（微电子学与固体电子学专业论文）离子交换玻璃基多模波导光功分器研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 多模光纤与单模光纤相比具有芯径粗、数值孔径大、易于对准和较强的集光 能力等优点，并且大芯径塑料光纤更是具有价格低廉、易加工、有很强的韧性和 质量轻等优点，所以在多模损耗和色散的影响不重要的情况下多模光纤构筑的系 统以其成本优势得到广泛应用，这就需要对构筑多模系统所必需的多模光波导与 集成多模光波导器件进行研究，其中最具代表性的就是多模波导光功分器。 本文首先比较了多模功分器的种类和制作方法，介绍了离子交换的原理，然 后对多模y 分支结构的多模光功分器进行设计，并对器件制作所用的l i + - n a + 离子 交换工艺进行实验研究。 波导型多模光功分器与光纤型多模功分器相比具有明显的优势。在多模功分 器的各种制作方法中，玻璃离子交换法以其成本低、制作方法简单等优点适合制 作多模波导器件。 多模y 分支器件的设计中存在一个共同的问题，即随着光入射条件的不同 ( 包括入射光的模式不同和输入进波导端面位置不同等) ，多模波导中所激励起 的模的数目以及各个模之间的功率分配也各不相同，激励起的多个模式之间总是 存在着不同程度上的相互干涉影响，从而最终影响功分器的分束均匀性。也就是 说光入射条件的不同影响功分器的模场分布，模场分布的不同造成功分器的分束 均匀性变差。本文采用二维光束传输法，利用r s o f l 公司的b e a m p r o p 软件对y 分支结构功分器进行改进，对各种改进型y 分支设计比较分析，得到优化改进 的y 分支波导多模光功分器。 在采用玻璃离子交换工艺制作多模波导功分器时，需要对交换设备、离子交 换源、交换温度等因素进行考虑。l i + _ n a + 离子交换可以快速地制作多模波导器 件，但是由于l i 离子和n a 离子的离子半径相差较大，交换过程中产生较大的应力， 造成器件损耗较大。这就需要对l i n 0 3 和l i 2 s 0 4 等熔盐作为交换源时采用合适的 浓度配比及较高的交换湿度，交换温度较高就要求对交换设备进行卷4 作，同时 较高的温度对离子交换所采用的掩膜也有要求，本文对这些问题进行了实验和分 析，为将来多模光功分器的研制提供了依据。 塑垩查兰堡主兰垡垒苎 一 一一 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t hs i n g l e m o d ef i b e r , m u l t i m o d ef i b e r h a sl a r g e rc o r e ，l a r g e r n u m e r i c a la p e r t u r e sa n ds t r o n g e ra b i l i t yt oa s s e m b l ep o w e ra n di se a s i e rt oa l i g nw i t h f i b e rs e t l a r g ec o r ep l a s t i co p t i c a lf i b e ri se s p e c i a l l yc h e a p ，l i g h t ，e a s yt oh a n d l ea n d s oo n t h ef i e l dw h e r ee f f e c to fm u l t i m o d el o s sa n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o ni s u n i m p o r t a n tc o u l db ec o m p o s e do fm u l t i m o d ef i b e rb e c a u s eo f l o w c o s ta d v a n t a g e i t i sn e c e s s a r yt or e s e a r c hm a l t i m o d ew a v e g u i d e sa n di n t e g r a t e dm u l t i m o d eo p t i c a l w a v e g u i d ed e v i c e sw h i c ha r ei n d i s p e n s a b l ei nm u l t i m o d es y s t e m s t h er e p r e s e n t a t i v e d e v i c e sa r em u l t i r n o d eo p t i c a ls p l i t t e r s f i r s t l y ，w ed e s c r i b et h et y p eo f m u l t i m o d es p l i t t e r sa n df a b r i c a t i o nm e t h o d s t h e n w ei n t r o d u c et h e o r yo fi o n - e x c h a n g ep r o c e s sa n dh o wt od e s i g nm u