（微电子学与固体电子学专业论文）离子交换技术制作玻璃基光功分器研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 y 8 7 6 5 8 5 摘要 由于现代光通信技术的发展，各种光网络的建设对光功率分配器提出了很大 的市场需求。光功分器的基本功能是可以对光信号进行分路或合路，它是光网络 中的核心器件之一，本论文研究内容就是采用离子交换技术制作光波导和光功分 器。 论文首先介绍了光功分器的应用背景和制作集成光学器件的材料和工艺，之 后把重点放在了离子交换技术的理论研究和工艺实验上，并对k + n a + 和a g + _ n a 十 两步离子交换技术进行了研究。为了准确地分析离子交换过程，论文建立模型来 分析玻璃中的离子交换过程，使得理论分析和实验结果互相指导。建立模型时， 先分析了离子交换的物理机理，从f i c k 第一定律和第二定律出发，经过严格的 数学推导得到离子交换反应方程。之后，借助于m a t l a b 软件用数值分析方法解 析方程，较好的计算了一次离子交换、二次离子反交换和电场辅助离子交换等离 子浓度分布，并与实验结果相对照，最终理论和实验结果得到了较好的统一。 最后进行光功分器的设计，按路数分为l 4 、1 8 、l 1 6 和1 3 2 等光功分器， 运用光学软件分析模拟器件性能，并进行了实验制作。经测试，器件性能与理论 值相符，并且器件已能满足f t t h 系统的要求。 论文完整的描述了研究光功分器所涉及的各个方面，从离子交换理论分析到 光波导的工艺实验，从光功分器的设计到制作、测试等，其中，重点放在了离子 交换技术的理论和实验上，这是制作光功分器的主要内容。 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 ，t h e r e sal a 唱en e e df o ro p t i c a l s p l m e r b e c a u s eo f t h ec o n s t m c t i o no f a uk i n d so f o p t i c a ln e t w o r k s t h em a i nf u n c t i o n o fo p t i c a ls p l i t t e ri su s e da so p t i c a ld i v i d e r c o m b i n e li t so n eo fm ec o r ed e v i c e so f o p t i c a ln e t w o r k s t h ec o m e mo ft h i sp a p e ri sm a n u f a c t i l f eo fo p t i c a lw a v e g u i d ea 1 1 d o p t i c a ls p l i t t e rb yt h et e c l l t l 0 1 0 9 yo fi o n e x c h a n g e t h ea p p h c a t i o nb a c k g r o 吼do fo p t i c a ls p l i t t e ri s 矗r s ti m o “c e di n 也ep a p e r t h e m a t e r i a l sa l l dm a i l u f k t u r et e c l l l l 0 1 0 9 i e sa r et h c nl i s t e d t h ek e yo f 咖d yi so nt l l e t h e o r ya 1 1 de x p 甜m e mo fi o n - e x c h a n g e ，a sw e l la st h et w os t e pw a yo fk + - n a + a 1 1 d a g + n a + i o n - e x c h a n g e am o d e lo fi o n _ e x c h a n g ei s 咄u pt oa n a l y s i s 也ep f o c e s so f i o 一e x c h a n g e 1 1 1 u s l e o r ya i l de x p e r i m e n tc a l ld i r e c te a c ho t h e r t 0s e tu pt h em o d e l ， t 1 1 ep h y s i c a lm e c h a i l i s mi sa n a l y z e dc a r e f u l l y f r o mt h ef i c k sf i r s tl a wa n dt i l e s e c o n dl a w t l l ee q l l a t i o no f i o n - e x c h a l l g ei so b t a i n e db yt h ee x a c tm a m a 1 1 a l y s i s t h e n t h ee q u a t i o no fi o n - e x c h a n g ew i l lb es o l v e dw i t ht l l en m n e r i c a lm e m o dr e c u rt om e m a t i a bs o f t v 叫e 1 1 1 er e s u l t sw c l ls i m u l a t et h ep r o c e s so ff i r s tk + - n