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l x 4s 0 1 光功率分配器的研制 摘要 光功率分配器作为光通信系统与光信息处理系统中的关键器件，一直是人们 研究的重点。本文以s i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ( s 0 1 ) 大截面脊形波导为基础，研制了四 种不同结构的功率允配器。 文章采用有效折射率方法( e i m ) 及波束传播方法( b p m ) 设计了s o l 大截 面脊形单模波导，并以此为基础，分别研制了四种基于s o i 脊形波导的、不同 结构的功率分配器，即1 x 4 y 分支型功率分配器、1 4 多模干涉型功率分配器、2 x 4 耦合型功率分配器和1 4 反射型功率分配器。实验表明，这四种功率分配器都可 以很好的实现功率分配的功能，其中的l 4 反射型功分器更是具备了y 分支的 输出均匀性好和多模干涉功率分配器结构紧凑的优点。 关键词：s o i ，脊形单模波导，光功率分配器 f a b r i c a t i o no flx 4o p t i c a lp o w e r s p l i t t e r i n s o i a b s t r a c t t h ee x p o n e n t i a lg r o w t ho ft h ei n t e m e ta n dd e m a n df o rd a t ac o m m u n i c a t i o n , t e l e c o m , a n dm u l t i m e d i as e r v i c e sh a sf o r c e dt h ed e v e l o p m e n to f h i g hs p e e da n dl a r g e c a p a c i t yo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m p o w e rs p l i t t e ri so n eo ft h ek e yd e v i c e si n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ti su s u a l l ya p p l i e di f o p t i c a ls i g n a ld i s t r i b u t i o n s y s t e m s ，s u c ha sc a b l et e l e v i s i o n , b r o a d c a s t i n gs y s t e m s ，p a s s i v eo p t i c a ln e ta n ds oo i l i nt h i st h e s i s ，f o u rk i n d so fp o w e rs p l i t t e r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r c sa r ed e s i g n e da n d f a b r i c m e d 1 1 1 ec h a r a c t e r so fs i l i c o n - o n - l n s u l a t o r ( s 0 1 ) m a t e r i a l sa r ed e s c r i b e d a n dt h e c o n d i t i o no fr i bs i n g l e m o d ew a v e g u i d ei si n t r o d u c e d w 矗ht h ee f f e c ti n d e xm e t h o d ( e i m ) a n dt h eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( s p m ) ，s o lr i bs i n g l e - m o d ew a v e g u i d ei s f a b r i c a t e d b a s e do nt h i s , f 0 1 b d i f f e r e mk i n d so fs o lw a v e g u i d ep o w e rs p l 妇sa r e d e s i g n a n df a b r i c a t e d , t h a ti s 1x 4y - b r a n c hp o w e rs p l i t t e r , 1 4m u l t i m o d e i n t e r f e r e n c ep o w e rs p l i t t e r , 1x 4c o u p l i n gp o w e rs p l i t t e ra n d1 4r e f l e c t i o np o w e r s p l i t t e r a i lt h ed e v i c e sr e a l i z e dt h ef u n e t i o no fp