l t i m o d eyb r a n c h o p t i c a ls p l i t t e r s l a s t l yw ed os o m ee x p e r i m e n to fh o w t of a b r i c a t et h ed e v i c ew i t h l i + 一n a + i o n e x c h a n g et e c h n o l o g y w ec o m p a r ef i b e rm u l t i m o d es p l i t t e rw i t hw a v e g n i d em u l t i m o d es p l i t t e r , t h el a t e r i sm u c hb e t t e r t h ea d v a n t a g e so fi o n - e x c h a n g et e c h n o l o g ya r el o w c o s t ，e a s i l y f a b r i c a t e da n ds oo n s oi o n - e x c h a n g em e t h o di st h em o s tp o p u l a ro n et of a b r i c a t e d i s t r i b u t e di n d e xm u l t i m o d ed e v i c e s t h es h o r t c o m i n go f o r d i n a r ym u l t i m o d eyb r a n c ho p t i c a lp o w e rs p l i t t e ri st h a tt h e b r a n c hc h a r a c t e r i s t i cs t r o n g l yd e p e n d so i lt h ee x c i t e dm o d a ld i s t r i b u t i o n d i f f e r e n t i n p u tc o n d i t i o n si n c l u d i n gd i f f e r e n ti n p u tm o d e sa n dd i f f e r e n ti n p u tp o s i t i o n sw i l l e x c i t ed i f f e r e n tm o d e sa n dd i f f e r e n ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h e s em o d e si nh i g h l y m u l t i m o d ew a v e g u i d e s t h ei n t e r f e r e n c eo ft h e s em o d e sw i l lc o n t r i b u t et od i s t r i b u t e u n s t a b l y , i e d i f f e r e n ti n p u tc o n d i t i o n sc o n t r i b u t et od i f f e r e n tm o d ed i s t r i b u t i o n ，a t l a s tc o n t r i b u t e st od i f f e r e n tb r a n c hr a t i o t h ep e r f o r m a n c eo f t h e s p l i t t e rw i t hd i f f e r e n t t a p e rs t r u c t u r ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e dw i n lt w o d i m e n s i o n a lb e a mp r o p a g a t i o n m e t h o d ( 2 d - b p m ) an o v e ly b r a n c hs p l i t t e ri ss i m u l a t e da n dd e s i g n e dt h r o u g h b e a m p r o ps o f t w a r eo f r s o f lc o m p a n y w h e nt r yt of a b r i c a t em u l t i m o d ew a v e g u i d es p l i t t e rw i t hg l a s si o n e x c h a n g e p r o c e s s ，t h e r ea r em a n yf a c t o r st ob ec o n s i d e r e d s u c ha se x c h a n g ee q u i p m e n g l i 浙江大学硕士学位论文 e x c h a n g es o u r c e s ，e x c h a n g et e m p e r a t u