專利名稱：光開關的制作方法
背景技術：
通訊普遍采用光纖作為首選的傳輸介質，使得制造一種實用的應用于光網絡的具有路由和分配功能的光開關成為一種必需。一種類型的光開關是將入射光信號有選擇地轉接到多個輸出光導中的特定一個的光導空分開關。空分開關是由外加的電控制信號控制的而與特定的光譜或信號的內容信息無關。這種類型的光開關一般地以下列三種模式之一工作(1)作為直接耦合開關，(2)作為增益開關，或(3)作為折射率開關。直接耦合器開關將單個極化單色光分割并在期望的頻道重組，并在不期望的頻道進行破壞性地重構。增益開關將光分割，并在期望的頻道中放大光信號(放大補償由分割光造成的損失)，而且在不期望的頻道吸收光信號。光折射率開關把光匯聚，或者反射光能量到期望的輸出頻道。
然而，有一系列的因素限制這些開關的性能，例如直接耦合器開關特別依賴用于完全切換的有源干涉區(qū)的長度。他們制作用于特定波長和偏振，這就限制了應用于多波長網絡或者偏振變化的網絡。增益開關受高能要求的限制。另外，增益開關要求在輸出頻道有復雜的快速光放大器用于在放大時打開，用于吸收時關掉。最后，在通訊網絡里，依靠機械或熱機制來達到開關目的的光開關一般地都太慢。
這就把光折射開關作為大多數通訊網絡用的開關。通過改變折射率，光開關能夠被制造成反射型的或者會聚型的，其中折射率變化是通過插入或抽取電載波實現的。抽取模式受極化敏感性的影響，因為抽取區(qū)的大的電場耦合到材料的光電系數；然而對于極化非敏感應用，光折射率開關可以以入射電載波的方式工作。
傳統的光折射開關需要在每個輸出端有電極來影響折射率變化以便于由于非均勻絕熱模型變化引起在較高折射率分支上進行傳播的趨勢。
然而，這些開關要求嚴格的制造工藝和誤差來使得電極間的耦合盡可能的小，特別在波導結的相互作用區(qū)域。而且，折射率開關要求持續(xù)的電能以便于保持在特定的開關狀態(tài)。
授予William H.Nelson的美國專利No.5,490,226 ZERO HOLDINGPOWER DIGITAL OPTICAL SWITCHES和美國專利號No.5,537,497OPTIMIZED ELECTRODE GEOMETRIES FOR DIGITAL OPTICALSWITCHES提出了解決上述問題的辦法。相關的公開物列在后面。然而，為了分開可以耦合到各自光纖的端子，這些開關需要大的芯片。為了減小開關的長度，目前的技術要求額外的掩模和再生長或制造以便于將緊緊地束在一起的曲波導放置在開關里。額外的掩模和再生長增加成本并顯著地降低光開關的產量，因此，提供一個沒有額外的掩模和再生長的，相應地增加產量的小芯片是最好的了。
技術方案為了利用這些優(yōu)點并依據本發(fā)明的目的，正如在這里詳細描述的實施例，依據本發(fā)明的光開關包括一個輸入分支，輸入分支有一個用于接收光信號的脊狀波導異體結構。第一輸出分支在結合處光耦合到輸入分支。第一輸出分支包括一個具有第一折射率的曲脊波導異體結構。第二輸出分支也在結合處與輸入分支光耦合。第二輸出分支包括一個具有正向偏置折射率的曲脊波導異體結構。一個電極放置在第二輸出分支上用于改變在正向偏置折射率，反向偏置折射率和非偏置折射率之間的第二輸出分支的折射率。
另外一個依據本發(fā)明的光開關包括一個含有用于接收具有第一正向偏置折射率，一個第一反向偏置折射率，和一個第一非偏置折射率的光信號的曲脊波導異體結構的第一輸入分支。包括一個曲脊波導異體結構的第二輸入分支在接點處光耦合到第一輸入分支。第一輸出分支在接點處光耦合到第一輸入分支并且包括一個具有第二非偏置折射率的曲脊波導異體結構。第二輸出分支光在結點處耦合到第一輸入分支，還包括一個具有第二正向偏置折射率，一個第二反向偏置折射率和一個第三非偏置折射率的曲脊波導異體結構。第一電極放置在第一輸入分支上用來改變位于第一正向偏置折射率，第一反向偏置折射率和非偏置折射率之間的第一輸入分支的折射率。第二電極位于第二輸出分支上用來改變處于第二正向偏置折射率，第二反向偏置折射率和第三非偏置折射率之間的第二輸出的折射率。
