光開關的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光開關，該光開關包括：硅襯底1，用于承載整個器件結構；二氧化硅襯底2，覆蓋于硅襯底1上，用于隔離硅襯底與硅平板；硅平板3，位于二氧化硅襯底上2，用于形成二維硅光子晶體波導、多模干涉波導、續(xù)接波導；二氧化硅隔離層4，位于硅平板3上方，并填充于二維硅光子晶體波導的孔內(nèi)，用于隔離二維光子晶體波導與鈦金屬電極5，提供光隔離與電絕緣；鈦金屬平板電極5位于二氧化硅隔離層上，用于加熱二維光子晶體波導；鋁金屬平板電極6位于鈦金屬平板上，作為接觸電極。通過設計光子晶體波導結構實現(xiàn)光通信波段（波長1微米至2微米）特定波長光信號的陣列開關功能，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。
【專利說明】光開關
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微納光子器件【技術領域】，特別涉及一種光開關。
【背景技術】
[0002]光開關是片上光網(wǎng)絡的必要器件。隨著芯片集成度不斷提高，對同一芯片上集成的光開關的數(shù)量與開關陣列規(guī)模的要求不斷提高。
[0003]傳統(tǒng)的硅基光開關通常由光波導構成。近年來，基于光子晶體波導實現(xiàn)光功率調(diào)控的研究進展迅速，例如通過在光子晶體波導中引入馬赫-曾德干涉儀型雙臂結構，可以實現(xiàn)長度僅為50微米的光調(diào)制器，然而，受限于制備工藝，其動態(tài)消光比為1.2dB,對功率的改變有限。
[0004]在微納光開關設計與制備領域，為實現(xiàn)寬帶調(diào)控，通常需要進行大功率(百毫瓦量級)調(diào)控。如何增強大功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性是當前需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例提供一種光開關，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明實施例采用如下技術方案:
[0007]—種光開關,包括:
[0008]硅襯底，用于承載整個器件結構；
[0009]二氧化硅襯底，覆蓋于所述硅襯底上，用于隔離所述硅襯底與硅平板；
[0010]所述硅平板，位于所述二氧化硅襯底上，用于形成二維硅光子晶體波導、多模干涉波導、續(xù)接波導；
[0011]二氧化硅隔離層，位于所述硅平板上方，并填充于所述二維硅光子晶體波導的孔內(nèi)，用于隔離所述二維光子晶體波導與鈦金屬電極，提供光隔離與電絕緣；
[0012]所述鈦金屬平板電極，位于所述二氧化硅隔離層上，用于加熱所述二維光子晶體波導。
[0013]可選的，所述鈦金屬平板電極的左側及右側為電極連接點，所述鈦金屬平板電極的中部為發(fā)熱部分，所述發(fā)熱部分覆蓋所述二維硅光子晶體波導的光子晶體區(qū)。
[0014]可選的，所述鈦金屬電極上方覆蓋鋁金屬電極，所述鋁金屬電極厚度為300nm?I μ m0
[0015]可選的，采用電子束曝光和干法刻蝕工藝在所述硅平板上形成所述二維硅光子晶體波導、所述多模干涉波導及所述續(xù)接波導。
[0016]可選的，所述二維硅光子晶體的孔的直徑、孔的排列周期的設定方法為，在所述二維硅光子晶體中除去一行空氣孔并調(diào)節(jié)波導寬度形成直通波導，所述直通波導的寬度調(diào)節(jié)范圍為0.1ffO?3.0ffO ;在所述直通波導加入橫向?qū)ΨQ分布的縱向細槽形成雙槽波導，所述雙槽波導的槽寬調(diào)節(jié)范圍為0.1r?3r，r為空氣孔的半徑，所述雙槽波導的寬度調(diào)節(jié)范圍為0.1ffO?3.0ffO, WO=L 732a, WO為普通單行線缺陷的寬度，WO=L 732a, a為晶格周期。[0017]可選的，所述多模干涉波導用于實現(xiàn)光信號分束，所述多模干涉波導末端從不同的續(xù)接波導輸出，所述續(xù)接波導位于所述二維光子晶體波導與所述多模干涉波導的輸入端及輸出端，用以傳輸光信號，所述續(xù)接波導寬度與所述硅平板上的低群折射率波導相同。
[0018]可選的，所述二氧化硅隔離層的厚度為600nm?I μ m。
[0019]可選的，所述鈦金屬電極的厚度為IOOnm?200nm。
[0020]可選的，所述二維硅光子晶體波導形成的波導結構包括圓孔陣列，線缺陷。
[0021]可選的，所述二維硅光子晶體波導形成的波導結構具有光子帶隙效應。