r e w ec a nq u i c k l yf a b r i c a t em u l t i m o d e w a v e g u i d ed e v i c e sb yl i + - n a 十i o n e x c h a n g em e t h o d t h ed i s a d v a n t a g eo ft h i s p r o c e s si st h a tb e c a u s eo fl a r g ed i f f e r e n c ei o nr a d i u so fl ii o na n dn ai o n ，g r e a t e r e x c h a n g es t r e s sw i l lp r e s e n ta f t e ri o n - e x c h a n g e t h i sw i l lc o n t r i b u t et ol a r g el o s so f w a v e g u i d e a p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o no fe x c h a n g es o u r c e ss u c ha sl i n 0 3a n dl i 2 s 0 4 a n dh i g he x c h a n g et e m p e r a t u r es h o u l db ec o n s i d e r e d h i g ht e m p e r a t u r er e q u i r e so f s p e c i a le x c h a n g ee q u i p m e n t ，a n di ta l s on e e d ss p e c i a lm a s k i nt h i st h e s i s ，e x p e r i m e n t a n da n a l y s i sa b o u tt h e s ep r o b l e m sa r ep r e s e n t e d w et r yo u rb e s tt od os o m eu s e f u l w o r kf o rf u t u r em u l t i m o d e o p t i c a ld e v i c e s i i i 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 1 世纪，信息化在人们生活和生产中正在起着日益重要的作用。截至到目前， 光是人类发现的最理想的信息载体，光纤作为传输光的媒质有四五十多年的发展 历史。自从1 9 5 5 年，英国科学家卡帕尼发明了玻璃光导纤维。1 9 6 6 年华人高锟等 人发表了关于传输介质新概念的论文【1 】，指出石英纤维的高损耗不是石英纤维 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。材料本身的损耗由瑞利散射决定，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 6 以下，就可以使光纤损耗减小 到l o d 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 减小到几d b k m 。这个思想和预测受到世界各国极大的重视，文章指出了利用光 纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。到了7 0 年代，康 宁公司的r o b e 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。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。 光纤有多种分类方式：一个是按照折射率分类，可分为一种是阶跃折射率光 纤，它具有n l 和n 2 不同的折射率，中间高旁边低，这样才能实现全反射，所以光 波在光纤内依赖全反射传播。另一种叫做渐变折射率光纤，其内部的折射率是渐 变的。第二种分类方式就是按照模式分类，分为单模光纤和多模光纤，多模光纤 就是光纤内部能传输很多个模式，多模光纤的芯径比较粗，达n s o n s 0 0 个p m 量 级。单模光纤内部只传输单个模式，其芯径一般很细，只有2 到1 2 个u m 量级，它 的折射率差相对于多模光纤折射率差稍微小一点。多模光纤与单模光纤相比，由 于内部传输的模式很多，并且它们模式之间速度也不一样，这就会造成模间色散， 模间色散就影响其在长距离通信中的应用。 早在2 0 世纪7 0 年代，制造低损耗单模通信光纤的技术还不成熟，第一次光传 输实验及接下来的系统都是以多模光纤为传输媒质，这些光纤的通信窗口是 浙江大学硕士学位论文 8 5 0 n m 左右( l e d 发射的光) 。