CN102662218B - 一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器及其制备方法 - Google Patents

一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器，包括基底、下包层、上包层、直波导和下光栅，下光栅的宽度按照钟形包络函数逐渐增加，位于端部的光栅线的宽度小于直波导的宽度，位于中部的光栅线的宽度大于直波导的宽度。本发明还提供了该滤波器的制备方法：在基底上涂覆下包层；制作抗刻蚀层；旋涂负性光刻胶；进行掩膜曝光；干涉出下光栅的结构；对下光栅区域进行显影，进行腐蚀；刻蚀出下光栅；去除余下的负性光刻胶，进行腐蚀；旋转涂覆芯层材料；蒸镀铝层；进行直波导的光刻；进行直波导以外区域进行显影，再进行腐蚀，制作直波导；旋转涂覆上包层，进行固化和真空干燥。该滤波器具有高反射率、高边模抑制比的切趾效果。

Description

一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种布拉格光栅滤波器及其制备方法，具体来说，涉及一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器及其制备方法。
背景技术
    波导光栅滤波器是波分复用系统中的关键器件，已被广泛的应用于波导输入输出耦合器、分束器、滤波器、传感器中。有机聚合物因具有传输损耗低、稳定和可靠性高、兼容性好、造价低廉、易于集成等优势逐渐成为集成光学中的重要材料。采用有机聚合物材料可使器件设计和制作具有较大的灵活性。
集成波导布拉格光栅滤波器主要包括基底、下包层、上包层、直波导和下光栅，下包层固定连接在基底的上表面，下光栅固定连接在直波导的表面，且下光栅的宽度小于直波导的宽度，直波导的底面和下包层的顶面连接，直波导的顶面和上包层的底面连接。集成波导布拉格光栅滤波器在设置合适参数时,可以得到高反射率，但伴随高反射率一起出现的还有高的旁瓣，高布拉格光栅滤波器旁瓣会在通信系统中对相邻信道造成很大的串扰，影响通信质量。若用文献报道的一些切趾方法将波导光栅滤波器旁瓣去掉提高边模抑制比，部分切趾方法工艺复杂难以实现，而且会在提高边模抑制比的同时抑制主峰反射率，达不到系统对高反射率的要求。因此如何在保证边模抑制比大的情况下，大程度降低切趾对主峰反射率的影响成为我们关心的问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器，在保证边模抑制比大的情况下，大幅度降低切趾对主峰反射率的影响，从而达到高反射率、高边模抑制比的切趾效果，同时本发明还提供了一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器的制备方法，该制备方法简单易行，保证制备的滤波器具有高反射率、高边模抑制比的切趾效果。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器，包括基底、下包层、上包层、直波导和由光栅线组成的下光栅，下包层固定连接在基底的上表面，下光栅的固定连接在直波导的表面，直波导的底面和下包层的顶面连接，直波导的顶面和上包层的底面连接，所述的下光栅中的光栅线呈条状，且光栅线之间相互平行，下光栅沿直波导的竖向中分线相互对称；下光栅的宽度从两端向中间按照钟形包络函数逐渐增加，且位于下光栅端部的光栅线的宽度小于直波导的宽度，位于下光栅中部的光栅线的宽度大于直波导的宽度；所述的直波导的宽度恒定。
一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
第一步：在基底上涂覆下包层：利用匀胶机在基底的上表面旋转涂覆下包层，用紫外固化灯对下包层进行固化，然后用烘胶台对下包层进行固化，随后在真空干燥箱中，对覆有下包层的基底进行真空干燥，干燥时间为3.5——24小时；
第二步：制作抗刻蚀层：利用真空镀膜机在下包层的上表面蒸镀一铝层，作为抗刻蚀层；
第三步：利用匀胶机在下包层上旋涂负性光刻胶，再用紫外固化灯对下包层和负性光刻胶进行固化；
第四步：利用掩模板和掩膜曝光机对负性光刻胶进行掩膜曝光，光刻下光栅的外围轮廓区域；
第五步: 利用紫外波长激光器在第四步形成的下光栅的外围轮廓区域中干涉出下光栅中各光栅线的结构；
