專利名稱：易制作的小型y形高速數(shù)字光開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到光開關，確切地說是涉及到Y型分引支數(shù)字光開關。
數(shù)字光開關(DOS)在包括通信系統(tǒng)的廣泛的應用中已越來越取代著其它類型的光開關。最流行的一種數(shù)字光開關是Y形分支DOS，主要由于能夠適應偏振、波長、溫度等關鍵參數(shù)的變化，并在很大程度上甚至可適應器件幾何尺寸的變化，這種Y形分支DOS已獲得了廣闊的市場認可。通常，Y形分支DOS被設計成二個波導支路相交以便在支路交叉處確定一個角度很小的Y形結構。波導結構的組成可包括諸如鈮酸鋰和半導體之類的各種各樣的材料。Y形分支DOS借助于絕熱改變(即緩慢地而不是突然地改變)一個波導中的光傳播方向而執(zhí)行其開關功能。具體地說，借助于強制一個波導支路中的折射率相對于另一個波導支路進行改變而得到Y形支路DOS中的開關作用。借助于例如向結構的選定區(qū)段加一電壓和/或電流，可引起折射率改變。Y形支路DOS特性中特別重要的是其對外加電壓或電流的臺階式響應，這就使盡管當外加電壓或電流超過給定的閾值時，光仍然保持在折射率較高的支路中。因此，借助于使Y形支路DOS工作于超過外加電壓/電流的某個閾值，上述偏振、波長等的變化就不會影響Y形支路DOS的開關能力。
盡管Y形支路DOS有各種優(yōu)點，這種器件的某些缺點仍可能妨礙它們的某些應用。例如鈮酸鋰基Y形支路DOS所需的相當高的電壓驅動就由于微波功率隨外加電壓增大而限制了其工作帶寬。現(xiàn)有技術的Y形支路DOS的相對過長的尺寸也很討厭，它增大了這些器件的總的光學損耗并由于其較長的“腳印”而妨礙了同其它器件的集成。如上所述，為在Y形支路DOS中獲得開關功能而使光傳播方向的小的逐漸改變要求現(xiàn)有技術Y形支路DOS有小的角度和長的腳印結構(以避免串擾)。在Y形支路DOS的小角度長腳印設計限制中突出的一點是在這些器件制造中難以用常規(guī)光刻技術來確定Y形支路DOS二個波導支路頂點處的小間隔(例如小于0.25μm)。
為了克服Y形支路DOS器件的限制，Okayama等人在題為“Y形支路數(shù)字光開關電壓與長度乘積之降低”(發(fā)表于Journal of lightwaveTechnology，Vol.11，No.2，1983，pp379-387)的論文中提出了一種雙角度形Y形DOS，可為Y形支路DOS提供改進了的串擾性能、降低了的長度和較低的電壓驅動。Okayama雙角度Y形支路DOS的一個例子示于

圖1，其中的Y形支路DOS10有一個在頂點18處連接于過渡波導區(qū)14和16的第一波導區(qū)12，過渡波導區(qū)14和16彼此成第一傾斜角θ1且對稱于第一波導區(qū)12的縱軸20。
第二波導區(qū)22和24中的每一個分別連接于第一波導區(qū)14和16且成第二傾斜角θ2。在這一DOS10中，θ2＜θ1以形成錐形Y形支路結構。各個波導區(qū)12-16和22-24的寬度W可完全相同且結構10可關于縱軸20對稱。
其它的現(xiàn)有技術修改了Okayama的雙角度設計以進一步減小Y形分支DOS的長度、電壓/電流驅動和串擾退化。不幸的是，所有的現(xiàn)有技術都未能使Y形支路DOS的小巧性和電壓/電流驅動改變到明顯影響Y形分支DOS工作帶寬的程度。同樣令人婉惜的是缺乏可用常規(guī)光刻技術而容易地制造Y形分支DOS的設計。
公開了一種光開關，它包含一個第一波導區(qū)；多個連接于第一波導區(qū)且互成小于約2.0°的第一角θ1的過渡波導區(qū)，以及多個連接于各個過渡波導區(qū)且互成第二角θ2的支路波導區(qū)，其中第二角θ2小于θ1且小于約0.3°。
在本發(fā)明原理的一個實施例中，數(shù)字光開關包含一個Y形絕熱結構，它由下列部分組成1)一個通過輸入端從光源接收電磁能量的直的無源波導區(qū)，2)一個梯形有源波導區(qū)，此區(qū)有一個小的基底a)將有源波導區(qū)耦合到直的無源波導區(qū)，且b)傾斜成不大于2.0°的角，電磁能通過它從直的無源波導區(qū)傳送到有源波導區(qū)以轉換成具有二個選定折射率之一的光能，以及3)第一和第二波導支路，這些支路i)彼此分隔一個不大于1.5μm的距離使第一和第二波導支路確定一個0.2°的角，且ii)安置成接收各個第一和第二折射率有源波導區(qū)輸出的光能。