a + i o n - e x c h a i 】g e ， s e c o n dn a 十一k + i o n - e x c h a n g e a i l d丘e l d - a s s i s t e d i o n e x c h a n g e c o m p a r c d、v i t h e x p e r i m e mr e s l l l t ，m e o r ya 1 1 de x p e r i l n e n th a v eau n i f o r mc h a r a c t e r i s t i c t h ed e s i g no f o p t i c a ls p l i t t e ri sd o n ea tl a s t a c c o r d i i l gt ot h en 岬b e ro fo u 印u t s ， o p t i c a l 印l m e rc a nb es o n e di n t o1 4 、l 8 、1 x 1 6 、l 3 2a 1 1 ds oo n t h eo p t i c a l s o 厅w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ep e r f o m l a n c eo fd e v i c e ，m e nt h ed e v i c e sa r ef a b r i c a t e d i nt h ee x p e r i m e n t a f 【e rt h et e s t ，w ec a ng e tt h ep a r a m e t e r so f o p t i c a ls p l i n e r s ，w h i c h a c c o r dw i t ht 1 1 et h e o r yv a l u e s a n dt h ep e r f 0 珊a n c eo fd e v i c e sc a l ls a t i s 母f t t h ( f i b e rt bt h eh o m e ) s y s t e m t h ep a p e rr e f c r st ot l l ea l la s p e c t so fs t u d y i n go p t i c a ls p l i t t e r ，丘d m 廿1 et 1 1 e o d ro f i o n e x c h a n g et ot 1 1 ee x p e r i i n c n to f o p t i c a lw a v e g u i d e ，矗o mt h ed e s i g no f d e v i c et ot h e m a n u f a c t l l r ea n dt e s t t h ek e yc o n t e n ti s 廿1 e 1 e o r ya n de x p e r i m e mo fi o n - e x c h a l l g e ， 、v h i c hi st h em a i nc o n t e n to f o p t i c a ls p l i t t e r 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章内容首先介绍了光功分器的应用背景，按时间顺序介绍了光通信发展历 程中的重要事件，然后介绍了光网络的发展现状，得出了光功分器研究的必要性； 之后对光功分器等集成光学器件进行介绍；最后介绍本论文所做的主要工作。 1 1 光通信 1 1 1 光通信发展历程 从中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息，到1 8 8 0 年美国人贝 尔( b e l l ) 发明“光电话”，这些都为现代光通信的发展奠定了基础 1 】。 1 9 6 0 年，美国人梅曼( m a i m a n ) 发明了第一台红宝石激光器，给光通信带 来了新的希望。和普通光相比，激光具有波谱宽度窄、方向性好、亮度高以及频 率和相位一致性好的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电相似， 是一种理想的光载波。继红宝石激光器之后，h e - n e 激光器和c 0 2 激光器先后出 现，并投入实际应用。激光器的发明和应用，对光通信的发展提供了很大推动力。 然而，承载信息的光波，通过大气传播时，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 2 ，3 】。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散 射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成3 0 d b 恤的衰减，浓雾衰减高达 1 2 0 d b k m 。 1 9 6 6 年，英籍华裔学者高锟( c h a r l e sk k a o ) 和霍克哈姆( g e o r g eh o c l d l 锄) 发表了关于传输介质新概念的论文 4 】，论文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 ，i 强，高锟( 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。材料本身固有的损耗基本上由瑞利( r a y l e i g h ) 散射决定，它随波长 的四次方而下降，其损耗很小。