第六步：采用负胶显影液，对下光栅所在区域进行显影，使得下光栅中各光栅线结构处的负性光刻胶被洗掉，再用酸腐蚀液对由于负性光刻胶被洗掉而露出的金属层进行腐蚀；
第七步：利用反应离子刻蚀机在第六步中腐蚀掉金属的部位刻蚀出下光栅；
第八步：用去胶液去除余下的负性光刻胶，此时金属层位于下包层上方，用酸腐蚀液对该金属层进行腐蚀去除；
第九步：利用匀胶机在刻蚀后有下光栅的下包层上旋转涂覆芯层材料，再用紫外固化灯对芯层材料进行固化，然后用烘胶台对芯层材料进行固化，随后在真空干燥箱中，对芯层材料、下包层和基底进行真空干燥，干燥时间为3.5—24小时；
第十步：蒸镀铝层：采用真空镀膜机在芯层材料的上表面蒸镀一铝层作为抗刻蚀层；
第十一步：用掩膜曝光机和掩模板进行直波导的光刻；
第十二步：采用显影液进行直波导以外区域进行显影，再用酸腐蚀液对显影后露出的金属层进行腐蚀，然后利用反应离子刻蚀机对本步骤中被腐蚀掉金属的部位刻蚀出直波导；
第十三步：利用匀胶机在直波导的上表面旋转涂覆上包层，用紫外固化灯对上包层进行固化，并用烘胶台坚膜，最后在真空干燥箱中，对基底、下包层、上包层、直波导和下光栅进行真空干燥，干燥时间为3.5—24小时；
第十四步：从真空干燥箱中取出由基底、下包层、上包层、直波导和下光栅组成的整体件，滤波器制备完成。
有益效果：与现有切趾技术相比，本发明具有的有益效果是：在保证边模抑制比大的情况下，大幅度降低切趾对主峰反射率的影响，从而达到高反射率、高边模抑制比的切趾效果。现有的波导光栅切趾方案中，光栅宽度变化的整个范围都在直波导宽度以内，靠芯层模式调制实现切趾，切趾后，虽然旁瓣被切除，边模抑制比提高，但由于整体上，波导光栅周期内有效折射率差（                                               
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE002
）的大小被限制，切之后主峰反射率同时被抑制。而本发明为了达到切趾的效果，直波导宽度在传输方向上保持不变，在传输方向上，下光栅宽度作由窄到宽再变窄的钟形升余弦变化。传输方向上的有效折射率差亦随下光栅宽度作钟形变化，可实现切去光栅反射谱旁瓣的效果。本发明的滤波器结构，实施传输方向上，下光栅宽度变化的切趾操作，位于中间部分的下光栅宽度变化范围超出直波导的宽度。在实现下光栅宽度钟形变化的同时，提高了整体上有效折射率差（）的值，靠芯层模式和包层倏逝模式共同调制实现切趾，达到了去除旁瓣提高边模抑制比，同时减小切趾给主峰反射率带来的影响，并且不增加波导光栅的制作难度。采用本发明的滤波器在切趾操作时，在保证下光栅宽度变化，即周期内有效折射率差（）作钟形变化的同时，又提高了整体上有效折射率差（
Figure 669271DEST_PATH_IMAGE002
）值的分布，最终既可以去除旁瓣提高边摸抑制比，又减小切趾对主峰造成的影响，实现高反射率、高边模抑制比的波导布拉格光栅切趾效果。
附图说明
图1为本发明的纵向剖视图。
     图2为本发明中的下光栅、直波导和上包层组装后的仰视图。
     图3为本发明对比试验中均匀波导光栅滤波器的反射谱示意图。
     图4为本发明对比试验中本发明的滤波器的反射谱示意图。
     图中有：上包层1、下包层2、直波导3、下光栅4、基底5。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器，包括基底5、下包层1、上包层2、直波导3和由光栅线组成的下光栅4。由直波导3和下光栅4组成的波导光栅总长度一般是毫米或厘米量级，下光栅4中光栅周期一般是几百纳米。下包层1固定连接在基底5的上表面，下光栅4的固定连接在直波导3的表面，直波导3的底面和下包层1的顶面连接，直波导3的顶面和上包层2的底面连接。下光栅4中的光栅线呈条状，且光栅线之间相互平行，下光栅4沿直波导3的竖向中分线相互对称。下光栅4的宽度从两端向中间按照钟形包络函数逐渐增加，且位于下光栅4端部的光栅线的宽度小于直波导3的宽度，位于下光栅4中部的光栅线的宽度大于直波导3的宽度。直波导3的宽度恒定。直波导3的宽度大小不变，始终是恒定的值。钟形包络函数可以采用升余弦函数，或高斯函数等等。
进一步，所述的下光栅4固定在直波导3的底面，且下包层1的顶部设有相互平行的沟槽和台阶，下包层1的台阶嵌在下光栅4的光栅线之间的空隙中，下光栅4的光栅线与下包层1的沟槽相配合。下光栅4设置在直波导3的底面，使得波导光栅的制作更简便易行。
