)和光电二极管(20、21)构成光检测器，可检测光的强度，并作为可调光衰减器的反馈控制信号。

光分插复用器的光信号分为二路：一路是主信道信号，另一路是分插信道信号，主信道信号可以从分插信道中取出，分插信道信号也可以进入主信道。如图2所示，主信道信号从主信道输入端(9)进入波分解复用器(11)，将频率或波长不同的单路主信道光信号分解成多路光信号，然后通过阵列光开关(15)，根据要求，控制光信号使其留在主信道中或进入分插信道。留在主信道中的信号，通过主信道的可调光衰减器(17)调整信号强度，并经由主信道的光信号耦合器(19)和主信道的光电二极管(21)组成的光检测器检测后，输送至波分复用器(12)，并与其他频率或波长的主信道信号合而为一，经主信道输出端(10)输出；而进入分插信道的信号，则通过分插信道的可调光衰减器(16)调整光信号的强度，并经由分插信道的光信号耦合器(18)和分插信道的光电二极管(20)组成的光检测器检测后直接从分插信道输出端(14)输出。如图2所示，分插信道信号从分插信道输入端(13)进入，通过阵列光开关(15)，根据要求，控制光信号使其留在分插信道中或进入主信道。留在分插信道中的信号，通过分插信道的可调光衰减器(16)调整信号强度，并经由分插信道的光信号耦合器(18)和分插信道的光电二极管(20)组成的光检测器检测后直接从分插信道输出端(14)输出；而进入主信道的信号，则通过主信道的可调光衰减器(17)调整光信号的强度，并经由主信道的光信号耦合器(19)和主信道的光电二极管(21)组成的光检测器检测后，传送至波分复用器(12)，并与其他频率或波长的主信道信号合而为一，经主信道输出端(10)输出。

Claims (10)

1.平面光集成可重构光分插复用器，由光电多层晶圆结构组成，包括硅基、衬垫、波导光芯、覆盖包层、加热层、导电层、保护层、隔热槽和嵌入槽，其特征在于：硅基晶圆上沉积折射率及厚度不同的二氧化硅衬垫、波导光芯和覆盖包层，构成平面光波导；在平面光波导上面溅射金属薄膜加热层和导电层；金属薄膜上面沉积防氧化保护层；以深度蚀刻槽作为隔热槽和光电二极管芯片嵌入槽；可重构光分插复用器的集成光电回路由密集波分解复用/复用器光路、分插信道光路、阵列光开关光路、可调光衰减器和光检测器光电回路构成。

2.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：波导光芯沉积在硅基晶圆上，并置于折射率和厚度都不同于波导光芯的衬垫和覆盖包层中构成平面光波导；其衬垫和覆盖包层的折射率略小于波导光芯的折射率；而衬垫和覆盖包层的厚度则是波导光芯厚度的三到五倍。

3.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：加热和导电金属薄膜层溅射在平面光波导上面；导电薄膜层选用电导率较高的金、铜或铝等金属或合金材料；加热薄膜层选用电阻率较高的钨、铬或铂等金属或合金材料。

4.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：防止金属氧化的氮化硅薄膜保护层沉积在加热和导电金属薄膜层之上。

5.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：隔热槽蚀刻在光路信道之间；光电二极管芯片镶嵌在光路检测信道上的嵌入槽内。

6.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：主信道的密集波分解复用/复用器由平板波导和平面阵列波导集成光路构成。

7.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：分插信道由带多路输入/输出端口的集成光路构成。

8.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：阵列光开关由一组2×2拓扑结构的光耦合器集成光路构成。

9.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：可调光衰减器由马赫-曾德干涉仪集成光路构成，其上、下臂的光支路上覆盖导电和加热层。

10.按权利要求1所述的可重构光分插复用器，其特征在于：光检测器由光耦合器取样集成光路和镶嵌在嵌入槽中的光电二极管芯片集成电路构成。

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