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 _ 6 以下， 就可以使光纤损耗减小到1 0 d b k i n 。再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小到几d b 瓜m 。这个思想和预测受到世界各国极大的 浙江大学硕士学位论文 重视。 1 9 7 0 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美匡【康宁公司的r o b e r tm a u r e r 和他的同事开发出了损耗低于2 0 d b k m 的单模光纤 5 。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。在之后的十 几年，光纤损耗不断得到降低，1 9 8 6 年住友电工开发出在波长1 5 5 u m 下损耗为 o 1 5 4 d b l 锄的光纤，接近了光纤最低损耗的理论极限，现在该公司已报道的光 纤最低损耗为o 1 5 1 d b 瓜m 。 1 9 7 0 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。当年，美国贝尔实 验室、日本电气公司( n e c ) 和前苏联先后突破了半导体激光器在低温( 一2 0 0 ) 或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷( g a a l a s ) 双异质结半导体激光器( 短波长) 。虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的， 它为半导体激光器的发展奠定了基础。此后，半导体激光器的寿命得到很快提高， 1 9 7 7 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到1 0 万小时，外推寿命达到1 0 0 万小时，完全满足实用化的要求【5 ，6 。 由于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。 1 9 7 6 年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验 【7 】，系统采用镓铝砷( g a a l a s ) 激光器做光源，多模光纤做传输介质，速率为 4 4 7 m b s ，传输距离约1 0 k m 。这次现场试验标志着光纤通信从基础研究发展到了 商业应用的新阶段。此后光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作 波长从0 8 5 h m 发展到1 3 1 肛m 和1 5 5 岬，传输速率从几十m b s 发展到几十g b s 。 另一方面随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不 断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电 话到有线电视( c a t v ) ，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已 成为信息宽带传输的主要媒介，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设旌的支 柱。 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 浙江大学硕士学位论文 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 2 ，7 】。 ( 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 光纤通信与电缆或微波通信传输能力的比较 通信手段传输容量中继距离k ml 0 0 0 k m 内中继器个数 ( 话路) 条 微波无线电 9 6 05 02 0 小同轴 9 6 042 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 0 ( 1 g b s ) 8 41 1 光缆 6 0 0 0 ( 4 4 5 m b s ) 1 3 47 ( 2 ) 中继距离长 石英光纤在1 3 1 岬和1 5 5 岬波长，传输损耗分别为0 5 0 d b 肥n 和 o 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、l o o 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 浙江大学硕士学位论文 合于长途干线网而且适合于接入网的使用。 ( 3 1 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。保密性能好的这一特点，对军事、政治和经济都有重要的意义。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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的应用，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 项目8 芯1 8 芯 光缆电缆光缆电缆 重量( k g m 一1 ) o 4 26 3o 4 21 1 重量比 11 5l2 6 直径l 衄 2 14 72 l6 5 截面积比 151 9 6 ( 原材料来源丰富，潜在价格低廉 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。 