（微电子学与固体电子学专业论文）基于玻璃基离子交换的光功分器的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 由于现代光通信技术的发展，光功分器在光通信系统、光纤用户网、光无源 网络( p o n ) 、光纤c a t v 、光局域网等网络中被广泛的应用，是光网络中的核 心器件之一。光功分器的基本功能是实现对光信号进行分路或合路。本文对如何 设计小型化高性能光功分器和如何采用离子交换在玻璃材料上制作低损耗掩埋 型光功分器展开了研究。 论文对玻璃基离子交换技术进行了比较深入、全面的研究。利用一次热交换 和二次电场辅助离子交换工艺制作低损耗掩埋型光波导，并在此基础上制作出基 本达到产品标准的l 8 1 x1 6 1 3 2 光功分器。 实验制作中，设计银线实验成功解决离子交换中的银线问题，并设计电流实 验等分析和解决波导掩埋深度不一、玻璃易裂等问题，为以后制作出性能更好的 玻璃基离子交换器件打下了基础。 由于产业化发展的要求，我们提出1x 1 6 1 3 2 较多路数玻璃基离子交换光功 分器器件设计指标：尺寸2 5 c m 、低损耗和好的均匀性等。论文详尽的分析如何 系统的设计符合此设计指标的光功分器。首先通过各种模拟设计方法的比较，选 取合适的f d b p m 法以及接近工艺制作结果的基本模拟参数。接着针对光功分 器的小型化设计要求，将光功分器的设计分成几何设计和性能设计。之后几何设 计部分系统的分析如何选取几何设计结构、几何设计的主要参数以及如何实现 2 5 c m 的几何设计。最后性能设计部分系统地分析几何设计的性能问题和解决方 案，并采用解决方案之一成功设计得到尺寸仅为2 5 c m 高性能l x l 6 1 x 3 2 玻璃基 离子交换光功分器。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o p t i c a ls p l i t t e ri so n eo ft h ek e y c o m p o n e n t i nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，o p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a l ，p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ，c a t vs y s t e ma n do p t i c a ll o c a la r e an e t w o r k t h em a i nf u n c t i o no fo p t i c a l s p l i t t e ri su s e da so p t i c a ls i g n a ls p l i t t e r c o m b i n e r i nt h i sd e s s e r t a t i o n ，w ec o n d u c t e d r e s e a r c ho nd e s i g no fh i g h - p e r f o r m a n c es m a l l s i z eo p t i c a ls p l i t t e r sa n df a b r i c a t i o no f l o w l o s sb u r i e ds p l i t t e r sb a s e do ni o n e x c h a n g eo ng l a s s i nt h i sd e s s e r t a t i o n ，w ec o n d u c t e das y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nt h eg l a s s b a s e d i o n e x c h a n g et e c h n o l o g y b a s e do nt h i st e c h n o l o g y , w er e a l i z e dt h el o w - l o s sb u r i e d s i n g l e - m o d ew a v e g u i d ea n d1x 8 1x16 1x 3 2p o w e rs p l i t t e r sw h i c hh a v ep a r t i a l l y r e a c h e dp r o d u c t i o ns t a n d a r d d u r i n gt h ef a b r i c a t i o no fs p l i t t e r s ，w ec a m eu pa g a i n s ts o m ep r o b l e m s ，s u c ha s m e t a l l i cs i l v e rd e p o s i t i o n ，a s y m m e t r i c a lb u r i e dd e p t ho f w a v e g u i d e sa n ds oo n a n d t h e nw ed e s i g n e dc o r r e s p o n d i n gs u i t a b l ee x p e r i m e n t st os o l v et h e m i tl a i dt h e g r o u n d - w o r ko ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fg a l s s b a s e di o n - e x c h a n g ed e v i c ew h i c hh a s b e t t e rp e r f o r m a n c e i no r d e rt oa d a p tt ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fo p t i c a ls p l i t t e r , w ep r o p o s e da d e s i g no fh i g h - p e r f o r m a n c e 1xl6 1x 3 2o p t i c a l s p l i t t e r so f2 5 c m s i z e i nt h i s d e s s e r t a t i o n ，w eh a v ead e t a i l e da n a l y s i so fh o wt od e s i g nt h e mb a s e do n i o n - e x c h a n g et e c h n o l o g yo ng l a s ss y s t e m a t i c a l l y f i r s t ，w es e l e c t e df d - b p mm e t h o d a n dg l o b a lp a r a m e t e r sa c c o r d i n gw i t he x p e r i m e n tt os i m u l a t eo u rd e s i g n s e c o n d ，w e t r i e dan o v e l t ym e t h o d ，w h i c hd i v i d et h e d e s i g nt og e o m e t r i c a ld e s i g na n d p e r f o r m a n c ed e s i g n t h i r d ，w ed i s c u s s e dh o wt os e l e c td e s i g ns t r u c t u r e ，m a i nd e s i g n p a r a m e t e r sa n dh o w t oc a r r yo u tg e o m e t r i c a ld e s i g ni ng e o m e t r i c a ld e s i g ns e g m e n t f o r t h ，w ea n a l y z e dp e r f o r m a n c ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n so fg e o m e t r i c a ld e s i g ni n p e r f o r m a n c ed e s i g ns e g m e n t a tl a s t ，w er e a l i z e dt h ed e s i g no fh i g h - p e r f o r m a n c e s m a l l s i z e g l a s s b a s e di o n - e x c h a n g e 1xl6 1x 3 2o p t i c a l s p l i t t e r sb yo p t i m i z i n g g e o m e t r i c a ld e s i g nw i t hp e r f o r m a n c es o l u t i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：厄f j1 甘签字日期：砂矿年f 月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 易，i 甘 签字日期：彬年月力日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：瑞晟微电子( 苏州) 有限公司 通讯地址：苏州工业园区沈浒路4 5 0 号 导师签名 签字日期 电话：0 5 1 2 6 2 5 8 8 9 6 6 邮编：2 1 5 0 2 8 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 光阴似箭，岁月如梭，两年的硕士生活即将结束。回首这段宝贵的时光，充 满了无限的美好。老师们的悉心指导，同学们的交流合作，家人的关心支持，这 些不仅仅使我在课题研究中不断开阔视野、克服困难、取得进步，更让我体会到 了生活中的爱与关怀。 感谢导师王明华教授在本科和硕士期间在学习和生活上给我的悉心指导和 关怀，使我各方面尤其是科研上的能力得到了很大的锻炼。王老师渊博的理论知 识、严谨求是的科学态度、胸怀宽广的高尚品格和平易近人的学者风度深深感染 着我，将使我终身受益。 感谢杨建义教授、江晓清教授、郝寅雷副教授在工作中对我的指导和帮助。 杨老师严肃的科学态度、精辟的见解、丰富的理论知识；江老师渊博的理论知识、 精益求精的工作作风；郝老师活跃的思维、开阔的知识面、勤奋的科学态度；他 们都给予我很大的帮助。 感谢宋南辛副教授、朱月莲老师、周强副教授、李锡华副教授和徐义刚副教 授对我在工艺方面的耐心指导和热情帮助。