低损耗波导型光分路器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103837930 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103837930 A (21)申请号 201210486858.4 (22)申请日 2012.11.26 G02B 6/125(2006.01) (71)申请人 宜兴新崛起光集成芯片科技有限公 司 地址 214213 江苏省宜兴市经济开发区文庄 路 6 号创新研发大厦 505 室 (72)发明人 陈谷红 (54) 发明名称 低损耗波导型光分路器 (57) 摘要 本发明涉及集成光学技术领域。它提出了一 种低损耗波导型光分路器， 由采用硅基沉积二氧 化硅光波导的加工技术和工艺制成。在设计上采 用正弦

2、弯曲波导作为分叉波导， 通过在波导器件 与光纤耦合端口， 波导分叉点嵌入锥形波导， 在波 导分叉区引入阶梯光栅， 可最大限度地减小分支 型分路器的插入损耗， 提高功率分配的均匀性。 其 带光栅的 Y 型光分路结构， 可以灵活地组成不同 分路比的光分路器， 提高了光信号的传送效率。 该 光器件不但结构灵活、 紧凑， 集成度高， 体积小， 重 量轻， 性能稳定可靠， 而且适合大批量生产， 生产 效率高、 成本低， 可广泛地应用于光通信系统、 光 学仪器设备和光纤到户 (FTTH) 等应用场合。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识

3、产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103837930 A CN 103837930 A 1/1 页 2 1. 一种低损耗波导型光分路器， 由硅基晶圆， 衬垫， 波导光芯以及覆盖包层构成， 其特 征在于 ： 硅基晶圆上， 沉积折射率及厚度不同的二氧化硅衬垫， 波导光芯和覆盖包层， 构成 平面光波导器件 ； 在分路器光路设计上， 采用正弦弯曲波导作为分叉波导， 通过在波导器件 与光纤耦合端口， 波导分叉点嵌入锥形波导， 在波导分叉区引入阶梯光栅， 可最大限度地减 小分支型分路器的插入损耗， 提高功率分配的均匀性。以带阶梯光栅结构的 Y 型

4、光分路器 为基本单元， 构成多级低损耗波导型光分路器。 2. 按权利要求 1 所述的光分路器， 其特征在于 ： 最底层是硅基晶圆， 在其之上依次为 二氧化硅衬垫， 波导光芯和覆盖包层 ； 衬垫和覆盖包层的折射率略小于波导光芯的折射率 ； 衬垫和覆盖包层的厚度则是波导光芯厚度的二到三倍。 3. 按权利要求 1 所述的光分路器， 其特征在于 ： 在分路器光路设计上， 采用正弦弯曲波 导作为分叉波导， 通过在波导器件与光纤耦合端口， 波导分叉点嵌入锥形波导。 4. 按权利要求 1 所述的光分路器， 其特征在于 ： 以 Y 型光分路器为其基本光路单元， 按 树枝分支型式， 组合成不同分路比的多级光分路

5、结构。 5. 按权利要求 1 所述的光分路器， 其特征在于 ： 由带阶梯形光栅结构的 Y 型光分路器 单元， 其光栅由处于 Y 分叉点， 按阶梯状， 沿二分叉支路由短到长逐渐向外延伸分布的垂直 直线构成。 权 利 要 求 书 CN 103837930 A 2 1/3 页 3 低损耗波导型光分路器 技术领域 0001 本发明是一种低损耗波导型光分路器， 属于集成光学技术领域。 背景技术 0002 现有的光分路器一般都是采用传统的光纤烧结工艺制作的， 产品制作工艺难度较 大、 稳定性和可靠性不够高， 不适合大批量生产， 更难以实现多级的集成光器件。普通 Y 型 结构的光分路器， 其插入损耗比较大，

6、 特别在构成多级的集成光器件时， 该弱点就显得更加 突出， 因此器件的级数(分路比)受到一定的限制， 其应用场合也受到很大的影响和局限。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种低插入损耗， 能够根据需要灵活组成多级结构的集成光 分路器， 并可广泛地应用于光通信系统、 光学仪器设备和光纤到户 (FTTH) 等应用场合。 0004 本发明的方案是设计一个采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作 的平面光波导， 波导光芯沉积于硅基晶圆上， 并置于折射率和厚度都不同于光芯的二氧化 硅衬垫和覆盖包层中， 其衬垫和覆盖包层的折射率略小于光芯的折射率， 厚度则是光芯厚 度的二到三倍 ； 而该平面波

