二氧化硅波导马赫-泽德型2×2热光开关损耗对设计与加工精度的依赖性研究

王军，付秀华，郭丽君

（1.长春理工大学　光电工程学院，长春　130022；2.长春理工大学　理学院，长春　130022）



二氧化硅波导马赫-泽德型2×2热光开关损耗对设计与加工精度的依赖性研究

王军1，付秀华1，郭丽君2

（1.长春理工大学光电工程学院，长春130022；2.长春理工大学理学院，长春130022）

摘要：用有限差分光束传播法（Three-dimensional beam Propagation Model，3D-BPM）三维模拟技术，系统研究了基于单模波导定向耦合器的马赫-泽德2×2热光开关对器件的设计方法及加工精度的依赖关系。由于器件的光学损耗与器件结构误差有很大的影响，所以将实际测得的加工误差转换为公差后引入到设计中，对器件的性能进行优化，使器件的插入损耗改进到1.5dB以下，即芯片上的光损耗减小到0.5dB以下，隔离度提高到20dB以上，可提高实际产品设计与生产的成功率。

关键词：3dB定向耦合器；马赫-泽德型2×2热光开关；光束传播法

随着通信行业的快速发展，人们对信息量的需求呈爆炸式的增长。但是传统的通信网络受带宽的限制，使其不能达到现代通信发展的要求。于是引入了基于光纤的全光网络，而基于光波导的平面光波线路（Planar lightwave circuit，PLC）技术在网络中的一些操作器件上得到广泛的应用，最典型的是阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）和光波分束器［1，2］。作为全光网络的关键器件，光开关起着上下路信号和多路信号间光路交换的作用，而利用半导体材料的电光效应、热光效应和等离子效应可制作出相对应的电光、热光和全光开关［3］。热光开关由于加工工艺比较成熟，是目前直接针对工业应用的要求开展研究较多的一种光开关，具有驱动功耗低、隔离度高、易于集成为大规模的开关阵列和加工成本低等优点。它是利用热光效应实现对光场的调制从而实现开关功能的。平面光波线路技术由于它无需移动部件，集成度高且稳定性好，可以从根本上克服传统机械技术以及微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术中的开关操作稳定性问题。其中硅基二氧化硅波导技术由于其光损耗小、与成熟的半导体工艺技术兼容性高、与光纤的高耦合效率以及成本低等优点而广泛的用于研究制造大规模的光开关矩阵。近年来研究比较广泛的是聚合物类波导和聚合物/SiO2混合类波导的热光开关，这类光开关的响应速度相对较快，功耗比较低，但是在实际的连接光开关矩阵以及大规模光通信网络中应用时会由于它的不稳定性而受到限制。

查英等人［4］报道了一种二氧化硅波导的2×2热光开关，但其插入损耗和串扰都偏大，达到了十几dB，梁磊等人［5］报道了一种基于聚合物/SiO2混合波导的2×2热光开关，其串扰也达到了9dB，而且开关的热稳定性无法保证；王章涛等人［6］报道了一种基于MMI的光开关阵列，同样其串扰和功耗都偏大；Yang D［7］报道了一种改进的2×2热光开关，插入损耗为6.8dB，开关时间为6.8μs，但是其制作工艺和过程却比较复杂；基于Y分支结构的热光开关［8］也有报道，其消光比为16.5dB，功耗为390mW。以上关于热光开关的研究几乎全部是对于开关的响应时间和功耗进行优化设计的［9，10］，但是对光开关的另外一些光学特性（插入损耗、串扰、偏振相关损耗等）的优化却很少有报道。

本文以工业标准加工技术公差为依据，利用专业软件Opti-BPM对定向耦合器型热光开关进行了结构优化设计，然后对实际加工器件的测试误差与光学性能实验结果进行了比较性分析与讨论，找到了光开关器件光学性能-插入损耗和隔离度对器件波导加工误差的依赖关系，进而在实际设计器件时进行校正，为产品开发奠定了基础。

