二氧化硅波導(dǎo)馬赫-澤德型2×2熱光開關(guān)損耗對設(shè)計與加工精度的依賴性研究

王軍，付秀華，郭麗君

（1.長春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長春　130022；2.長春理工大學(xué)　理學(xué)院，長春　130022）

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二氧化硅波導(dǎo)馬赫-澤德型2×2熱光開關(guān)損耗對設(shè)計與加工精度的依賴性研究

王軍1，付秀華1，郭麗君2

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022；2.長春理工大學(xué)理學(xué)院，長春130022）

摘要：用有限差分光束傳播法（Three-dimensional beam Propagation Model，3D-BPM）三維模擬技術(shù)，系統(tǒng)研究了基于單模波導(dǎo)定向耦合器的馬赫-澤德2×2熱光開關(guān)對器件的設(shè)計方法及加工精度的依賴關(guān)系。由于器件的光學(xué)損耗與器件結(jié)構(gòu)誤差有很大的影響，所以將實際測得的加工誤差轉(zhuǎn)換為公差后引入到設(shè)計中，對器件的性能進行優(yōu)化，使器件的插入損耗改進到1.5dB以下，即芯片上的光損耗減小到0.5dB以下，隔離度提高到20dB以上，可提高實際產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)的成功率。

關(guān)鍵詞：3dB定向耦合器；馬赫-澤德型2×2熱光開關(guān)；光束傳播法

隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展，人們對信息量的需求呈爆炸式的增長。但是傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)受帶寬的限制，使其不能達(dá)到現(xiàn)代通信發(fā)展的要求。于是引入了基于光纖的全光網(wǎng)絡(luò)，而基于光波導(dǎo)的平面光波線路（Planar lightwave circuit，PLC）技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的一些操作器件上得到廣泛的應(yīng)用，最典型的是陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）和光波分束器［1，2］。作為全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，光開關(guān)起著上下路信號和多路信號間光路交換的作用，而利用半導(dǎo)體材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)和等離子效應(yīng)可制作出相對應(yīng)的電光、熱光和全光開關(guān)［3］。熱光開關(guān)由于加工工藝比較成熟，是目前直接針對工業(yè)應(yīng)用的要求開展研究較多的一種光開關(guān)，具有驅(qū)動功耗低、隔離度高、易于集成為大規(guī)模的開關(guān)陣列和加工成本低等優(yōu)點。它是利用熱光效應(yīng)實現(xiàn)對光場的調(diào)制從而實現(xiàn)開關(guān)功能的。平面光波線路技術(shù)由于它無需移動部件，集成度高且穩(wěn)定性好，可以從根本上克服傳統(tǒng)機械技術(shù)以及微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術(shù)中的開關(guān)操作穩(wěn)定性問題。其中硅基二氧化硅波導(dǎo)技術(shù)由于其光損耗小、與成熟的半導(dǎo)體工藝技術(shù)兼容性高、與光纖的高耦合效率以及成本低等優(yōu)點而廣泛的用于研究制造大規(guī)模的光開關(guān)矩陣。近年來研究比較廣泛的是聚合物類波導(dǎo)和聚合物/SiO2混合類波導(dǎo)的熱光開關(guān)，這類光開關(guān)的響應(yīng)速度相對較快，功耗比較低，但是在實際的連接光開關(guān)矩陣以及大規(guī)模光通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用時會由于它的不穩(wěn)定性而受到限制。

查英等人［4］報道了一種二氧化硅波導(dǎo)的2×2熱光開關(guān)，但其插入損耗和串?dāng)_都偏大，達(dá)到了十幾dB，梁磊等人［5］報道了一種基于聚合物/SiO2混合波導(dǎo)的2×2熱光開關(guān)，其串?dāng)_也達(dá)到了9dB，而且開關(guān)的熱穩(wěn)定性無法保證；王章濤等人［6］報道了一種基于MMI的光開關(guān)陣列，同樣其串?dāng)_和功耗都偏大；Yang D［7］報道了一種改進的2×2熱光開關(guān)，插入損耗為6.8dB，開關(guān)時間為6.8μs，但是其制作工藝和過程卻比較復(fù)雜；基于Y分支結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)［8］也有報道，其消光比為16.5dB，功耗為390mW。以上關(guān)于熱光開關(guān)的研究幾乎全部是對于開關(guān)的響應(yīng)時間和功耗進行優(yōu)化設(shè)計的［9，10］，但是對光開關(guān)的另外一些光學(xué)特性（插入損耗、串?dāng)_、偏振相關(guān)損耗等）的優(yōu)化卻很少有報道。