工艺是对耐心和细致性最大的考验， 有他们的帮助和共同探讨，我们的工艺流程才能克服各种困难，取得一定的成果。 感谢高阳、盛志瑞两位直系师兄对我理论设计和工艺实验的指导和帮助，带 领我一步步踏入科研的宫殿。感谢王帆师兄对我测试工作的指导以及学习生活的 无微不至帮助。感谢祁彪、郑伟伟同学对我切片、测试等工作的帮助。感谢周剑 英老师对我本科毕业设计的指导，在科研学习等各方面都给予了我正确的引导。 感谢李宇波老师对我科研工作的指导和生活的帮助。 感谢余辉、戚伟、肖思淼、周海峰、宫汝振、吴艳艳等师兄师姐们对我的指 导和帮助。感谢葛陆泉、陈献、刘仕景、王嘉明、余小燕、蒋峰、陈伟伟、贾文 建、王翔、王欢、王皖君、陈瑞宜、汪国冰、戴密特、陶栋杰、肖彩侠、陈丽梅 等同学在学习生活中对我的帮助和鼓励。 感谢浙江大学这六年来对我的培养。 感谢评审专家付出的辛勤劳动和给予的指正。 最后感谢我的家人对我永远的关爱，不论何时何地，一如既往的给我最需要 的认可、鼓励和支持，谢谢! 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 1 1 光通信 1 1 1 光通信的发展历程 第一章绪论 光通信，即以光波为载体的通信方式，可分为无线光通信和有线光通信。由 于光的载波频率在1 0 e 1 4 - - - 1 0 e 1 5h z 之间，因此与微波和无线电波相比，光波 具有很高的通信容量。有线光通信最典型、也是最广泛的应用就是光纤通信系统。 目前光纤通信技术以其频带宽、容量大、中继距离长、保密性好、抗干扰能力强 等优点成为世界通信市场的主力军。据统计，现世界上8 0 以上的信息是通过 光纤传送的。 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传达信息，这些都是最原始的光通 信。望远镜又极大的延长了这种目视光通信的距离。1 8 8 0 年，b e l l 发明了可以 用来传送话音的“光电话”l l 】。但由于当时没有理想的光源和传输介质，这种光电 话的传输距离很短，并没有实用价值。不过，它仍旧是一项伟大的发明，证明了 用光波作为载波传送信息的可行性。 1 9 6 0 年，m a i l m a n 发明了第一台红宝石激光器。和普通光相比，激光具有 方向性好、波谱宽度窄、亮度高以及频率和相位较一致的特性。激光是一种理想 的光载波，给光通信带来了新的希望。美国麻省理工学院用h e - n e 激光器和 c 0 2 激光器进行了大气激光通信试验。实验证明：用承载信息的光波，通过大 气的传播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质量受气候影响十分严 重。为了克服气候对激光通信的影响，人们想到把激光束限制在特定的空间内传 输，提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔 一定距离安装一个透镜，每个透镜把传输的光束会聚到下一个透镜而实现。反射 镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成4 5 0 角的两个平行反射镜代替透 镜而构成的。这两种波导，理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服 的困难：现场施工中校准和安装十分复杂；为了防止地面活动对波导的影响， 必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。由于没有找到稳定可靠和低损耗 】 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 的传输媒介，光通信的研究曾一度走入了低潮。 19 6 6 年，c h a r l e sk k a o 和g e o r g eh o c k h a m 发表了关于传输介质新概念 的论文1 2 】，预言：通过对材料的提纯处理，可以获得低损耗的光纤，从而可以作 为一种可行的光信号传输介质。文章指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技 术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达1 0 0 0 d b k m ，c h a r l e sk k a o 等人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性， 而是由于材料中的杂质，比如过渡金属( f e 、c u 等) 离子的吸收产生的。材料本身 的损耗由r a y l e i g h 散射决定，它随波长的四次方而下降，其值很小。因此有可 能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。如果把材料中 金属离子含量的比重降低到1 0 西以下，就可以使光纤损耗减小到1 0d b k m 。通 过改进制造工艺的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减d , n 几d b k m 。 这个思想和预测受到世界各国极大的重视。 到了7 0 年代，康宁公司的r o b e i r tm a u r e r 和他的同事实现了这个预言，开 发出了损耗低于2 0 d b k m 的单模光纤【3 】。