[0022]基于上述技術方案，本發(fā)明實施例的光開關通過設計光子晶體波導結構，實現(xiàn)光通信波段(波長I微米至2微米)特定波長光信號的陣列開關功能，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。利用光子晶體波導的截止模式對通光損耗的調(diào)控，通過引入低群折射率耦合波導能夠降低器件的插入損耗。實現(xiàn)利用光子晶體波導的帶隙缺陷模式耦合產(chǎn)生的微帶隙對通光損耗的調(diào)控。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發(fā)明實施例1提供的一種光開關結構示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例1提供的另一種光開關結構示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實施例1提供的又一種光開關結構示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明實施例2提供的一種硅平板的結構示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明實施例2提供的一種透射譜示意圖；
[0029]圖6為本發(fā)明實施例3提供的一種硅平板的結構示意圖；
[0030]圖7為本發(fā)明實施例3提供的一種透射譜示意圖；
[0031]圖8為本發(fā)明實施例4提供的一種硅平板的結構示意圖；
[0032]圖9為本發(fā)明實施例4提供的一種透射譜示意圖。
[0033]附圖中:1為硅襯底；2為二氧化硅襯底；3為硅平板；4為二氧化硅隔離層；5為鈦金屬電極；6為鋁金屬電極；7為二維硅光子晶體波導；8為多模干涉波導；9為續(xù)接波導；10為低群折射率耦合波導。
【具體實施方式】
[0034]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0035]本發(fā)明實施例中，需要進行結構的設計，確定二維硅光子晶體的孔徑、周期以及波導的寬度，以獲得所需的傳輸譜凹陷。在硅襯底上依次生長出二氧化硅襯底層和用來形成二維硅光子晶體的光波導層。在光波導層上采用電子束曝光和干法刻蝕等工藝制作出帶有線缺陷圖形的二維硅光子晶體波導、低群折射率耦合波導與續(xù)接波導，利用等離子體增強化學氣相沉積法在表面沉淀一層二氧化硅隔離層。用光刻、蒸鍍與濕法抬離的方式制備鈦/鋁金屬電極結構。
[0036]下面結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
[0037]實施例1
[0038]如圖1所示，本實施例提供一種光開關，包括:
[0039]硅襯底I，用于承載整個器件結構；
[0040]二氧化硅襯底2，覆蓋于硅襯底I上，用于隔離硅襯底與硅平板；
[0041]硅平板3，位于二氧化硅襯底上2，用于形成二維硅光子晶體波導、多模干涉波導、續(xù)接波導；
[0042]二氧化硅隔離層4，位于硅平板3上方，并填充于二維硅光子晶體波導的孔內(nèi)，用于隔離二維光子晶體波導與鈦金屬電極5，提供光隔離與電絕緣；
[0043]鈦金屬平板電極5位于二氧化硅隔離層上，用于加熱二維光子晶體波導。
[0044]可選的，如圖2所示，鈦金屬電極上方覆蓋鋁金屬電極6，鋁金屬電極6厚度為300nm ?I μ m。
[0045]應當理解銀金屬電極6的厚度可以根據(jù)不同的場景進行調(diào)整，例如300nm?400nm、4:00nm ?500nm、500nm ?600nm、G00nm ?700nm、Y00nm ?800nm、800nm ?900nm、900nm ?I μ m 等。
[0046]可選的，鈦金屬平板電極的左側及右側為電極連接點，鈦金屬平板電極5的中部為發(fā)熱部分，發(fā)熱部分覆蓋二維硅光子晶體波導的光子晶體區(qū)。
[0047]可選的，采用電子束曝光和干法刻蝕工藝在硅平板上3形成二維硅光子晶體波導、多模干涉波導及續(xù)接波導。
[0048]可選的，二維硅光子晶體的孔的直徑、孔的排列周期的設定方法為，在二維硅光子晶體中除去一行空氣孔并調(diào)節(jié)波導寬度形成直通波導，直通波導的寬度調(diào)節(jié)范圍為
0.1ffO?3.0ffO ;在直通波導加入橫向?qū)ΨQ分布的縱向細槽形成雙槽波導，雙槽波導的槽寬調(diào)節(jié)范圍為0.1r?3r，r為空氣孔的半徑，雙槽波導的寬度調(diào)節(jié)范圍為0.1WO?3.0ffO,WO=L 732a，WO為普通單行線缺陷的寬度，WO=L 732a，a為晶格周期。
[0049]可選的，如圖3所示，多模干涉波導8用于實現(xiàn)光信號分束，多模干涉波導8末端從不同的續(xù)接波導9輸出，續(xù)接波導9位于二維光子晶體波導與多模干涉波導8的輸入端及輸出端，用以傳輸光信號，續(xù)接波導寬度與硅平板上的低群折射率波導相同。