随后人们以提高传输速率和增加传输距离为研究 目标和大力推广光纤应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模， 工作波长从短波长( 0 8 5 p r o ) 发展到长波长( 1 ，3 1r t m 和1 5 5 p r n ) ，实现了工作 波长为1 3 1 p r o 、传输速率为1 4 0 5 6 5 m b s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离 为5 0 1 0 0 k m 。8 0 年代以后单模光纤及其构造的系统有了很大的发展，并在远距 离通信中取代了多模光纤。 最近，人们又对多模光纤传输重新进行关注，因其在多模损耗和色散的影响 不重要的情况下，如短距离通信网络和板间光互连等情况，其具有明显的优点而 得以应用。这种网络的特点是：传输速率要求相对较低；传输距离相对较短：节 点多、接头多、弯路多；连接器、耦合器用量大；规模小，单位光纤长度使用光 源个数多。传输速率低和传输距离短正好可以利用多模光纤的带宽特性和传输损 耗不如单模光纤的特点。但单模光纤更便宜、性能比多模好，之所以不选择单模 光纤而选择多模光纤构筑网络是因为上述网络特点中弯路多损耗就大；节点多则 光功率分路就频繁，这都要求光纤内部有足够的光功率传输。多模光纤与单模光 纤相比具有芯径粗、数值孔径大、易于与光纤对准和具有较强的集光能力和抗弯 曲能力等优点，因此比较适合于多接点的短距离应用场合。网络中连接器、耦合 器用量大，单模光纤无源器件比多模光纤贵，并且相对精度要求高，允差小，操 作不如多模器件方便可靠。单模光纤只能使用激光器( l d ) 作光源，其成本比 多模光纤使用的发光二极管( l e d ) 高很多，尤其是网络规模小，单位光纤长度 使用光源个数多。干线中可能几百公里用一个光源，而十几公里甚至几公里的每 个网络各有独立的光源，如果网络使用单模光纤配用激光器，网络总体造价会大 幅度提高。目前，垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 已商用，价格与l e d 接近，其 圆形的光束断面和高的调制速率正好补偿t l e d 的缺点，使多模光纤在网络中的 应用更添生机。康宁公司对短距离网络中使用单模光纤和使用多模光纤的系统成 本进行了计算和比较，认为使用单模光纤构筑的网络成本是多模光纤的4 倍。又 因为在构筑这样的短距离局域网络的时候，成本是非常需要考虑的因素。 对于非石英多模光纤的大芯径塑料光纤在汽车工业、音响、家庭网络等系统 中也都有着光明的应用前景，虽然塑料光纤与石英光纤相比，存在透光性差、损 耗大等不足，但是其具有价格低廉、易加工、有很强的韧性和质量轻，并能制作 成大直径( i r m m - 3 n n ) 等突出优点。 2 浙江大学碗士学位论文 有文献 2 】从理论上证实了多模塑料光纤的潜在优点，证明其内的模式由于随 机的扰动处于强耦合的状态，强耦合模式有效的增加带宽。由式( 1 1 ) 可以看 出，在强耦合的状态下，脉冲展宽与光纤长度的平方根成正比，即色散特性与长 度的平方根成正比而不像一般的多模光纤的色散特性与长度成线性关系，因此人 们对应用聚合物材料制作的塑料多模光纤作为传输介质抱有极大的希望和兴趣。 6 2 = l i f f d m d m 。p ( m ) p ( m 。) ( 土一上) 2 ( 1 1 ) 一 v m v m d 是脉冲展宽，l 为光纤长度，v i 是模式传输的速度，p 表示能量在这些模 式中的概率分布函数。 对渐变折射率光纤，实验计算l o o m 的光纤带宽为3 o g h z 左右，远大于按照 线性关系计算的0 4 3 g h z 的带宽。 塑料光纤中的随机扰动分为两种，一种是塑料光纤本质的特性，包括静态的 和动态的扰动，如密度和浓度的扰动等：第二种是外部变化引起的扰动，如压力、 尺寸的变化和纤芯中的杂质( 如灰尘，微裂缝等) 造成的微小的随机的弯曲。图 1 1 所示为阶跃塑料光纤的光传输图。 图1 1 阶跃塑料光纤的光传输图 鉴于多模光纤在短距离中较好的应用前景，就需要适时地对与多模光纤连接 的光发射机和接受机及多模器件进行研究。下面的章节主要就光无源器件尤其是 光功分器进行研究，阐述了已有的适用于多模系统的光功分器，对功分器的不同 种类和制作方法进行比较分析，对课题的设计与制作具有指导性意义。 浙江大学硕士学位论文 1 2 多模光功分器的种类及制作方法 所谓多模光功分器和耦合器就是输出和输入波导都是多模波导的功分器和 耦合器。多模光功分器的种类大致可分为光纤型和波导型两类。光纤型是把两根 或多根光纤排列，把光纤局部加热熔合而成，光纤包层的一些区域被熔接在一起， 这样光纤芯层的距离变得很近，以至于j 矗层之间传输的光场能量发生耦合。由光 波导耦合理论可知，在这些芯层之间耦合的光能量分布和波长密切相关。所以这 种器件的工作波长范围仅为在中心波长左右的较窄的光谱范围内，并且当这种器 件的输出端口较多时制作变得较为困难。这种器件的优点是在输出端e l 较少时制 作上比较方便，价格比较便宜，光信号始终在一种材料中传输，所以其插入损耗 较低。 波导型功分器是将集成光路的芯片和输入、输出光纤阵列封装制作而成。波 导型功分器是采用平面薄膜光刻工艺制作，其具有一致性好、插入损耗小和均匀 性好等优点。不管输出端口的数目是多少，器件都可以封装成尺寸较小的功分器， 并且这种功分器的工作波长范围很宽。和光纤型的功分器相比，波导型功分器具 有明显的优势。 