7、导光路结构特征是采用正弦弯曲波导作为分叉波导， 通过在光 波导器件与光纤耦合端口， 波导分叉点嵌入锥形波导， 在波导分叉区引入阶梯光栅， 这带阶 梯光栅的 Y 型分路器可以最大限度地减小分支型分路器的插入损耗， 提高功率分配的均匀 性和光信号的传送效率。另外也可以灵活地组成不同分路比的多级结构。 0005 本发明与现有技术比较具有如下优点 ： 0006 1 由于采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作， 克服了传统的光纤 烧结工艺制作的器件在生产工艺和器件性能上存在的稳定性和可靠性问题， 提高了器件的 生产效率和性能， 使器件适合大批量生产， 而且体积小， 重量轻， 集成度高， 成本低。

8、 0007 2 在分路器光路设计上， 采用正弦弯曲波导作为分叉波导， 通过在光波导器件与光 纤耦合端口， 波导分叉点嵌入锥形波导， 可最大限度地减小分支型分路器的插入损耗， 提高 功率分配的均匀性 0008 3 由于带阶梯光栅的 Y 型分路器能够减小光路的插入损耗， 克服了普通光分路器 损耗大的缺点， 提高了器件信号传送的效率。 0009 4 由于采用了低损耗的光分路器单元， 使得光分路器能够根据需要， 灵活地组成不 同分路比的光分路器， 提高了器件的经济性， 扩大的器件的应用范围。 附图说明 0010 本发明有如下附图 ： 0011 图 1 是本发明带锥形波导和阶梯光栅的 Y 型分路器单元的

9、结构示意图 0012 图 2 是本发明关于锥形波导对插入损耗影响的曲线示意图 0013 图 3 是本发明关于光栅数对插入损耗影响的曲线示意图 说 明 书 CN 103837930 A 3 2/3 页 4 0014 图 4 是本发明多级低损耗波导型光分路器结构示意图 0015 图 5 是本发明平面光波导加工过程中的截面结构示意图 其中 图 5-1 硅晶圆基底 图 5-2 沉积未掺杂的二氧化硅下包层 图 5-3 沉积掺锗的二氧化硅芯层 图 5-4 铬层 图 5-5 光刻胶影像 图 5-6 刻蚀铬层 图 5-7 二氧化硅芯层的精密刻蚀 图 5-8 去除光刻胶和铬层 图 5-9 沉积掺硼和磷的二氧化硅

10、覆盖层 0016 图中 1. 光波导的输入端口 2. 光波导的输出端口 3. 光波导的输出端口 4. 阶梯形 光栅 5. 锥形波导 6. 硅基晶圆 7. 衬垫 ( 二氧化硅下包层 )8. 波导光芯 ( 二氧化硅芯层 )9. 铬层 10. 光刻胶影像 11. 掺硼和磷的二氧化硅覆盖层 具体实施方式 0017 下面结合附图阐述本发明的具体实施方式 ： 0018 本发明是采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作而成的， 如图 5-9 平面光波导截面结构示意图所示， 由硅基晶圆 (6)， 衬垫 (7)， 波导光芯 (8) 以及覆盖包层 (11) 构成， 其工艺步骤为 ： 0019 1. 采用等离

11、子气相沉积法， 在硅基晶圆 (6) 上， 沉积衬垫 (7)， 如图 5-2 所示 ； 0020 2. 采用等离子气相沉积法， 在衬垫 (7) 上， 沉积波导光芯 (8)， 如图 5-3 所示 ； 0021 3. 经过高温退火后， 在波导光芯 (8) 上， 溅射一层铬 (9)， 如图 5-4 所示 ； 0022 4. 涂覆一层光刻胶， 在掩模板下通过光刻机完成光刻胶的的光刻， 形成光刻胶影 像， 如图 5-5 所示 ； 0023 5. 利用反应离子刻蚀技术， 刻蚀铬层， 形成如图 5-6 所示的结构示意图 ； 0024 6. 按照波导所要求的尺寸和精度， 完成二氧化硅波导芯层的精密刻蚀， 形成所

