硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片的制作方法

1.本发明涉及光通信技术领域，特别是一种硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片。


背景技术：

2.自20世纪90年代以来，随着互联网技术的迅速发展，用户对互联网流量的需求日益增长，并随之带来了对光纤通信容量的迫切增长需求。交换机用于互连数据中心的服务器以及全球光纤通信网络中的各种终端设备。现有的光网络在数据交换节点处大多仍采用电交换技术，受“电子瓶颈”的限制，传输速率和容量无法满足发展需求，大端口数、低功耗的光交换成为本领域的研究重点。
3.波分复用(wdm)技术的发展为网络扩容提供了一种有效的解决方案，能够在同一根光纤中同时让两个以上的光波长信号通过各自的信道传输信息。波长选择光开关(简称为wss) 可以对多波长光信号中的每个波长进行独立交换，支持将任意波长通道分配到任意路径，可以降低光纤的用量。基于硅上液晶(简称为lcos)技术的wss受到了广泛研究并实现了商业化，通过液晶和衍射光栅在自由空间中将不同波长光信号进行分离。尽管基于lcos的wss能够实现较高维度的波长切换，但是器件尺寸还是很大。通过在一块芯片上集成的方式可以使器件结构紧凑，硅基光电子可以借助成熟的微电子加工工艺实现大规模生产，具备高集成度、低成本、高可靠性等优势。目前报道的硅基平台上的wss最常见的是基于微环谐振器的结构，利用微环的波长选择特性，通过调节微环的谐振波长可以对传输的光信号进行开关切换。但是由于绝缘体上硅波导构成的微环尺寸较小，容易受工艺误差的影响，并且对温度敏感，不适合实际应用。此外，硅基集成平台上常用的硅波导尺寸为500nm
×
220nm，波导宽度和高度不相等导致其对偏振敏感，需要额外的偏振控制器件来调整偏振状态。


技术实现要素：

4.针对上述大规模光开关芯片的实际应用需求以及现有的光开关实施方案所存在的缺陷，本发明提出一种硅-氮化硅三维集成的偏振无关波长选择光开关阵列芯片。该芯片结构简单、工艺容差大、可扩展性强。更重要的是，本发明利用硅-氮化硅三维集成的优势从很大程度上减轻了波导交叉带来的性能恶化，同时构建形成偏振无关的波长选择光开关系统，能够在未来超大容量光通信系统中发挥重要作用。
5.为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
6.一种硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片，其特点在于，包含n路光输入耦合器、n路偏振旋转分束器、n
×n×
m波长选择光开关阵列、n路偏振旋转合束器和n路光输出耦合器，每一路输入光信号包含m个波长，所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列包含对称分布的2n个输入端口和对称分布的2n个输出端口其中，n为2以上的正整数，分别代表输入和输出光波导的数目，m为2以上的正整数，代表所传输的不同波长的光信道数目；
7.第i路输入单模光纤与第i路光输入耦合器的输入端连接，该光输入耦合器的输出端与第i路所述的偏振旋转分束器的输入端连接，该偏振旋转分束器的2个输出端分别与所述的 n
×n×
m波长选择光开关阵列的第i对的2个输入端口连接，该所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列(103)的第i对的2个输出端分别与第i路偏振旋转合束器的2个输入端相连，该偏振旋转合束器(105)的输出端与第i路光输出耦合器(106)的输入端连接，该光输出耦合器(106)的输出端与第i单模光纤连接，i＝1，2，
……
，n；
8.每路偏振旋转分束器(102)将各路光信号分为正交偏振的二束光，且其中一束的偏振态旋转90度，使得在每路偏振旋转分束器(102)的2个输出端的光信号具有相同偏振，所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列(103)将从每一对输入端输入的任意波长的光信号任意路由到不同的输出端输出，；所述的n路偏振旋转合束器(105)将2n束相同偏振态的光信号重新转化为正交偏振态并合并输出为n路，最后输出到输出单模光纤发射。