o w e rs p l i t t e ra n ds h o wu n i f o r m o u t p u t s a n df u r t h e r m o r e ，t h er e f l e c t i o np o w e rs p l i t t e rh a st h ea d v a n t a g e so f c o m p a c t s i z ea n dg o o du n i f o r m i t y k e yw o r d s ：s o l ，r i bs i n g l e m o d ew a v e g u i d e ，p o w e rs p l i t t e r 第1 章绪论 1 1 光功率分配器在光通信领域的应用 随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传输容量以同倍增。在过去十年 中，集成电路( i c ) 的速度提高了十倍，而通信容量却增加了1 0 0 倍，通信容量 j f 以前所未有的速度增加着。随着i n t e m e t 的普及，通信数据业务量迅猛增长， 人们对带宽的需求越来越大，传统的通信技术已经不能满足不断增长的通信容量 的要求，而光纤通信技术凭借其巨大的潜在带宽容量、抗电磁干扰性、保密性和 低传输损耗等优点，成为支撑通信业务量增长最重要的技术之一。随着信息社会 的到来，技术的进步，信息的激增，使得通信的畅通变得r 益重要。根据统计， 从1 9 9 0 年到2 l 世纪仞，全球通信对带宽的需求呈指数增长趋势，平均每年增长 率为3 5 ，其中语音系统的年增长率为l o ，数据系统的年增长率为3 5 。另 外，国际互联网通信每年增加2 0 0 i “。为了实现大量数据的高速交流，以密集 波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 为基础的全光网络 对光电子器件提出了更高的要求。新一代的通信系统要求光电子器件由体块型器 件向波导型器件发展，独立元件向阵列组件发展，人工操作向自动化装配发展。 这就使得集成光学成为下一代光电子器件的核心技术，其中包括光波导和阵列技 术、光电集成与光子集成技术、多功能技术、以及自动化和大批量生产技术。这 些都推动了集成光波导器件的研究向高性能、高密度的方向发展。 在通信系统中，光接入网是电信网的“最后一公里”，它的功能是实现对光路 的连接、光信号传输方向的控制、光信号功率的分配、各器件之问的耦合控制、 信号的分离和合并等。这些功能大都可以利用光无源器件来实现，由此可见，光 无源器件在光接入网中扮演着十分重要的角色。而在大量应用的光无源器件中， 光功率分配器是光通信系统中必不可少的器件，是无源光接入网的核心1 2 - 5 1 。因 为它能实现对光路的连接、光信号传输方向的控制、光信号功率的分配、各器件 之间的耦合控制等功能，所以被广泛应用在光纤用户网、光无源网络、光局域网 等领域中。随着光纤网络( 包括局域网、光纤用户网及用户接入网等) 用户数的 增多，波导犁多路数的树型和星魁功率分配器将变得越来越重要。而为适应这种 情况，则要求在不断增加功率分配器分配路数的刚时，能够进一步降低附加损耗、 减小器件体积、提高器件可靠性。 1 2 光功率分配器的种类 无源光功率分配器作为光通信系统与光信息处理系统中的关键器件，其种类 多种多样，按照制作方式可以分为熔融拉锥弋、微光学式、光波导式三种l6 1 ，下 面将分别对这三种功率分配器作简单的介绍。 一以熔融拉锥技术生产的光功率分配器由于性能优良，已被广泛应用于光 通信工程及其他光纤传输系统。熔融拉锥方法是将两根( 或两根以上) 除去涂覆 层的光纤以定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉仲，最终在加热 区形成双锥体形式的特殊波导结构来实现传输光功率褐合的一种方法。该工艺可 以用计算机较为精确地控制各种过程参量，并随时监控光纤输出端口的光功率变 化，从而可以灵活地制作各种光无源器件。 在传统熔融拉锥技术基础上，最近发展出了一种新的熔融扩散型耦合器【7 1 。 这种耦合器制造方法的特点是对光纤的耦合部分只熔融，不拉锥，其基本原理是 利用熔融区域内，光纤纤芯里固有的g e 2 + 的热扩散现象，使光纤模场直径增大， 实现光纤自j 的光耦合。通过控制扩散时间和温度，可以制造预定耦合比的不同产 品。这种方法的优点是没有变细的拉锥区，两根光纤融合后的耦合区的理论直径 为1 7 6 即优( 实际测得的数据为1 7 舡m ) ，这比使用拉锥技术后的耦合区直径大 3 6 倍，因而大大改善了耦合区的应力状态，使其不易产生耦合区的断裂，从 而提高了产品的可靠性。 二微光学式方法是将光信号通过渐变折射率透镜，经过扩束及并行后，再 用滤波器过滤光信号，让需要的光波长通过，不需要的光波则反射，通过的光波 最后再经渐变折射率透镜聚焦，耦合于输出光纤中。该方法的缺点是光对准效率 差、不易集成。 三光波导式无源器件采用平面波导结构，有时也称平面型光无源器件。根 据基底的种类光波导有铌酸锂镀钛光波导、硅基底沉积二氧化硅光波导、 i n g a a s p i n p 波导和聚合物( p o l y m e r ) 波导等。 