1 2 1 光纤型多模光功分器 图i 2 对称烙融型光耦台器示意图 光纤型多模光功分器可分为对称型 3 和非对称型 4 5 。图1 2 为对称熔融 型光耦合器示意图，阴影部分是包层，黑色区域是芯区。这种耦合器是两根完全 相同的多模光纤熔融拉锥形成的，光从端口l 或者端i ；1 1 2 输入，然后从端口3 和4 输出，故又称3 d b 光功分器。倘若耦合器中问拉锥区构成的t 印e r 长度足够长的话， 光功率就能均分。其传输原理是根光纤的部分模式耦合进第二根光纤相应的模 4 浙江太学硕士学位论文 式中去，两根光纤中的功率随机分布，因此，平均来看输入光一半的功率耦合到 第二根光纤中。在模式足够多的情况下，3 d b 分束特性不变。但是，在实际的拉 锥型光纾耦台器中并不能确保低阶模式的耦合，因为它们大多强限制在相应的芯 区。考虑到损耗因素的影响，锥形区域的角度有一定的限制，因为传输过程中高 阶模可能在包层和空气层内泄漏掉。不过，该类型多模功分器的附加损耗在0 5 d b 左右，故模式灵敏性可在熔融拉锥的过程中忽略。如果耦合器不是3 d b 光功分器， 则模式灵敏性相对较大，这样就会引入高的模式噪音。但是对称型光纤光功分器 不太适用于线性系统中，因为3 d b 的截止衰减将系统限制在l o 个节点左右。 b u sf i 明e l a p 瞎睢 图l _ 3 非对称熔融型光耦合器示意图 由不同芯径的光纤熔融拉锥面成 4 的光耦合器为非对称熔融型光耦舍器， 如图1 3 所示。在构筑线性系统时，芯径大的光纤作为总线结构，芯径小的区域 是分支结构，从而达到不同分束比的目的。非对称光耦合器可以由芯径或数值孔 径不同的多模光纤组成，也可以由多模光纤与单模光纤熔融拉锥构成。对要求非 对称分束的线性数据总线系统，非对称结构具有很大的优势，当非相干光源的数 值孔径与光纤的数值孔径匹配时，输入光的功率平均分配到各个模式中。从2 端 口输入的光，大部分功率进入3 端口；从1 端口输入的光功率，大部分也进入3 端 口。非均匀分束器的特性依赖于芯径、数值孔径、芯包层比和熔融拉锥程度等因 素。不同的芯径、数值孔径、芯包层比都决定着光纤中所传播的模式及不同模式 所携带的功率。熔融拉锥程度对功分器的耦合长度也都有影响，因为高阶模所需 要的耦合长度较短，而低阶模所需要的耦合长度较大。 浙江大学硕士学位论文 图1 4 非对称抛光型光耦合器示意图 制作非对称光纤耦合器的另一种方法【5 】是把两根光纾的芯层和部分包层抛 光截平，然后组合起来，图1 4 就是这种结构的光耦台器。采用抛光截平的方法 制作的非对称多模光纤耦合器不改变光纤中的模场，虽然可能会造成部分高阶模 泄漏到包层而引起附加损耗，但是低阶模可以强力地被限制在芯层内。该器件的 不足之处在于制作较困难，因为在抛光截平和两光纤组合的时候都需要严格控制 精度。 1 2 2 波导型多模光功分器 制作波导型多模光功分器现今经常采用的材料是硅材料、有机聚合物材料和 玻璃材料等，本节对不同材料及采用不同的制作方法制作波导型多模光功分器进 行简单介绍，并比较总结各种材料的特性。 s - 嘲“l ，$ i l i t “ 图1 5 硅基波导型光耦合器示意图 图1 5 所示的是多模波导及a b c d 四端口星型耦合器的示意图 6 】，多模波导的 芯区是由不含杂质的单晶硅构成，衬底是在硅片上生长的l 肛m 厚的二氧化硅层。 6 塑翌查兰塑主兰壁堡苎 波导的上表面是硅的( 1 0 0 ) 面。波导厚度范围从2 5 肛m 到6 0 m 变化。 吕一日一目 t w o o 虹删 晰w a f e r s 目一台 承c k d m 褂t t e d l f v dn i t r i d e k o h 乜c 城l g p a u e m q l l s j 打 s r n c i i h e b ) 图1 6 硅基波导光耦合器制作流程图 器件的具体制作工艺图如图1 6 所示。首先在硅基上制作一层厚度为l g r n 厚的 s i 0 2 薄膜层，然后将两片同样的硅片键合，将一硅片厚度减薄到几十岬左右并 将表面抛光，然后用低压化学气相外延( l p c v d ) 的方法淀积一层s i 3 n 4 薄膜作 为掩膜层，光刻得到所需形状的掩膜，然后在k o h 溶液中刻蚀得到所需的波导 图样。 表1 1 多模耦合器的测试结果 输入端口输出端口b输出端口d附加损耗 输入端口分柬比 功率( 岍)功率( 1 a w )功率( 岬) ( d b ) 端口a3 2 4 2 1 13 51 - 26 ：l 端口c3 4 76 o7 44 1o 8 ：1 采用光谱频率为1 3 1 0 h m 的激光器作为光源，单模光纤作为输入将光耦合进输 入端，多模光纤接收出射光的方法测试所制作的直波导器件得到的波导损耗为 0 8d b e m ，因为入射光的数值孔径与波导的数值孔径相比足够小，干涉和衍射 效应可以忽略，所以近似认为光是垂直于端面入射。同样的方法，对星型耦合器 测量得到的结果见表1 ，之所以引起较大的损耗，是因为多模波导中激励起很多 7 酱 脚灿 浙江大学硕士学位论文 个模式，但是在交界点处，有很多模式泄漏造成损耗。这种星型耦合器件的不足 之处在于两分支的分束均匀性较差。 图1 7 硅基与塑料光纤匹配的光耦含器制作过程图 塑料光纤可用于汽车等机动车辆的内部连接中用于传输信息以及短距离通 信中，这在本章第一节中已经说明。