專利名稱：一種可調變光學衰減器及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可調變光學衰減器及其制作方法，屬于光學通信領域。
背景技術：
可調變光學衰減器(VOA)在光通信傳輸系統中具有廣泛的應用，其主要功能是用來減弱或控制光信號。光通信傳輸系統的最基本的特性應該是可調，特別是隨著DWDM (密集波分復用)傳輸系統和EDFA (摻餌光纖放大器)在光通信中的應用，在多個光信號傳輸通道上必須進行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要進行動態飽和的控制，另外，在光傳輸過程中還需要對其它信號進行控制，這些都使得VOA陣列成為其中不可或缺的關鍵器件。當前，世界上有多種制造可調變光學衰減器(VOA)的技術，包括微機電(MEMS)技術、液晶技術、磁光技術等，這些不僅需要傳統光學方式的校準，有些還包含機械移動部分， 因此制作和應用都比較復雜，而且產品尺寸大，不利于集成。隨著DWDM系統的發展，以及市場對可靈活升級的可重構光分插復用器(ROADM)的潛在的巨大需求，越來越需要通道數多而體積小的可調變光學衰減器陣列。基于平面光波導(PLC)技術的可調變光學衰減器陣列，是利用半導體器件生產工藝設備，在同一個襯底上制造多個光學衰減器器件構成，具有體積小、易集成、可靠性高、價格便宜、適于大規模生產等眾多特點。當前世界上幾種主要的PLC技術平臺包括用聚合材料(polymers)制造光波導，用光學晶體材料制造光波導，和在硅片上生長二氧化硅(silica-on-silicon)制造光波導等三種技術手段，用聚合材料(即透明高分子材料)制成的光波導器件有造價低，選材的靈活性好等優點，而且當用熱光效應來控光的時候，電功耗小。但由于聚合材料的光學損耗較大，用它制成的光學器件目前不被工業界接受；用光學晶體制成的光波導器件具有高速度的優點，但造價高、損耗大；目前最為工業界接受的較為成熟的技術平臺是硅片上長二氧化娃(silica-on-silicon)的方法。Silica-on-si 1 icon技術平臺是在硅晶圓片上長出二氧化硅的下包層、波導芯，雖然挪用的是半導體工業中已經成熟的離子增強化學氣相沉積工藝(PECVD)，但在硅晶圓上生長二氧化硅不僅時間長，而且造價高，另外，由于是兩種不同的材料，形成的器件應力相對較大，器件的偏振相關損耗(PDL)也較大。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種可調變光學衰減器及其制作方法。為實現上述技術目的，本發明提供的技術方案如下
一種可調變光學衰減器，包括二氧化硅襯底，所述二氧化硅襯底上設有外部二氧化硅上包層，所述外部二氧化硅上包層內部設有凹槽，所述外部二氧化硅上包層與凹槽之間設有側溝槽，所述側溝槽內充滿熱光材料，所述外部二氧化硅上包層、側溝槽、凹槽的上部覆有封帽，所述凹槽底部設有波導芯，所述波導芯上部設有內部二氧化硅上包層，所述封帽內部與內部二氧化硅上包層相接處設有金屬電極。一種制作上述可調變光學衰減器的方法，選用二氧化硅為襯底；在二氧化硅襯底上直接生長波導芯，將多余的摻雜芯層腐蝕掉，留下的部分作為波導芯；然后在二氧化硅襯底上形成一層完全覆蓋波導芯的內部二氧化硅上包層，在內部二氧化硅上包層的上表面設置金屬電極，其位置正對波導芯；將波導芯兩側的上包層分別腐蝕掉，形成兩個側溝槽；在側溝槽內充滿聚合物熱光材料；最后將整個器件的表面設置一層封帽將所有元件封閉在一起。作為優選，所述外部二氧化硅上包層、內部二氧化硅上包層與二氧化硅襯底折射率相同。作為優選，所述波導芯為摻雜的二氧化硅。現有的平面光波導對光的傳輸是基于波導芯和包層之間的光折射率差，通過物理上的光學全反射來實現的，光學全反射發生在波導芯和包層界面上的要求是波導芯的光折射率大于包層折射率，這樣保證了光波通過全反射限制在波導芯內。而實際情況是，即使在全反射情況下，并不是所有能量都被限制在波導芯內，有一部分光會圍繞波導芯在包層中傳輸，稱為瞬逝波，這部分光能與波導芯和包層的折射率有關。波導芯為摻雜的二氧化硅，其折射率高于包層，如此形成弱波導傳播模式，使得光信號主要在波導芯內傳輸，類似于光在光纖中傳播的原理。側溝槽內的熱光材料為聚合物， 在常溫下，其折射率與波導芯折射率相同，當受熱后，該聚合物的折射率將會發生改變，上升或是下降至與包層折射率相同。由于聚合物熱光系數遠大于二氧化硅，故任何固態或是液體聚合物均可以作為熱光材料，我們采用的是液態聚合物(光學玻璃測試用的折射率油層)。當其與包層折射率接近或是相同時，光信號將在波導芯中正常傳輸，無衰減；當聚合物折射率與波導芯折射率接近或是相同時，波導芯中的光信號將會完全泄露到聚合物中，從而使波導芯中輸出的光強接近為零；通過改變電極的電流加熱，進而改變聚合物的折射率， 使得當聚合物折射率在包層折射率與波導芯折射率之間變化時，輸出光信號亦在全透過和最大衰減值中變化，從而實現光強的可調變控制。本發明通過金屬電極給側溝槽內的熱光材料加熱，使之折射率發生改變，從而影響波導芯中光信號的傳輸，進而控制輸出光強，實現可調光學衰減。