2 波导型光功率分配器的优点有如下几点： 1 体积小、重量轻、易于集成。一般尺寸仅为相应光纤型器件的几分之一 或更小；制作采用与集成电路相似的工艺，非常方便与其它光电器件集 成在一起。 2 机械及环境稳定性好，耦合分光比易于精确控制，在模版确定后可以大 批量生产。在多路数的情况下更具有体积小、制作简便、特性优良的特 点。 3 易于制成小型化的宽带耦合器件。 但是在目前的情况下仍存在着几点不足： 1 技术尚不完善，商品化方面还需不断努力。 2 制作工艺需要投入价格昂贵的设备。 3 掩模版的制作成本较高，非批量生产得不偿失。 1 3 光功率分配器的产业前景 1 3 1 世界市场 光功率分配器是光通信不可缺少的光无源器件。随着光通信技术的飞速展， 特别是耦合器和波分复用器的广泛应用，世界范围内对光功率分配器的需求量大 大增加。德国d e m s h e t e l e c o m 公司的o p a l 9 4 工程中，5 0 万用户公用了l 万只耦合 器( 其中四分之一为功率分配器) ，平均每5 0 户需要一个。1 9 9 3 年1 9 9 9 年美国市 场上的光功率分配器销售量以1 5 的速度增长。根据市调公司e l c t r o n i c a s t 统计 8 1 ，2 0 0 1 年，全球光功率分配器市场规模约为讹2 千万美元，到2 0 0 5 年，这个数 字增长到1 1 8 亿美元，而预计2 0 1 0 年将增长至u j 2 8 亿美元。e l c t r o n i c a s t 公司总裁 s t e p h e nm o n t g o m e r y 表示，高效率传输系统如光纤放大器、d w d m 与o a d m 的只 渐普及，是驱使全光功率分配器市场消耗量不断增长的主要原因。光功率分配器 以各种不同形式让组件得以使用在不同的应用中，例如长途海底网络、用户回路 网络、有线电视网络、测试仪器与传感器。以地区划分，2 0 0 1 年北美占全球光功 率分配市场的3 8 ，市场规模为2 2 9 亿美元，预计北美地区在2 0 1 0 年光功率分配 器市场舰模可达1 0 6 亿美元。欧洲为排名第二的地区，2 0 0 1 年市场t i 有为2 7 ， 市场规模为1 6 4 亿美元，预计在2 0 1 0 年可增长至7 9 亿美元。光耦合器主要的国际 大厂包括f i 本s h a r p ( m k s1 9 0 o ) 、n e c 、t o s h i b a 、m a t s u s h l t a ，美围h p ( m k s1 5 ) 、m o t o r o l a 、q t - o p t o e l e c t r o n i c s 、t i 等。台湾仪有光宝马 来西亚厂及冠西电子生产。目前在欧洲地区发展光功率分配器的领导国家包括了 德国、英国、法国和意大利。 1 3 2 国内市场 我国光无源器件的发展与国外相比，一般晚5 一1 0 年。当前，我国光无源器 件市场主要是连接器、光功率分配器、滤波器和光开关，市场还很小。随着光纤 局域网的不断发展，特别是北京、上海、广州、深圳和武汉等地区通信网络的逐 步光纤化，我国近年来对光功率分配器等无源器件的需求量不断增加。1 9 8 9 年 光功率分配器在全国的实际用量非常小，还不到1 0 0 0 只，而到1 9 9 4 年就达到超 过l o 万只，2 0 0 2 年已超过7 0 万只，2 0 0 5 年达到1 3 0 万只。所以，光功率分配 器产业在我国具有巨大的市场前景。1 9 9 5 年至2 0 0 0 年的生产量、统计销售量和 实际销售量见表1 1 1 9 1 。表1 1 中统计生产量和统计销售量是原邮电部和现信息 产业部每年对一些主要生产厂家统计的结果。 年份年 统计生产量万只 统计销售量万只 实际销售量万只 表1 1 光功率分配器的生产量和销售量 我国在光无源器件方面虽然相对落后，但是近年来，研制和生产的单位己逐 渐增多，如福州的华科公司、康顺公司，已成为国际上的主要供应商，在世界打 响了品牌。上海和平公司与厦门安特公司占领了国内光功率分配器和波分复用器 的主要市场。2 0 0 0 年国内无源器件的总产值估计在1 0 亿人民币，2 0 0 5 年达到 1 0 0 亿元左右的总产值。 4 舛 鸵 鼹 加9 5 5 o 嗍 撕 筋 如 啪 狐 限 ： 唠 m 。 叻 i i & t 小 t 1 4 本论文的主要研究工作 本论文的工作集中在s o l 光波导l 4 功率分配器的设计和制作上。各章的 主要内容为： 第一章概述了功率分配器在光通信系统中的应用，介绍了几种制作方式不同 的功率分配器，分析了功率分配器的国内外市场情况及其发展趋势。第二章介绍 s o l 材料的特性，分析了s 0 1 脊形光波导的单模条件，设计了大截面尺寸的s o l 脊形单模波导。第三章介绍了y 分支耦合器基本原理以及s o l 波导器件的制作 流程，设计并制作了1 x 4 y 分支型功率分配器。第四章介绍了多模干涉耦合器的 基本原理，设计并制作了l x 4 多模干涉型功率分配器。第五章介绍了定向耦合器 的基本理论，并设计和制作了2 x 4 祸合型功率分配器。