它的意义在于：使光纤通信可以和同 轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信美好的前景，促进了世界各国相继投入大 量人力物力，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。同时，主要归功于a t & t 公司的贡献，作为光纤通信用的光发射器和光接收器也已经实现了商业化。光纤 和半导体激光器的技术进步，使1 9 7 0 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。 8 0 年代初期，发明了i n g a a s p 激光器，它可以发射波长为1 3 9 m 的激光 【4 ，5 1 。该波长的损耗较低，为0 5 d b k m 左右，并且其脉冲色散比8 5 0 n m 波长的 低。同时，硬件配套设备的发展使单模传输系统得以实现。因此，在2 0 世纪8 0 年代中期，单模光纤开始用于长距离干线通信，从那时起，光纤便在电话网及有 线电视网中逐渐取代了铜线。很多国家开始在电话网中使用光纤，例如德国从 1 9 8 7 年开始使用。后来，单模光通信系统的工作波长变成了1 5 5 9 m 。光纤在该 波长的损耗更小，为0 2 d b k m 左右1 6 】。所以它允许的无中继传输距离可以更长。 更重要的一点是，南安普顿大学的d a v ep a y n e 在8 0 年代后期发明了掺铒光纤 放大器，它可以在1 5 5 9 m 波长实现光放大的功能i 7 1 。 8 0 年代中期到9 0 年代中期，是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展 新技术研究的时期。在这个时期，实现了1 5 5 9 m 色散移位单模光纤通信系统。 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 采用外调制技术，传输速率可达2 5 1 0 g b s ，无中继传输距离可达1 0 0 1 5 0 k m 。 9 0 年代中期至今，主要特征是采用密集波分复用( d w d m ) 技术的全光网络 的开发与应用，充分利用光纤低损耗波段的潜在容量，以实现大容量传输。 d w d m 技术带来的不仅仅是容量方面的巨大好处，可以预计，随着d w d m 技 术的推广应用，将会为现有的光纤网络带来深刻变革，最终会成为全光网络( a o n ) 的基石【8 1 0 1 1 2 光通信的优点 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率很高，而作为传输介质的光纤又比 同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具 有许多独特的优点0 1 。 ( 1 ) 通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1 0 0 0 亿个话路。虽 然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输2 4 万个话路的试 验已经取得成功，它比同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。表1 1 列 出早已实现的单一波长光纤通信系统的传输容量和中继距离。一根光纤的传输容 量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复 用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。 表1 1 光纤通信与电缆微波通信传输能力的比较 通信手段 传输容量( 话路) 条 中继距离k m1 0 0 0 k m 内中继器个数 微波无线电 9 6 05 02 0 小同轴 9 6 04 2 5 0 中同轴 1 8 0 061 6 6 光缆 1 9 2 03 03 3 光缆1 4 0 0 ( 1 g b s )8 4 1 l 光缆6 0 0 0 ( 4 5 5 m b s )13 47 ( 2 ) 中继距离长 石英光纤在1 3 1 l a m 和1 5 5 1 a m 波长，传输损耗分别为0 5 0 d b k m 和0 2 0 d b k m ，甚至更低。若配以光纤放大器、色散补偿光纤、适当的光发送与光接收 一3 - 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 设备，可使其中继距离达数百公里以上，这是传统的电缆( 1 5 k m ) 、微波( 5 0 k m ) 等根本无法与之相比拟的，见表1 1 。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干 线通信。据报导，用一根光纤同时传输2 4 万个话路、1 0 0 公里无中继的试验已 经取得成功。此外，已进行的光孤子通信试验，已达到传输1 2 0 万个话路、6 0 0 0 公里无中继的水平。因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能 的。光纤通信具有传输容量大、传输误码率低、中继距离长等优点，使其不仅适 合于长途干线网，而且适合于接入网的使用。 ( 3 ) 保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保 密性能极好。这一特点，对军事、政治和经济都有重要的意义。 ( 4 ) 体积小、重量轻、便于施工维护 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还 是比电缆轻得多，体积也小得多。