二氧化硅波導馬赫-澤德型2×2熱光開關損耗對設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　光電工程學院，長春　130022；2.長春理工大學　理學院，長春　130022）

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二氧化硅波導馬赫-澤德型2×2熱光開關損耗對設計與加工精度的依賴性研究

王軍1，付秀華1，郭麗君2

（1.長春理工大學光電工程學院，長春130022；2.長春理工大學理學院，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，系統研究了基于單模波導定向耦合器的馬赫-澤德2×2熱光開關對器件的設計方法及加工精度的依賴關系。由于器件的光學損耗與器件結構誤差有很大的影響，所以將實際測得的加工誤差轉換為公差后引入到設計中，對器件的性能進行優化，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，可提高實際產品設計與生產的成功率。

關鍵詞：3dB定向耦合器；馬赫-澤德型2×2熱光開關；光束傳播法

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

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

本文以工業標準加工技術公差為依據，利用專業軟件Opti-BPM對定向耦合器型熱光開關進行了結構優化設計，然后對實際加工器件的測試誤差與光學性能實驗結果進行了比較性分析與討論，找到了光開關器件光學性能-插入損耗和隔離度對器件波導加工誤差的依賴關系，進而在實際設計器件時進行校正，為產品開發奠定了基礎。

1　原理

基于光波導技術的馬赫-澤德（Mach-Zehender）型光開關的結構如圖1所示，由兩個相同的3dB耦合器和兩個等長波導臂構成，在其中一個波導臂上加工加熱電極，形成相位延時器。其工作原理如下：設波導臂對光的相移為零，光從1端口輸入，經過第一個3dB耦合器時，被分成了兩束強度相同、相位相同的光，經波導臂到達第二個3dB耦合器時發生干涉，在1′端口發生干涉相消，在2′端口發生干涉最大，所以信號光從2′端口輸出。同理，當光從2端口輸入時光從1′端口輸出，此時開關屬于交叉通信狀態。當對臂上加熱電極加熱時，由于熱光效應會使波導材料的折射率發生變化，就會使光的相移發生變化。當加熱電極產生的相位差為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對MZI型 2×2光開關單元的光信號輸出狀態的切換。波導中光波的相位延遲為［4］：

圖1　MZI結構

2　設計與試驗

首先利用Optiwave公司的OptiBPM軟件對器件進行了設計和仿真，所用的波導芯層折射率為1.4558，為保證波導的單模傳輸條件，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為加熱器未產生折射率變化時的開關模擬光場圖，圖3為調制區有加熱器使波導折射率變化后開關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，歸一化光功率達到85.37%。ISO達到了26.6dB，IL 為1.89dB，PDL為0.33dB。根據實際器件的分析結果以及工藝水平要求，重新設計了此光開關結構。器件結構截面圖如圖4所示。分別采用梯形結構和新的矩形取代了原有的矩形結構。然后對光開關結構光學輸出性能進行了模擬，并與理想設計值即6μm×6μm進行了比較。

圖4　新波導截面圖

模擬結果如表1所示。基于表1的模擬結果，對設計的光開關單元的輸出光學性能進行了計算，其計算結果與理想的矩形結構的對比如表2所示。

從表2中的三種結構結構光學性能結果可以看出，由于加工引起的誤差，從設計的矩形到實際的梯形，光開關的光學損耗沒有太大的影響。對于TE模，光開關的光學損耗只是從1.56dB變為1.87dB；而對于TM模，光開關的光學損耗從1.89dB增加到2.00dB，于是TE模和TM模光學損耗分別增加了0.3dB和0.1dB。但是，對兩個輸出端的隔離度（ISO）卻影響很大，TE模的隔離度從設計值的26.6dB變為12.7dB，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技術的光交換器件或模塊中，光開關單元和波導光交換網絡是保證器件最后性能的兩個核心要素。從理論上講，MZI結構的光開關僅僅具有12dB隔離度的模擬值已經遠低于最低要求15dB了，而且實際測試結果要比這個模擬結構更差。當然，一個重要的光學性能-PDL在器件從設計的理想矩形結構向一個不理想的梯形結構變化中卻變得更小，即從0.33dB變為0.13dB，即0.20dB的PDL被消除。

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

圖5　實際波導截面圖及電極連接圖

表1　理想波導結構時（6.0μm×6.0μm）光開關輸出光學性能對比表

表2　波導有與無加工誤差時光開關輸出光學性能對比表

圖6　輸出光功率隨器件驅動功率的關系曲線

圖6為實際開關器件測試光學動態性能-兩輸出端光功率之間的關系，圖中橫坐標為加熱功率，縱坐標為兩個輸出端的光學功率。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，與模擬結果基本一致。

3　結果分析

對比圖3與圖6發現，實際器件可以在驅動功率為510mW時達到輸出為-32dB，這一結果優于初始設計光開關的輸出值-28dB。但是在未加驅動功率時直通態端的光輸出達到-8dB。這是由于加工精度未達到設計標準，使得器件幾何形狀發生變化，最終使得器件的光學性能受到影響。因此，在器件制備過程中，要保證加工誤差達到最小，在把加工公差引入到設計中，使得器件光學性能在誤差允許范圍內達到最優。因此，下一步工作將從改進加工工藝入手減小波導側壁的角度，并使其穩定。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側壁的傾角減小。

4　結論

本項工作模擬設計了一種基于定向耦合器結構的熱光開關單元。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單元。基于PLC技術制作了MZI熱光開關單元，并對器件進行了實際的測試。實驗結果表明，交叉輸出初始狀態的3.0dB可以在熱功率驅動下達到最低輸出-32dB，所以其開/關之間的對比度已經達到29dB，開關功率約為510mW。器件雖然實際效果并不如模擬結果理想，但是在工藝改進實現后，該器件可用于構建大規模矩陣光開關，而且在降低光學損耗方面具有很大優勢。

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

WANG Jun1，FU 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