在第六章中，我们比较了 前面设计的三种功率分配器的优缺点，在此基础了，设计并制作了集结构紧凑、 t 输出均匀和损耗低等优点于身的l 4 反射型功率分配器，并测试了其输出特 性。最后在第七章给出了本文的结论。 本文的主要创新之处有： ( 1 ) 设计并制作了2 x 4 耦合型功率分配器。 ( 2 )提出1 4 反射型功率分配器结构，实验制作了这种结构的s o i 功率 分配器，获得了均匀的输出。 5 第2 章s 0 1 脊形单模波导设计 2 1s o l 材料特性 s o l 是微电子的一种重要材料，同时它也是硅基集成光电予的一种重要材 料，是硅基集成光电子器件如硅基光丌关、探测器等的基础。然而由于s i 的折 射率比s i 0 2 的大得多，要在s o l 平板波导结构中传导基模光波，波导层的厚度 应小于o 2 t m 而标准的单模光纤的芯区直径大于8 z m ，这就会导致光纤和波导的 耦合效率极低。为了解决这一技术难题，必须引入脊形波导结构。脊形波导是集 成光学中一种重要的结构，它是其它有源和无源器件的基础。三维脊形光波导通 过引入水平方向的小折射率差，可以实现大截面尺寸s o l 波导的单模传输，从 而使得截面尺寸可与单模光纤的芯径相匹配，这样就大大的提高了波导与光纤的 耦合效率。 我们之所以选择s o l 作为器件的制作材料，不单由于s o l 脊形光波导能使 其与单模光纤耦合效率大大提高，同时还因为s o l 材料相对于其他材料具有如 下优点： 1 硅在重要的红外通信波段( 1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m ) 的吸收损耗很低。 2 s o l 材料内在应力小，所以s o l 大截面光波导的双折射现象可以忽略。 3 高质量的s o l 晶片价格相对比较低。 4 s o l 技术提供了光电集成于同一晶片的可能。 5 s o l 的波导层和限制层之间的折射率差别很大，因此对光的限制强，这 可以减小s o i 光波导器件的尺寸。 由于s o l 材料具备以上的优良特性，使得过去的几年里，基于s o l 的集成 光器件的研制得到大力的开展。而随着对s 0 1 材料研究的深入，许多s o l 材料 制备技术迅速地发展起来了，现在已经商品化的s o l 产品的技术主要有隔离氧 离子注入( s e p a r a t i o nb yi m p l a m e do x y g e n ，s i m o x s 0 1 ) i l o 】、硅键合背面腐蚀 ( b o n d i n ga n de t c h i n gb a c k ，b e s 0 1 ) 和区熔再结晶( z m r - s o i ) 【1 等，本文 6 都是采用b e - - s 0 1 作为制作功率分配器的材料。 2 2s 0 1 波导单模条件 ， i- _-i _ - 图2 1s o l 脊型光波导截面示意图 集成光学中，设计脊形波导时首先要考虑脊形波导的单模条件。脊形波导结 构如图2 1 所示，图中w 为脊宽；h 为波导厚度，也可称为内脊高；h 为外脊高； n o 、栉，、r 2 分别为空气、s i 波导层和s i 0 2 衬底层的折射率，其中1 0 = 1 0 ，m = 3 5 ，坳= 1 5 。由于在波导加工中不容易控制脊宽w 和外脊高h 的精度，因此要 求以比较精确的单模条件为基础来设计工艺参数，尽可能地放宽加工容差。综合 各种文献，目前主要存在四种脊形波导单模条件： 1 根据有效折射率方法( e i m ) 得到的脊形波导的单模条件如下f 1 2 】： f 0 5 ( 2 - 2 ) l ，2 其中t = - w l h ，r = t v h ，就可以实现大截面尺寸的单模s o l 波导，从而使波导截面 尺寸与光纤芯层尺寸相当，大大减小波导与光纤的耦合损耗。然而，a g r i c k m a n 等人所作的大量实验结果表明，当r 较小时，r a s o r e f 的结论与实验结果有较 大的误差，在强限制波导条件下，r a s o r e f 的单模条件与实验结果的误差最大 接近3 0 ，此时如果波导的厚度h 为1 所，由此产生的脊宽w 的设计误差达 到和肌，如果考虑到实验数掘的不连续性，这种误差可能更大。r a s o r e f 等人 的结论只是在r 较大时与实验相符。因此，采用有效折射率方法得到的脊形波导 的单模条件比r a s o r e f 等人的结论更精确。 3 ，魏红振等采用有效折射率方法对r a s o r e f 等人提出的单模条件进行了 修正，得到的结果与已报道的s o l 脊形波导的实验结果较一致，其单模条件可 用下式表示： ，垒+ 掣丝且0 5 r 05( 2 3 ) ，= = 一十；= = 一且 ( 一) l 一，2l _ r 2 4 s e p o g o s s i a n l 硌昭合a g r i c k m a n 等的实验结果，采用有效折射率方法修 正了r a s o r e f 等提出的单模条件，给出了如下的脊形波导的单模条件： t 2 l m ) ，当埋层厚度大于o 4 a m 时基模向 衬底的泄漏可以忽略【1 8 ) 。 2 4s o i 光波导的设计 我们在前面已经讨论过，由于实际加工条件的限制，很难精确控制脊宽w 9 和外脊高h 的精度，因此要求比较精确的单模条件为基础，设计加工参数，放宽 加工容限。