采用集成电路的硅基技术制作与塑料光纤匹 配的光耦合器【7 】，具体过程如图1 7 所示，首先利用s i 0 2 作为掩膜采用硅干法刻 蚀的方法制作高质量的模具；然后利用热氧化技术在硅模具的内部采用氧化的方 法制作一层s i 0 2 作为波导外包层，最后用合适的有机聚合物材料填充模具的孔 洞，形成所需要的与多模塑料光纤耦合匹配的波导器件。采用此方法可以方便地 制作低损耗大芯径的与塑料光纤耦合匹配的直波导或耦合器等等。 f p 眦 卜恻叫 1 92 窜q 口 p l 越：i c a 如9 u ： 8 馥s 图1 8 有机聚合物波导光功分器 在多模阶跃折射率光纤应用的短距离场合，可采用有机聚合物材料制作多模 波导功分器【8 】。这种功分器的器件的包层为t e f l o n 8f e p 管，管中填充树脂，待 树脂固化后，分别把塑料光纤和石英光纤固定，制作成功分器。如图1 8 所示， 8 浙江大学硕士学位论文 左端为1 9 个多模塑料包层的硅波导光纤，右端为单根塑料光纤，通光测试得到器 件的附加损耗小于0 1 5d b c m ( 在5 0 0 n 1 1 0 0i ) i t i 的波长范围内) ，既便是在1 3 0 0 n e l l 的波长时，传输损耗也小于0 2d b c m 。虽然该器件存在着器件长度过大的缺 点，整个器件长度高达5 c m ，但是其整体的传输损耗较低，并且其还具有与塑料 光纤匹配的高数值孔径、成本低廉的材料和制备技术、器件结构简单和通过改变 不同的光纤就可以形成非对称结构功分器等优点。当然该器件还存在着使用不方 便、制作精度不高等不足之处。 婶巨至爻蕊l l h n i s 蝉m 脚芒竺刍一“8 绀百徽黼 呻c 竺r 旧e 竺三3 一n 一”“m 一 图1 9 多模光功分器结构及工艺制作示意图 通过淀积二氧化硅的方法也可以制作多模光波导功分器【9 】，得到附加损耗为 2 d b 的器件，其结构及制作方法见图1 9 。首先在石英衬底上淀积一层掺杂的s i 0 2 ， 具体掺杂比例根据所需要的折射率而定。然后将其置于高温环境中，使掺杂的 s i 0 2 光滑透光形成芯区，采用光刻的方法得到硅掩膜层，刻蚀出所需要的波导图 样，然后淀积一层包层形成所需波导器件。 - 图1 1 0 普通8 x 8 星型耦合器 图1 1 1 增加扰模器的8 x 8 星型耦合器 9 浙江大学硕士学位论文 对于板间互连所用多模耦合器的制作也可以采用有机聚合物材料，但由于多 模波导中存在很多个模式，各个模式之间相互干扰，形成模闻噪音，所以各个分 支之间的分束均匀性不能保证。解决这一问题，可以通过使波导中传输很多个模 式的方法加以解决和增加扰模器 1 0 】。增加扰模器结构使模式混合均匀，以达到 均匀分束的目的，虽然采用这样的结构会增加器件损耗。图1 l o 所示为普通8 x 8 星型耦合器结构，这种结构对器件的各种变量非常敏感。图1 1 1 为增加模混合区 对波导的分束均匀性改善的器件，采用该结构制作多模耦合器可以使分束均匀性 得到改善，但是由于不同分支的曲率半径和长度都不相同，这样就会造成不同的 分支有不同的损耗，所以使器件的整体分束性能下降。如图1 1 2 所示的对称y 分 支树型结构的星型耦合器的各个分支的曲率半径和长度都相同，从而使器件的损 耗降低。通过模拟最终可以确定器件的耦合长度。上述的两种器件结构都比较长， 甚至达n 4 、5 4 - c m 。通过采用非对称树型结构可以缩短器件长度，具体器件如 图1 1 3 所示，与对称结构相比，器件长度可以缩短3 0 左右。 图1 1 2 对称树型结构8 x 8 星型耦合器( 一半) 图1 1 3 非对称树型结构8 8 星型耦合器( 一半) 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图1 t 4 溶胶一凝胶法制作光功分器 图1 1 4 所示为采用a s a p 软件的射线法模拟设计多模光功分器，利用溶胶一凝 胶法制作光功分器【1 1 】。通过控制旋涂的速度可以控制薄膜的厚度，进而采用刻 蚀工艺得到多模光功分器，不过因薄膜厚度的限制，采用这种方法制作单模波导 的优势较大。 图1 1 5 干法离子交换制作多模光功分器 s i e a nm o s k i n gp h o t o i l t h o g r o p h y d e p o s i t i o n 1 5 1 b s t r a t e o fc o t h o d e 口 国j 口kl 一乜峪l k 。i d e p o s i t i o no f 8 i l v e rf ；i m m o s kr e m o v i n g r 1 料q 固剧 图1 1 6 湿法离子交换制作光功分器示意图 浙江大学硕十学位论文 玻璃基多模光功分器常采用干法【1 2 】和湿法 1 3 1 离子交换方法制作，图1 1 5 和 图1 1 6 分别对干法和湿法离予交换的流程和制作进行了简单的描绘，因为离子交 换的内容在第二章会有详细的说明，本章节不再赘述。 功分器的结构也可以采用类似单模波导作为输入输出的抛物线型t a p e r 结构 的m m i 器件，设计多模输入输出的m m i 功分器【1 4 】。