（光学专业论文）聚合物阵列波导光栅波分复用器的研制.pdf

聚合物阵列波导光栅波分复用器的研制 张国伟( 光学) 指导老师：鄂书林副研究员 摘要 波分复用技术是光纤通信发展重要的技术之一，该技术已经被证明是解决宽 带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。密集型波分复用技术的关键器件之一 是阵列波导光栅( a w g ) ，它具有波长间隔小、信道数多、低串扰等特点，而且利 于集成。与无机阵列波导光栅相比较，硅基聚合物阵列波导光栅制作材料便宜， 工艺过程简单，具有一定的市场前景。本论文采用旋转甩涂法，真空蒸镀技术， 紫外曝光技术以及反应离子刻蚀技术研制了3 2 x3 2 硅基聚合物阵列波导光栅波 分复用器，其中心波长为1 5 5 0 9 1 8 9 m ，波长间隔为o 8n n l 。针对硅基聚合物阵 列波导光栅波分复用器研制的关键技术和性能测试，所做的工作如下： ( 1 ) 采用聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 材料，对器件的制作工艺进行了反复 摸索。为了克服反应离子刻蚀过程中单独使用光刻胶作掩膜而导致的光波导形状 和尺寸偏离设计的缺点，研究了光刻胶与金属掩膜相结合的双掩膜技术进行器件 制作。详细介绍了双掩膜技术制备聚合物a w g 波分复用器的过程，在采用金属 铝作为掩膜时，铝膜的厚度对聚合物波导的制作效果有很大影响，实验结果表明， 铝膜作为掩膜的最佳厚度在1 0 0 n r n 左右。测试给出了使用和没有使用双掩膜技 术的对比结果，表明使用双掩膜技术制作的波导质量明显好于单独使用光刻胶作 掩膜制作的结果。 ( 2 ) 采用聚醚醚酮( p e e k ) 制作了3 2 通道的a w g 波分复用器。采用蒸汽回 溶技术来减小反应离子刻蚀产生的波导表面和侧壁的起伏，从而降低了波导的散 射损耗。原子力显微镜测试结果表明，蒸汽回溶技术使样本波导表面的均方根粗 糙度从4 1 3 0 7 n m 降低到2 4 5 6 4 n m 。 ( 3 ) 搭建了a w g 器件性能参数的测试系统。对制作的聚合物a w g 波分复用 器器件进行了测试，得到了3 2 个输出波长及其光强分布曲线图。 关键词：聚合物阵列波导光栅：双掩膜技术；蒸汽回溶技术；测试 t h ef a b r i c a t i o no f p o l y m e r a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g m u l t i p l e x e r z h a n gg u o w e i ( o p t i c s ) d i r e c t e db yp r o f es h u l i n a b s t r a c t t h 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 ( w d m ) i so n ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rf i b e r c o m m u n i c a t i o n b e c a u s ei ti st h ee f f i c i e n tm e t h o dt oe n l a r g et h es p e e da n dc a p a c i t y f o rt h ec u r r e n tf i b e rn e t w o r k a na r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g 、m u l t i p l e x e ri s o n eo ft h ek e yd e v i c e so fw d m i tp o s s e s s e ss o m ea d v a n t a g e s s u c ha se a s yo p t i c a l i n t e g r a t i n g ，n a r r o ww a v e l e n g t hs p a c i n g ，m u c hm o r es i g n a lc h a n n e l s ，l o wc r o s s t a l k a n ds oo n c o m p a r e dt oo r g a n i ck 鼬qp o l y m e rk 如gp o s s e s se x c e l l e n tp a r t i c u l a r f e a t u r e s s u c ha st h ep r i c eo fm a t e r i a l i sl o w , e a s yf a b r i c a t i o na n di th a sg r e a tm a r k e t t h e3 2 x 3 2p o l y m e ra w go fw h i c ht h ec e n t r ew a v e l e n g t