表1 2 给出了铝聚乙烯粘结护套( l a p ) 单元 结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。通信设备的重量和体积对许多 领域，特别是军事、航空和宇宙飞船等方面，具有特别重要的意义。光缆的铺设 方式方便灵活，既可以直埋、管道铺设，又可以水底和架空。 表1 2 光缆和电缆的重量和截面积的比较 8 芯 1 8 芯 项目 光缆电缆光缆电缆 重量( k g m 。1 1 o 4 26 3o 4 2l l 重量比 11 5l2 6 直径( m m ) 2 14 7 2 16 5 截面积比 l519 6 ( 5 ) 适应能力强 适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀、可绕性强( 弯曲半径 大于2 5 厘米时其性能不受影响) 等。光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信 线路非常适合在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境 中使用。 ( 6 ) 原材料来源丰富，潜在价格低廉 4 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储量是有限的， 而制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是 取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。因而，光纤通信不仅在 技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社 会中将发挥越来越重要的作用。 1 1 3 光纤接入网 从光纤通信技术本身的发展看，早期时，“光”只是用来实现大容量传输，所 有的交换、选路和其他功能都是在电层面上实现的。而目前正在开发的光传送网 ( o t n ) 可以认为是第二代光网络，此时很多交换、选路和其他智能将在光层面上 实现。基于光纤的接入技术具有高带宽、远距离传输能力强、保密性好、抗干扰 能力强等优点，能满足目前和未来业务发展对带宽的需求，是宽带接入网的主要 实现技术。 光纤接入网是指在接入网中用光纤作为主要传输媒介来实现信息传送的网 络形式，根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，光纤接入网可以划分为无 源光网络( p o n ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和有源光网络( a o n ：a c t i v eo p t i c a l n e t w o r k ) ，前者采用光功分器分路，后者采用电复用器分路。无源光网络( p o n ) 由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入技术中的佼佼者。随着宽带接 入网业务的增加，尤其是一些重要客户组网的需要，p o n 系统的发展显得非常 重要。目前的p o n 技术主要可以分为b p o n ( 宽带无源光网络) 、e p o n ( 基于以 太网的无源光网络) 、g p o n ( 千兆无源光网络) 等。在各种p o n 技术中，目前又 数结合了以太网优势的e p o n 技术发展最为成熟，应用最广泛、市场前景最好。 随着去年相关国际标准i e e e8 0 2 3 a h 的出台，e p o n 的商用进程进一步加快， 目前已有5 - 6 家芯片厂商推出了成熟产品，设备也发展到第二、三代，价格逐 渐降至当初a d s l 、c a b l em o d e m 刚刚步入广泛应用时的水平。而另一种在安 全性方面更胜一筹的优秀技术g p o n 尽管标准制定也已完成，但产业化进展缓 慢，还没有商用：卷片推出，系统厂商的实验系统也是用f p g a 实现，要大规模 商用还需要一段时间。从组网成本来看e p o n 和g p o n 都属于p o n 技术， 成本相差不大。而从产品方面来看，e p o n 无疑已经领先一步，优势明显【l l - ”】。 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 一个典型的无源光网络系统由光线路终端( o l t ) 、光网络单元( o n u ) 、光分 配网络( o d n ) 组成。光线路终端放在中心机房，光网络单元放在用户端，光分配 网络包括分路器( s p l i t t e r ) 和光纤。如果光网络单元( o n u ) 能到达用户家里，这便 是光纤接入技术的最终理想：光纤到户( f t t h ：f i b e rt ot h eh o m e ) 。在此之前要 经过光纤到路边( f t t c ：f i b e rt ot h ec u r b ) 、光纤到楼群( f t t b ：f i b e rt ot h e b u i l d i n g ) 等过渡。从产品方面来看，如图1 1 所示，b p o n ( 宽带无源光网络) 、 e p o n ( 基于以太网的无源光网络) 、g p o n ( 千兆无源光网络) 中的哪一种技术， p o n 网络的普及意味着光功率分配器等将会占据大量需求。 