附圖簡述

圖1展示的是傳統Y-結型光開關。
圖2展示的是依據美國專利No.5,490,226的一個Y-結型光開關。
圖3展示的是依據美國專利No.5,537,497的一個Y-結型光開關。
圖4展示的是依據美國專利No.5,537,497的一個X-結型光開關。
圖5是依據圖2，圖3和圖4的光折射率開關的橫斷面圖。
圖6A展示的是圖3和圖4的包括曲狀輸入和輸出分支在內的X-結型光折射率開關。
圖6B是圖6A的X-結型光折射開關的橫截面圖，說明了額外的蝕刻。
最佳實施例下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。在對所附的圖的展示和描述都是都解釋為說明性的而非限定性的。
依據本發(fā)明的光開關提供一個曲脊光波導異體結構，用來接收和傳導光信號。這些曲脊光波導采用了一種包括額外蝕刻步驟的過程制造，此額外的蝕刻步驟在內曲面的異體結構里產生一個隙。此步驟緊緊地將波導束在一起不需要額外的減少成品率的掩模和再生長，且阻止信號損失。
圖1顯示的是傳統Y-結型光開關100。開關100包括一個輸入分支102和兩個輸出分支104及106。輸出分支104及106分別有電極108和110。輸出分支104和106的折射率基本上是一樣的。然而通過向其中至少一個電極提供電流，能夠引起折射率的不對稱。不對稱使得光開關100能夠絕熱地工作。也就是說，基光信號和較高偶次光信號能夠以較高的有效折射率通過開關100的輸出分支傳播。同樣地，奇次光信號則以低的有效折射率通過開關100的輸出分支傳播。通過正向偏置一個輸出分支或者反向偏置另一個輸出分支或者兩個都有來實現在輸出分支104和106上的折射率的不同，正向偏置輸出分支是通過注入載波來提高折射率的，反向偏置是通過抽取載波來提高光折射率的。這樣，如果光信號僅含有偶次或奇次波，光開關實際上是離散的。比如，如果光信號僅含有偶次波并且輸出分支104是正向偏置的，輸出分支104的有效折射率相對地就比輸出分支106的有效折射率低。因此，偶次波就通過輸出分支106傳播而輸出分支104將不傳導(開關的OFF態(tài))。類似地，如果光載體僅含有偶次波而且輸出分支106反向偏置，輸出分支106的有效折射率相對地就比輸出分支104的有效折射率低，因此輸出分支106將傳導(開關的ON態(tài))。
開關100的缺點在于要使其工作，必須連續(xù)地對其中至少一個電極提供電能。另一個缺點是工作在反向偏置模式時，抽取模式受偏振靈敏度的影響。而且，在器件的結區(qū)產生的電極間的交叉耦合使得器件出現問題。
圖2展示的傳統開關100的替代產品Y-型光開關200。開關200包括一個輸入分支202和兩個輸出分支204和206。輸出分支204和206設計成使得一個分支具有較高有效折射率。例如，輸出分支206設計成有效折射率大于輸出分支204的。輸出分支204設計成具有電極208。
在沒有供電時，光信號從輸入分支202傳輸到輸出分支206。然而，當向電極208供電使得輸出分支204反向偏置時，輸出分支204的有效折射率增加。增加有效折射率引起光信號從輸入分支202傳播到輸出分支204。通常的技巧之一是采用在輸出分支改變折射率且重新布置單電極的位置來獲得同樣的效果。美國專利No.5,490,226的ZERO HOLDING POWER DIGITAL OPTICAL SWITCH進一步地公開了開關200。
圖3說明的是傳統開關100的替代物X-型光開關300。開關300有兩個輸入分支302和304，以及兩個輸出分支306和308。輸入分支之一304和輸出分支之一306各自含有一個電極310和312。輸入分支302和304以及輸出分支306和308設計成在非偏置的條件下，亦即對稱情況下具有基本上相同的有效折射率。
如果電極310和312被以通常偏置供電，或者正向或者反向偏置，那么例如通過輸入分支304傳播的單模式光將通過分支306傳播出去?；蛘?，如果電極310合312被反向偏置，那么通過輸入分支304傳播的單模式光將通過分支308傳播出去。