利用3 一d 光束传输法模拟， 波长选取8 5 0 n m ，输入输出波导宽度和高度分别为4 0 岬，折射率0 0 3 3 。具体参 数选取及其性能如表1 2 所示。 表1 2 各种抛物线t a p e r 的多模干涉型功分器特性 m m i t a p e r 的始端和末端 m m i 附加损耗 非均匀性 功分器类型 波导宽度( 呻m ) 长度( r u n ) ( d b )( d b ) 1 6 0 1 0 09 6 6 8 90 1 9 00 ，0 0 3 1 x 2 1 6 0 8 0 6 0 7 1 10 0 5 70 0 0 7 1 6 0 4 01 8 3 6 80 0 3 0 0 0 2 0 1 x 31 6 0 l o o7 5 4 3 00 0 0 10 2 8 7 2 x 21 6 0 4 01 1 1 2 7 o 6 1 60 1 6 4 通过以上对器件材料和制作方法的介绍可以看出，在采用集成光学的方法制 作多模波导器件时主要有以下几种材料：有机聚合物薄膜材料、硅基材料和离 子交换用玻璃材料等。各种材料都有其优缺点，具体归纳如下： ( 1 ) 聚合物材料特点为环境适应性较好、潜在的低成本、制作波导方法简 单、制作灵活性强和热光系数大等；该材料的不足之处在于热稳定性差、易老化 和制作的器件损耗较大。 ( 2 ) 硅基材料的特点为芯区可制作的范围大，并且可以将非常成熟的硅集 成电路工艺应用于多模波导器件的制作中，还具有集成度较高和制作成本低廉等 优点：但存在着不易与有源器件集成、折射率差较大( 强限制波导) ，虽然损耗 小，但是其不易与光纤耦合匹配。 ( 3 ) 玻璃材料特点为价格低廉、成本低和高的环境适应性，在采用离子交 换工艺制作多模波导器件时只需要一个好的交换熔炉即可，并且离子交换工艺还 1 2 浙江大学硕士学位论文 具有高效率、制作重复性大和可进行批量生产等优点。再者，玻璃材料与石英光 纤的折射率相近，故器件与光纤的耦合损耗较低。玻璃材料不仅可以用来制作各 种无源波导器件，而且通过稀土掺杂的玻璃还可以制作有源波导器件。 1 3 论文框架 本论文的目的是对多模波导光功分器的设计和工艺制作进行研究。由于多模 光波导与集成光学器件在理论分析上比较复杂，软件系统也不太成熟，所以对多 模波导光功分器的设计存在着一定的困难。本文通过对多模波导中光功分器的模 场分布情况进行分析，设计了新型1 x 2 y 分支结构多模光功分器。对l i + n a 十离子 交换工艺进行实验研究，在b k 7 玻璃基片上通过一次离子交换，制作出了性能良 好的平板波导，并对条波导的制备也进行了实验，为将来多模光功分器的研制提 供了依据。 本论文共由五章组成： 第章是绪论，介绍了多模光纤的种类与应用，并对由多模光纤构筑多模系 统所需要的无源光波导器件的研究进展情况进行说明，着重对多模光功分器的制 作方法和材料进行比较分析。 第二章介绍了玻璃离子交换工艺，主要包括氧化物玻璃波导的成分、玻璃离 子交换法制作波导的不同方法及具体原理等，为将在第四章介绍的采用l i 十一n a + 离子交换工艺制作多模波导器件提供理论依据。 第三章介绍了1 2 y 分支多模波导光功分器的设计，包括多模波导光功分器模 拟设计所采用的一般方法的介绍，说明多模光功分器设计中所存在的问题，针对 这一共同问题对各种改进型y 分支结构比较分析，设计了优化改进的y 分支波导 多模光功分器。 第四章介绍了器件制作及测试，包括器件制作工艺流程和方法，并对器件制 作过程中所遇到的问题进行分析说明。 第五章是对全文工作的总结，同时对多模光功分器研制过程中所需要进一步 解决和改进的问题进行简要阐述。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 2 】 【3 】 4 】 【5 】 【6 】 【7 】 【8 】 9 】 【1 0 k c k a oa n dg a h o c k h a m ， d i e l e c t r i c - f i b e rs u r f a c ew a v e g u i d e sf o ro p t i c a l f r e q u e n c i e s ，”p r o c i e e e ，v 0 1 1 3 3 ，p p 1 1 5 1 - 1 1 5 8 ，1 9 6 6 afg a r i t o ，jw a n g ，a n drg a o ，“e f f e c t so fr a n d o mp e r t u r b a t i o n si np l a s t i c o p t i c a lf i b e r s ，”s c i e n c e ，2 8 1 ，5 3 7 9 ，p p 9 6 2 9 6 7 ，1 9 9 8 r g r i f f i n ，j d l o v e ，p r a l y o n s ，d a t h o m c r a f t ，a n ds c r a s h l e i g h ， a s y m m e t r i cm u l t i m o d ec o u p l e r s ”，j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ，v 