本文以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加工技術(shù)公差為依據(jù)，利用專業(yè)軟件Opti-BPM對定向耦合器型熱光開關(guān)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，然后對實際加工器件的測試誤差與光學(xué)性能實驗結(jié)果進行了比較性分析與討論，找到了光開關(guān)器件光學(xué)性能-插入損耗和隔離度對器件波導(dǎo)加工誤差的依賴關(guān)系，進而在實際設(shè)計器件時進行校正，為產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1　原理

基于光波導(dǎo)技術(shù)的馬赫-澤德（Mach-Zehender）型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個相同的3dB耦合器和兩個等長波導(dǎo)臂構(gòu)成，在其中一個波導(dǎo)臂上加工加熱電極，形成相位延時器。其工作原理如下：設(shè)波導(dǎo)臂對光的相移為零，光從1端口輸入，經(jīng)過第一個3dB耦合器時，被分成了兩束強度相同、相位相同的光，經(jīng)波導(dǎo)臂到達(dá)第二個3dB耦合器時發(fā)生干涉，在1′端口發(fā)生干涉相消，在2′端口發(fā)生干涉最大，所以信號光從2′端口輸出。同理，當(dāng)光從2端口輸入時光從1′端口輸出，此時開關(guān)屬于交叉通信狀態(tài)。當(dāng)對臂上加熱電極加熱時，由于熱光效應(yīng)會使波導(dǎo)材料的折射率發(fā)生變化，就會使光的相移發(fā)生變化。當(dāng)加熱電極產(chǎn)生的相位差為π時，則從1端輸入的光信號從1′輸出，即光信號從直通端口輸出。因此，通過加熱電極相移器可以實現(xiàn)對MZI型 2×2光開關(guān)單元的光信號輸出狀態(tài)的切換。波導(dǎo)中光波的相位延遲為［4］：

圖1　MZI結(jié)構(gòu)

2　設(shè)計與試驗

首先利用Optiwave公司的OptiBPM軟件對器件進行了設(shè)計和仿真，所用的波導(dǎo)芯層折射率為1.4558，為保證波導(dǎo)的單模傳輸條件，截面尺寸取為6μmx6μm；上包層材料的厚度為17μm，折射率為1.445；襯底層厚度為20μm，折射率為1.445。圖2為加熱器未產(chǎn)生折射率變化時的開關(guān)模擬光場圖，圖3為調(diào)制區(qū)有加熱器使波導(dǎo)折射率變化后開關(guān)輸出功率隨折射率變化圖。

圖2　模擬TE模式光場傳輸分布圖

圖3　模擬TE模式輸出光功率隨折射率變化曲線圖

模擬結(jié)果表明，對于TE零階模輸出，直通端口輸出為0.001526，交叉端口輸出為0.697856，總的歸一化光功率達(dá)到85.83%；對于TM零階模輸出，直通端口輸出為0.001699，交叉端口輸出為0.647161，歸一化光功率達(dá)到85.37%。ISO達(dá)到了26.6dB，IL 為1.89dB，PDL為0.33dB。根據(jù)實際器件的分析結(jié)果以及工藝水平要求，重新設(shè)計了此光開關(guān)結(jié)構(gòu)。器件結(jié)構(gòu)截面圖如圖4所示。分別采用梯形結(jié)構(gòu)和新的矩形取代了原有的矩形結(jié)構(gòu)。然后對光開關(guān)結(jié)構(gòu)光學(xué)輸出性能進行了模擬，并與理想設(shè)計值即6μm×6μm進行了比較。

圖4　新波導(dǎo)截面圖

模擬結(jié)果如表1所示。基于表1的模擬結(jié)果，對設(shè)計的光開關(guān)單元的輸出光學(xué)性能進行了計算，其計算結(jié)果與理想的矩形結(jié)構(gòu)的對比如表2所示。

從表2中的三種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)光學(xué)性能結(jié)果可以看出，由于加工引起的誤差，從設(shè)計的矩形到實際的梯形，光開關(guān)的光學(xué)損耗沒有太大的影響。對于TE模，光開關(guān)的光學(xué)損耗只是從1.56dB變?yōu)?.87dB；而對于TM模，光開關(guān)的光學(xué)損耗從1.89dB增加到2.00dB，于是TE模和TM模光學(xué)損耗分別增加了0.3dB和0.1dB。但是，對兩個輸出端的隔離度（ISO）卻影響很大，TE模的隔離度從設(shè)計值的26.6dB變?yōu)?2.7dB，而TM模的隔離度從25.8dB變到12.5dB，全部下降了一半。在所有氧化硅PLC技術(shù)的光交換器件或模塊中，光開關(guān)單元和波導(dǎo)光交換網(wǎng)絡(luò)是保證器件最后性能的兩個核心要素。從理論上講，MZI結(jié)構(gòu)的光開關(guān)僅僅具有12dB隔離度的模擬值已經(jīng)遠(yuǎn)低于最低要求15dB了，而且實際測試結(jié)果要比這個模擬結(jié)構(gòu)更差。當(dāng)然，一個重要的光學(xué)性能-PDL在器件從設(shè)計的理想矩形結(jié)構(gòu)向一個不理想的梯形結(jié)構(gòu)變化中卻變得更小，即從0.33dB變?yōu)?.13dB，即0.20dB的PDL被消除。