[0050]可選的，二氧化硅隔離層4的厚度為600nm?I μ m。
[0051]應當理解二氧化硅隔離層4的厚度可以根據(jù)不同的場景進行調(diào)整，例如600nm?700nm、700nm ?800nm、800nm ?900nm、900nm ?I μ m 等。
[0052]可選的，鈦金屬電極5的厚度為IOOnm?200nm。
[0053]應當理解鈦金屬電極5的厚度可以根據(jù)不同的場景進行調(diào)整，例如IOOnm?200nm、200nm ?300nm、GOOnm ?400nm、4:00nm ?500nm、500nm ?600nm、GOOnm ?700nm、700nm ?800nm、800nm ?900nm、900nm ?I μ m 等。
[0054]可選的，二維硅光子晶體波導形成的波導結構包括圓孔陣列、線缺陷。[0055]可選的，二維硅光子晶體波導形成的波導結構具有光子帶隙效應。
[0056]本實施例通過設計光子晶體波導結構，實現(xiàn)光通信波段(波長I微米至2微米)特定波長光信號的陣列開關功能，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。利用光子晶體波導的截止模式對通光損耗的調(diào)控，通過引入低群折射率耦合波導能夠降低器件的插入損耗。實現(xiàn)利用光子晶體波導的帶隙缺陷模式耦合產(chǎn)生的微帶隙對通光損耗的調(diào)控。
[0057]實施例2
[0058]如圖3所示，選擇硅-二氧化硅-硅構成的襯底晶片，其中的二氧化硅層厚度為3口111，上部的硅厚22011111。如圖4所示，采用電子束曝光和干法刻蝕等工藝在硅平板3上制作出缺陷寬度為WO的二維硅光子晶體周期孔結構7，缺陷寬度為1.2W0的低群折射率耦合波導10，多模干涉波導8和續(xù)接波導9。單個光子晶體波導的圖形結構如圖4所示。利用等離子體增強化學氣相沉積法在表面沉淀一層二氧化硅隔離層4，依次用光刻、蒸鍍與濕法剝離的方式制備鈦金屬電極5與招金屬電極6。由續(xù)接波導9導入各個光開關的輸出光場，通過二維硅光子晶體波導7時，由于截止模式作用，在輸出續(xù)接波導處會觀測到圖5所示的透射譜。透射譜上發(fā)生凹陷的頻率隨著外加電場引發(fā)硅光子晶體波導的折射率的變化而變化，從而在特定頻率上實現(xiàn)光開關功能。
[0059]本實施例通過設計光子晶體波導結構，實現(xiàn)光通信波段(波長I微米至2微米)特定波長光信號的陣列開關功能，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。利用光子晶體波導的截止模式對通光損耗的調(diào)控，通過引入低群折射率耦合波導能夠降低器件的插入損耗。實現(xiàn)利用光子晶體波導的帶隙缺陷模式耦合產(chǎn)生的微帶隙對通光損耗的調(diào)控。
[0060]實施例3
[0061]如圖3所示，選擇硅-二氧化硅-硅構成的襯底晶片，其中的二氧化硅層厚度為3 μ m，上部的硅厚220nm。如圖6所示，采用電子束曝光和干法刻蝕等工藝，在硅平板3上制作出寬度為1.5W0的二維硅光子晶體周期孔結構7和續(xù)接波導9。單個光子晶體波導的圖形結構如圖6所示。利用等離子體增強化學氣相沉積法在表面沉淀一層二氧化硅隔離層4，依次用光刻、蒸鍍與濕法剝離的方式制備鈦金屬電極結構5、鋁金屬電極結構6。由續(xù)接波導9導入各個光開關的輸出光場,通過二維娃光子晶體波導7時，由于微帶隙效應,在輸出續(xù)接波導處會觀測到圖7所示的透射譜。透射譜上發(fā)生凹陷的頻率隨著外加電場引發(fā)硅光子晶體波導的折射率的變化而變化，從而在特定頻率上實現(xiàn)寬帶光開關功能。
[0062]本實施例通過設計光子晶體波導結構，實現(xiàn)光通信波段(波長I微米至2微米)特定波長光信號的陣列開關功能，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。利用光子晶體波導的截止模式對通光損耗的調(diào)控，通過引入低群折射率耦合波導能夠降低器件的插入損耗。實現(xiàn)利用光子晶體波導的帶隙缺陷模式耦合產(chǎn)生的微帶隙對通光損耗的調(diào)控。
[0063]實施例4
[0064]如圖3所示，選擇硅-二氧化硅-硅構成的襯底晶片，其中的二氧化硅層厚度為3 μ m，上部的硅厚220nm。如圖8所示，采用電子束曝光和干法刻蝕等工藝，在最上層硅平板3上制作出帶有雙槽的缺陷寬度為2W0的二維硅光子晶體波導7和續(xù)接波導9。單個光子晶體波導的圖形結構如圖8所示，。利用等離子體增強化學氣相沉積法在表面沉淀一層二氧化硅隔離層4，最后依次用光刻、蒸鍍與濕法剝離的方式制備鈦金屬電極結構5、鋁金屬電極結構6。由各個光開關的輸入續(xù)接波導9導入的光場，通過帶有雙槽的缺陷寬度為2W0的二維硅光子晶體波導10時由于微帶隙效應，在輸出續(xù)接波導處會觀測到圖9所示的透射譜。透射譜上發(fā)生凹陷的頻率隨著外加電場引發(fā)二維硅光子晶體波導的折射率的變化而變化，從而在特定頻率上實現(xiàn)光開關功能。