i x r 图1 1f t t h 接入网拓扑图 1 1 4f t t h 对光功分器的性能要求 f t t h 系统要求光功分器具有宽的工作波段、损耗低、均匀性好、尺寸小、 可靠性高等性能。 工作波长范围 根据标准i t u tg 9 8 3 1 ，所有在f t t h 系统中用的光功分器，必须能在至 少3 个波长工作：1 3 1 0 n m ( 数据声音信号的上传) ，1 4 9 0 n m ( 数据声音信号的 下载) ，1 5 5 0 n m ( 视频信号) 。 插入损耗和均匀性【1 4 】 具体要求见表1 3 。 浙江大学硕士学位论文第章：绪论 表1 3f t t h 系统对光功分器的性能要求 o p e r a t i n gw a v e l e n g t hr a n g e 1 2 6 0 一1 3 6 0a n d1 4 8 0 1 5 8 0n m s p l i t t i n g i n s e r t i o n u n i f o r m i t y l ( d b ) p d l l 2r e t u r nl o s s l d i r e c t i v i t y l r a t i o l o s s l ( d b ) l 4 7 3 0 5 1 8 1 0 5 o 8 l 1 2 1 2 4 1 1 1 6 1 3 8 1 l x 3 2 1 7 1 5 5 d b 2 x 4 7 6 1 4 2 x 8 l l 1 6 2 1 6 1 4 6 2 4 2 x 3 2 1 7 8 3 。：v a l i du n d e ra n y p o l a r i z a t i o n , m e c h a n i c a la n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s 。：p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s 尺寸 光功分器的结构外形应当尽可能的紧凑，以便能在很小的空间范围都能放置。 表1 4 给出了光纤熔接型和平面波导型功分器的典型尺寸。 表1 - 4 尺寸比较 d i m e n s i o n s s p l i t t i n gr a t i o f b t l p l a n a rs p l i t t e r l 1 x 41 0 0 x 8 0 x1 0 m m6 0 x 7 5 x 5 6 m m l 8 l 1 21 4 0 x 1 0 0 x 1 1 m m6 0 x1 3 x 5 6 m m l 1 6 lx 3 22 0 0 x1 6 0 x1 3 m m 1 fd i m e n s i o na r eg i v e n 傩l e n g t h w i d t h d e p t h 可靠性 为了保证功分器的可靠性，t e l c o r d i ag r 1 2 0 9 和g r 1 2 2 1 标准要求对功分 器进行潮湿加热老化测试。 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 1 2 光功分器 1 2 1 光功分器原理 光功分器可以实现对光信号进行分路或合路的功能。它常用来实现光信号功 率分配、对光路连接、光信号传输方向控制、各器件之间的耦合控制等。光功分 器是光通信快速发展中不可缺少的光无源器件。随着光通信技术的飞速发展，世 界范围内对光功分器的需求量大大增加。 七十年代初，y a j i m a e l s l 用实验证实了y 分支波导结构具有功率分离的作用。 他指出，当一个模式入射到y 分支输入波导中，在分支输出波导中将有模式输 出，这输出模式将选择有效折射率与输入波导中的有效折射率相近的一个分支输 出波导传输，即符合“传播常数最接近”原则。如图1 2 所示，在分支b 和c 结 构完全对称的分支系统中，由于分支b 和c 的同一阶导模具有完全相同的传播 常数，因此分支a 的一个导模转换成传播常数同它最接近的分支b 和c 所确定 的同一阶导模。这时，分支a 的导模将其近乎1 0 0 的功率均分给分支b 和c 的 同一阶导模。将多个y 分支结构连成多级，可以构成树型结构的1x n 路光功分 器。 图1 2y 分支波导功分器 对于两输出分支波导完全对称的功分器【1 8 - 2 1 ，两输出模的同一阶导模具有完 全相同的传播常数，因此输入分支的导模将其近1 0 0 的功率均分给两个输出分 支的同一阶导模。这时相互转换的输入分支和两输出分支的导模阶数之间有如下 关系： 。 = ：。，2 z 凳暑釜j ( 1 - 1 = v o , , t 2 ，l 2 1 ( 一1 ) 2 ( 为奇数) 式中、。和：分别为输入和两个输出分支中导模的模阶数。 对于两输出分支波导不对称的功分器，分支波导中的导模转换和分离也遵循 传播常数最接近原则，即输入波导中的导模只转换到传播常数与之最接近的那个 输出波导。 浙江大学硕士学位论文第章：绪论 1 2 2 结构分类 光功分器在结构上主要分为：光纤形光功分器、利用锥形波导管耦合光功分 器、y 分支多级连接光功分器、星型耦合器型光功分器、m m i 型光功分器等。 下面分别就各个结构作简单介绍。 光纤形光功分器 目前大部分光纤型光功分器( 或耦合器) 都是采用熔融拉锥的方法制造的。这 种方法可以采用腐蚀的方法去掉光纤的部分包层，也可以不用腐蚀，直接将两根 光纤在微火下并排加热，使玻璃处于熔接状态，然后拉伸软化的光纤，随着光纤 变细的同时，两根光纤纤：签更加靠近。