9.所述的硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片在soi晶圆上通过硅-氮化硅三维集成波导实现，包含三层波导，分别为底层硅波导、中间层氮化硅波导和顶层氮化硅波导，各波导之间通过氧化硅隔离，硅波导和顶层氮化硅波导在高度方向上间距大于0.8μm，位于中间层的氮化硅波导与底层硅波导和顶层氮化硅波导在高度方向上的间距均小于0.5 μm。所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列将从每一对底层硅波导的输入端输入的任意波长的光信号任意路由到顶层氮化硅波导的不同的输出端输出，通过波导层间耦合器将在顶层氮化硅波导中的光信号转换到底层硅波导上，并传输至所述的偏振旋转合束器。
10.所述的硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片,每一路输入光信号包含m 个波长；在所述的偏振旋转分束器处将每路光信号分为正交偏振的2束光，并且其中一束的偏振态旋转90度，使得在偏振旋转分束器的2个输出端的光信号具有相同偏振；所述的n
×nꢀ×
m波长选择光开关阵列对该2n路
×
m个波长的光信号提供动态路由；所述的2n路波导层间耦合器协助光信号在硅-氮化硅三维波导层之间传输；所述的n路偏振旋转合束器能够将2n 束相同偏振态的光信号重新转化为正交偏振态并合并输出为n路，最后输出到单模光纤发射。
11.所述的n路光输入耦合器和n路光输出耦合器，分别包含n个光输入耦合器和n个光输出耦合器，结构采用二维光栅耦合器或倒锥形模斑转换器，以垂直或水平耦合的方式将包含随机偏振态的多波长光信号从单模光纤耦合输入/输出光芯片。
12.所述的n路偏振旋转分束器和n路偏振旋转合束器，都包含n个偏振旋转分束器，其中在用作偏振旋转合束器时，只需将偏振旋转分束器的输入、输出端口置换下即可；所述的偏振旋转分束器可采用渐变脊型波导结合非对称定向耦合器结构实现。
13.所述的2n路波导层间耦合器由2n个三维波导层间耦合器构成，包含一个由顶层氮化硅波导和中间层氮化硅波导构成的氮化硅-氮化硅层间耦合器，还有一个由中间层氮化硅波导和底层硅波导构成的氮化硅-硅层间耦合器，两个层间耦合器之间通过中间层的氮化硅波导连接。在任意两个相邻波导层之间用两个相反方向的锥形波导结构来完成模场耦合，实现光信号在三层波导之间传输。
14.所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列由n
×
n个2
×
2波长选择光开关单元按照横纵交叉 (cross-bar)的拓扑结构连接而成。
15.所述的2
×
2波长选择光开关单元采用硅-氮化硅三维集成的微环结构，包括一个底层硅波导、一个顶层的氮化硅波导和m组q-级串联氮化硅微环(m≥2，q≥2)，底层硅波导两端分别为输入端(西)和直通端(东)，顶层氮化硅波导的两端分别为交叉端(北)和上载端(南)。利用硅波导和顶层的氮化硅波导构成三维波导交叉结，抑制波导交叉导致的损耗和串扰；利用中间层氮化硅波导构成级联微环，分别与硅波导和顶层的氮化硅波导通过竖向耦合构成三维集成级联微环谐振器。
16.所述的2
×
2波长选择光开关单元的级联微环中的m组q-级串联氮化硅微环(m≥2，q≥ 2)，每一组级联微环cm(m＝1～m)包含了q个相同结构相互串联的氮化硅微环；所述的q个串联氮化硅微环之间及与底层硅波导和顶层氮化硅波导间的耦合系数可以通过设计波导间距、耦合区域波导长度来改变，以增大器件的工作带宽，所述的级联微环的组数m对应可实现波长路由的通道数，每一组级联微环cm中所有q个氮化硅微环的谐振波长都相同；所述的级联微环的每个氮化硅微环上面集成了微加热器，可以调节氮化硅微环的谐振波长，微加热器通过在氮化硅微环上方制作氮化钛金属热电阻或直接对氮化硅微环下方的硅波导掺杂为同样的微环结构来实现，将微加热器结构尽量靠近级联微环来降低热移相功耗，还可以对包层氧化硅和底部的硅衬底做刻蚀处理，形成空气槽，进一步提升热移相效率。
17.所述的2
×
2波长选择光开关单元，初始状态所有氮化硅微环的谐振波长都相同，为λ0，与输入波长(λ1～λm)都不相同，此时从输入端(直通端)输入的光信号直接从直通端(输入端)输出；通过对其中一组级联微环cn(n＝1～m)上的微加热器进行加电，可以将cn中微环的谐振波长平移与其中某个输入波长λn相同，此时从输入端(直通端)输入的波长为λn的光信号就从交叉端(下载端)输出，其他波长的输入光还是保持从直通端(输入端)输出；通过对不同组级联微环上的微加热器加不同的电压电调，使其谐振波长分别与对应输入波长对准，从而在该2
×
2波长选择光开关单元中实现所有的输入波长从输入端(直通端)能够任意路由到交叉端和直通端(上载端和输入端)输出，实现波长动态路由。