本发明的布拉格光栅滤波器包含基底5、下包层1、一个波导光栅和上包层2。其中，波导光栅由下光栅4和直波导3构成。整个波导光栅结构包在上包层2和下包层1之间。为了达到切趾的效果，直波导3宽度在传输方向上保持不变，传输方向上，下光栅4宽度作由窄到宽再变窄的钟形包络变化。结合设计和实际制作工艺的难易程度，本例中的切趾函数以升余弦为例，其他切趾函数也可应用本发明方法。传输方向上的有效折射率差亦随光栅宽度作钟形变化，可实现切去光栅反射谱旁瓣的效果。本发明中的波导光栅结构，实施传输方向上，下光栅4宽度变化的切趾操作，位于中间部分的下光栅4宽度超出直波导3的宽度。在实现光栅宽度钟形变化的同时，相对常见切趾光栅结构，提高了整体上有效折射率差（
Figure 126797DEST_PATH_IMAGE002
）的值，靠芯层模式和包层倏逝模式共同调制实现切趾，达到了去除旁瓣提高边模抑制比，同时减小切趾给主峰反射率带来的影响，并且不增加波导光栅的制作难度。
上述的皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器的制备方法，包括以下步骤：
第一步：在基底5上涂覆下包层1：利用匀胶机在基底5的上表面旋转涂覆下包层1，再用紫外固化灯对下包层1进行固化，然后用烘胶台对下包层1进行固化，随后在真空干燥箱中，对覆有下包层1的基底5进行真空干燥，干燥时间为3.5——24小时。
第二步：制作抗刻蚀层：利用真空镀膜机在下包层1的上表面蒸镀一铝层，作为抗刻蚀层。蒸镀的方法是本领域公知的真空蒸镀的方法。
第三步：利用匀胶机在下包层1上旋涂负性光刻胶，再用紫外固化灯对下包层1和负性光刻胶进行固化。
第四步：利用掩模板和掩膜曝光机对负性光刻胶进行掩膜曝光，光刻下光栅4的外围轮廓区域。
第五步: 利用紫外波长激光器在第四步形成的下光栅4的外围轮廓区域中干涉出下光栅4中各光栅线的结构。干涉的过程是本领域公知的双光束干涉法。
第六步：采用负胶显影液，对下光栅4所在区域进行显影，使得下光栅4中各光栅线结构处的的负性光刻胶被洗掉，再用酸腐蚀液对由于负性光刻胶被洗掉而露出的金属层进行腐蚀；
第七步：利用反应离子刻蚀机在第六步中腐蚀掉金属的部位刻蚀出下光栅4。刻蚀的方法是本领域公知的反应离子刻蚀法。
第八步：用去胶液去除余下的负性光刻胶，此时金属层位于下包层1上方，用酸腐蚀液对该金属层进行腐蚀去除。
第九步：利用匀胶机在刻蚀后有下光栅4的下包层1上旋转涂覆芯层材料，再用紫外固化灯对芯层材料进行固化，然后用烘胶台对芯层材料进行固化，随后在真空干燥箱中，对芯层材料、下包层1和基底5进行真空干燥，干燥时间为3.5—24小时。
第十步：蒸镀铝层：采用真空镀膜机在芯层材料的上表面蒸镀一铝层作为抗刻蚀层。蒸镀的方法是本领域公知的真空蒸镀的方法。
第十一步：用掩膜曝光机和掩模板进行直波导3的光刻。
第十二步：采用显影液进行直波导3以外区域进行显影，再用酸腐蚀液对显影后露出的金属层进行腐蚀，然后利用反应离子刻蚀机对本步骤中被腐蚀掉金属的部位刻蚀出直波导3。采用刻蚀的方法为是本领域公知的反应离子刻蚀方法。
第十三步：利用匀胶机在直波导3的上表面旋转涂覆上包层2，用紫外固化灯对上包层2进行固化，并用烘胶台坚膜，最后在真空干燥箱中，对基底5、下包层1、上包层2、直波导3和下光栅4进行真空干燥，干燥时间为3.5—24小时。
第十四步：从真空干燥箱中取出由基底5、下包层1、上包层2、直波导3和下光栅4组成的整体件，滤波器制备完成。
下面通过试验来说明本发明的滤波器与现有的滤波器相比，具有高反射率和高边模抑制比的优良性能。
结合商用有机聚合物紫外固化ZPU系列材料，试验中采用的本发明的滤波器的参数如表1所示。考虑到制作工艺问题，我们将传输方向上，下光栅4的起始和结束的光栅线的宽度设计为2μm。
        表1
设计参量 名称 数值
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE004
 谐振波长 1555nm
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE006
 下包层和上包层的折射率 1.44
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE008
 直波导和下光栅的折射率 1.46
下光栅的周期 0.535μm
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE012