hi s 】5 5 0 9 】8 p ma n dt h e w a v e l e n g t hs p a c i n gi s 0 8n n l w a sf a b r i c a t e du s i n gt h et e c h n o l o g y c o n c l u d i n g s p i n c o a t i n g v a c u u me v a p o r a t i o n p h o t o l i t h o g r a p h ya n dr e a c t i v ei o ne t c h i n gi nt h i s p a p e r t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri n c l u d et h r e ep a n s ： f 11 t h ef a b r i c a t i o np r o c e s sw a se x p l o r e du s i n gp o l y m e r i cm a t e r i a l sn a m e d p m m a a n dt h ec o m b i n e dl a y e rm a s k sw e r eu s e di nt h ef a b r i c a t i o nt oc o m p e n s a t e t l ed a m a g eo ft h er e s i s t t h ee x p e r i m e n tg a v et h er e s u l tt h a t10 0 n mi st h eb e s t t h i c k n e s sf o ra l u m i n i u mm a s k t h es a m p l e so fa w gw e r et e s t e d a n dt h eo n ew i t h c o m b i n e dl a y e rm a s k sh a st h eb e t t e rp r o p e r t y r 2 1t h e3 2 x 3 2a w gm u l t i p l e x e rw a sf a b r i c a t e du s i n gp o l y m e r i cm a t e r i a l s n a m e dp e e k t h es t e a mr e m e l t i n gt e c h n o l o g yw a su s e dt om o d i f yt h es c a t t e ri o s e s w h i c hi sd u et ot h er o n g h n e s so ft h es u r f a c eo ft h ew a v e g u i d e t h er o o t m e a n - s q u a r e r o u g h n e s so fs u r f a c eo fw a v e g u i d ew a sr e d u c e db v16 7 4 3 n m ( 3 ) s e tt h et e s t i n gs y s t e mo ft h ec h a r a c t e ro ft h ek 鼬gd e v i c e t h e3 2 3 2k g m u l t i p l e x e rw a st e s t e d ，a n dt h e3 2w a v e l e n g t hw a s e n u m e r a t e d o b t a i n e dt h ec u r v eo f t h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na tc o r r e s p o n d i n gw a v e l e n g t h k e yw o r d s ：p o l y m e ra w g ；t h ec o m b i n e dl a y e rm a s k s ；s t e a mr e m e l t i n g ；t e s t i n g 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版 本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分 内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者 著作权的商业性使用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权 的法律责任。 长春光学精密机械与物理研究所 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担； 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月曰 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 第一章前言 1 1 1 引言 第一章前言 第一节阵列波导光栅( a w g ) 简介 目前光纤通信正在向全光传输网络发展。