总之，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。 浙江大学硕士学位论文 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 f o t n l 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 e0 p t i c a l n e t 、v 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，对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 l l 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 没有商用芯片推出，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【8 1 0 。 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( 0 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。p o n 的拓扑主要有星形和总线形两种基本类型， 如图1 1 所示。其它类型的拓扑如树形、环形拓扑均为星形和总线形的组合或变 形。如果光网络单元( o n u ) 能到达用户家里，这便是光纤按入技术的最终理想： 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 r 浙江大学硕士学位论文 t ot h ec 1 1 r b ) 、光纤到楼群( f t t b ：f i b e rt ot h eb u i l d i n g ) 等过渡。无论采用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 网络的普及意味着都要用到大量的光功率分配器，因此有必 要研究光功分器。 图1 ( a ) 星形p o n图1 ( b ) 总线形p o n 1 2 光功分器 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，光功分器按照不同的角度有不同的分 类。 ( 1 ) 从制作方式上来看，目前主流的光功率分配器有两类：基于熔融拉锥技术 的光纤耦合型光功率分配器和基于平面光波导( p l c ：p l a n a rl i 曲t w a v ec i r c u i t s ) 技术的光功率分配器【8 ，1 0 ，1 1 】。 光纤裸纤结构一般分为三层：中心是纤芯( 高折射率玻璃芯) ，单模光纤芯 径一般为8 、9 或1 0 岬；纤芯外面是包层( 低折射率硅玻璃包层) ，直径一般为 1 2 5 u m ；外层是涂覆层( 加强用的树脂涂层) ，可参考示意图1 2 。当两根光纤的 中心高折射率的纤芯距离较近时，会发生耦合现象。基于熔融拉锥技术的光纤耦 合型功分器的制作法就是将两条光纤并在一起烧熔拉伸，使纤芯聚合一起，以达 光耦合作用，而其中最重要的生产设备是熔烧机。虽然重要步骤部分可由机器代 工，但烧结之后，仍需人工作检测封装，其人工检测封装品质具有不一致性，这 极大影响量产和销售。同时还有不易集成，分路少，不易调节光的功率分配等缺 9 浙江大学硕士学位论文 点。如果要求光功分器分配给许多用户，或有许多信息，要求w d m 具有高密度 的复用度，用上述熔融拉锥生产的器件是满足不了系统要求的。利用该技术制造 的光功分器目前已经可以达到四路输出，这几乎已经接近极限，因为在制造时要 使四路输出同时达到期望数值是比较困难的。另外该方法应用了光耦合作用，对 波长比较敏感，难以得到波谱范围很宽的光功分器。该技术的优点是制作简单， 从而成本低，价格便宜。由于使用的也是光纤材料，光信号始终在一种材料中传 输，损耗较低。对于上文提到的总线型p o n 网络，用l 2 的功分器即可满足； 对于星型p o n 网络需要l 4 、1 8 、1 x 1 6 甚至l 3 2 的功分器，利用熔融拉锥技 术的光纤耦合型功分器难以满足，需要用到波导式光功分器等。 图1 2 光纤的结构 波导型p l c 是目前较为流行的制作方法，有半导体、晶体、聚合物和玻璃等 作为基底材料，有溅射沉积、外延法、离子交换法等制作方法，其中目前采用最 多的方法是等离子增强化学气相淀积( p e c v d ) 和离子交换法( i e ) 。随着平面光 波导技术的发展，p l c 型光功率分配器在模块尺寸、光学参数、成本及可靠性上 也达到了非常高的水平，由于p l c 型光功率分配器具有模块尺寸小、性能稳定 可靠、价格便宜等诸多优点，受到了众多光通信系统制造商的关注与青睐。波导 型p l c 将在本论文的后续章节中进行详细介绍。 除了以上两种主流的制作方法外，还有微光学式制作方法，该方法是将光信 号通过渐变折射率透镜( g r i nl e n s ) ，经过扩大及平行后，再用滤波器( f i l t e r ) 过滤光信号，让所要的光波长通过，不需要的光波则反射，至于通过的光波最后 再经渐变折射率透镜( g 鼬nl e n s ) 聚焦、耦合于输出的光纤。