1　原理

基于光波导技术的马赫-泽德（Mach-Zehender）型光开关的结构如图1所示，由两个相同的3dB耦合器和两个等长波导臂构成，在其中一个波导臂上加工加热电极，形成相位延时器。其工作原理如下：设波导臂对光的相移为零，光从1端口输入，经过第一个3dB耦合器时，被分成了两束强度相同、相位相同的光，经波导臂到达第二个3dB耦合器时发生干涉，在1′端口发生干涉相消，在2′端口发生干涉最大，所以信号光从2′端口输出。同理，当光从2端口输入时光从1′端口输出，此时开关属于交叉通信状态。当对臂上加热电极加热时，由于热光效应会使波导材料的折射率发生变化，就会使光的相移发生变化。当加热电极产生的相位差为π时，则从1端输入的光信号从1′输出，即光信号从直通端口输出。因此，通过加热电极相移器可以实现对MZI型 2×2光开关单元的光信号输出状态的切换。波导中光波的相位延迟为［4］：

图1　MZI结构

2　设计与试验

首先利用Optiwave公司的OptiBPM软件对器件进行了设计和仿真，所用的波导芯层折射率为1.4558，为保证波导的单模传输条件，截面尺寸取为6μmx6μm；上包层材料的厚度为17μm，折射率为1.445；衬底层厚度为20μm，折射率为1.445。图2为加热器未产生折射率变化时的开关模拟光场图，图3为调制区有加热器使波导折射率变化后开关输出功率随折射率变化图。

图2　模拟TE模式光场传输分布图

图3　模拟TE模式输出光功率随折射率变化曲线图

模拟结果表明，对于TE零阶模输出，直通端口输出为0.001526，交叉端口输出为0.697856，总的归一化光功率达到85.83%；对于TM零阶模输出，直通端口输出为0.001699，交叉端口输出为0.647161，归一化光功率达到85.37%。ISO达到了26.6dB，IL 为1.89dB，PDL为0.33dB。根据实际器件的分析结果以及工艺水平要求，重新设计了此光开关结构。器件结构截面图如图4所示。分别采用梯形结构和新的矩形取代了原有的矩形结构。然后对光开关结构光学输出性能进行了模拟，并与理想设计值即6μm×6μm进行了比较。

图4　新波导截面图

模拟结果如表1所示。基于表1的模拟结果，对设计的光开关单元的输出光学性能进行了计算，其计算结果与理想的矩形结构的对比如表2所示。

从表2中的三种结构结构光学性能结果可以看出，由于加工引起的误差，从设计的矩形到实际的梯形，光开关的光学损耗没有太大的影响。对于TE模，光开关的光学损耗只是从1.56dB变为1.87dB；而对于TM模，光开关的光学损耗从1.89dB增加到2.00dB，于是TE模和TM模光学损耗分别增加了0.3dB和0.1dB。但是，对两个输出端的隔离度（ISO）却影响很大，TE模的隔离度从设计值的26.6dB变为12.7dB，而TM模的隔离度从25.8dB变到12.5dB，全部下降了一半。在所有氧化硅PLC技术的光交换器件或模块中，光开关单元和波导光交换网络是保证器件最后性能的两个核心要素。从理论上讲，MZI结构的光开关仅仅具有12dB隔离度的模拟值已经远低于最低要求15dB了，而且实际测试结果要比这个模拟结构更差。当然，一个重要的光学性能-PDL在器件从设计的理想矩形结构向一个不理想的梯形结构变化中却变得更小，即从0.33dB变为0.13dB，即0.20dB的PDL被消除。

基于上述设计和数据，运用反应离子刻蚀工艺（Reactive Ion Etching，RIE）对设计的MZI开关进行了制作。由于工艺误差的原因，在实际加工过程中，器件尺寸并未达到设计要求。实际波导断面SEM图如图5所示。从图中看出，加工器件与设计的波导尺寸相差很大，但电极的光刻对准度和加工精度都和设计值接近。