密集波分复用( d w d m ) 器件是全光 传输网络的基础与关键。d w d m 技术可以较低的成本极大地扩展传输信息的容 量，不仅提高了传输能力，还有强大、灵活的联网优势，因此成为未来通信传输 系统高速扩容的首选方案。波分复用( w d m ) 的传输系统的发展取决于一系列 器件i “1 ，如波长路由器、光上下路复用器( o a d m ) 、光交叉互连器( o x c ) 、多 波长光源、波长转换器等的快速发展。其中，阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g ，a w g ) 以其多功能性、高重复性、低损耗、低串扰、高可靠性、尺寸小、 低的制作成本以及与半导体器件的容易集成，在密集波分复用技术中扮演着重要 的角色。聚合物阵列波导光栅使用价格低廉的聚合物作材料，制作工艺过程简单， 对设备的要求相对不高，引起了研究人员的关注。 1 1 2 无机a w g 的研究现状 目前，一系列的不同通道数和通道间隔的a w g 复用和解复用器件已经制造 出来。表l 一1 是部分发表的无机a w g 器件的典型参数，其中通道数为3 2 、6 4 和1 2 8 的无机a w g 器件已经商品化。 国外对a w g 器件的研究非常多。日本n t t 在这方面处于领先水平，先后 报道了用通道间隔分别为1 0 g h z 的a w g 与1 0 0 g h z 的a w g 级联获得的3 2 0 通 道的a w g i5 1 、用平面光波导回路模型设计的通道间隔为2 5g h z 的2 5 6 通道的 a w g “。在2 0 0 1o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c ea n de x h i b i t 上，首次报 道了制作在六英寸s i 薄片上的4 0 0 通道，2 5 g h z 的a w g 【j ，该a w g 覆盖整个 c 和l 波段，充分利用了光纤放大器( e d f a ) 的常规增益带宽，其插入损耗非 常低( 3 8 6 4 d b ) ，相邻信道串扰为2 0 d b ，远端串扰低于一3 0 d b ，裸片损耗为 3 8 6 4 d b ，各通道之间的串扰相同，此a w g 支持4 t b i t s 的传输。另外，k t a k a d a 等报道了通道间隔为1 0 g h z 的5 1 2 通道的a w g 【8 l 复用和解复用器。以半导体激 光器、光二极管、光开关及光放大器等有源器件的集成化为目标的对半导体a w g 的研究开发，正在活跃地展开。由于半导体光波导具有可以与有源器件单片集成 的可能性，对于将来实现在一个芯片上集成多功能回路，半导体a w g 有很大 的潜力，而且容易取得光波导芯层和包层大的折射率差，所以可以制作曲率半径 很小的光回路，使整个回路面积变的很小。在半导体a w g 里，已经实现了6 4 x 6 4 的复用解复用器p l 。 聚合物阵列波导光栅波分复_ h ：| 器的研制 表l 一1无机a w g 器件的典型参数 参数 数值 通道数 81 63 26 41 2 8 中心波长( g m ) 1 5 4 7 61 5 5 2 11 5 4 9 81 5 4 9 61 5 4 9 波长间隔( n m ) 1 520 80 4 o 2 波导长度差( “m ) 1 2 85 0 36 36 36 3 平板波导长度( m m ) 2 3 85 6 81 1 3 52 4 _ 23 6 3 衍射级数 1 24 75 95 95 9 列阵波导数 3 06 01 0 01 6 03 8 8 中心波长的片内损耗( d b ) 2 42 32 13 13 5 3 d b 带宽 6 3 n m0 7 5 n m4 0 g h z1 9 g h z1 1g h z 通道串扰( d b ) 一2 8 一2 9 2 8 一2 7 一1 6 国内的a w g 器件研究还属于起步阶段，报道的有利用c v d 法制作a w g 以及s 0 2 光波导【1 ，利用r i e 刻蚀得到a w g 实验晶片，刻蚀的晶片，问题主要 表现为波导横截面成梯形状，陡直度没有达到要求，刻蚀深度误差较大，表面不 光滑等：采用多点s t i g m a t i cp o i n t s 方法解决了设计高通道数a w g 器件时存在的 边缘通道性能劣化问题【l l 】；采用i c p 一9 8 型高密度等离子体刻蚀机进行了厚s i 0 2 陡直刻蚀技术的研究，利用双层掩膜技术解决了“微掩膜现象”问题，刻蚀获得 深度为1 2 4u m 的陡直s i 0 2 光波导剖面，并将这- n 蚀技术用于阵列波导光栅 的制作中。 1 1 3 有机a w g 的研究现状 目前在日本、美国、德国等一些发达国家都在积极开展聚合物a w g 器件的 研究工作，并已取得许多重要进展，一些主要性能指标正逐渐达到无机a w g 的 水平，现将部分已报道的聚合物a w g 器件的主要性能参数列于表l 一2 中。