[0065]本實施例通過設計光子晶體波導結構，實現(xiàn)光通信波段(波長I微米至2微米)特定波長光信號的陣列開關功能，能夠增強大調(diào)控功率調(diào)控下電極的穩(wěn)定性。利用光子晶體波導的截止模式對通光損耗的調(diào)控，通過引入低群折射率耦合波導能夠降低器件的插入損耗。實現(xiàn)利用光子晶體波導的帶隙缺陷模式耦合產(chǎn)生的微帶隙對通光損耗的調(diào)控。
[0066]本發(fā)明結合光子晶體波導的帶隙效應(包括寬光子晶體波導的帶隙缺陷模式耦合效應，窄光子晶體波導的慢光效應和頻率截止效應)，利用硅基材料的熱光效應，實現(xiàn)了超小尺寸下的可集成光開關。當然，本發(fā)明還可以有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領域的普通技術人員當可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
[0067]本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權利要求】
1.一種光開關，其特征在于，包括: 硅襯底，用于承載整個器件結構； 二氧化硅襯底，覆蓋于所述硅襯底上，用于隔離所述硅襯底與硅平板； 所述硅平板，位于所述二氧化硅襯底上，用于形成二維硅光子晶體波導、多模干涉波導、續(xù)接波導； 二氧化硅隔離層，位于所述硅平板上方，并填充于所述二維硅光子晶體波導的孔內(nèi)，用于隔離所述二維光子晶體波導與鈦金屬電極，提供光隔離與電絕緣； 所述鈦金屬平板電極，位于所述二氧化硅隔離層上，用于加熱所述二維光子晶體波導。
2.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述鈦金屬平板電極的左側及右側為電極連接點，所述鈦金屬平板電極的中部為發(fā)熱部分，所述發(fā)熱部分覆蓋所述二維硅光子晶體波導的光子晶體區(qū)。
3.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述鈦金屬電極上方覆蓋鋁金屬電極，所述招金屬電極厚度為300nm~I μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，采用電子束曝光和干法刻蝕工藝在所述硅平板上形成所述二維硅光子晶體波導、所述多模干涉波導及所述續(xù)接波導。
5.根據(jù)權利要求1所述的 光開關，其特征在于，所述二維硅光子晶體的孔的直徑、孔的排列周期的設定方法為，在所述二維硅光子晶體中除去一行空氣孔并調(diào)節(jié)波導寬度形成直通波導，所述直通波導的寬度調(diào)節(jié)范圍為0.1ffO~3.0ffO ;在所述直通波導加入橫向?qū)ΨQ分布的縱向細槽形成雙槽波導，所述雙槽波導的槽寬調(diào)節(jié)范圍為0.1r~3r，r為空氣孔的半徑，所述雙槽波導的寬度調(diào)節(jié)范圍為0.1ffO~3.0W0,W0=1.732a，WO為普通單行線缺陷的寬度，WO=L 732a，a為晶格周期。
6.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述多模干涉波導用于實現(xiàn)光信號分束，所述多模干涉波導末端從不同的續(xù)接波導輸出，所述續(xù)接波導位于所述二維光子晶體波導與所述多模干涉波導的輸入端及輸出端，用以傳輸光信號，所述續(xù)接波導寬度與所述硅平板上的低群折射率波導相同。
7.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述二氧化硅隔離層的厚度為600nm~I μ m0
8.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述鈦金屬電極的厚度為IOOnm~200nmo
9.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述二維硅光子晶體波導形成的波導結構包括圓孔陣列，線缺陷。
10.根據(jù)權利要求1所述的光開關，其特征在于，所述二維硅光子晶體波導形成的波導結構具有光子帶隙效應。
【文檔編號】G02B6/122GK103605216SQ201310603561
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權日:2013年11月25日
【發(fā)明者】崔開宇, 趙強, 黃翊東, 馮雪, 劉仿, 張巍 申請人:清華大學