该方法光对准效 沥扛大学硕士学位论文 率差，不易集成。 ( 2 ) 从波导结构上来看，成熟的p l c 型光功率分配器主要也有两类 1 6 1 8 】： 基于级联y 分支结构的器件，可参考结构图1 3 基于星形耦合器和多模干涉型结构的器件 星形耦合器结构的p l c 型光功率分配器基于r o t m a n 镜原理进行设计，主要是 1 分3 2 路以上的器件，如1 分6 4 路光功率分配器。图1 4 是1 8 星型耦合器型 光功分器的结构示意图。该器件由一个输入波导、输出波导阵列和处在中心位置 的有效耦合区组成，各输出波导毗邻排列在有效耦合区的圆周以使输出耦合损耗 减至最小，输出波导的弯曲半径设计成保证由中心输入波导激发能接近均匀的分 配光功率，各输出波导端口间距2 5 0 儿m ，以使其能与带状光纤耦合。 图1 3 级联y 分支结构的光功率分配器 图1 4 星型耦合器型的功分器 多模干涉型( m m i ) 光功分器应用了自镜像效应，自镜像效应( s e l f - i m a g i n g e 恐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。通过这个效应，沿波导的传播方向将周期性的产生输入场的一个 或多个像。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 浙江大学硕士学位论文 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， 图1 5 是l 8 m m i 型光功分器的模拟图 1 1 ，1 2 】。 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 图1 5 多模干涉型( m m i ) 光功分器 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，而且芯片的尺寸非常小，比如1 个1 分3 2 路p l c 型光功率分配器 的芯片尺寸一般只有5 m m 3 4i i n 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 1 3 。 1 _ 3 光功分器性能参数要求 国际电信联盟( i t u ) g 9 8 3 1 标准建议光功分器的输出路数最多为3 2 路。 不过，在实际系统应用中，有时也会用到6 4 路的。最终的分路比可以通过一个 单一的器件或者通过级联来实现。例如可用l 2 光纤耦合型功分器级连得到标准 树形l n 。l n 多路分路器由( n 一1 ) 个1 2 分路器串接而成。例如1 8 分路 器由7 个l 2 分路器串接而成，共分三级。内部结构如图1 6 所示。目前国内有 多家公司包括上海霍普光通信、厦门安特、湖州南方通信等可以用这种方法制造 光功分器，然而这种制造方法比较麻烦，因此有必要研究平面波导型的光功分器， 这样易获得大路数的功分器 1 4 1 7 1 。 浙江人学硕上学位论文 第一级 第二级第三级 图1 6 光纤耦合型级连1 n 功分器的内部结构图 设计光分路器最关心的是器件损耗问题，另外还有分光比偏差及方向性等 问题。对损耗包括以下五个因素：即理想分路损耗( r l o s s ) 、分路偏差损耗 ( r t l o s s ) 、色散损耗( w d l o s s ) 、附加损耗( e x l o s s ) 、偏振损耗( p d l o s s ) 【1 8 2 2 】。 具体分述如下： a 、理想分路损耗( r l o s s ) 理想分路损耗是根据实际需要而设定的光分配比值。 b 、分路偏差损耗( r 1 ：l o s s ) 分路偏差损耗是我们在制造单个耦合器时实际的光分配比与设计值的偏差， 这个偏差使一路光增加，另一路光减小，不影响输出总功率。 当某个耦合器的分配比悬殊时，对小输出端而言分路偏差损耗会增加。所以 必须根据需要合理设计每个耦合器的分配比，避免出现分配比悬殊的耦合器。 c 、色散损耗( w d l o s s ) 色散损耗是指在一定的波长变化范围内( 如士2 5 n m ) ，每个耦合器的分配比会 随波长变化，从而导致某一路的插入损耗增加( 其他路插入损耗减少，不影响总的 输出功率) 。对于5 0 ：5 0 的光纤耦合器而言，每个耦合器的最大色散损耗为0 2 d b 。 对于1 1 6 分路器共有4 级，则该因素导致的最大插入损耗s 0 8 d b 。 尽管色散损耗是物理规律所决定的，但如何运用色散规律是有讲究的，特别 对分配比悬殊的情况，因为这时小输出端的色散损耗会增加。 d 、偏振相关损耗f p d l o s s ) 偏振相关损耗是指偏振态改变时引起分配比改变。 由于光源的波长实际上不会达到士2 5 n m 的边界，所以色散损耗以及分路偏差 浙江大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ 损耗、附加损耗、偏振相关损耗都不会达到极限，更不可能同时达到极限。 e 、附加损耗 附加损耗是指各端输出总功率对输入功率的损失： 匕( d ) ( 及h s ) n 一1 0 1 昭万 典型附加损耗： 专荟( f 伽) “ 附加损耗是分路器基本的技术指标之一，它与其他性能指标都有着内在的联 系。因此，附加损耗不仅仅衡量器件的光学性能，更重要的是它与器件的抗震性 能、温度稳定性和使用寿命也有着内在的联系。众所周知光纤表面总存在微裂痕， 在分路器的制造过程中这些微裂痕有可能进一步扩展，导致附加损耗增加和使用 寿命的缩短。