但聚 合物a w g 器件由于起步较晚，目前还没有达到系统化、商业化、实用化。在1 9 9 4 年，yh i d a 等人首先制作成功了工作于1 3 m 的1 4 1 4 硅基聚合物a w g ，插 入损耗在7 8 1 1d b ，串扰 一2 0d b i b l 。其后在1 9 9 6 年，m b j d i e m e e r 等人又 制作成功了工作于1 5 5 a m 的8 8 聚合物a w g ，插入损耗在6 6 8 0d b ，串扰 - 2 5d bp 4 l 。 第一章前言 表卜2 部分发表的p o l y m e r s ia w g 器件的典型参数 参数 数值 材料 d - p m m a 【1 5 1s i l jc o n e r e s i n 1 6 1 通道数 1 4 x 1 48 8 【1 4 11 6 x 1 6 中心波长( u m ) 1 31 5 5 01 5 5 0 波长间隔( n m ) o 6 53 2 ( 4 0 0 g h z )o 8 ( 1 0 0 g h z ) 阵列波导长度差 1 2 6 41 2 6 4 ( u m ) 平板波导长度( p m ) 9 5 3 3l7 0 09 5 3 3 衍射级数 1 4 25 01 2 1 列阵波导数 1 0 15 41 0 l 折射率差 0 8 0 0 0 60 6 波导尺寸( p m 2 ) 7 x 76 x 68 x 8 波导传输损耗 o 1 o 6 o 5 ( d b c m ) 插入损耗( d b ) 7 8 1 l 6 6 - 8 09 1 3 通道串扰( d b ) 一2 0 一2 5 一2 0 偏振相关波长( n m ) o 0 32 5o 3 5 温度相关性( n m 一0 1 l ) 参数数值 材料氟化聚酰亚 f p a e l l 8 1 f l u o r o a c r y l 胺7 1 a t e t y p e i l 9 】 通道数 1 6 x 1 61 x 1 6 8 x 8 中心波长( p m ) 1 5 5 01 5 5 0 1 5 5 0 波长间隔( r i m ) o 8 ( 1 0 0 g h z ) o 8 ( 1 0 0 g h z )1 6 ( 2 0 0 g h z ) 阵列波导长度差 1 2 6 4 6 6 ( p i n ) 平板波导长度( 岬) 9 3 8 1 8 4 2 4 3 聚合物阵列波导光栅波分复j l i j 器的研制 衍射级数 1 2 56 4 列阵波导数 1 0 11 8 0 折射率差 1 1 6 o 0 1 1 波导尺寸( u m 2 ) 4 x 6 波导传输损耗 3o 5 ( 0 8 ( d b c m ) 插入损耗( d b ) 8 1 21 7 2 0 5 8 7 5 通道串扰( d b ) ( - 2 8 一1 5 - 3 0 偏振相关波长( n m ) 0 10 0 2 温度相关性( n m 一o 1 5 0 0 2n m )( 0 8 5 ) 参数数值 材料 f p e l 2 0 l p e r f i u o r o p o c r o s s 一“n k e d 1v m e r s ili c o n e l 2 2 1 通道数1 6 x 1 61 63 2 中心波长( u m ) 1 5 5 01 5 5 01 5 5 0 波长问隔( n n l ) o 8 ( 1 0 0 g i i z )0 8 ( 1 0 0 g h z )o 8 ( 1 0 0 g h z ) 阵列波导长度差 1 2 57 76 3 2 ( u m ) 平板波导长度( g m ) 1 1 6 l 衍射级数 1 2 06 66 0 列阵波导数 1 3 l1 2 61 0 0 折射率差 1 1 6 0 6 波导尺寸( g m 2 ) 6 x 64 x 46 x 6 波导传输损耗 o 4o 0 7 0 5 ( d b c m ) 插入损耗( d 1 3 ) 5 5 1 12 8 o ，3 3 通道串扰( d b ) 一2 73 0 2 一3 5 偏振相关波长( n m ) 0 0 8 0 1 0 0 3 温度相关性( n m o 1一o 1 8 ) 到了1 9 9 8 年，j k o b a y a s h i 等人则制作成功了工作于1 5 5g m 的1 6 1 6 聚 4 第一章前言 合物a w g ，插入损耗在8 1 2d b ，串扰 一2 8d b 1 1 7 10 在2 0 0 4 年，a y e n i a y 等人 报道了工作于1 5 5u m 的1 6 通道1 0 0g h z 通道问隔的全氟聚合物a w g ，插入损 耗为2 8 0 3d b ，相邻通道串扰为一3 0 2d b ，偏振相关波长, j , - q 二0 1n m l 2 “。这 是迄今为止用聚合物材料制作a w g 复用解复用器的国际最好水平，器件的各 项性能指标已经达到或超过无机a w g 的水平。 a w g 理论已较成熟，目前的发展方向是在改善其性能的基础上扩大它的应 用范围。