在此我们选择有效折射率方法束设计s 0 1 单模波导的尺寸。 图2 2s o l 脊形光波导结构图 对于图2 ，2 所示的脊形波导，e i m 方法首先分别考虑i 区和i i 区的三层平板 波导，计算其有效折射率坼和，然后考虑以聊为波导层，以坼为限制层，以 脊宽w 为波导层宽度的三层对称平板波导，其模有效折射率即为波导的有效折 射率。由e i m 的计算方法可以看到e i m 方法并不要求单模脊形波导在垂直方向 为单模。事实上，由于波导厚度大，在垂直方向上必然存在许多模式。但是在水 平方向上，由于i 区和i i 区波导厚度不同使得两者的有效折射率有一定的差值， 差值的大小主要由波导层的厚度差所决定，一般比较小。这样对于水平方向的三 层波导n j n j n c ，由于玎，和坼相差较小，只要w 小于一定的值，则水平方向只能承 载单模，此时在垂直方向上的高阶模的能量将耦合到基模中，使得脊形波导只能 承载单模。 我们采用的b e - - s o l 材料波导层的厚度= 5 “m ，s i 0 2 层厚度为l p m ，针 对光通信波长1 5 5 # m ，计算得到波导层的有效折射率n r 为3 4 7 3 7 5 。对应确定的 日，可以有一系列的h 和w 来满足s 0 1 波导的单模条件，但是实际中其取值不是 任意的，还要考虑波导弯曲损耗以及波导与光纤之间的模场失配损耗。 基于脊形波导结构的波导弯曲损耗存在两类损耗机制。第一类是垂直方向上 光场向衬底泄漏的泄漏损耗，在波导弯曲时，在弯曲区域传输的导模模式有效折 射率将降低，当模式有效折射率小于限制层折射率时光场将向衬底泄漏。在s o i 光波导中，由于波导层s i 和衬底覆盖层s i 0 2 的折射率相差很大，波导垂直方向 1 0 的限制作用很强，因此波导向衬底的泄漏损耗可以忽略。脊形弯曲波导的另一类 损耗是水平方向的辐射损耗。在波导弯曲时，在波导中心轴外侧，波导的有效折 射率随着距离曲率中心的距离的增加而减小，当距离增加到一定程度时，波导的 有效折射率等于水平方向上等效限制层的有效折射率，此时弯曲波导的辐射损耗 将大大增加。浅刻蚀的脊形光波导在水平方向上形成的折射率差很小，对光场的 限制作用较弱，则弯曲时的辐射损耗决定了弯曲波导的损耗特性。要减小波导弯 曲损耗，则要增大水平方向上的有效折射率差，这可以通过减小外脊高h 来实现。 但由于脊形波导的单模条件的限制，在外脊高h 减小的同时，波导的宽度w 也 必须相应的减小，这就会影响波导与光纡对接时的模场失配损耗。 模场匹配损耗在相同刻蚀深度的情况下，光波导的脊宽w 越大则模场匹配 损耗越小，对应不同脊宽的单模s o l 脊形光波导，都存在一个可以获得最小模 场失配损耗的最佳刻蚀深度。而且光波导的脊宽越大，则最佳刻蚀深度越小。 综合以上两种损耗考虑，我们取外脊高h 为3 5 p m 。这时限制层的有效折射 率为3 4 7 0 5 3 。此时根据( 2 5 ) 式可以得到，当波导宽度大于和小时，该波 导参数将不再满足单模条件。因此，我们选择我们的波导宽度为助胁在本文章 中所有的单模波导都是以这些参数设计以及加工制作的。 利用以上s o i 的单模波导的结构参数，使用b p m 方法【1 9 1 可以计算得到光在 s o i 脊形单模波导的模场分布图，在文章中，所有器件都是针对光通信波长 1 5 5 9 m 设计的。在图2 3 模场分布图中，我们可以看到，光以零阶模的形式很好 的限制在脊形波导，并可以在直条型波导中以非常低的损耗向前传输，其光场传 输图如图2 4 所示。 2 5 小结 图2 - 3s o l 脊形波导模场分布图 图2 4s o l 单模波导光场传输图 本章首先介绍了s o i 材料的优点，结合我们对波导材料的要求，我们选择 b e - - s o i 片作为器件制作的材料。因为加工条件的限制，对大截面波导的各项 参数不可能精确的控制，所以要求在设计参数时应该考虑一定的制作容差，这就 要求在设计时要以高精度的单模条件为指导，因此，我们分别介绍了现有的四种 大截面波导的单模条件。在分析大截面s o l 波导的内在损耗后，我们以有效折 射率理论为指导，结合波导的弯曲损耗和波导与光纤耦合损耗来设计$ o i 单模 波导的几何参数。各项参数分别为：波导层厚度h = 5 z m ，外脊高h = 3 5 z m ，波 导宽度w = 5 2 m 。理论模拟表明，该波导只能容纳基模，并能把基模很好地约束 在脊形波导内传播。 1 2 第3 章l x 4 y 分支型功率分配器的设计及制作 3 1 引言 y 分支分束器是集成光学中一种重要的器件单元，它不仅是分波、合波、光 调制器、m z 干涉仪以及光丌关等光集成器件的基础，还可以单独作为功率分 配器或合并器、模式转换器以及模式分离器【2 2 1 ，而且还能与其它分立元件( 激 光器、调制器、光开关等) 集成在一起，目前它在光通信领域、干涉计量、光学 传感器、能量的分配与传输等方面都有广阔的应用前景。一般的y 分支波导结构 如图3 1 所示，由一条输入波导、一个过渡区域以及一对输出波导组成。从结构 上说，由于折射率的分布和波导宽度的选取不同，可将其分为对称型和非对称型 两种。