根据经验，以标准l 2 分路器为例，当附加损耗大于0 0 6 d b 时，便 极有可能在耦合区存在微裂痕。对于1 2 分路器，附加损耗典型值为0 0 4 d b ， 最好的可小于0 0 1 d b ( 由于总有测量误差的存在，经常测不到附加损耗) 。 正是由于l 2 分路器可做到极低的附加损耗，这样我们便可以很精确地控制 每个分路器的分光比，最大分光比偏差壁0 8 ( 对于5 0 ：5 0 而言) 。再加上生产 工艺的成熟及相当高的成功率，对于1 n 多路分路器( 多级结构) ，我们可根据 原先设计好的分路结构图连续制作每个1 x 2 分路器，使得级与级之间的分路器不 用通过熔接来连接。这样不仅大大省去了繁琐的熔接工序，更重要的是省去许多 熔接点的损耗，极大减少了整个器件的附加损耗，也大大增加了器件的可靠性及 长期稳定性。这样，l n 多路分路器的附加损耗简单地由各级附加损耗累加而成， 保证了整个器件有极低的附加损耗。具体见表1 3 。 f 、分光比偏差 分光比偏差是指在制造分路器时实际分光比与设计值的偏差。这个偏差使得 一路光增加，另一路光减少。本质上并不影响输出总功率。正如前面所述，由于 附加损耗极低，可以精确地控制每个1 2 分路器的分光比，保证每个1 2 分路器 的分光比偏差垒o 8 ( 对于5 0 ：5 0 而言) 。另外，由于事先对整个器件的分路结 构进行了合理的设计，避免出现分光比悬殊的1 2 分路器，进一步保证了分光比 浙江大学硕士学位论文 的精确度。具体见表1 3 。 表1 31 n 分路器的附加损耗及分光比偏差 结构 级数 典型附损( d b )最大附损 典型偏差 最大偏差f d b ) l 210 0 4o 0 8 1 兰0 5 ! 士o 8 1 3 l 420 0 80 1 6 圣o 5 士0 8 1 5 1 8 30 1 2o 2 4 圣l 0 5 ! 兰o 8 1 9 1 1 64o 1 60 _ 3 2 圣l 0 3 士0 5 1 1 7 1 3 2 5 0 2 00 4 0 ：垫0 3 ! ，土0 5 说明：( 1 ) 以上是在标准波长1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 n m 条件下测的数据，不包括所使用波长 偏差的影响。 ( 2 ) 分光比偏差针对平均分光比而言。路数增加时对分光比偏差改进不大，因为多级 耦合偏差会积累。 g 、方向性 对1 n 分路器，方向性描述的是从某输出端进光经过器件对相邻输出端的 影响程度。从图l 可知，任一1 n 分路器其内部均存在( n 1 ) 个多余的悬空 端面。这些空余端面的反射极大影响了器件的方向性指标，必须消除这些空余端 面的反射。如果空余端面不作消反处理或消反处理不够，很容易造成器件的方向 性指标低于工程上所要求的大于5 5 d b 的水平。采用一些独特的工艺对其n 一1 个空余端面进行消反处理，可以保证器件均有极高的方向性。可以使方向性指标 达到6 5 d b 以上并且长期稳定。 以上器件参数参考了光纤耦合型光功分器的一些典型数值，对于小路数的光 功分器，光纤耦合型的性能会优于平面波导型，如果制作大路数的光功分器，平 面波导型器件的优势将会显现出来。下面以光讯公司的器件数据来比较两种制造 技术【2 3 】，可以看出与传统的光纤耦合型功率分配器相比，基于p l c 技术的光功 率分配器具有更大的带宽和更好的通道均匀性等优点，而且基于p l c 技术的光 功率分配器模块的体积也非常小，其1 分3 2 路的模块体积也才有6 0n u n 7m m 4m m 而光纤耦合器型功率分配器即使是4 通道其一般封装尺寸也要比这个尺 寸大。 浙江大学硕士学位论文 表1 4 ( a ) p l c 型光功率分配器性能参数 参数值 参数 单位 l 41 8 l 1 61 x 3 2 典型 7 11 0 o1 3 5 1 6 6 插损 d b 最大 7 41 0 31 3 81 7 0 偏振相关损耗 d b郢- 3：三0 3 o 3 1 三0 3 通道均匀性 d b茎0 8 s 1 0 茎1 5茎1 9 回波损耗 d b兰5 5三5 55 5三5 5 方向性 d b三6 0 三6 0 6 0三6 0 波长范围砌 1 2 6 0 1 6 0 0 封装尺寸l w x hm m3 8 4 4 4 6 5 45 0 7 46 0 7 x 4 工作温度 4 0 8 5 储存温度 4 0 8 5 ( b ) 基于光纤耦合器型功率分配器的典型参数 参数值 参数单位 1 41 81 1 61 3 2 单窗口曼6 6曼1 0 ，2s 1 3 ，6s 1 7 ，o 插损 d b 双窗口 三了os 1 0 55 1 4 01 1 7 5 偏振相关损耗 d b! 卫21 抑- 31 ，0 41 抑5 通道均匀性 d b茎1 2茎1 5里o盟5 方向性 d b三6 0兰6 0兰6 0兰6 0 工作温度 一4 0 一8 5 国际通信联盟i t u t g 9 8 3 1 标准规定，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 m ( 数据声音信号的上传) ，1 4 9 0 衄( 数据 声音信号的下载) ，1 5 5 0 ( 视频信号) 。f r r h 系统对光功分器的性能要求可见表 1 5 。 