近年来，武汉邮电科学院光讯公司、浙江大学、上海交通大学、吉林大 学【2 3 - 2 5 1 和中科院上海微系统与信息技术研究院等单位也在a w g 波分复用器的研 究中取得很大进展。目前，我国的a w g 器件研究尚处于研制阶段，商品化的 a w g 芯片还未见报道。 1 1 4 结构上的发展趋势 当前a w g 器件在结构方面的改进主要集中在以下几个方面：多模干涉耦合 器的发展，平面场阵列波导光栅的设计和箭头型a w g 结构的出现。 通常的a w g 的光谱响应是高斯型，而高斯型a w g 的3 d b 带宽又很窄， 这限制了它在w d m 系统中的应用。高斯光谱响应需要严格控制作为光源的激光 的波长。而平坦光谱响应的a w g 对由于激光器质量、温度变化以及偏振色散引 起的波长漂移不敏感。为了获得平坦光谱响应，使用了很多方法，如多模输出波 ，豸 l 妻二= 二蒌 oz 遗 l d c l a ( x 神乒 ( i l h n 8 。l i ” p t “w ) l p f u v n 图1 1 平面场a w g 的设计 s ( i t y 导“1 、多光栅结构、多罗兰圆结构“7 1 等。作为一种简单而有效的获得平坦光谱响 应的方法，多模二f 涉耦合器”得到了发展。把多模干涉耦合器连接在输入波导和 平板波导之间，适当的选择它的长度，能在其输出端把输入场转化为两个折叠的 像场。调整多模干涉耦合器的宽度可以控制两个像的峰值i n j e g 。而两个像的峰值 间距决定t a w c 光谱响应的3 d b 带宽。适当选取两个像的峰值间距，便可得到平坦 聚合物阵列波导光栅波分复用器的研制 光谱响应。多模干涉耦合器可以采用锥型结构”，其插入损耗可降低o 6 5 d b ，串 扰降低6 6 d b ；也可采用抛物线角型结构“ 平面场阵列波导光栅的工作波长的聚焦点分布在一条直线上。由于产生的是 平行波导，平面场阵列波导光栅很容易和光纤阵列衔接，并且获得最大的输出。 这种结构大大的增强了器件的柔韧性。周勤存等基于像差理论，用 t h r e e s t i g m a t i cp o i n t s 方法设计了新颖的平面场阵列波导光栅”“”如图卜l ， 此l x 8 0a w g 中心波长为1 5 5 5 7 5 9 m ，波长间隔为0 8 n m 。 传统的a w g 结构中包括弯曲波导阵列，而光束在其中传输时，由于光束沿着 截面方面的传播速度不同，沿着波导交叉截面的波导有效折射率倾斜，光束有偏 向有效折射率大的地方，射出波导的趋势。这就需要严格控制衬底的质量和严格 的编制波导的芯层与包层。波导侧壁的陡直度、深度和粗糙度的任何小的偏移都 图l 一2 箭头型a w g 的结构图 会影响光束的传输质量，进而影响器件的插入损耗、串扰等性能。此外，由于 a w g 弯曲波导阵列的半径不能过小，其器件尺寸也较大。新型的箭头型a w g 结构如图1 2 ，它包括单模输入输出波导，平板波导，用来代替以往a w g 中的 弯曲波导的v 型波导与椭球金属反射镜组成，其结构更加紧凑。当入射光进入 平板波导后，在金属镜面反射，然后耦合入输出波导。光束在此传输过程中发生 了1 8 0 度的弯折。报道的1 x 8a w g 口，中心波长1 5 5 6 9 m ，串扰小于2 0 d b ，插 入损耗1 0 d b 。与传统a w g 比较，波导阵列的长度由3 1 4 c m 减少到2 5 3 c m 。 t s u z u k i 等报道了通道间隔2 5 g h z ，8 - c h 紧凑的箭头型a w g m j 。它的平板波导 和阵列波导区的尺寸仅仅是传统a w g 的1 1 0 。 第二节a w g 的主要应用 a w g 的基本功能是对不同的波长进行的分离与复合，据此可以将其用作复 用解复用器、波长路由器和光插分复用器等。除此之外，将a w g 与光开关结合 还可用于波长选择，若与多波长激光器结合则可构成多波长光源。下面对此进行 简单的介绍。 第一章前言 1 2 _ 1 复用，解复用 如图卜3 ( a ) 所示，a w g 可以使从不同端口输入的波长不同的光信号，如 九一2 、丸十h 、九l 、九2 ，从同一的端口输出，完成复用器功能。反过来它也可使 从同一端口输入的多波长光信号，如九一2 、九小h 、九l 、如，按波长从不同的端 口输出，完成解复用器功能。复用与解复用器是a w g 的基本应用。在点对点通 信传输中，a w g 可用于发射端的复用器和接收端的解复用器【3 6 - 3 7 1 。 九2 九l h 九一1 九一2 九一2 九i 九l 九2 九2 九l 九。 九一i 九一2 图1 - 3 ( a ) 复用器图1 - 3 ( b ) 解复用器 1 2 _ 2 波长路由器 波长路由器【3 8 - 3 9 1 在无源光网络中有广泛的应用，是光纤通信系统中的基本结 构。a w g 可以在光层实现信号的波长路由，而无需使用光电、电光转换设备， 从而大大简化了网络的硬件结构。波长路由器有n 个输入通道，n 个输出通道， n 1 2 h 1n 冲城 区互亟翻 ，k ，杆喙 九呜k 1 ok 1 种砷碱 埘k 姒 图1 - 4 波长路由器 每个输入通道均可以携带n 个不同波长的光信号，如图1 - 4 所示。