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

技术特征：
1.一种硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片，其特征在于，包含n路光输入耦合器(101)、n路偏振旋转分束器(102)、n
×
n
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m波长选择光开关阵列(103)、n路偏振旋转合束器(105)和n路光输出耦合器(106)，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(103)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；第i路输入单模光纤与第i路光输入耦合器(101)的输入端连接，该光输入耦合器(101)的输出端与第i路所述的偏振旋转分束器(102)的输入端连接，该偏振旋转分束器(102)的2个输出端分别与所述的n
×
n
×
m波长选择光开关阵列(103)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(105)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；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。2.如权利要求1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，其特征在于，包含底层硅波导(201)、中间层氮化硅波导(202)和顶层氮化硅波导(203)三层波导，各层波导之间通过氧化硅隔离；所述的n
×
n
×
m波长选择光开关阵列(103)将从每一对底层硅波导(201)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(203)的不同的输出端输出，通过波导层间耦合器(104)将在顶层氮化硅波导(203)中的光信号转换到底层硅波导(201)上，并传输至所述的偏振旋转合束器(105)。3.如权利要求1或2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，其特征在于，所述的n
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n
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m波长选择光开关阵列(103)由n2个2
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2波长选择光开关单元(a)按照横纵交叉的拓扑结构连接而成，每个2
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2波长选择光开关单元(a)采用硅-氮化硅三维集成的微环结构，包括底层硅波导(201)、顶层氮化硅波导(203)和m组q-级串联氮化硅微环(m≥2，q≥2)；所述的底层硅波导(201)两端分别作为输入端和直通端，所述的顶层氮化硅波导(203)的两端分别作为交叉端和上载端，所述的底层硅波导(201)和顶层的氮化硅波导(203)构成用于抑制波导交叉导致的损耗和串扰的三维波导交叉结(b)，所述的中间层氮化硅波导(202)构成级联微环(c)，分别与底层硅波导(201)和顶层氮化硅波导(203)通过竖向耦合构成三维集成级联微环谐振器。4.如权利要求2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，其特征在于，所述的2
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2波长选择光开关单元(a)的级联微环(c)中的m组q-级串联氮化硅微环(m≥2，q≥2)，每一组级联微环c
m
(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(201)和顶层氮化硅波导(203)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(c)的组数m对应可实现波长路由的通道数，每一组级联微环c
m
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(c)的每个氮化硅微环上面集成了微加热器(d)，可以调节氮化硅微环的谐振波长，微加热器(d)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。5.如权利要求2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，其特征在于，所述的2
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2波长选择光开关单元(a)，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～λ
m
)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c
n
(n＝1～m)上的微加热器进行加电，可以将c
n
中微环的谐振波长平移与其中某个输入波长λ
n
相同，此时从输入端(直通端)输入的波长为λ
n
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(a)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。6.如权利要求1或5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，其特征在于，所述的提供动态路由，在对第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平移到对应的波长λ
m
通道(p≤n，q≤n，m≤m)时，从p输入端口输入的波长为λ
m
的光信号可以路由到q输出端口；通过对任意组串联微环的微加热器加电，可处理波长粒度光信号的任意路由。7.如权利要求2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，其特征在于，所述的波导层间耦合器(104)为三维波导层间耦合器，包含一个由顶层氮化硅波导(203)和第一中间层氮化硅波导(202-1)构成的第一氮化硅-氮化硅层间耦合器(d)，及一个由第二中间层氮化硅波导(202-2)和底层硅波导(201)构成的第二氮化硅-硅层间耦合器(e)，所述的第一氮化硅-氮化硅层间耦合器(d)和第二氮化硅-硅层间耦合器(e)之间通过第三中间层氮化硅波导(202-3)连接，所述的第一中间层氮化硅波导(202-1)、第二中间层氮化硅波导(202-2)和第三中间层氮化硅波导(202-3)一体而成构成宽度由小变大再变小的中间层氮化硅波导(202)；在任意两个相邻波导层之间用两个相反方向的锥形波导来完成模场耦合，实现光信号在所述的底层硅波导(201)、中间层氮化硅波导(202)和顶层氮化硅波导(203)的三层波导之间传输。8.如权利要求2或7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，其特征在于，所述的底层硅波导(201)和顶层氮化硅波导(203)在高度方向上间距大于0.8μm，所述的中间层的氮化硅波导(202)与底层硅波导(201)和顶层氮化硅波导(203)在高度方向上的间距均小于0.5μm。9.如权利要求1-8任一所述的硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片，其特征在于，所述的光输入耦合器(101)和光输出耦合器(106)都包含n个光耦合器，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。10.如权利要求1-8任一所述的硅-氮化硅三维集成偏振无关波长选择光开关阵列芯片，其特征在于，所述的n路偏振旋转分束器(102)和n路偏振旋转合束器(105)是一对结构
相反的耦合器，采用渐变脊型波导结合非对称定向耦合器实现。

技术总结
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，包括输入耦合器、偏振旋转分束器、波长选择光开关阵列、波导层间耦合器、偏振旋转合束器和输出耦合器。利用硅-氮化硅三维集成，实现工艺容差大、控制简便的氮化硅微环光开关，低损耗、低串扰的波导交叉结以及高效率的波导层间耦合器。在氮化硅微环上集成微加热器来调谐谐振波长与输入光信号的波长通道匹配，支持波长选择路由。利用偏振旋转分束和合束器，仅用单个光开关阵列即可实现偏振无关操作，不需要外部偏振控制，解决目前硅光芯片对偏振敏感问题，并能够兼容偏振复用信号。该芯片支持波长粒度、偏振复用光信号在任意端口间路由，具有结构紧凑、控制简便等优点。控制简便等优点。控制简便等优点。


技术研发人员：陆梁军 李鑫 高伟 周林杰 陈建平
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2021.10.22
技术公布日：2022/1/28