18.所述的硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片，通过对第p行、第q列的第m组串联微环上的微加热器加电使其谐振波长红移到对应的波长λm通道(p≤n，q≤n，m≤m)，可以将从p输入端口输入的波长为λm的光信号路由到q输出端口；通过对多组串联微环加电，可处理波长粒度光信号的任意路由。
19.和现有技术相比，本发明的优势体现在以下几个方面：
20.1.本发明硅-氮化硅三维集成的偏振无关波长选择光开关阵列芯片依托硅-氮化硅三维集成平台实现，具有器件结构简单、集成度高、制作工艺与cmos工艺兼容、大端口数、低损耗、低串扰、低功耗、低成本的优势。
21.2.本发明利用氮化硅微环作为光开关的基础单元，具有较高的工艺容差，不需要额外功耗来校准微环的谐振波长，降低了光开关系统的控制复杂度。
22.3.本发明光开关阵列芯片支持多波长光信号的传输和交换，而且具备同时传输两束光信号的特性，可以利用偏振复用和波长复用在两个维度上增加光信号容量，对于大容量光通信的发展具有实际意义。
附图说明
23.图1为本发明基于硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片的总体
结构图；
24.图2为本发明的2
×
2波长选择光开关单元结构图及其工作原理；
25.图3为本发明4
×4×
2偏振无关波长选择光开关阵列芯片实施例示意图；
26.图4为本发明的移相器截面结构示意图；
27.图5为本发明的波导层间耦合器的实施例结构示意图；
28.图6为本发明实施例4
×4×
2波长选择光开关阵列的几种代表性工作状态示意图。
具体实施方式
29.为了进一步阐述本发明的核心技术方案以及应用目标，下文结合附图和实施例来做出说明。但值得注意的是，本发明所涉及的范围不局限于此处提到的实施例。
30.如图1所示，本发明硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片，包含n路光输入耦合器101、n路偏振旋转分束器102、n
×n×
m波长选择光开关阵列103、2n路波导层间耦合器104、n路偏振旋转合束器105和n路光输出耦合器106。所述的n路光输入耦合器 101的输入端与输入的n路单模光纤连接，所述的n路偏振旋转分束器102的输入端分别与所述的n路光输入耦合器101的输出端连接；所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列103，包含2n个输入端口和2n个输出端口，所述的2n个输入端口分布在东西两侧，分别与所述的n 路偏振旋转分束器102的2n个输出端连接，2n个输出端口分布在南北两侧，分别与所述的 2n路波导层间耦合器104的输入端相连；所述的n路偏振旋转合束器105的2n个输入端分别与所述的2n路波导层间耦合器104的输出端相连；所述的n路偏振旋转合束器105的输出端与所述的n路光输出耦合器106的输入端连接，所述的n路光输出耦合器106的输出端与 n路单模光纤连接；
31.所述的硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列103是在soi晶圆上通过硅-氮化硅三维集成波导实现，参见图2，包含三层波导，分别为底层硅波导201、中间层氮化硅波导202和顶层氮化硅波导203，各波导之间通过氧化硅隔离，所述的底层硅波导201和所述的顶层氮化硅波导203在高度方向上的间距大于0.8μm，所述的中间层的氮化硅波导202分别与所述的底层硅波导201和所述的顶层氮化硅波导203在高度方向上的间距均小于0.5μm。
32.每一路输入光信号包含m个波长；所述的偏振旋转分束器102将每路光信号分为正交偏振的2束光，并且其中一束光的偏振态旋转90度，使得在所述的偏振旋转分束器102的2个输出端的光信号具有相同偏振；所述的n
×n×
m波长选择光开关阵列103对该2n路
×
m个波长的光信号提供动态路由；所述的2n路波导层间耦合器104协助光信号在硅-氮化硅三维波导层之间传输；所述的n路偏振旋转合束器105将2n束相同偏振态的光信号重新转化为正交偏振态并合并输出为n路，最后通过所述的n路光输出耦合器106的输出端输出经输出端的 n路单模光纤o发射。
33.实施例：
34.图3展示了本发明硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片的一个实施例，即4
×4×