 波导光栅的总长度 1cm
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE014
 上包层的厚度 3μm
下包层的厚度 9μm
Figure 2012101751649100002DEST_PATH_IMAGE018
 直波导的高度 6μm
Figure DEST_PATH_IMAGE020
 直波导的宽度 6μm
下光栅的高度 0.6μm
Figure DEST_PATH_IMAGE024
 下光栅的宽度 2μm
Figure DEST_PATH_IMAGE026
 传输方向上，下光栅宽度变化包络 升余弦函数变化
以传输矩阵法来分析波导光栅滤波器的反射谱，整个波导光栅的长度为L，波导光栅是由直波导3和下光栅4组成。将整个滤波器均分成N段，每段长度，把每一段看做均匀的结构，用2×2矩阵表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
(1≤k≤N)
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示第k段的矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
和分别表示第k段的耦合常数，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，谐振波长
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为波导光栅的有效折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为下光栅4的周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为第k段波导光栅周期内有效折射率的平均变化值，为光谱的波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
 表示复数的虚数符号。
作为对比的现有滤波器采用均匀波导光栅，其与本专利的滤波器结构不同之处是：下光栅中各光栅线的宽度相等。在试验中，采用的现有滤波器中的下光栅的光栅线的宽度和直波导的宽度相等，均为6μm，其他参数与表1中所列参数对应相同。
对于均匀波导光栅，在传输方向上，周期性结构以突变形式开始和结束，各个矩阵中的参数相等，则反射谱会以
Figure DEST_PATH_IMAGE056
函数形式出现，即均匀光栅反射谱会有很大的旁瓣。。对于本发明提供的切趾波导光栅，由于下光栅的宽度呈钟形包络的调制，各个矩阵之间的
Figure 578987DEST_PATH_IMAGE050
是不相等的（整体上呈钟形包络变化），正是因为在整个器件上呈钟形包络分布，则切趾波导光栅旁瓣被抑制。将每段矩阵依次相乘，即可得到光栅反射谱，均匀波导光栅反射谱如图3所示，本发明的滤波器的反射谱具体如图4所示。
峰值反射率
Figure DEST_PATH_IMAGE058
 ，
Figure 861292DEST_PATH_IMAGE012
为波导光栅的总长度，
Figure 122509DEST_PATH_IMAGE002
表示整体上有周期内平均效折射率差，
Figure 853705DEST_PATH_IMAGE052
为光谱范围内的波长。如图3和图4所示，光在均匀波导光栅或者本发明提供的切趾波导光栅中传输时，反射光谱范围均在1553nm—1557nm之内。 
在实际制作中，皱折式波导光栅是通过刻蚀来实现，很难实现文献报道中切趾光纤光栅采用的在深度变换实现切趾，只能通过改变传输方向上，下光栅宽度来实现切趾的效果。
旁瓣抑制效果和传输矩阵中变化剧烈程度有关。传输方向上，
Figure 726032DEST_PATH_IMAGE050
变化越剧烈，切趾效果越好。但是，切趾后主峰反射率大小和传输方向上大小有关，在保证传输方向上分布作钟形变化的基础上，
Figure 603224DEST_PATH_IMAGE050
越大，切趾后主峰反射率就越大。为了在保证整体上
Figure 907167DEST_PATH_IMAGE050
有剧烈变化的同时提高的值，本专利的滤波器在传输方向上，下光栅4宽度变化为钟形结构，而下光栅4宽度变化范围超出直波导3的宽度。采用这种新型设计结构，靠芯层模式和包层倏逝模式共同调制实现切趾，会既得到高的边模抑制比，又得到高的峰值反射率。包层模是在波导光栅内部传输的模式，倏逝模是在上包层和下包层中传输的模式。