由于我们研制的功率分配器要求输出功率分配均匀，因此采用对称型的y 分支结构。对称型y 分支的两个分支臂具有相同的光传输特性由相同的材 料、结构且相同的波导宽度实现。从输入波导进来的光，将在过渡区域中激励起 两个能量相等的导模，同时，能量会出现较大的振荡，这是由于导模与辐射模交 换能量的结果，最终两个能量相等的导模将分别从两输出端口输出。 输入 图3 - 1y 分支波导结构示意图 3 2y 分支型功率分离器设计 - _ 输出 _ - 设计y 分支波导最重要的设计参数是分支角的大小，分支角越大，附加损 耗也越大。因此，单从损耗上考虑，y 分支型功率分配器的分支角应尽可能地小， 然而在波导的制作中，掩模版的制作和光刻所能达到的精度不允许分支角过小。 另外，小分支角度器件对应的波导过渡区较长，这不利于器件高密度集成。为了 使器件能够在具备较大的分支角的同时具有较低的损耗，我们使用s - b e n d 弯曲 波导来设计y 分支的分支臂。设计的y 分支型1 2 功率分配器如图3 2 所示， 器件的截面结构参数采用第二章所设计的s o l 脊形单模波导的设计参数，即波 导的宽度w = 助m ，波导的厚度日= 靴m ，外脊高h = 3 5 胁另外，y 分支角度 口为2 。，两输出波导间距d 为1 0 0 , u r n ，整个器件的长度为8 m m 。 输入l _ 互一 图3 2y 分支型1 2 y 分支功率分配器结构图 啼2 输出 一3 我们采用有效折射率方法将三维脊形波导简化为二维波导，利用b p m 数值 分析方法可以得到图3 - 2 所示的1 2 y 分支功率分配器的光场分布和归一化输出 无强分御，分别如图3 - 3 和3 4 所示。 图3 - 3l x 2 y 分支功率分配器光场传输图 1 4 ：一 ： i l 1 h + ：- jk ： 7 s5 0- 2 = s o2 55 07 5 x 图3 - 41x 2 y 分支功率分配器输出光强分布图 光功率分配器作为光信号传输的重要部件，其最重要的性能指标是附加损耗 ( e x c e s sl o s s ) 和输出均匀性( u n i f o r m i t y ) 。 ( 1 ) 附加损耗( e x c e s sl o s s ) 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小 值。其表达式为： e l = - 1 0 1 9 ( e 气) ( 3 一1 ) 对于光功率分配器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制 作过程中带来的固有损耗。 ( 2 ) 输出均匀性( u n i f o r m i t y ) 输出均匀性是光功率分配器所特有的技术术语，它定义为光功率分配器各端 口输出功率的均匀程度，其表达式为 汗= 一1 0 l g ( ，_ r 。)( 3 - 2 ) 其中，厶。为各端口的最小输出功率，只。为最大输出功率。 利用b p m 数值分析方法计算得到输出端口2 和3 的归一化功率都是o 4 9 4 3 。 因为结构的对称性，所以在理论上两个端口的输出功率必然是相同的，因此该 i x 2 y 分支功率分配器的输出均匀性u f 为o d b 。根据式3 1 ，其理论附加损耗为 0 0 5 d b 。 图3 - 41 4 y 分支功率分配器结构图 一1 2 _ 3 _ 4 我们在图3 2 所示的l 2 y 分支功率分配器的两个输出端口分别叠加一个 l 2 y 分支，就可以构成一个1 x 4 y 分支功率分配器，其结构图如图3 5 所示。 其中第一个y 分支波导的分支角度0 ，为2 0 ，分支角以和以为都为1o ，输出端 口之间的距离d = 5 叽聊，器件总长度为1 6 m m 。同样，采用有效折射率方法将三 维脊形波导结构简化为二维波导结构，并用b p m 数值分析方法得到该1 x 4 y 分 支功率分配器的光场分布和归一化输出光强分布分别如图3 5 和3 - 6 所示。理论 计算得到的输出端口1 、2 、3 和4 的归一化功率分别为o 2 4 2 2 、o 2 4 2 5 、0 2 4 2 5 、 0 2 4 2 2 ，因此，根据式( 3 - 1 ) 和( 3 - 2 ) ，该器件的理论附加损耗为0 1 3 d b ，输出 均匀度为o 0 0 5 d 8 。 图3 51 4 y 分支功率分配器光场传输图 1 6 o 3 0 0 o 2 2 5 1 0 1 5 0 0 9 7 5 0 o o o il j i l+ 1、 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0 x 图3 - 61 x 4 y 分支功率分配器输出光强分布图 3 3 器件的制作 要把我们上面设计的l x 4 功率分配器加工成器件，需要经过以下的工序： 1 在波导层上蒸镀一层金属膜作为防护层。 2 在金属膜上涂覆一层光刻胶； 1 7 3 利用紫外光照射掩模版，使光刎胶感光，将掩模板上光波导的图形转移 到光刻胶上。 4 显影，即用溶剂去除光刻胶感光的部分，这时在光刻胶上就呈现出掩模 板的图形； 5 用i c p 等离子刻蚀机沿金属膜上的图形对波导层进行刻蚀。