在这种条件下，从一根光纤入射的光的模 场就激励另一根光纤，并形成相同的模式，也就是说，两根光纤实现了耦合，形成 1 2 功分器或2 x 2 耦合器的核心部分，通过光学在线监测，可以方便地控制光 信号的耦合比。缺点是满足不了高密度的复用度。目前1 4 ，1 8 ，1 x 1 6 功分器 的插入损耗平均值分别为6 4 2 d b 、9 6 2 d b 和1 2 7 8 d b 。 利用锥形波导管耦合光功分器 每个耦合器由中间的一个锥形波导和对称置其两侧的均匀波导构成，根据相 邻波导具有相同宽度时的这一处能发生光的强耦合这一原理，入射中心锥形波 导的光，会逐渐耦合至其两侧具有相同宽度的波导中。缺点是耦合效率低、损耗 较大，且制作工艺比较困难，更难以满足较大型光纤网络的需求。采用锥形波导 管耦合技术制成l x 8 光功分裂1 6 】。整个器件长为l l m m ，插入损耗为1 6 7 d b ， 功率离散为0 7 d b 。 星型耦合器型光功分器 对于高速、大范围、多路访问的光纤网络，目前较具潜力的是基于r o t m a n 镜 原理【1 7 】进行设计的星型耦合器型的光功分器。图1 3 是lx 8 星型耦合器型光功 分器的结构示意图。该器件在硅衬底上实现，单片尺寸为5 x 1 3 m m ，最小插入损 耗和功率离散分别为1 0 5 d b 和0 4 9 d b 。当输出波导数较大时，星型耦合器具有 低的平均附加损耗，但n 较小时，平均附加损耗就相对较大，且它在接收端具 有固有的功率分配不均等性质，尽管采取了些补偿措施，但这是以降低它的制作 容差性为代价的。 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 图1 3l 8 星型耦合器光功分器示意图 m m i 型光功分器 m m i 型光功分器结构示意图如下图1 4 。自镜像效应( s e l f i m a g i n ee f f e c t ， s i e ) 是多模波导的一个重要特性，它是波导中被激励起来的模式间的相长性干涉 的结果。1x 6 4m m i 型光功分器，整个器件单片尺寸为3 0 m m x 2 0 m m 。最小附加 损耗和功率离散分别为0 5 d b 和1 7 d b 。基于s i e 的m m i 型耦合器具有低的插 入损耗、功率离散小，以及对偏振不敏感、受工作波长、环境温度影响小，且制 作容差性好、工艺简单、结构紧凑，可以实现较小尺寸的器件，所以多模干涉耦 合器有着非常广泛的应用前景。但目前在渐变折射率玻璃基理论设计尚不太成熟。 】厂 卜一一- - 。- j - 一 图1 4m m i 型光功分器结构示意图 1 2 z 8 y 分支多级连接光功分器 如图1 5 所示，分支b 和c 结构完全对称，因此分支a 的一个导模转换 成传播常数同它最接近的分支b 和c 所确定的同一阶导模，从而达到近乎 1 0 0 的功率均分。缺点是器件结构不紧凑，工艺难度较大。所以这种结构不适 于n 较大时的情形。目前已有1 2 7 级l 2y 分支连接构成1 1 2 8 的功分器在 7 6 2 m m 的硅片上实现的报道，插入损耗为2 4 3 d b l l 8 1 。 浙江大学硕士学位论文第章：绪论 图1 5y 分支多级连接光功分器结构 1 2 3 对称y 分支光功分器结构比较 商业应用比较多的是3 2 路或3 2 路以下光功率分配器，所以目前比较多的 是基于级联的波导y 分支型结构的光功率分配器。在对波导结构如y 分支的 分支处弯曲波导进行优化设计，以及对制作工艺加以改善后，这种基于y 分支 型结构的光功率分束器具有插入损耗低、分支均匀性好、工作波长窗口宽、偏振 相关性小等特点，而且：笛片的尺寸非常小，比如1 个1 分3 2 路p l c 型光功 率分配器的：签片尺寸一般只有5 m mx 3 41 t i i l l 1 5m m 。制作好的p l c 型光功率 分配器芯片通过切片、抛光、耦合封装等过程后便形成性能可靠的p l c 型光功 率分配器模块。 由于目的是得到均分的多路光功分器，因此本论文的讨论是基于对称y 分支 波导。下面简要介绍对称y 分支波导的几种结构及其优缺点，并选择好本文设 计所采用的结构。 a 普通结构 图1 6 普通y 分支波导结构示意图 一卜图1 6 是一个普通y 分支结构，波导宽度为w ，分支角为2 0 。由于y 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 分支结构单元分支点附近存在的模式转换和辐射损耗，只有在分支角很小的情 况下( 通常小于0 5 0 ) ，才可以忽略不计，这使得构成的l x n 路光功分器拉的 很长，器件结构不紧凑。要实现功率的均匀分配，y 分支的分支b 和c 结构要 完全对称，这给工艺带来一定的难度。由于y 分支点存在散射损耗，当多个y 分支单元集成时，插入损耗将增加，所以这种结构不适于n 较大时的情形。 b 低损耗大角度y 分支功分器 在y 分支的耦合部分插入两个微棱镜，其折射率略大于波导的折射率，且随 分支角度的增大而增大。这两个微棱镜起到了相位补偿的作用 1 9 - 2 2 】，使光功率被 分到两个分支波导中。在分支角度为1 0 0 ，y 分支长度为1 2 0g r n 时，光功率下 降为入射时的8 3 。该结构的优点是理论模型简单，损耗低，但分支角度不能 太大。 cs 形弯曲y 对称光功分器 常用的s 形弯曲波导【2 3 】主要有三种：双圆弧形、余弦函数形和上升反正弦函 数形。其结构示意图如图1 7 。对于一段单独的弯曲波导，其损耗主要包括纯弯 曲损耗和过渡损耗。纯弯曲损耗是由于弯曲模为泄露模，光功率切向离开波导形 成。