这些信号经过 a w g 后被分配到不向的输出通道，从而实现了波长路由功能。以a w g 为基础的 2 j_ k k n 札冲砖n ，k 研 冲妨址 一冲耐一 列ij， k k叶磅 聚合物阵列波导光栅波分复川器的研制 波长路由器首先由c d r a g o n e l 4 0 1 提出，目前已有许多实用化的产品。 1 2 3 光插分复用器 光插分复用( o a d m ) 1 4 l j 是w d m 通信网络中的重要技术，它的优劣会直 接影响网络的性能。可重构的光插分复用器是w d m 总线网和环网中的关键器 件，其作用是下载( d r o p ) 通道中通往本地的信号，同时上载( a d d ) 本地用户 发往另一节点用户的信号。o a d m 可以提供不同网络之间的互连，同时通过在 节点处上载和下载信号可以实现网络的可变带宽接入，大大提高整个光纤通信网 络系统的灵活性。以a w g 和空分光开关阵列为核心的o a d m 很好地满足了动 态网络操作的要求。如图2 - 9 所示，a w g 将从一个端口输入的复用光信号解复 用后，将指定给该节点的信号 下路接收。与此同时可将另一信号z 反馈进入 输入端口，经a w g 复用后进入传输线路。用作o a d m 的a w g 一般为对称型， 因为此时a w g 既用作解复用器，又用作复用器。 无无力， 1 2 4 光交叉互连 图1 - 5 光插分复用器 元旯，五， 光交叉互连( o x c ) 4 2 小1 在全光网中有着十分重要的作用，除实现上下载 功能外，更主要的是能够完成网间信道的交叉连接，即具有波长路由选择，动态 第章前言 重构和自愈功能，并具有可扩展性，波长分区重用的特点。a w g 器件因其对称 性和多信道同步处理能力，在实现光交叉互连上显示了很大的优势，图1 - 6 为基 于a w g 的o x c 结构图。 i i l l e a l 山” h n r 1 2 6 波长选择开关 图l 一6 基于a w g 的o x c 结构图 集成波长选择开关1 4 5 - 4 6 1 由a w g 和光开关制作而成。其工作原理大致如下， 首先通过a w g 将光信号解复用，然后通过光开关选择后再经a w g 复用。在实 际应用中它可以用作光交叉互联开关和光上下路器，如图1 - 7 ( a ) ，( b ) 所示。 i t w - - q 。；, , 图l 一7 ( a ) 由a w g 构成的交叉互联开关 聚合物阵列波导光栅波分复用器的研制 1 2 6 多波长光源 图l 一7 ( b ) 由a w g 构成的光上下路器 将多波长激光器产生的激光利用a w g 进行波长选择就构成了一个多波长光 源j 。另外，将a w g 与多个掺铒光纤放大器( e d f a ) 组合在一起也可以构成 多波长或波长可变的光源。图1 8 示意了利用a w g 与e d f a 组合而成的多波长 激光器的原理。它由一对l n 的a w g 复用和解复用器，n 个e d f a ，一个可 调通带的光滤波器和一个光纤耦合器组成。两个a w g 的传输特性相同，e d f a 连接在a w g 的每对端口之间。e d f a 的自发辐射被一个a w g 复用，通过可调 谐滤波器和光纤耦合器后被送入另一个a w g 解复用，这些解复用的光波再次被 送入到相应的e d f a 后被放大，这样自发辐射不断的被积累放大，直至激射。 e d f a 中有光隔离器，使环路单向激射。利用这种方式可得到两种多波长光源的 工作方式，当a w g 的f s r 范围覆盖了整个e d f a 的增益带宽时，光滤波器可以 省去，此时：l ：作在固定多波长工作方式。当a w g 的f s r 比e d f a 的增益带宽窄 时，通过调节滤波器，就得到了可调的多波长工作方式。 图1 - 8 多波长环形激光器 1 0 第一章前言 1 3 1 基底与无机材料 第三节制作材料及基底 a w g 的制造，使用的基底有：硅( s i ) 基底，磷化铟( 1 n p ) 基底，二氧化硅 基底和聚合物基底等 4 8 - 4 9 1 。以i n p 为基底的a w g ，其重要特点是与光电二极管 的耦合效率大于9 0 ( 相当于藕合损耗小于0 5 d b ) 。l n p 基a w g 通常称半导体 a w g ，主要以i n p 为包层，i n g a a s p 为：签层。制作的器件尺寸小，通常易于与 其它光器件( 激光器、选通、放大器、开关和调制器) 集成，可实现多种功能的光 电子器件。主要制作技术是低压金属有机化合物气相沉积( m o c v d ) 和反应离 子刻蚀( r e a c t i v ei o ne t c h i n gs y s t e m ，r i e ) 。磷化铟虽然是既能用于有源器件又能 用于无源器件的几种半导体材料之一，但是价格昂贵。硅基s i 0 2 材料的a w g ， 通常的结构是：s i 0 2 作缓冲层和包层，掺杂的s i 0 2 作导波层。