因此，本發明沒有任何機械移動部分，不需要傳統光學方式的校準，大大簡化和降低了工藝制作；另外，本發明省去了傳統半導體工藝先在硅襯底上生長二氧化硅下包層的步驟，在二氧化硅襯底上直接生長出波導芯，減去了二氧化硅下包層的生長時間，縮短了產品的生長周期，降低了產品成本；另外，由于襯底和下包層為同種材料，消除了襯底對器件的應力影響，有效地降低了器件的偏振相關損耗；此外，本發明是基于平面光波導的器件，可在同一個襯底上排列多個器件構成陣列，集成度高、生產成本低、重復性和可靠性高，具有與其他平面光學芯片進行更高度集成的能力。通過在二氧化硅襯底上直接生長出波導芯，不僅減去了二氧化硅下包層的生長時間，縮短了產品的生長周期，而且降低了產品成本；另外，由于襯底和下包層為同種材料，消除了襯底對器件的應力影響，有效地降低了器件的偏振相關損耗；通過在同一襯底上排列多個器件構成VOA陣列，達到高的集成度。


附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中
圖1為本發明實施例的橫截面示意圖； 圖2為本發明實施例的制造流程圖3為光強衰減隨波導芯與側溝槽中聚合物折射率差值的變化曲線圖。1—二氧化硅襯底；2——波導芯；3——外部二氧化硅上包層；4——金屬電極； 5——側溝槽；6——封帽，7-內部二氧化硅上包層。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。圖1中，側溝槽5位于波導芯2的兩側，其中充滿聚合物熱光材料，其折射率會隨著溫度變化而變化。當側溝槽5內聚合物折射率與包層折射率相似或相同時，光信號主要沿波導芯2從輸入端傳到輸出端，無衰減；當側溝槽5內聚合物折射率與波導芯2折射率接近或相同時，波導芯2中的光將會大部分泄露到側溝槽5中，使得輸出端的光強大為降低， 甚至為零。通過金屬電極4對側溝槽5內的熱光材料加熱，可以控制側溝槽5內的熱光材料的折射率在波導芯2、包層折射率之間變化，從而達到控制輸出光強，實現可調光學衰減的目的，圖3為光強衰減隨波導芯2與側溝槽5中聚合物折射率差值的變化曲線圖。具體的工藝流程圖如圖2所示選用二氧化硅為襯底；在二氧化硅襯底1上直接生長波導芯2，波導芯2為摻雜的二氧化硅，折射率略高于襯底，將多余的摻雜芯層腐蝕掉， 留下具有一定形狀的部分作為波導芯2 ；然后在二氧化硅襯底1上形成一層能完全覆蓋波導芯2的內部二氧化硅上包層7，其折射率與二氧化硅襯底1相同；在內部二氧化硅上包層 7的上表面設置金屬電極4，其位置正對波導芯2 ；將波導芯2兩側的上包層分別腐蝕掉，形成兩個側溝槽5 ；在側溝槽5內充滿聚合物熱光材料；最后將整個器件的表面設置一層封帽 6，將所有元件封閉在一起，形成一個光學衰減器；將多個光學衰減器集成在同一個二氧化硅襯底上構成可調變光學衰減器陣列。最后應說明的是以上所述僅為說明本發明的實施方式，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種可調變光學衰減器，包括二氧化硅襯底，其特征在于所述二氧化硅襯底上設有外部二氧化硅上包層，所述外部二氧化硅上包層內部設有凹槽，所述外部二氧化硅上包層與凹槽之間設有側溝槽，所述側溝槽內充滿熱光材料，所述外部二氧化硅上包層、側溝槽、凹槽的上部覆有封帽，所述凹槽底部設有波導芯，所述波導芯上部設有內部二氧化硅上包層，所述封帽內部與內部二氧化硅上包層相接處設有金屬電極。
2.一種制作上述可調變光學衰減器的方法，其特征在于選用二氧化硅為襯底；在二氧化硅襯底上直接生長波導芯，將多余的摻雜芯層腐蝕掉，留下的部分作為波導芯；然后在二氧化硅襯底上形成一層完全覆蓋波導芯的內部二氧化硅上包層，在內部二氧化硅上包層的上表面設置金屬電極，其位置正對波導芯；將波導芯兩側的上包層分別腐蝕掉，形成兩個側溝槽；在側溝槽內充滿聚合物熱光材料；最后將整個器件的表面設置一層封帽將所有元件封閉在一起。
3.根據權利要求1所述的一種可調變光學衰減器，其特征在于所述外部二氧化硅上包層、內部二氧化硅上包層與二氧化硅襯底折射率相同。
4.根據權利要求1所述的一種可調變光學衰減器，其特征在于所述波導芯為摻雜的二氧化硅。
全文摘要
本發明為一種可調變光學衰減器及其制作方法，屬于光學通信領域，其包括二氧化硅襯底及設于其上的外部二氧化硅上包層，外部二氧化硅上包層內部設有凹槽，外部二氧化硅上包層與凹槽之間設有側溝槽，側溝槽內充滿熱光材料，外部二氧化硅上包層、側溝槽、凹槽的上部覆有封帽，凹槽底部設有波導芯，波導芯上部設有內部二氧化硅上包層，所述封帽內部與內部二氧化硅上包層相接處設有金屬電極。通過在二氧化硅襯底上直接生長出波導芯，不僅減去了二氧化硅下包層的生長時間，縮短了產品的生長周期，而且降低了產品成本；另外，由于襯底和下包層為同種材料，消除了襯底對器件的應力影響，有效地降低了器件的偏振相關損耗。
文檔編號G02B6/13GK102385175SQ20111035276
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者孫麥可, 宋齊望 申請人:孫其琴