結合附圖參照本發(fā)明實施例的下列詳細描述，本發(fā)明的Y形支路開關的特點將變得更為明顯并得到更好的理解，其中圖1示出了現(xiàn)有技術的Y形分支開關；圖2示出了本公開的Y形分支開關的一個實施例；圖3示出了本公開的Y形分支開關的調制響應曲線圖。
現(xiàn)詳細參照附圖，以相似的參考號標注相似或相同的元件，如圖2所示，本發(fā)明公開描述了一種可生長在n型InP襯底上的Y形分支開關26。上包層28和下包層30可分別是厚度約為1.0μm左右的P型和n型lnP。本公開的開關26包含一個有源核32和用金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)工藝(本技術領域熟知的)在n型InP基底28上生長制作成波導層結構的波導區(qū)36-42，有源核32厚度約為0.55μm，有例如大約30個可由InGaAsP/InP構成的量子阱。本技術領域熟練人員都知道，用其它材料和方法也可制作此量子阱，而且可用其它材料作包層和襯底。可用CH4/H2反應離子刻蝕在同一步驟中刻蝕出波導區(qū)34-42和電隔離槽44。
本公開的開關26包含一個第一波導區(qū)34、過渡波導區(qū)36和38以及支路波導區(qū)40和42，制作成基本上與有源核的組成相似。第一波導區(qū)34包含一個輸入端區(qū)46，而支路波導區(qū)40和42包含各個輸出端區(qū)48和50。
在一個實施例中，波導區(qū)34-42的波導寬度W1可大約為3.0μm，而刻蝕深度d可大約為1.65μm。本公開的開關26可用聚酰亞胺進行整平，在波導區(qū)34-42的頂部刻蝕出通孔(access)，且可在各波導區(qū)34-42的頂部蒸發(fā)諸如焊點52之類的Cr/Au接觸焊點。本公開的開關26可裝在銅座(posts)上且同約47Ω的薄片電阻連接(圖2中未示出)。
如M.N.Khan等人“在InGaAs/InGaAlAs電子輸運波導中的權重耦合數(shù)字Y形分支光開關的設計與實驗”(Journal of LightwaveTechnology，Vol.12，No.11，1994，pp.2032-2039)以及M.N.Khan等人”在InGaAs/InGaAlAs量子阱電子輸運波導中的權重耦合Y形分支光開關”(IEEE Photonics Technology Letters，Vol.6，No.3，1994，pp.394-397)所述，波導區(qū)36-42的傾斜角θ1和θ2以及長度可被優(yōu)化以改善Y形分支開關的性能。
在一個最佳實施例中，第一波導區(qū)34可大致是直的，長度L1約為100μm，并用作在輸入端處接收電磁能量的無源波導區(qū)。
每個過渡波導區(qū)36和38可取大致三角形的形狀，長度L2約為180μm，且同其間的區(qū)域44一起形成一個互成約1.8°傾斜角θ1的大致上的梯形。亦即，平行于梯形相關表面的線如圖2所示在其相交處確定第一傾斜角θ1。每個支路波導區(qū)40和42可基本上是直的，長度L3約為620μm，且互成約0.2°的第二傾斜角θ2；亦即，平行于各支路波導區(qū)40和42相關表面的線如圖2所示在其相交處確定第二傾斜角θ2。
梯形區(qū)有一個第一基底支路波導區(qū)40和42在此處匯合，和一個具有第一傾斜角θ1的斜坡的第二基底。梯形區(qū)包括過渡波導區(qū)36和38，用作將從第一波導區(qū)36接收到的電磁能量轉換成第一和第二折射率之一的光能的有源公共波導區(qū)。每個支路波導區(qū)40和42有效地連接于相應的過渡區(qū)36和38，且安置成接收各第一和第二折射率的光能。
于是，本公開的開關26就提供了一個相對緊湊的Y形絕熱結構，其總長度LTOTAL約為900μm。不言而喻，本技術領域熟練人員可用彎曲的波導區(qū)34-42來實現(xiàn)本公開的開關26，其中各波導區(qū)34-42構成和/或具有基本接近于傾斜角θ1和θ2的切向表面形成角。
電隔離隙44位于過渡波導區(qū)36和38之間Y形分支的頂點處，隙44的寬度W2約為1.6μm，這使本公開的開關26很容易制作。用離子注入或腐蝕方法都可獲得這種電隔離。