主要制作技术是 等离子体辅助化学气相沉积( p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简称 p e c v d ) 年i 火焰水解沉积( f l a m eh y d r o l y s i sd e p o s i t i o n ，简称f h d ) 以及r i e 。但 高质量的s i 0 2 基底的生长有很多困难。此外，以s i 0 2 和i n p 为材料制作的a w g 器件普遍存在双折射效应大的缺点。为了消除器件的偏振相关性，需要在阵列波 导部分插入色散补偿波片，增加了工艺难度。聚合物基底虽然可以有效的减少由 于基底和材料热膨胀不同而引起的双折射，但要得到其平整的表面很难控制。硅 基材料具有良好的机械性能和热稳定性，再现性好。能与光电二极管、光电接收 器混合集成，与光纤的耦合损耗小，在通信用波长上的传输损耗低，插入损耗小。 1 3 2 有机材料 聚合物a w g 具有如下优点： a 聚合物材料制作波导，价格低廉，折射率容易调节。 b 器件制作工艺简单，与传统的半导体工艺相容，有利于大规模的生产。 c 聚合物材料制作的a w g 器件偏振不敏感，避免了加入新的补偿工艺。 对于材料的选择，考虑以下几个问题： a 在通信波长1 3 1 a m 和1 5 5 m 处有较低的吸收损耗。 b 有较高的玻璃转化温度。 已报导的有机聚合物波导材料有聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 及其衍生出来 的氟化物和氘化物，耐高温的氟化聚酰亚胺，交联聚芳醚和聚硅氧烷等。聚甲基 丙烯酸甲酯( p m m a ) 由于较好的溶解性和稳定性，已经被使用作为波导器件的 芯层材料。特别是氘化和氟化的p m m a 基材料，在通信波长段已经被广泛的发 展。聚酰亚胺( p i ) 由于其固化温度( t g ) 高、介电常数低、膨胀系数低等特点， 很早就被应用于宇航、电子行业做为耐高温绝缘材料，但在光波导领域的应用研 聚合物阵列波导光栅波分复州器的研制 究则是近几年才开始的。当把氟原子引入到聚酰亚胺中后，可以降低其在近红外 区域的传输损耗，同时阻隔了p i 的发色中心，减少了它们的电子相互作用，在 可见光下黄色的p j 变成白色，因而更加透明。普通的p i 为不溶的有机物，但含 氟p i 的溶解性一般很好，这为光学器件加工带来方便。同时，材料的吸湿率也 随着氟含量的增加而降低。含氟聚芳醚是作为低介电常数材料发展起来的。因为 它具有良好的热稳定性和机械性能、低的吸湿率和在近红外区域很高的光透射 率，而成为优良的光波导材料。聚硅氧烷中含有( 一s i o 一) 主链，所以比普 通的( c c 一) 主链聚合物的热稳定性优异。 由于多数c h 键在近红外区的共振吸收会引起较大的光学损耗，而当f c 键代替c h 键后，共振吸收将向长波方向移动，从而减小了材料在近红外区的 损耗，因此目日i j - x 十a w g 的研究主要集中在含氟材料，但价格昂贵。为了摸索 a w g 的成型工艺。我们采用价格低廉、成膜性好的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯 酸缩水甘油酯的共聚物( e p o x y p r o p y le t h y l a c r y l a t e c o m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) 作为 包层材料，在1 5 5um 处的折射率是1 4 8 1 0 。用环氧树j 1 日( b i s p h e n 0 1 ae p o x y ) 作 为高折射率调节剂，掺人到包层材料中，形成芯层材料，通过调节环氧树脂的百 分含量，控制芯层材料的折射率。材料的结构式如图1 9 。 删j - 幽cc ，o o c h j + m c h i = f cc 叫可一h 盎帮 秽c 印一。壬d 叫呵： 图1 9 ( a ) 包层材料和( b ) 高折射率调节剂的化学结构式 聚醚醚酮( p e e k ) 具有很高的热稳定性和优良的光学性能，将含氟大侧基 引入到p e e k 主链中去，可以降低聚合物薄膜在1 3 m 和1 5 5 l a m 波长附近的光 吸收。通过有一定的折射率差的聚合物共聚的方法可实现折射率的精确可调，进 而实现氟化p e e k 做为光波导器件的应用。 为实现材料折射率的精确可控，通过共聚的方法使聚合物的折射率在一定范 围内连续可调，共聚物的分子结构式如图l 一1 0 所示。根据所设计的分子结构， 在1 5 5i x m 波长共聚物的折射率随聚合物成分的有规律的变化，根据实际需要， 通过改变6 f p h 和3 f p h 的投料比，可以使共聚物的折射率在1 4 5 5 一1 5 3 1 范围 内调整。 第一章前言 其中，m = 1 0 ，0 8 ，0 6 ，0 4 ，0 2 ，0 ； 图1 1 0 共聚物的结构式 第四节本文主要工作 本论文主要给出了聚合物a w g 波分复用器的工作原理；详细介绍了聚合物 a w g 波分复用器的制各过程；研究了聚合物材料制备a w g 波分复用器的技术 手段，具体如下： 采用p m m a 材料，对器件的制作工艺进行了反复摸索。