開關300以這種方式工作是基于以下性質的，當一種光模式沿一定的折射率入射到開關的輸入分支時，表現出以最接近的有效折射率從結出來并進入到輸出分支。這樣，從一個相對較高的折射率入射的光將以相對較高的有效折射率從輸出分支輸出。同樣地，以相對較低的有效折射率入射輸入分支的光模式將以相對較低的有效折射率通過輸出分支從結出來。這樣，當輸入分支304和輸出分支306同時正向偏置時，它們每個具有相對輸出分支308低的折射率。同樣地，當輸入分支304和輸出分支306同時反向偏置時，它們每個都具有相對輸出分支308高的折射率。在這兩種情況下，因為它們的折射率在數值上接近，所以光信號從輸入分支304傳播到輸出分支306。
相反地，當輸入分支304正向偏置而輸出分支306反向偏置時，輸入分支304和輸出分支308的折射率都比輸出分支306的低。這樣，光信號從輸入分支304傳播到輸出分支308。比如，如果輸入分支304正向偏置而輸出分支306反向偏置，那么輸入分支304的折射率降低而輸出分支306的折射率升高。這就引起輸入分支304的有效折射率相對于輸出分支308的被降低，而輸出分支306的有效折射率相對于輸出分支308的被升高。因為偏置的緣故，輸入分支304和輸出分支308的有效折射率相對于輸入分支304和輸出分支306來講更加匹配。同樣地，如果輸入分支304反向偏置，而輸出分支306正向偏置，那么輸入分支304和輸出分支308比輸出分支306具有相對較高的折射率。因此，從輸入分支304傳播的光信號將通過輸出分支308出去。
圖4說明的是具有X形狀的光開關400。開關400包括兩個輸入分支402和404，以及兩個輸出分支406和408。輸入分支之一404有一個電極410。不象開關300，開關400設計成輸出分支406具有第一折射率而輸出分支408具有與第一折射率不同的第二折射率。比如，輸出分支406可設計成具有比非偏置的輸入分支404的折射率高的折射率，而輸出分支408可設計成具有比非偏置的輸入分支404低的折射率。
因此，當電極410正向偏置時，輸入分支404的有效折射率降低，來自輸入分支404的光信號傳播到輸出分支408。同樣地，當電極反向偏置時，當電極410正向偏置時，提高輸入分支404的有效折射率，來自輸入分支404的光信號傳播到輸出分支406。通常的技巧之一是改變輸入和輸出的折射率并重新布置電極的位置和數目以獲得同樣的效果。美國專利No.5,537，497OPTIMIZED ELCTRODE GEOMETRIESFOR DIGITAL OPTICAL SWITCHES中進一步公開了開關300和400。
圖5展示的是依據本發(fā)明的實施例的脊波導的外延層。波導包括一個寬度在2.5m到5.0m之間的脊波導，用來形成Y-結或者X-結。交叉區(qū)域的張角大約在1/2°和2°之間。在輸出波導分叉的那點，蝕刻一個1m寬的槽用來隔開兩個脊。p-n結的深度是脊高度的幾分之一用于限制橫向電流。p-n結和單電極可擴展至整個輸出分支那么長。結果，電流正好從活動的開關區(qū)之上注入并且比優(yōu)化結構要求的電流還要來得大。在輸出端的波導間距是150m。
雖然下面的結構使用的是特定的材料，但本領域的技術人員應理解可使用類似的材料。開關的外延層結構采用的是鹵化物VPE，MOCVD或者類似的方法在一個n+--InP基片502上生長形成的。一個InP緩沖層504首先放在基片502上，而后是InGaAsP引導層506。緩沖層504最好約2.0m而且引導層506是0.5m。緊隨引導層506的是第一InP敷層508，一個蝕刻終止層510和一個第二InP敷層512。它們的層厚最好分別是0.5m，0.02m和2.5m。各層都敷以最好是0.1m厚的InGaAs層514以有利于電阻性接觸。所有的InP層都攙雜有硫，大約是1×1017cm-3，而其它層是不攙雜的。