具有上述示范性結構的本公開的開關26提供了低的串擾、制作容易、且傳播損耗小。本公開的開關26具有減小了的電壓-長度乘積，同時又以短于前此所達到的器件長度而提供了制作上的方便和更好的串擾性能。
如M.N.Khan等人“在InGaAs/InGaAlAs電子輸運波導中的權重耦合數(shù)字Y形分支光開關的設計與實驗“(上文2035)所述，串擾值繪成傾斜角θ1和θ2的函數(shù)，為了得到改善的串擾性能，第一傾斜角θ1可在-1.5°～2.0°的范圍中。本公開的開關26如上所述具有一個足以使支路波導區(qū)40和42易于用本領域所知的光刻技術加以制作的傾角θ1。相對大的第一傾斜角θ1繼之以相對小的第二傾斜角θ2，保持了本公開的開關26的絕熱性。
在一個實施例中，本公開的開關26的傳播損耗約為1.25dB/mm，而900μm長的器件的剩余損耗低達約0.10dB。本公開的開關26還提供了數(shù)字開關特性，對于約為800μm的有源長度，其串擾約為-25dB，這可借助于在支路波導區(qū)40和42的一個之中相對于另一個提供約為0.001的折射率改變Δn而達到，其幅射損耗約為0.05dB。用本技術領域所知的束傳播方法(BPM)可證實這一串擾值。由于相當大的第一傾斜角θ1使Y形支路頂點中的隔離槽可相當大，故這種折射率改變也易于制作。
借助于電壓控制的折射率改變，本公開的開關26也可執(zhí)行高速開關操作，采用約-4V的開關電壓而得到約10GHz的3dB帶寬。
借助于用二個不同的負直流偏壓同時驅動二個臂以增大二部分之間的微分折射率改變，可進一步改善串音性能。圖3示出了本公開的開關隨驅動頻率的信號調制響應，這是用HP8703光網(wǎng)絡分析儀測得的。用本公開的開關26得到了10GH2的3dB帶寬，這是數(shù)字開關的最高報道速度。由測得的數(shù)據(jù)得到了封裝后的開關的電感L約為0.6nH，電容C約為0.32pF，接觸串聯(lián)電阻R約為46Ω。在本公開的開關26的單支路波導區(qū)被驅動時，執(zhí)行開關所用的示范電壓小于約-4V。
雖然參照最佳實施例已描述了本公開的傾斜Y形分支開關，但對本技術領域熟練人員不言而喻，可作出各種形式和細節(jié)的修改而不超越本發(fā)明的范圍和構思。因此，上述的修改不受限制而被認為屬于本發(fā)明的范圍之中。
權利要求
1.一種光開關，它包含一個第一波導區(qū)；多個連接于第一波導區(qū)且互成第一角θ1的過渡波導區(qū)，其中的第一角θ1小于約2.0°；以及多個連接于相應過渡波導區(qū)且互成第二角θ2的支路波導區(qū)，其中的第二角θ2小于θ1且小于約0.3°。
2.權利要求1的光開關，其中第一角θ1約為1.8°。
3.權利要求1的光開關，其中第二角θ2約為0.2°。
4.權利要求1的光開關，其中每一個過渡波導區(qū)構造成其間有一個在過渡波導區(qū)之間提供基本電隔離的區(qū)域。
5.權利要求4的光開關，其中的區(qū)域有一個約為1.6μm的相關寬度。
6.權利要求4的光開關，其中的區(qū)域用離子注入工藝形成。
7.權利要求4的光開關，其中的區(qū)域用腐蝕工藝形成。
8.權利要求1的光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)有一個相關長度，其中的第一和第二角以及相關長度提供了一個約為25dB的降低了的光開關串擾值。
9.權利要求1的光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)有一個相關長度，其中的第一和第二角以及相關長度提供了3dB的約10GHz的電學帶寬。
10.權利要求1的光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)有一個相關長度，其中的第一和第二角以及相關長度提供了一個減小了的電壓-長度乘積。
11.權利要求1的光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)有一個相關長度，其中的第一和第二角以及相關長度提供了一個減小了的光開關總長度。
12.權利要求11的光開關，其中的減小了的總長度提供了一個減小了的與光開關相關的傳播損耗。
