[发明专利]一种基于硅基光波导的双层开关阵列

说明书

一种基于硅基光波导的双层开关阵列，属于集成光电子学技术领域。本发明器件集成在双层硅结构晶圆上，由电光开关阵列、层间耦合器以及光波导组成，电光开关阵列由第一级电光开关阵列(TS11～TS14)、第二级电光开关阵列(TS21～TS24)、第三级电光开关阵列(BS31～BS34)、第四级电光开关阵列(BTS41～BS44)和第五级电光开关阵列(BS51～BS54)组成，每级电光开关阵列内有4个电光开关单元；电光开关单元采用的是马赫‑曾德尔干涉仪结构，由两个双端口3‑dB分光器和两条相移臂组成，3‑dB分光器采用多模干涉器结构，为双臂推挽型电光调制。本发明可以显著减小单层器件的面积，提高集成度。

技术领域

本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于硅基光波导的双层开关阵列，该双层开关阵列在实现多层芯片互联和信号传输等方向有着十分重要的应用和良好的发展前景，在多维光通信和光交换中具有重要作用。

背景技术

近年来，互联网通信数据容量每年以50～60％的速度迅速增长，人们对带宽的需求也越来越大，海量数据信息的传输和处理面临着越来越高的要求。这也使得电交换的瓶颈愈发凸显出来，即通信带宽和互连密度接近达到极限，网络节点和电交换设备的耗电量接近了许可极限，纳米工艺下电子的量子效应导致器件集成数目达到极限。多核处理器芯片可在一定程度上解决数据传输量增加产生的带宽问题，但芯片间和芯片内核之间的数据传输，对带宽、速率和功耗也提出了很高的要求。相比较电互连的延时，片上光网络中的光信号可以光速传输，且更容易实现高带宽、低功耗、小体积、低串扰等优点。因此光互连是片上互连一个很有吸引力的方案。但无论是远程的光信号交换还是片上的光互连，光开关都是其中关键器件之一。不同类型的光开关中，硅基光波导开关具有体积小、成本低、易于与电芯片集成，以及与CMOS工艺相兼容等特性，在电信网络、数据中心和高性能计算领域具有良好应用前景。但随着信号传输对于器件集成度要求的提高，单层器件排布方式需要较大的尺寸，不利于实现大规模单片集成。因此，采用多层硅波导结构构建三维光开关阵列对减小芯片面积，提高集成度方面具有重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对光信号在多个芯片间传输进行通断控制的基于硅基光波导的双层开关阵列。

本发明所有的器件都集成在双层硅结构晶圆上(双层硅结构晶圆由代工企业提供)，未刻蚀的双层硅结构晶圆的横截面结构如图1所示：在500μm厚硅衬底上集成了3μm厚的SiO₂下包层，SiO₂下包层向上的结构依次是厚度为220nm的器件层2(Si)、厚度为150nm的SiO₂中间层、厚度为220nm的器件层1(Si)以及厚度为3μm的SiO₂上包层。

如图2所示和图10，本发明所述的基于硅基光波导的双层开关阵列由电光开关阵列、层间耦合器以及光波导组成，电光开关阵列由第一级电光开关阵列(TS11～TS14)、第二级电光开关阵列(TS21～TS24)、第三级电光开关阵列(BS31～BS34)、第四级电光开关阵列(BTS41～BS44)和第五级电光开关阵列(BS51～BS54)五个部分组成，每级电光开关阵列内有4个电光开关单元；第一级电光开关阵列、第二级电光开关阵列制备于器件层1内，第三级电光开关阵列、第四级电光开关阵列和第五级电光开关阵列制备于器件层2内；该双层开关阵列由8条光波导作为输入端口，其中4个输入端口(I₁、I₃、I₅、I₇)位于器件层1，其余4个输入端口(I₂、I₄、I₆、I₈)位于器件层2；双层开关阵列由8条光波导作为输出端口，其中4个输出端口(O₂、O₄、O₆、O₈)位于器件层1，其余4个输出端口(O₁、O₃、O₅、O₇)位于器件层2。