光開關的輸出分叉區(qū)的p-n結是采用Si3N4掩模和一個ZnP2+P(紅)源在封閉抽空的管中擴散Zn形成的。擴散的條件是接近500℃時間大約15到30分鐘之間，具體的時間依據所要擴散的深度決定。作為另一種選擇，一個p型的導體可以傳統的方式生長形成。采用反離子蝕刻(CH4/H2)和濕化學蝕刻(H3PO4∶HCL＝9∶1)結合的方法用來制造X或Y分支波導脊。經過熱處理的聚酰胺層被用以使表面平整，隨后是由Ti/Au金屬蒸汽形成的電極和接觸盤?；磺斜〉郊s100m，并且形成一個Ti/Au反電阻接觸體。在用約400℃的溫度燒結金屬接觸體大約20秒后，晶片被切割成具有不同分叉角的X-結或Y-結開關條要使開關200，300或者400具有絕熱性能，輸入或輸出分支之間的張角要小，典型地為1/2°到2°之間。為了獲得輸出末端(或輸入末端)之間分離達150m這些開關將變得相對的長。要求有大約150m的距離以允許輸入或輸出分支耦合到各自的光纖中。然而，為了減小開關200，300，400的長度，將它們設計成具有彎曲的輸入和輸出分支。曲狀光開關電極類似電極208，310，312和410的位置放置。
曲狀分支減小芯片的尺寸。結果，松散地束在一起的曲波導是通過蝕刻敷層512的方法彎曲分支制造的。然而這種曲波導表現出了信號損失，因為傾向于沿直線傳播的光通過曲弧的外側跑到曲波導外。采用緊密束縛在一起的曲波導來減少信號損失，因為這樣使得光沿波導彎曲。然而傳統的制造束縛在一起的彎曲波導的方法需要額外的掩模和在再生長步驟來將敷層512建在曲弧的外側面上。這些額外的步驟減少產量并顯著地提高制造成本。
圖6A和圖6B說明的是依據本發(fā)明的X結型光開關600的實施例。依據本發(fā)明的方法制造緊束型曲波導，在整個芯片用傳統的方法蝕刻完成后，有選擇性地在曲脊波導的內弧側(亦即區(qū)域602)上蝕刻敷層508就可以降低敷層508的厚度。通過蝕刻區(qū)602，因為內側曲弧的有效折射率提高了，因此脊狀波導緊密地束在一起。因為去掉了曲弧內側的敷層，所以引起光彎曲而不是通過脊波導的區(qū)域604逃逸出去。而且蝕刻區(qū)域602就能夠產生緊束波導而不需要傳統的額外掩模和再生長步驟。這種外蝕刻還有只須將蝕刻深度控制在至少一個低端閥值深度的優(yōu)點。任何附加的蝕刻都能產生更加緊束的曲開關。
雖然圖6A和6B說明的是一個X結型光開關，但是一個Y結型光開關同樣地加以改型而得到緊束的曲輸出分支。
總之，目前可買到的光開關要求大芯片。為了減小這些光開關的長度。曲波導被放在光開關的輸出分支和/或者輸入分支上。采用一個在曲弧內側的異體結構上作出個隙的蝕刻步驟制造芯片，就可以避免對非緊束波引導起的信號損失和生產率降低。這一蝕刻步驟將波導束在一起，而不需要額外的減小生產率的掩模和再生長步驟，這有利于阻止信號損失。
對于本領域的普通技術人員而言，在不偏離本發(fā)明的范圍和宗旨的條件下，采用與本發(fā)明思想一致的方法和裝置所做的各種修改和變化都是顯而易見的。通過這里公開的對本發(fā)明的說明和實施例，其他改進對本領域的普通技術人員是顯而易見的。這里的說明和例子僅僅作為舉例而已，本發(fā)明的實際范圍和精神在所附的權利要求書中明確說明。
權利要求
1.一種光開關，包括一個用以接收光信號的輸入分支，它具有一個脊狀波導異體結構；一個第一輸出分支，在結處光耦合到輸入分支，且具有一個具有第一折射率的曲脊波導異體結構；一個第二輸出分支，在結處光耦合到輸入分支，且具有一個曲脊波導異體結構，該結構具有一個正向偏置折射率，一個反向偏置折射率和一個非偏置折射率，且他們每個都與第一折射率不同；以及一個位于第二輸出分支上的電極，用于在正向偏置折射率，反向偏置折射率以及非偏置的折射率之間改變第二輸出分支的折射率。
2.如權利要求書1所述的光開關，其中輸入分支、第一輸出分支和第二輸出分支包括一個InP基片；一個位于基片上的InP緩沖層；一個位于緩沖層上的InGaAsP引導層；一個位于引導層上的并有選擇性地蝕刻在曲脊波導周圍的第一InP敷層；一個位于敷層上的InGaAsP蝕刻終止層；和一個位于蝕刻終止層上的第二InP敷層；
