一種波導熱光開關的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體技術領域。具體地說，涉及一種波導熱光開關。
【背景技術】
[0002]與機械光開關、液晶光開關、MEMS光開關等現有光開關相比，波導光開關由于沒有機械移動部件，在可靠性方面具有明顯優勢。在波導光開關中，熱光開關具有體積小、工藝簡單、穩定性好等優點。波導熱光開關在光通信、光計算、光傳感等領域都有著廣闊的發展前景，在保護通信網絡、檢測通信網絡和檢測光學器件中都有重要應用，尤其是在光通信系統中，光開關是光分插復用器和光交叉連接器的重要組成部分。響應時間和功耗是波導熱光開關的主要性能指標。現有的波導熱光開關主要有兩種，分別是3102型和全聚合物型，兩者皆以導熱系數較大的Si材料為襯底。由于S12材料熱光系數較小，Si02型波導功耗較大，但其插入損耗較小。可靠性較高、穩定性較好。由于聚合物材料具有較大的熱光系數，因此全聚合物型熱光開關功耗較小，但其插入損耗較大、可靠性較低、穩定性較差。
[0003]現有技術中有一種有機/無機混合結構的熱光開關，如圖1所示，利用聚合物材料SU_8(—種基于環氧樹脂的負型紫外光刻膠)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別作為芯層和上包層、無機材料S12作為下包層、Si材料作為襯底。該熱光開關兼具低的功耗和快的響應速度，但是由于它只是在垂直于波導平面的縱向上進行有機無機混合，使得插入損耗很大、可靠性低、穩定性差。此外，由于封裝時該熱光開關器件要和光纖耦合對準，聚合物和光纖材料Si02的熱膨脹系數和應力條件都不同，因此很難通過反復的高低溫測試。而且波導端面的研磨和拋光質量也不如Si02材料，并且從生產制造的角度看，如果芯層都用聚合物，產品良率很難提高上去，且同一晶圓上制作出的各個器件之間的性能指標也有較大波動，即性能不穩定。
【實用新型內容】
[0004]為此，本實用新型所要解決的技術問題在于現有有機/無機混合結構的熱光開關插入損耗很大、可靠性低、穩定性差，從而提出一種插入損耗低、可靠性和穩定性高的波導熱光開關。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型提供了如下技術方案:
[0006]—種波導熱光開關，依次包括襯底、下包層、上包層和加熱電極，沿著波導熱光開關的長度方向依次分為輸入波導區、第一分束及合束區、熱光調制區、第二分束及合束區和輸出波導區，在下包層和上包層之間具有沿波導熱光開關長度方向穿設于上包層內的兩根波導芯。
[0007]優選地，波導芯的橫截面為方形，其寬度和高度均為5?8 μ m。
[0008]優選地，輸入波導區和輸出波導區的長度均為0.5?3_，第一分束及合束區和第二分束及合束區均分別分為耦合區和過渡區，且各自耦合區的長度均為1000?1300 μπκ各自過渡區的長度均為I?3mm，熱光調制區的長度為5?10mm。
[0009]優選地，第一分束及合束區和第二分束及合束區中的耦合區的兩根波導芯的間距為5?10 μπι，熱光調制區、輸入波導區和輸出波導區中兩根波導芯的間距相等且為40?60 μ mD
[0010]優選地，加熱電極的長度為5?10mm、寬度為5?10 μπι、厚度為80?120nm。
[0011]優選地，上包層的厚度為I?3 μm，下包層的厚度為2?5 μπι。
[0012]優選地，第一分束及合束區和第二分束及合束區中的過渡區的波導芯均為S型彎曲的。
[0013]本實用新型的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:
[0014]本實施例提供的波導熱光開關，在波導平面上進行了橫向的有機無機混合集成。與在波導芯層都用摻雜Si02材料的熱光開關相比，這種結構的熱光開關驅動功率非常小；與在波導芯層都用聚合物材料的熱光開關相比，這種結構的熱光開關不僅在插入損耗、可靠性、穩定性等性能指標上得到了非常大的改善，而且其后續封裝工藝也會和現有主流封裝工藝相兼容，而不用增加額外的研發投入，可有效降低生產成本。
【附圖說明】
[0015]圖1現有技術中的一種有機/無機混合結構的熱光開關的橫截面示意圖；
[0016]圖2是本實用新型實施例1的一種波導熱光開關中波導芯的結構示意圖；
[0017]圖3是本實用新型實施例1的一種波導熱光開關的橫截面示意圖；
[0018]圖4是本實用新型實施例2的一種制作出了摻雜S12材料的波導芯部分的波導熱光開關半成品結構不意圖；
[0019]圖5是本實用新型實施例2的一種制作出了整個波導芯部分的波導熱光開關半成品結構不意圖。