刻蚀气体为 c 4 f 8 和s f 6 。 6 最后去除金属膜，就在硅基底波导材料上得到了掩模板所有波导图形。 本文章中所设计器件的掩模板以及器件的加工制作都是在北京中科院半导 体所完成的。制作出来的单模直波导在显微镜下放大5 0 倍后的照片如图3 7 所 示，图3 - 8 则展示了放大1 0 0 0 倍后的单模波导的横截面。我们使用非接触三维 测量仪来测量该单模波导的宽度和腐蚀深度，每个参数分别测五次，测量得到的 数据见表3 1 。制作出来的单模波导的实际参数与我们理论设计的参数宽 5 咄埘，腐蚀深度1 和肚一相差很小。 图3 7 单模直波导的俯视图 图3 - 8 单模直波导的横截面 1 9 表3 - 1 单校直波导的j l f o j 参数 波导宽度( g i n ) 5 0 腐蚀深度( 肌) 1 6 5 o 1 5 5 2 1 6 5 0 1 5 5 2 1 6 测量器件的输出光场的测试系统如图3 - 9 所示，系统由六部分组成：激光器、 六维精密调节架、波导器件载物台、透镜组、c c d 探测器以及监视器。测量所 用的激光波长为1 5 5 # m 。单模直波导的输出光场分布如图3 - 1 0 所示，由该图可 以看出输入光以单模的形式很好地约束在波导内。 穴维精密谡夔台 k ) 图3 - 9 光波导器件测试系统方框图 图3 1 0 单模直波导输出光场分布 透镜 我们在前面所设计的1 x 2 y 分支功率分配器放大5 0 倍后的器件图如图3 一u 所示，由测试系统得到的光场分布如图3 1 2 所示。从输出光场可以看出，该器 件的两个输出很均匀，很好地实现了1 2 功率分配器的功能。 图3 1 1l 2 y 分支功率分配器实际器件图 图3 1 21 x 2 y 分支功率分配器实际器件输出光场分布图 利用显微镜拍摄到i x 4 y 分支功率分配器放大5 0 倍后的俯视图和放大5 0 0 倍后的输出端横截面图分别如图3 1 2 和图3 - 1 3 所示。图3 1 4 展示了i x 4 y 分支 功率分配器的实际输出光场分布图，图中显示四个输出光斑很均匀，说明该器件 的输出均匀性非常好。 ( a )( b ) 图3 1 31 x 4 y 分支功率分配器俯视图 图3 1 41 x 4 y 分支功率分配器输出端横截面图 2 1 ( c ) 图3 1 5lx 4 y 分支功率分配器实际器件输出光场分布图 为了计算该器件的附加损耗，我们用光谱分析仪来接收四个输出端e l 的功 率，得到的结果如图3 1 6 所示。在测试中，采用的可调谐激光器的输出功率为 5 m w o 接着，我们将激光器的输出光纤与光谱分析仪的输入光纤在六维微调节架 上对接，光谱分析仪接收到的功率为2 m w o 由于光纤纤芯与空气的折射率差比 较小，因此，在两条光纤对接时产生的反射损耗只占o 4 d b ，主要的损耗来源于 人工对接产生的横向、纵向和角度误差所造成的对准偏差损耗。由于我们使用的 是纤芯为钆m 的单模光纤，而我们单模输入波导的厚度和宽度都是5 9 r n ，这就 使得实际上只有三分之一左右的光功率能耦合进波导。因此，我们取6 6 和肜作 为波导的输入功率，计算得到的附加损耗为1 0 9 d b 。其中由于s i 波导的折射率 与空气的折射率相差较大，这将在器件的输入和输出端造成3 2 d b 的反射损耗。 其它的损耗则是由于光纤和波导的模式失配损耗、对准偏差损耗和器件的传输损 耗造成的。器件的输出均匀性为o 3 d b 。 图3 1 61x 4 y 分支型功率分配器输出端功率分布 醚翻蒯 t 一 一 聱錾攀錾 3 4 小结 本章首先简单介绍了y 分支波导的原理，设计了l x 2 y 分支型功率分配器， 并在此基础上设计了l x 4 y 分支型功率分配器，接着介绍了器件制作工艺。我们 制作出的单模波导的宽w = 5 1 , u m ，腐蚀深度为1 6 9 i n ，与理论设计的参数相差 很小，这说明经器件加工后引进的误差很小。由于y 分支结构上的对称性，所 以制作的l x 2 y 分支型功率分配器和l x 4 y 分支型功率分配器的输出均匀性很好， 输出均匀性为o 3 d b 。但测试得到1 x 4 y 分支型功率分配器的附加损耗为i 0 9 d b ， 损耗偏大，这主要是因为反射损耗、模式失配损耗以及对准偏差损耗较大。其中 反射损耗可以通过增加减反膜和折射率匹配液来降低，而模式失配损耗则可以通 过加大波导的几何尺寸使之与单模光纤尺寸匹配以及对光纤耦合端面进行精细 加工来降低。 第4 章l x 4 多模干涉功率分配器的设计及制作 4 1 引言 多模干涉功率耦合器是基于光的自映象原理。r u l r i c h 等首先将自映象原理 应用于集成光学中，在理论上对多模干涉进行了分析，并在实验上进行了验证 1 2 3 , 2 引。到了九十年代，随着集成光学的迅速发展，对多模干涉耦合器的研究只益 活跃，其应用也日益广泛1 2 5 。3 3 1 。现在一些主要的集成光学器件如光开关【3 4 。们、光 波分复用器、光上下路器以及环形激光器等都应用了多模干涉原理。多模干涉耦 合器的基本工作原理是基于多模波导中的自映象现象。在多模波导中，多个导模 相互干涉，结果沿着波的传播方向，将会在周期性的1 口j 隔处出现输入场的一个或 多个复制的映象，这就是多模波导的自映象。