浙江大学硕上学位论文 表1 5f t t h 系统对光功分器的性能要求 工作波长范围 1 2 6 0 1 3 6 0 1 4 8 0 1 6 0 0 n m 功分路数插入损耗( d b )均匀性( d b ) p d l 回波损耗 方向性 1 4 7 3 o 5 l 8 1 0 5 0 8 1 1 2 1 2 4 1 l 1 6 1 3 8 1 1 3 2 1 7 1 5 5 d b 2 4 7 6 1 4 2 8 1 1 1 6 2 1 6 1 4 6电4 2 3 2 1 7 8 3 另外，除了对器件的光学性能的测量外，还要对器件的机械性能和环境适应 能力进行测试，包括温度、湿度、振动、冲击、气压、水浸泡等试验。 1 4 本论文的工作和结构 要制作出性能优良的光功率分配器需要考虑多方面的因素，首先，要设计出 器件的整体结构并对其进行模拟不断调整各种参数。波导y 分支型结构的光功 率分配器设计比较简单，但我们仍将对其结构试图做一些改进，并结合实际工艺 特点、工艺精度和制作的重复性等，研究新型的分支结构，以期进一步提到器件 的性能参数。 制作工艺对器件的性能影响是非常大的，特别对于波导y 分支型结构的光 功率分配器，可以说工艺已经成为影响其性能的主要因素，本论文将着重对电场 辅助交换以及k + _ n a + 和a 矿- n a + 两步离子交换技术进行研究。对工艺的研究我们 将先从理论上对决定玻璃表面离子浓度分布和熔盐组分之间关系的离子交换平 衡的研究，相关离子交换反应的扩散系数可以从相关文献中获得。然后可以分析 扩散方程，给出适当的边界条件，建立模型从而对实验过程的参数确定起到指导 作用，最后要靠实验结果检验模型的正确性。描述的各个工艺过程的方程多为非 浙江大学硕士学位论文 线性的偏微分方程，可能无法得出明确的解析解，必要时只能利用数值计算的方 法来得到相应条件下的数值解。在此基础上，对k + n a + 和a g + n a + 两步离子交 换过程进行理论和实验上的研究，并配合n a + 反交换、热退火或电场辅助交换等 方法制作掩埋型的光波导。 本论文分为六部分： 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，以及 光功分器的性能参数要求等。 第二章介绍制作光功分器的材料和工艺，着重阐述了离子交换技术的原理和 分类，并介绍了交换过程中的关键技术。 第三章介绍离子交换过程的理论研究和试验结果。 第四章为k 十- n a + 和a g + 州a + 两步离子交换过程的模拟和实验结果，并对三种 两步离子交换技术进行了对比。 第五章详细介绍光功分器的设计和制作。 第六章为总结与展望。 参考文献 1 】黄章勇，“光纤通信用光电器件和组件，”北京邮电大学出版社，2 0 0 1 ，p p 1 2 0 【2 】杨邦湘，“光纤通信：信息高速公路的基础，”华中理工大学出版社，1 9 9 8 ， p p 1 - 1 0 ， 3 】j o n g w o o p a r ka 1 1 ds h i n ，d s ，“d e g r a d a t i o no f f i b e r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n d e v i c e su n d e rd 锄p _ h e a ta g i n g ，”p h o t o n i c st e c l l i l 0 1 0 9 yl e t t e r s ，i s s u e8 ，a u g ， 2 0 0 3 ，p p 11 0 6 1 1 0 8 【4 】 k c k a oa n dg a h o c k h a m ，“d i e l e c 廿i c f i b r es k ew a v e g 试d e sf b ro p t i c a l 舶g u e n c i e s ，”m c 皿隧v 0 1 1 3 3 ，1 9 9 6 ，p p 1 1 5 1 - 1 1 5 8 【5 】 j e f rh e c h t ，c f 钞矿三动f ? 砀pj f o 砂矿厅抛，印，f c j ( o x 妇du n i v e r s 时p r e s s ， n e wy b r k ，1 9 9 9 ) 【6 g 0 1 d b e 唱，la n d1 a y l o r ，h ，“i n t e n l l o d a l e c 廿o nl o c k i n ga n dg a i np r o f i l e m e a s u r e m e mo fg a a l a s l a s e r s ，”q u a i 】t u me l e c t r o n i c s ，i e e ej o u m a lo fv b l 儿m e 2 0 ，i s s u e1 1 ，n o v1 9 8 4 ，p p 1 2 2 6 1 2 2 9 【7 】刘增基等编著，“光纤通信”西安电子科技大学出版社，2 0 0 1 ，p p 3 4 1 8 浙江火学硕士学位论文 8 胡台光，“光接入网与光器件，”光通信技术，2 2 ( 2 ) ，1 9 9 8 ，p p 7 9 8 5 【9 】张洵，“光纤通信技术最新动向，”光通信研究，1 9 9 8 ，( 1 ) ，p p 1 4 1 0 】倪小龙，“中匡i 光通信市场未来发展的5 大特点，a p 0 c 2 0 0 5 亚太光通信产 业发展论坛，2 0 0 5 ，1 1 ，p p 1 8 2 l 1 1 】马慧莲，“光通信中的无源光功分器，”微电子技术，2 0 0 0 ，2 8 ( 1 ) 【1 2 r a s m u s s e n ，ta i l dr a s m u s s e n ，j k ，“d e s i g na j l dp e r f b 加a n c ee v a l u a t i o no f 1 b y 6 4