通过对比图3和图4，可以看出：采用均匀波导光栅结构的现有滤波器反射谱中，反射率33.01dB，边模抑制比3.2dB，并且有很大旁瓣；而本发明的滤波器反射谱中，反射率27.70dB，边模抑制比16.67dB，并且旁瓣被切去，主峰反射率变化很小。在此参数下，本发明的皱褶式切趾波导光栅滤波器边模抑制比达到16dB以上时，主峰反射率远大于20dB，能够满足实际应用需求。本发明的滤波器成功实现了高反射率、高边模抑制比的切趾效果。

Claims (3)

1.一种皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器，包括基底（5）、下包层（1）、上包层（2）、直波导（3）和由光栅线组成的下光栅（4），下包层（1）固定连接在基底（5）的上表面，下光栅（4）固定连接在直波导（3）的底面，直波导（3）的底面和下包层（1）的顶面连接，直波导（3）的顶面和上包层（2）的底面连接，其特征在于，所述的下光栅（4）中的光栅线呈条状，且光栅线之间相互平行，下光栅（4）沿直波导（3）的竖向中分线相互对称；下光栅（4）的宽度从两端向中间按照钟形包络函数逐渐增加，且位于下光栅（4）端部的光栅线的宽度小于直波导（3）的宽度，位于下光栅（4）中部的光栅线的宽度大于直波导（3）的宽度；所述的直波导（3）的宽度恒定。
2.按照权利要求1所述的皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器，其特征在于，所述的下光栅（4）固定在直波导（3）的底面，且下包层（1）的顶部设有相互平行的沟槽和台阶，下包层（1）的台阶嵌在下光栅（4）的光栅线之间的空隙中，下光栅（4）的光栅线与下包层（1）的沟槽相配合。
3.一种权利要求1所述的皱褶式切趾波导布拉格光栅滤波器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
第一步：在基底（5）上涂覆下包层（1）：利用匀胶机在基底（5）的上表面旋转涂覆下包层（1），用紫外固化灯对下包层（1）进行固化，然后用烘胶台对下包层（1）进行固化，随后在真空干燥箱中，对覆有下包层（1）的基底（5）进行真空干燥，干燥时间为3.5——24小时；
第二步：制作抗刻蚀层：利用真空镀膜机在下包层（1）的上表面蒸镀一铝层，作为抗刻蚀层；
第三步：利用匀胶机在下包层（1）上旋涂负性光刻胶，再用紫外固化灯对下包层（1）和负性光刻胶进行固化；
第四步：利用掩模板和掩膜曝光机对负性光刻胶进行掩膜曝光，光刻下光栅（4）的外围轮廓区域；
第五步:利用紫外波长激光器在第四步形成的下光栅（4）的外围轮廓区域中干涉出下光栅（4）中各光栅线的结构；
第六步：采用负胶显影液，对下光栅（4）所在区域进行显影，使得下光栅（4）中各光栅线结构处的负性光刻胶被洗掉，再用酸腐蚀液对由于负性光刻胶被洗掉而露出的金属层进行腐蚀；
第七步：利用反应离子刻蚀机在第六步中腐蚀掉金属的部位刻蚀出下光栅（4）；
第八步：用去胶液去除余下的负性光刻胶，此时金属层位于下包层（1）上方，用酸腐蚀液对该金属层进行腐蚀去除；
第九步：利用匀胶机在刻蚀后有下光栅（4）的下包层（1）上旋转涂覆芯层材料，再用紫外固化灯对芯层材料进行固化，然后用烘胶台对芯层材料进行固化，随后在真空干燥箱中，对芯层材料、下包层（1）和基底（5）进行真空干燥，干燥时间为3.5—24小时；
第十步：蒸镀铝层：采用真空镀膜机在芯层材料的上表面蒸镀一铝层作为抗刻蚀层；
第十一步：用掩膜曝光机和掩模板进行直波导(3)的光刻；
第十二步：采用显影液对直波导(3)以外区域进行显影，再用酸腐蚀液对显影后露出的金属层进行腐蚀，然后利用反应离子刻蚀机对本步骤中被腐蚀掉金属的部位刻蚀出直波导（3）；
第十三步：利用匀胶机在直波导（3）的上表面旋转涂覆上包层（2），用紫外固化灯对上包层（2）进行固化，并用烘胶台坚膜，最后在真空干燥箱中，对基底（5）、下包层（1）、上包层（2）、直波导（3）和下光栅（4）进行真空干燥，干燥时间为3.5—24小时；
第十四步：从真空干燥箱中取出由基底（5）、下包层（1）、上包层（2）、直波导（3）和下光栅（4）组成的整体件，滤波器制备完成。
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