过渡损耗是由于曲率方向或大小不同的波导相连时，模场的峰值偏移和变形 不同，导致模场不匹配引起。理论上直波导和上升反正弦形弯曲或余弦形弯曲连 接之间的过渡损耗为0 。图1 8 所示的是s 形弯曲y 分支和直接转向型y 分支的 光功率传输比t 随分支长度l 的变化关系曲线，由图可知，当分支长度较大时， s 形弯曲y 分支的光传输损耗特性要好于直接转向型y 分支。 -_-_ _ _ _ 盼交长度f ( 妒) 图1 7s 形弯曲波导y 光功分器图1 8 光功率传输比t 随l 变化曲线 在功分器输出分支不是很多的情况下( 小于l 8 ) ，s 形弯曲结构特性相对比 y lo 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 较好。1 8 级联y 分支光功分器结构图如下图1 9 。 图1 9 采用s 弯曲的1x 8 功分器结构 缺点是由于以上结构需要前一级的输出波导间距是后一级y 分支的两倍，从 器件的可集成性来说，器件的长度宽度都比较受限制。 d 适于集成改进型多级y 分支光功分器 由前面分析s 形弯曲y 分支功分器在器件可集成性不好，在保证器件输出性 能的前提下，为提高器件的可集成性，对各级y 分支采用圆弧形弯曲加直波导 的结构，即每一级输出不再调整为水平方向，后一级y 分支的输入波导与前一 级输出波导平行连接；在器件最后一级的输出端，用圆弧弯曲一次性将波导拉成 水平方向，可以使器件的总体长度明显缩短。1 8 结构图如下图1 1 0 。 图1 1 0 改进型1 x 8 功分器结构 此新结构最大的优点是能够在保证弯曲波导的曲率半径比传统s 形弯曲y 对 称光功分器的曲率半径大的同时，器件总长度却比传统s 形弯曲y 对称光功分 器小。而且输出路数越多，这种优点体现的越明显。因而我们采用此结构设计小 型化较多路数光功分器。 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 1 3 玻璃基离子交换技术的发展和应用 自从1 9 7 2 年i z a w a 等首次采用离子交换法成功地制作出玻璃波导开始口4 1 ， 该领域已取得了显著的发展，开发了各种不同的制造工艺技术并研制成功了各种 无源和有源的集成光学器件，如光功分器、传感器、调制器等，广泛应用于光通 信。其发展如下： 最初，玻璃基片离子交换用来实现染色和玻璃加硬 1 9 7 2 年，i z a w aa n d n a k a g o m e 首次采用用离子交换制作光波导 1 9 7 8 年，g c h a t t i e r 首次用该工艺制作光波导器件，此时研究主要集中在 多模波导和多模器件上。 2 0 世纪9 0 年代，光通信的发展推动玻璃基离子交换向单模波导和单模器件 发展 2 0 世纪末，玻璃基离子交换技术在制作波导方面工艺条件趋于成熟，人们 开始发掘其更新的应用。近年来许多文章报道了基于玻璃基离子交换技术的 e d w a ( 掺铒波导放大器) 以及利用该技术在玻璃中生成具有非线性效应等诸多 效应的金属纳米颗粒。 - 现阶段对玻璃基离子交换技术的研究主要集中在：精确理论模型的建立、 适合各种用途的交换玻璃材料的研制、新的交换处理条件探索、新的应用器件的 开发。 玻璃基离子交换工艺的应用涉及：光通信、几何光学、传感、生物等。在光 通信方面，玻璃基离子交换技术的应用主要在以下三方面： 无源器件：光功分器和耦合器、微谐振器、传感器、w d m d w d m 器件、 o a d m 等 有源器件：e d w a ，l a s e r 、v o a 等 复合波导和混合集成器件 1 4 本论文的工作和结构 本论文对玻璃基离子交换技术进行了一定的研究，并利用该工艺制作了 1 4 - 浙江大学硕士学位论文第一章：绪论 l 8 1x16 1 3 2 光功分器。在实现较高性能的光功分器基础上，根据产业化要求， 设计和制作尺寸更小、分光均匀性好、插入损耗低、可靠性高的较多路数( 较多 路数主要指分光比为l 1 6 和1 3 2 ) 光功分器产品。结合离子交换波导的模场分 布，借助b p m 软件，探讨小型化光功分器设计方案，并成功设计小型化高性能 的新型y 分支光功分器结构。结合实际工艺特点、工艺精度和制作的可重复性 等，制作几何设计方案，以期反馈设计进一步提高器件的插入损耗和均匀性性能。 并对离子交换制作掩埋波导中出现的工艺关键问题之一银线问题进行一定 的研究，提出解决方案，设计相应实验成功消除银线对功分器损耗的影响。 本论文分为五部分： 第一章是绪论，以光功分器为中心内容，介绍了光功分器的应用背景，光功 分器的制作技术发展以及不同类型光功分器的比较等。 第二章介绍玻璃基离子交换技术的原理和分类，详细分析了离子交换过程中 银线问题的产生原理和解决方案，并对解决方案进行了实验上的验证。 第三章系统的介绍如何设计小型化高性能较多路数掩埋型玻璃基离子交换 光功分器。 第四章详细介绍光功分器的工艺制作和测试结果，并对工艺中存在的问题进 行分析总结。 第五章为总结与展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章：玻璃基离子交换技术 第二章玻璃基离子交换技术 2 1 离子交换原理介绍 玻璃基集成光学器件是最早使用的集成光学口5 1 ，其最大的优点是它的坚固性、 折射率与光纤匹配、传输损耗低、材料廉价、工艺简单、性能稳定可靠以及便于 集成等。作为集成光学使用的玻璃有石英玻璃、磷硅玻璃、钙钠硅酸盐玻璃、氧 化物玻璃以及铒掺杂玻璃等。玻璃基集成光学器件有多种制作工艺，它们分别是 溅射、等离子淀