利用多模波导中的这种自映象原理 可以将一束输入光耦合到多个输出波导中，形成光功率分配器。耦合器和功率分 配器是集成光学中最基本的器件。在光子集成回路中，它们是其它器件的基础。 同时在光网络中作为光信号处理和路由的基本器件，它们也有很大的市场。与其 它的分束器和耦合器相比，多模干涉分配器结构更紧凑，制作更容易，更容易实 现大规模的集成。而且多模干涉分配器具有带宽宽、偏振不敏感的特点，适合于 d w d m 系统。 4 2 多模干涉功率分配器的基本原理 i n p u t s r 图4 1 普通n x n 多模干涉耦合器的结构图 0 u p u t s s k 2 l 普通n x n 多模干涉耦合器由输入单模波导、多模波导和输出单模波导三部 分组成，如图4 1 所示。三维多模波导中的自映象应该在三维空间中存在，然而 在实际的三维脊形多模波导中，水平方向的尺寸比垂直方向大的多。此时可以认 为在垂直方向各处光场传输行为是一样的。因此在分析三维脊形多模波导中各导 模的相互干涉可以采用有效折射率方法将三维波导简化为二维波导，如图4 2 所 示。 图铊三维多模波导的二维简化 j 士 在图4 - 2 所示的多模波导中，多模波导的宽度为w ，多模波导区的有效折射 率为r r ，侧向限制层的有效折射率为，多模波导中的导模数为所，v = 0 ，1 ( 研一1 ) 为多模波导中的导模，自由空间光波长为2 。根据波导的色散方程可以得到多模 波导导模的传播常数与水平方向的波数k 的关系： 坛+ 掰= 瑶”； ( 4 1 ) 其中 k o = 2 z 组 ( 4 2 ) k = p + 砂 ( 4 3 ) 为考虑到g o o s - h a h n c h e n 展宽后多模波导的有效宽度。不同导模的 g o o s h a h n c h e n 展宽不同，因此有效宽度不同，一般可用基模的有效宽度近似各 导模的有效宽度。多模波导的有效宽度可表示为： k = w + ( 兰) ( ! ) 2 4 ( 行，2 一) 叫伪 ( 4 4 ) j l r r 其中对于t e 模，a = 0 ，对于t m 模，盯= 1 。由式( 4 1 ) 一( 4 3 ) 可得 t 疗v = k o h r 1 - ( 筹) 2 】1 以w ；一等s ， 由此可得v 阶导模的折射率为 驴鲁叫”帮】2 ) ； 件6 ， 由式( 4 6 ) 式所确定的模折射率应大于多模波导侧向限制层的有效折射率，由 此可确定多模波导中最大导模数应满足下式的最大整数 m 孚c t 一争一 ， 仃 设厶为0 阶和1 阶导模的共振长度，则 驴土, a o - 届兰警 ( 4 _ 8 ) 由此可得 风一展兰警 ( 4 _ 9 ) 多模波导中任意长度处的光场分布由各导模的振幅和相位因子决定。根据不 同情况，可以将多模干涉分为三种：普通干涉( g e n e r a li n t e r f e r e n c e g i ) 、配对 干涉( p a i r e di n t e r f e r e n c e ，p i ) 和对称干涉( s y m m e t r i ci n t e r f e r e n c e s 1 ) 。 对于普通干涉的多模干涉( g i m m i ) 耦合器1 3 7 1 ，输入光场的位置是没有限 制的，多模波导中的各阶导模都存在，即各导模的场激励系数c ，都不为0 。g i - - m m i 耦合器在长度为3 厶整数倍的多模波导的终端可以得到输入光场的单个 像。其中，在长度为3 厶奇数倍的多模波导终端，得到的是与输入光场关于多模 波导中心轴线成轴对称的反演像；长度为3 厶偶数倍的多模波导终端得到输入光 场的正像( 再现) 。而输入光场的n 重像可以在长度为3 上抑r 处得到，其中为 映象个数，p 为与 r 互质的任意整数。 g i - - m m i 耦合器的光场输入位置是任意的，输入光场激发出多模波导中的 所有导模，各阶导模的场激励系数g 都不为零。然而，若光场从特定的位置输 入到多模波导中，可以选择性地激发一些导模，而另一些导模则被抑制，这时多 模波导中的干涉是一种受限干涉。这种受限干涉可以减少器件的长度。受限干涉 有两种形式：配对干涉和对称干涉。 在配对干涉的多模干涉( p i - - m m i ) 耦合器中，模阶数v = 2 、5 、8 的导 模的场激励系数g = o ，即在多模波导中这些导模将被抑制。为了实现这一要求， p i m m i 耦合器必须将输入波导关于x ：w d 6 或x = 一6 对称设置，其中w e 为多模波导的有效宽度。在x = w e 6 处，模阶数为2 、5 、8 的导模的场振幅 为0 ，并且关于x = + - w , 6 奇对称。这样对称的输入光场和反对称的模场积分为0 ， 使得场激励系数为0 。在长度为厶整数倍的多模波导终端，可以得到输入光场的 单个像。其中，当长度为厶奇数倍时，多模波导终端得到的是与输入光场关手 多模波导中心轴线成轴对称的反演像；当长度为厶偶数倍时，多模波导终端得 到输入光场的正像。输入光场的重像在多模波导的长度等于p l , , n 处可以得 到。 在对称干涉的多模干涉( s 1 m m i ) 耦合器中，输入波导关于多