基于上述設(shè)計和數(shù)據(jù)，運用反應(yīng)離子刻蝕工藝（Reactive Ion Etching，RIE）對設(shè)計的MZI開關(guān)進行了制作。由于工藝誤差的原因，在實際加工過程中，器件尺寸并未達(dá)到設(shè)計要求。實際波導(dǎo)斷面SEM圖如圖5所示。從圖中看出，加工器件與設(shè)計的波導(dǎo)尺寸相差很大，但電極的光刻對準(zhǔn)度和加工精度都和設(shè)計值接近。

圖5　實際波導(dǎo)截面圖及電極連接圖

表1　理想波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時（6.0μm×6.0μm）光開關(guān)輸出光學(xué)性能對比表

表2　波導(dǎo)有與無加工誤差時光開關(guān)輸出光學(xué)性能對比表

圖6　輸出光功率隨器件驅(qū)動功率的關(guān)系曲線

圖6為實際開關(guān)器件測試光學(xué)動態(tài)性能-兩輸出端光功率之間的關(guān)系，圖中橫坐標(biāo)為加熱功率，縱坐標(biāo)為兩個輸出端的光學(xué)功率。從圖中可以看出，在沒有施加電功率時的兩個光輸出的隔離度是6.0dB左右，交叉輸出的插入損耗為2.5～3.0dB左右，減去1.5dB的芯片-光纖耦合損耗，則芯片上的光損耗為1.5～2.0dB，與模擬結(jié)果基本一致。

3　結(jié)果分析

對比圖3與圖6發(fā)現(xiàn)，實際器件可以在驅(qū)動功率為510mW時達(dá)到輸出為-32dB，這一結(jié)果優(yōu)于初始設(shè)計光開關(guān)的輸出值-28dB。但是在未加驅(qū)動功率時直通態(tài)端的光輸出達(dá)到-8dB。這是由于加工精度未達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使得器件幾何形狀發(fā)生變化，最終使得器件的光學(xué)性能受到影響。因此，在器件制備過程中，要保證加工誤差達(dá)到最小，在把加工公差引入到設(shè)計中，使得器件光學(xué)性能在誤差允許范圍內(nèi)達(dá)到最優(yōu)。因此，下一步工作將從改進加工工藝入手減小波導(dǎo)側(cè)壁的角度，并使其穩(wěn)定。基本策略是降低刻蝕自偏壓和減小流量，同時，刻蝕速度的減小、腔室加壓也會使波導(dǎo)側(cè)壁的傾角減小。

4　結(jié)論

本項工作模擬設(shè)計了一種基于定向耦合器結(jié)構(gòu)的熱光開關(guān)單元。分析了器件尺寸對器件性能的影響，并基于實際工藝模擬了新的開關(guān)單元?；赑LC技術(shù)制作了MZI熱光開關(guān)單元，并對器件進行了實際的測試。實驗結(jié)果表明，交叉輸出初始狀態(tài)的3.0dB可以在熱功率驅(qū)動下達(dá)到最低輸出-32dB，所以其開/關(guān)之間的對比度已經(jīng)達(dá)到29dB，開關(guān)功率約為510mW。器件雖然實際效果并不如模擬結(jié)果理想，但是在工藝改進實現(xiàn)后，該器件可用于構(gòu)建大規(guī)模矩陣光開關(guān)，而且在降低光學(xué)損耗方面具有很大優(yōu)勢。

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Study of the Precision Dependence of 2×2 Silicon-on-insulator Mach-zehnder Thermo-optical Switch Performance

WANG Jun1，F(xiàn)U Xiuhua1，GUO Lijun2
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Abstract：The fabrication precision dependence and the design method of a 2×2 switch structure characteristics are systematically studied with three-dimensional beam propagation method. It turns out that the errors of the device influence the optical performance a lot. Thus，the fabrication precision errors were adopted and introduced them into the performance simulations and optimization of the 2×2 optical switch to reduce the optical on-chip loss of 0.5dB，the insertion loss less than 1.5dB，and an isolation of 20dB. Thereby，it’s good to improve the success rate of the design and produce of the optical communication devices.

Key words：3dB directional coupler；Mach-Zehnder 2×2 thermo-optical switch；beam propagation method

中圖分類號：TN256

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0010-04

收稿日期：2015-10-22

基金項目：南京市政府海外人才引進計劃項目（321工程）

作者簡介：王軍（1989-），男，碩士研究生，E-mail：laosanwangjun@163.com