0 1 9 ，n o ii ，p p 7 9 ，1 9 9 1 m k i e l ea n dp r h e r c z f e l d ，”a s y m m e t r i cf i b e r - o p t i cc o u p l e rf o rl a n a p p l i c a t i o n s ”，j l i g h t w a v et e c h n o ，v 0 1 l t - 4 ，p p 1 7 2 9 1 7 3 1 ，1 9 8 6 m b m i l l e r , “l i n e a rf i b e ro p t i cd a t ab u sf o ra i r c r a f ta p p l i c a t i o n ，”s p i e ，v 0 1 8 4 0 ，1 0 p 1 2 8 1 3 5 ，1 9 8 7 t t h e n g ，j y l h o ，p w l c h a n ，s c k a n ，a n d g k l w o n g ，“l a r g e c o r e (6 0 u m ) s o lm u l t i m o d ew a v e g u i d e sf o ro p t i e a li n t e r c o n n e c t ，i e e e p h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v 0 1 8 ，n o 9 ，p p 11 9 6 - 11 9 8 ，1 9 9 6 c b o u l a s ，s v a l e t t e ，e p a t t e n sa n da f o u m i e r ，“l o wl o s sm u l t i m o d e w a v e g u i d e so ns i l i c o ns u h s t r a t e ”，e l e c t r o n i c sl e t t e r s1 3 t h ，v o t 2 8 ，n o 1 7 ， p p 1 7 18 ，1 9 9 2 l l b l y l e r g j g r i m e s p o l y m e r i co p t i c a lm i x i n gr o dc o u p l e r ，1 e e e ， p p 4 9 0 - 4 9 3 ，1 9 8 9 h i d e f u i w im o i la n dn o b u os h i m i z u ，“m u l t i m o d ed e p o s i t e ds i l i c aw a v e g u i d e a n di t sa p p l i c a t i o nt oa l lo p t i c a lb r a n c h i n g c i r c u i t ，i e e e ，p p 6 2 2 6 2 8 ，1 9 8 2 d a v i di s r a e l ，r o e lb a e t s ，m a r t i nj g o o d w i n ，n i c o l as h a w ，m a r kd s a l i ka n d c h r i sj g r o v e s k i r k b y ，“c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tp o l y m e r i cm u l t i m o d es t a r c o u p l e r sf o rb a c k p l a n eo p t i c a li n t e r c o n n e c t ”，j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ， v 0 1 1 3 ，n o 6 ，p p 1 0 5 7 1 0 6 4 ，1 9 9 5 p e n t t ik a r i o j a ，m a j ak u s e v i c ，m a r i a n n eh i l t u n e n ，j a n n ep a a s o ，j u k k a t a p a n i m f f d n e n ，j u s s ih i l t u n e n ，k a r ik a u t i oa n dh a r f i k o p o l a ，“s o l g e lt e c h n o l o g i e s f o rm u l t i m o d ew a v e g u i d e d e v i c e s ”，p r o c e e d i n g so fs p i e ，i n t e g r a t e do p t i c s ： 1 4 塑垩奎兰堡圭兰垡笙奎 一 ( 1 2 【1 3 1 4 1 d e v i c e s ，m a t e r i a l s ，a n dt e c h n o l o g i e sv i ，v 0 1 4 6 4 0 ，p p 4 6 - 5 3 ，2 0 0 2 h a n s - j ，l i e n h o f