3.如權利要求2所述的光開關，其中第二敷層有選擇性地形成一個Zn擴散區(qū)。
4.如權利要求2所述的光開關，其中第二敷層有選擇性地形成一個增長p型半導體。
5.一種光開關，包括一個第一輸入分支，該分支包括用來接收具有第一正向偏置折射率，第一反向偏置折射率和一個第一非偏置折射率的光信號的曲脊波導異體結構；一個第二輸入分支，該分支在結處耦合到第一輸入分支，并包括一曲脊波導異體結構；一個第一輸出分支，它在結處光耦合到輸入分支，并包括具有第二非偏置折射率的曲狀波導異體結構；一個第二輸出分支，它在結處光耦合到輸入分支，并包括一個具有第二正向偏置折射率，第二反向偏置折射率，和第三非偏置折射率的曲脊波導異體結構；一個位于第一輸入分支上的電極，用于在第一正向偏置折射率，第一反向偏置折射率和第一非偏置折射率之間改變第一輸入分支的折射率；以及一個位于第二輸出分支上的電極，用于在第二正向偏置折射率，第二反向偏置折射率和第三非偏置折射率之間改變第二輸出分支的折射率。
6.如權利要求5所述的光開關，其中第一非偏置折射率，第二非偏置折射率和第三非偏置折射率是基本相同的。
7.如權利要求5所述的光開關，其中第一輸入分支，第二輸入分支，第一輸出分支，和第二輸出分支包括一個InP基片；一個位于基片上的InP緩沖層；一個位于緩沖層上的InGaAsP引導層；一個位于引導層上并有選擇性地蝕刻在曲脊波導周圍的第一InP敷層；一個位于敷層上的InGaAsP蝕刻終止層，和一個位于蝕刻終止層上的第二InP敷層。
8.如權利要求5所述的光開關，其中第二敷層有選擇性地形成一個Zn擴散區(qū)。
9.如權利要求7所述的光開關，其中第二敷層有選擇性的形成一個生長p型半導體。
10.一種光開關，包括一個第一輸入分支，該分支包括一用于接收光信號的曲脊波導異體結構，具有第一正向偏置折射率，第一反向偏置折射率和第一非偏置折射率；一個第二輸入分支，該分支在結處光耦合到第一輸入分支，且包括一曲脊波導異體結構；一個第一輸出分支，該分支在結處光耦合到第一輸入分支，且包括一具有第二非偏置折射率的曲脊波導異體結構；一個第二輸出分支，該分支在結處光耦合到輸入分支，且包括一具有第三非偏置折射率的曲脊波導異體結構，該第三非偏置折射率不同于第二非偏置折射率；一個位于第一輸入分支上的第一電極，用于在第一正向偏置折射率，第一反向偏置折射率和第一非偏置折射率之間改變第一輸入分支的折射率。
11.如權利要求10所述的光開關，其中第一輸入分支，第二輸入分支，第一輸出分支，和第二輸出分支包括一個InP基片；一個位于基片上的InP緩沖層；一個位于緩沖層上的InGaAsP引導層；一個位于引導層上并有選擇性地蝕刻在曲脊波導周圍的第一InP敷層；一個位于敷層上的InGaAsP蝕刻終止層；和一個位于蝕刻終止層上的第二InP敷層。
12.如權利要求11所述的光開關，其中第二敷層有選擇性地形成Zn擴散區(qū)。
13.如權利要求11所述的光開關，其中第二敷層有選擇性地形成一生長p型半導體。
14.一種采用半導體基片制造光開關的方法，包括以下步驟將敷層物涂在基片上形成脊波導異體結構；通過選擇性的區(qū)域擴散形成一個p-n結；蝕刻脊波導異體結構形成一個具有許多曲狀分支的開關結，蝕刻步驟包括去掉許多曲狀分支內側弧上的敷層；使開關結的表面平整化；和蒸鍍導電金屬形成至少一個電極。
15.如權利要求14所述的方法，其中控制再蝕刻步驟以形成一個脊波導的低端閥值深度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光折射開關,它具有曲脊波導(600)。在波導周圍有選擇性地蝕刻敷層(508),從而產生緊密彎曲的光開光。
文檔編號G02B6/122GK1271423SQ98809538
公開日2000年10月25日 申請日期1998年9月23日 優(yōu)先權日1997年9月26日
發(fā)明者威廉·H·納爾遜 申請人:Gte實驗室有限公司