12、设 计的平面波导光路， 如图 5-7 所示 ； 0025 7. 去除光刻胶和铬层， 形成如图 5-8 所示的结构示意图 ； 0026 8. 沉积掺硼和磷的二氧化硅覆盖层， 形成如图 5-9 所示的结构示意图 ； 0027 9. 切割晶圆， 抛光打磨裸片， 完成芯片的封装。 0028 其中波导光芯 (8) 二氧化硅材料的折射率略大于衬垫 (7) 和覆盖包层 (11) 二氧 化硅材料的折射率， 而衬垫 (7) 和覆盖包层 (11) 的厚度是波导光芯 (8) 厚度的 2-3 倍， 以 保证光信号高效率地在波导光芯中传送。 0029 为了减小普通 Y 型结构光分路器的插入损耗， 本发明在分路器光路设计

13、上， 采用 正弦弯曲波导作为分叉波导， 通过在波导器件与光纤耦合端口， 波导分叉点嵌入锥形波导， 在波导分叉区引入阶梯光栅， 如图 1 所示， 可最大限度地减小分支型分路器的插入损耗， 提 高功率分配的均匀性。 0030 基于平面光波导的光路结构设计， 当波导的宽度变化时， 采用锥形波导结构可以 有效地减小因导模变化引起的散射损耗。通常单模光纤的直径在 8-10 微米， 而光波导的宽 度为 4-6 微米， 由于耦合面上的尺寸不同， 在耦合时， 会产生散射损耗。因此在波导器件设 计时， 靠近输入 / 输出口的二端要引入一段锥形波导， 如图 1 中 (5) 所示， 使光纤和光波导 的模式在耦合波面

14、处相互匹配， 合理选择导模过度区的长度， 即锥形波导的长度， 使得锥形 波导既能够有效抑制损耗， 又能够控制器件的尺寸不至于太大。由图 2 可见， 当锥形波导的 说 明 书 CN 103837930 A 4 3/3 页 5 长度 400 微米时， 就能够基本上满足设计标准的要求。 0031 带阶梯形光栅 (4) 结构单元的分路器， 如图 1 所示， 其光栅 (4) 结构始于 Y 型分路 器的分叉点， 并沿着分路器二输出分叉支路间的三角区域， 按阶梯状由短到长逐渐向外延 伸分布， 以抑制电磁场在 Y 型结构分叉处的发散效应。图 3 描述了阶梯光栅对插入损耗的 影响， 当光栅数增大， 损耗将减小。

15、损耗最低值发生在光栅数为 25 这一点上， 损耗对波长的 敏感度在这一点上也最低。三个工作波长 (1310/1490/1550nm) 在这点上的损耗非常接近， 分路器上下分支的损耗也趋于一致， 这也意味着分路器的功率分配非常均匀。 0032 新的半导体制造技术和加工工艺是集成光学器件的基础， 采用图 5-9 所示的平面 光波导结构和本发明设计的低损耗 Y 型结构光分路器单元， 就能灵活地组合成不同分路比 ( 如 1 4， 1 8， 1 16， 1 32，) 的光分路器， 这种结构的分路器， 其每一路的输出 功率都相同。也可以根据需要组成不同输出功率， 任意分路比的光分路器。图 4 所示的是 一

16、个分路比为132， 5级低损耗波导型光分路器的应用实例， 其每一路输出功率的大小都 相同， 在不考虑损耗的条件下， 约为其输入功率的 1/32。 说 明 书 CN 103837930 A 5 1/5 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103837930 A 6 2/5 页 7 图 4 图 5-1 图 5-2 说 明 书 附 图 CN 103837930 A 7 3/5 页 8 图 5-3 图 5-4 图 5-5 说 明 书 附 图 CN 103837930 A 8 4/5 页 9 图 5-6 图 5-7 图 5-8 说 明 书 附 图 CN 103837930 A 9 5/5 页 10 图 5-9 说 明 书 附 图 CN 103837930 A 10