[0020]圖中附圖標記表不為:1_襯底、2_下包層、3_上包層、4_波導芯、5_加熱電極、6-輸入波導區、7-第一分束及合束區、8-熱光調制區、9-第二分束及合束區、10-輸出波導區
【具體實施方式】
[0021]為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型的內容，下面結合附圖和實施例對本實用新型所提供的技術方案作進一步的詳細描述。
[0022]實施例1
[0023]如圖2和3所示，本實施例提供了一種波導熱光開關，依次包括襯底1、下包層2、上包層3和加熱電極5，下包層2為S12材料，上包層3為聚合物材料，沿著波導熱光開關長度方向依次分為輸入波導區6、第一分束及合束區7、熱光調制區8、第二分束及合束區9和輸出波導區10，在下包層2和上包層3之間具有沿波導熱光開關的長度方向穿設于上包層3內的兩根波導芯4，熱光調制區8的波導芯4的材料為聚合物，其他區的波導芯4的材料為摻雜S12材料。
[0024]具體地，下包層2采用的S12材料，其在1550nm波長下的折射率為1.45、體振幅衰減系數為0，導熱系數為1.4W.Κ 1 -m 1O由于其導熱系數較大，這將加快波導芯4中的熱量散失，從而可以縮短器件的響應時間。
[0025]本實施例提供的波導熱光開關，在波導平面上進行了橫向的有機無機混合集成，這不僅會使器件的插入損耗、可靠性、穩定性等性能指標得到提高，而且其后續封裝工藝也會和現有主流封裝工藝相兼容，而不用增加額外的研發投入。
[0026]優選地，波導芯4的橫截面為方形，其寬度和高度均為5?8 μπι，上包層3的厚度為I?3 μm，下包層2的厚度為2?5 μπι。進一步優選地，波導芯4的寬度和高度都為6 μπι,上包層3厚度為2 μπι，下包層2厚度為3 μπι，該參數完全符合現在主流封裝技術的國家標準，而且可以保證波導的單模傳輸。
[0027]優選地，波導芯4中的摻雜S12材料為鍺摻雜S1 2材料，其在1550nm波長下的折射率為1.46。
[0028]具體地，熱光調制區8的波導芯4中的聚合物材料優選紫外聚合式氟化聚合物材料，其損耗低、成膜性好、具有超高熱光系數，熱光系數具體可高達200-300ppm.K \而普通的S12材料為1ppm.K \從而可以大大地降低器件功耗。該種聚合物材料的折射率通過摻雜處理可在一定范圍內任意調整。本實施例中為了減小在兩種材料界面處產生的回波損耗，通過調整使得該聚合物材料與波導芯4中的摻雜Si02材料在相同波長下的折射率相等。
[0029]優選地，上包層3的聚合物材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚二甲基硅氧烷材料在1550nm波長下的折射率為1.403?1.405、體振幅衰減系數為2.8dB/cm，導熱系數為0.134?0.159W-K1-1ii1O由于聚二甲基硅氧烷材料和波導芯4材料之間的折射率差較大，因此消逝場在聚二甲基硅氧烷上包層3中的穿透深度較小，以至于用較薄的上包層3就可以將光場能量很好地限制在光波導芯中，這將加快加熱電極5產生的熱量從上包層3向波導芯4的傳導速率并降低熱場分布梯度，從而可以縮短器件的響應時間并降低器件的功耗。另外，這種聚合物材料價格低廉、穩定性好，有突出的耐老化性、良好的絕緣性和機械強度，還具有良好的光學特性和成膜特性。
[0030]具體地，輸入波導區6和輸出波導區10的長度LI均為0.5?3mm，第一分束及合束區7和第二分束及合束區9均分別分為耦合區和過渡區，且各自耦合區的長度L3均為1000?1300 μπι、各自過渡區的長度L2均為I?3mm，熱光調制區8的長度L為5?10mm。第一分束及合束區7和第二分束及合束區9中的過渡區的波導芯4均為S型彎曲的，以降低損耗。第一分束及合束區7和第二分束及合束區9中的耦合區兩根波導芯4的間距d2為5?10 μ m，熱光調制區8、輸入波導區6和輸出波導區10中兩根波導芯4的間距dl相等且均為40?60 μ m。
[0031]另外，本實施例提供的該波導熱光開關中的設置于熱光調制區8上的加熱電極5采用鋁材料，其在1550nm波長下的折射率為1.44、體振幅衰減系數為16.0dB/cm。且，該加熱電極5的長度為5?10mm、寬度為5?10 μπκ厚度為80?120nm。襯底I采用Si材料，其在1550nm波長下的折射率為3.45，導熱系數為163W.K 1.m \可視為良好的熱沉材料。
[0032]工作原理:在1550nm工作波長下，當耦合區長度和兩根波導芯的間距滿足一定條件時，親合器將實現3dB的分波狀態和合波狀態。當從端口 Inl輸入信號光且不在加熱電