图5　实际波导截面图及电极连接图

表1　理想波导结构时（6.0μm×6.0μm）光开关输出光学性能对比表

表2　波导有与无加工误差时光开关输出光学性能对比表

图6　输出光功率随器件驱动功率的关系曲线

图6为实际开关器件测试光学动态性能-两输出端光功率之间的关系，图中横坐标为加热功率，纵坐标为两个输出端的光学功率。从图中可以看出，在没有施加电功率时的两个光输出的隔离度是6.0dB左右，交叉输出的插入损耗为2.5～3.0dB左右，减去1.5dB的芯片-光纤耦合损耗，则芯片上的光损耗为1.5～2.0dB，与模拟结果基本一致。

3　结果分析

对比图3与图6发现，实际器件可以在驱动功率为510mW时达到输出为-32dB，这一结果优于初始设计光开关的输出值-28dB。但是在未加驱动功率时直通态端的光输出达到-8dB。这是由于加工精度未达到设计标准，使得器件几何形状发生变化，最终使得器件的光学性能受到影响。因此，在器件制备过程中，要保证加工误差达到最小，在把加工公差引入到设计中，使得器件光学性能在误差允许范围内达到最优。因此，下一步工作将从改进加工工艺入手减小波导侧壁的角度，并使其稳定。基本策略是降低刻蚀自偏压和减小流量，同时，刻蚀速度的减小、腔室加压也会使波导侧壁的倾角减小。

4　结论

本项工作模拟设计了一种基于定向耦合器结构的热光开关单元。分析了器件尺寸对器件性能的影响，并基于实际工艺模拟了新的开关单元。基于PLC技术制作了MZI热光开关单元，并对器件进行了实际的测试。实验结果表明，交叉输出初始状态的3.0dB可以在热功率驱动下达到最低输出-32dB，所以其开/关之间的对比度已经达到29dB，开关功率约为510mW。器件虽然实际效果并不如模拟结果理想，但是在工艺改进实现后，该器件可用于构建大规模矩阵光开关，而且在降低光学损耗方面具有很大优势。

参考文献

［1］孙学康，张金菊.光纤通信技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001：317-318.

［2］刘爱莲，龙华，谢涛.全光通信技术及发展现状［J］.云南民族大学大学学报，2005，14（1）：21-23.

［3］李显尧，俞育德，余金中.硅基热光、电光、全光开关极其阵列的研究进展［J］.物理，2013，42（4）：272-279.

［4］查英，孙德贵，刘铁根.基于Banyan网络的无阻塞SiO2波导矩阵光开关［J］.光电子·激光，2007，18（8）：931-934.

［5］梁磊，曲禄成，张立钧.聚合物/SiO2混合物波导2×2热光开关的制备与测试［J］.光电子·激光，2014，25（4）：642-647.

［6］Wang Zhangtao，Fan Zhongchao，Xia Jinsun，et al. Design and fabrication of thermo-optic 4×4 switching matrix in silicon-on-insulator［J］.Chinese journal of semiconductor，2004，25（12）：1573-1575.

［7］Yang D，Yu Jinzhong，Chen Shaowu. An improvement on 2×2 silicon-on-insulator mach-zehnder thermo-optical switch［J］.Acta photonica sinica，2008，37（5）：931-934.

［8］魏红振，余金中，夏金松，等.快速响应SOI马赫曾德热光调制器［J］.半导体学报，2002，23（5）：509-512.

［9］Nishimoto H，Suzuki S，Kondo M. Polarization-independent LiNbO34×4 matrix switch［J］.Electron Lett，1988，24（18）：1122-1123.

［10］Soref R A，Schmidtchen J，Petermann K. Large single-mode rib waveguides in GeSi-Si and SiO2［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1991，27 （8）：1971-1974.

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

中图分类号：TN256

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2016）02-0010-04

收稿日期：2015-10-22

基金项目：南京市政府海外人才引进计划项目（321工程）

作者简介：王军（1989-），男，硕士研究生，E-mail：laosanwangjun@163.com