2(n＝4,m＝2)偏振无关波长选择光开关阵列芯片。本实施例利用硅-氮化硅三维集成波导实现，包含三层波导：底层硅波导201和其上的中间层氮化硅波导202和顶层氮化硅波导203。所述的硅波导201和顶层氮化硅波导203在高度方向上间距大于0.8μm，
保证三维波导交叉结具有较低的损耗(小于0.01db)，所述的中间层的氮化硅波导202与所述的底层硅波导201和顶层氮化硅波导203在高度方向上的间距均小于0.5μm，保证光信号在三层波导之间耦合传输的损耗较小(小于0.1db)。
35.在本实施例中，4个光输入耦合器101和4个光输出耦合器106为水平结构，通过端面耦合的方式将包含正交偏振态的两波长光信号耦合进光芯片/耦合出光芯片；8个偏振旋转分束器102或106采用渐变脊型波导结合非对称定向耦合器的结构，4个偏振旋转分束器102 用于将输入光信号转换为相同偏振态的信号并分束，另外4个偏振旋转分束器的输入与输出反向放置构成4个偏振旋转分束器105，将具有相同偏振态的信号重新转换为正交偏振态并合并；4
×4×
2波长选择光开关阵列103包含16个2
×
2波长选择光开关单元，光开关单元之间通过cross-bar拓扑结构进行连接，每个光开关单元包含2组氮化硅双微环(q＝2)，能够同时传输两个wdm通道的光信号，每个氮化硅微环均集成了微加热器用于热移相。
36.图4为本实施例中的热移相器结构截面示意图。对氮化硅微环实现热移相的方式有两种：分别为在氮化硅微环上方制作金属热电阻(图4(a))或直接对氮化硅微环的下方的硅波导掺杂为同样的微环结构(图4(b))来实现低功耗热移相。在本实施例中，移相器附近的二氧化硅包层和底部的硅衬底均做了刻蚀处理，形成空气槽，将热量集中在移相器区域，防止其向周围和衬底扩散，可以进一步提升热移相效率。
37.图5为本实施例中的波导层间耦合器104结构，包括一个由顶层氮化硅波导203和中间层氮化硅波导202构成的氮化硅-氮化硅层间耦合器d和一个由中间层氮化硅波导202和底层硅波导201构成的氮化硅-硅层间耦合器e。在任意两个相邻波导层之间用两个相反方向的锥形波导结构来完成模场耦合，实现光信号在三层波导201、202、203之间传输。
38.本实施例的4
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2偏振无关波长选择光开关阵列芯片，在对第p行、第q列的第m组串联微环加电使其谐振波长红移到对应的波长λm通道(p≤4，q≤4，m≤2)时，从p输入端口输入的波长为λm的光信号可以路由到q输出端口；通过对多组串联微环加电，可处理波长粒度光信号的任意路由。图6给出了几种代表性的4
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2波长选择光开关阵列工作状态示意图。
39.以图6(3)的状态为例，对本发明硅-氮化硅偏振无关波长选择光开关阵列芯片的工作过程进行详细说明如下。
40.在图3的4
×4×
2偏振无关波长选择光开关阵列芯片中，一束包含随机偏振态的两波长光信号(te tm，λ1λ2)经过i1耦合器1001从单模光纤耦合进入光芯片，经过偏振旋转分束器1021之后分成两束相同偏振的光信号，分别为原有的te
→
te偏振态光信号以及tm
→
te偏振态光信号。te
→
te偏振态光信号传输到4
×4×
2波长选择光开关阵列的西1端口，tm
→
te 偏振态光信号则传输到4
×4×
2波长选择光开关阵列的东1’端口。在不加电的情况下，串联氮化硅微环的谐振波长与输入光信号的两个波长通道λ1、λ2均不一致。给4
×4×
2波长选择光开关阵列中第一行第二列的第一组串联氮化硅微环加电热调，使其谐振波长红移到λ1，同样的给第一行第一列的第二组串联氮化硅微环加电热调，使其谐振波长红移到λ2，此时西1 端口输入的光信号λ1、λ2分别路由到北2、北1波导，东1’端口输入的光信号λ1、λ2沿逆时针分别路由到南2’、南1’端口。上述四个输出端口的光信号分别经过波导层间耦合器从顶层氮化硅波导传输到硅波导，其中北1和南1’两端口的光信号λ2经过偏振旋转合束器10501合束并从o1耦合器10601输出，北2和南2’两端口的光信号λ1经过偏振旋转合束器
10502合并从o2耦合器10602输出。综上，i1输入的正交偏振态双波长光信号分别被路由到o1和o2两个输出端。类似的，其他端口输入的光信号均按照相同的方式在输入-输出端口之间传输。
41.本发明的具体实施方式不局限于上述的实施例，对于本技术领域的其他人员很容易理解。前述实施例已经对本发明进行了清晰的表述，但所记载的技术方案仍然可以修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。