为了克服反应离子 刻蚀过程中单独使用光刻胶作掩膜而导致的光波导形状瓣i 尺寸偏离设计的缺点， 研究了光刻胶与金属掩膜相结合的双掩膜技术进行器件制作。详细介绍了双掩膜 技术制备聚合物a w g 波分复用器的过程，在采用金属铝作为掩膜时，铝膜的厚 度对聚合物波导的制作效果有很大影响，实验结果表明，铝膜作为掩膜的最佳厚 度在1 0 0 n m 左右。测试给出了使用和没有使用双掩膜技术的对比结果，表明使 用双掩膜技术制作的波导质量明显好于单独使用光刻胶作掩膜制作的结果。 采用p e e k 制作了3 2 通道的a w g 波分复用器。采用蒸汽回溶技术来减小反 应离子刻蚀产生的波导表面和侧壁的起伏，从而降低了波导的散射损耗。原子力 显微镜测试结果表明，蒸汽回溶技术使样本波导表面的均方根粗糙度从 4 1 3 0 7 r a n 降低到2 4 5 6 4 n m 。 给出了聚合物材料形成波导包层和芯层时，折射率和厚度的表征方法。对 p m m a 材料，测试了包层和：卷层的折射率。实验结果表明，测量值与理论设计 值基本符合。 搭建了a w g 性能参数的测试系统。测试了3 2 通道的a w g 波分复用器的 通光情况。得到了3 2 个输出波长及其光强分布曲线图。 聚合物阵列波导光栅波分复用器的研制 2 1 1 基本原理 第二章阵列波导光栅波分复用器 第一节基本原理 阵列波导光栅【5 0 l ( a w g ) 是由m a c h z e h n d e r 干涉仪发展而来的新型波分复 用器件1 3 7 i ，它的外观如图2 1 ，其基本结构由三部分组成：输入输出( i o ) 波 导阵列，自由转播区平板波导和弯曲波导阵列。输入输出波导阵列的位置和弯 曲波导阵列位置满足罗兰圆规则，并集成在同一基片上。罗兰圆起到凹面光栅的 聚焦功能的作用。而弯曲波导阵列的端口以等间距分布在光栅圆周上，并使波导 阵列的中心位于光栅圆与罗兰圆的切点处，相邻阵歹0 波导保持等长度问隔。以往 的衍射光栅的工作原理是，从入射光纤入射衍射光栅的各种波长的光，由衍射光 栅分离成各波长的角度后再通过光学透镜在不同的位置聚焦，耦合到输出光纤。 在衍射光栅中，是由周期结构引入位相差的。而a w g 相邻阵列波导保持等长度 间隔，同样引入了位相差。相同波长的光在其输出端发生干涉，实现不同波长的 光在角度上的分离。 输 入 波 导 阵列波导 2 1 2 光栅方程 图2 - 1a w g 复用解复用器结构图 输 出 波 导 光栅方程是所有各种光栅器件的最根本的理论基础，光在各种光栅器件中的 传输都必须满足光栅方程。不同结构的光栅器件所满足的光栅方程在形式上虽然 可略有不同，但是基本原理都是一样：光在光栅器件中传输时，只有那些光程彼 此相差波长的整数倍的光才能产生干涉或衍射而得到加强。从a w g 器件出入的 光满足的光栅方程为 4 第二章阵列波导光栅波分复用器 n s ds i n 只+ 。4 + n s ds i n o o = m 丑 ( 2 1 - 1 ) 式中，仇和分别为平板波导和矩形波导的有效折射率，m 为衍射阶数，6 和岛 为输入输出信道波导与中心信道波导的夹角，分别称为入射角和出射角，d 为相 邻阵列波导间距，越为相邻阵列波导的长度差。通常情况下由于入射角岛和出 射角岛都q l a d , ，可作s i n 0 * 0 ，s i n 吼z o o 的近似，因此光栅方程( 2 1 1 ) 可近似成 为 n s q d + 一。d l + n ，口。d = m 2 ( 2 1 2 ) 对于中心波长凡，当它由中心信道波导输入并由中心信道波导输出时，岛= 0 0 = 0 ， 因此中心波长凡满足下述关系 厶= c a l ( 2 1 3 ) 从上式可以看出，当入射角和出射角为零度时，光栅仍能在高阶衍射下工作。因 光栅的波长分辨率与衍射阶数m 成正比，所以，当入射角和出射角为零度时， a w g 器件仍有很高的波长分辨率，这是与普通光栅的最大差异。 a w g 的角色散方程、自由光谱区、衍射效率等表达式都可由光栅方程推导 而来。 2 1 3 角色散方程 当某一波长的信号光从第i 条输入信道波导入射时，入射角0 ，= i a o , 为常数， 此时信号光从第，条输出信道波导出射，出射角为既= j a o 。，与波长有关，是波 长旯的函数，0 。= 口n ) 。不同波长下平板波导和矩形波导的有效折射率m 、n 。也 不同，也是波长五的函数， ，= 吼( ”、= j 。式( 2 1 2 ) 对波长五求导数并汪葸 d 以o , = 。，可得 鲁b d + d 以go 。d + n ，d d 以o 。+ 盟d 2 舭= m ( 2 1 4 ) 由此得到 塑d 2 ；盟d 2 ：南d 卜一丝m 堕d 2 一螋m 堕d 2 ( 2 1 5 ) 月。以1 。 、 聚合物阵列波导光栅波分复j l l = | 器的研制 利用式( 2 1 2 ) ，上式变为 塑d3=旦n卜一五堕+盟竽卜堕吨堕dns dd 2d 2d 2 i m l 3。 川 = 南7 1 卜一 堕+ 坐生业卜鲁1 等 s 儿d l , 4 2 m l6 以以川 = 南d