13.一種具有傾斜Y形支路結構的數(shù)字光開關，它包含一個帶有一輸入端的第一波導區(qū)；一個連接于此第一波導區(qū)的區(qū)域；多個連接于第一波導區(qū)及此區(qū)域的過渡波導區(qū)，每個過渡波導區(qū)及區(qū)域構造成大致上為梯形，互成第一角θ1，其中的第一角θ1約為1.8°；以及多個支路波導區(qū)，每個支路波導區(qū)連接于一個相應的過渡波導區(qū)并具有相應的輸出端，每個支路波導區(qū)互成第二角θ2，其中的第二角θ2小于θ1且約為0.2°，且其中的第一波導區(qū)、過渡波導區(qū)、區(qū)域及支路波導區(qū)都構造在傾斜的Y形分支結構中。
14.權利要求13的數(shù)字光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)構造成其間具有相關寬度約為1.6μm且在過渡波導區(qū)之間提供基本電隔離的區(qū)域。
15.權利要求14的數(shù)字光開關，其中的區(qū)域用離子注入工藝形成。
16.權利要求14的數(shù)字光開關，其中的區(qū)域用腐蝕工藝形成。
17.權利要求13的數(shù)字光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)有一個相關長度，其中的第一和第二角以及相關長度提供了一個約為-25dB的降低了的數(shù)字光開關串擾值。
18.權利要求13的數(shù)字光開關，其中的每一個過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)有一個相關長度，其中的第一和第二角以及相關長度提供了約為3dB的約10GHz的電學帶寬。
19.一種半導體基的數(shù)字光開關，它包含一個帶有一輸入端的第一波導區(qū)；多個連接于第一波導區(qū)的過渡波導區(qū)，每個過渡波導區(qū)形成一個大致上的梯形，互成第一角θ1，其中的第一角θ1約為1.8°；多個支路波導區(qū)，每個支路波導區(qū)連接于相應的過渡波導區(qū)并有各自的輸出端，每個支路波導區(qū)互成第二角θ2，其中的第二角θ2小于θ1且約為0.2°；而且其中的每個第一波導區(qū)、過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)都排列在一個InP襯底上且被有效地連接于包含多個InGaAsP/InP量子阱的有源區(qū)。
20.權利要求19的半導體基數(shù)字光開關，其中的每一個第一波導區(qū)、過渡波導區(qū)和支路波導區(qū)都用金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)工藝排列在InP襯底上。
21.一種數(shù)字光開關，它包含一個Y形絕熱結構，它包含a)彼此分隔距離不大于1.5μm的第一和第二波導支路，第一和第二波導支路在其相交處確定一個0.2°的角，第一和第二波導支路被安排來接收各為第一和第二折射率的光能；以及b)一個梯形有源公共波導區(qū)，它包含一個第一基底，其中第一和第二波導支路在此處匯合；以及一個第二基底，此基底i)傾斜一個不大于2.0°的角；且ii)耦合到基本上直的無源波導區(qū)；其中的梯形有源公共波導區(qū)用來將從基本上直的無源波導區(qū)接收到的電磁能量轉換成第一和第二折射率之一的光能。
22.權利要求21的數(shù)字光開關，其中的Y形絕熱結構的長度小于約900μm。
23.權利要求21的數(shù)字光開關，其中的每一個第一和第二波導支路的長度小于約620μm。
24.權利要求21的數(shù)字光開關，其中的梯形有源公共波導區(qū)的長度小于約180μm。
25.權利要求21的數(shù)字光開關，其中基本上直的無源波導區(qū)的長度小于約90μm。
全文摘要
一種光開關,它提供了改進了的高速數(shù)字光開關功能并具有緊湊且易制造的結構。它包含一個第一波導區(qū)、多個連接于第一波導區(qū)的過渡波導區(qū),每個過渡區(qū)互成第一角θ
文檔編號G02F1/313GK1171658SQ9611293
公開日1998年1月28日 申請日期1996年9月13日 優(yōu)先權日1995年9月15日
發(fā)明者姆基貝·尼薩·卡翰, 簡·埃里薩·祖克 申請人:美國電報電話公司