CN103268001A

CN103268001A - 非对称相位可调马赫-曾德干涉仪及其制备方法

Info

Publication number: CN103268001A
Application number: CN2013102165752A
Authority: CN
Inventors: 孙小菡; 蒋卫锋
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103268001B

Abstract

一种非对称相位可调马赫-曾德干涉仪及其制备方法，干涉仪包括平面光波光路PLC芯片和外接导光臂，平面光波光路PLC芯片包括硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上设有波导层，波导层上设有覆盖层，所述波导层包括输入级3dB耦合器、两个开放臂、一个长度固定臂及输出级3dB耦合器。制备方法为：在硅衬底上制备缓冲层，在缓冲层制备波导层并光刻和刻蚀，制备非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的PLC芯片部分，切片研磨，再将单模光纤阵列和PLC芯片的开放臂进行耦合，进而和干涉仪的输入端和输出端进行耦合。本发明可以实现相位精细可调，且结构紧凑、简单和稳定性高。

Description

非对称相位可调马赫-曾德干涉仪及其制备方法

技术领域

本发明属于集成光子器件技术领域，涉及非对称相位可调马赫-曾德干涉仪及其制备方法。

背景技术

马赫-曾德干涉仪(英文全称:Mach-Zehnder Interferometer，文中简称:MZI)作为相位检测光路结构已在光传感、通信系统中得到了广泛的应用。在光纤通信中MZI通常用来作为光纤波分复用器、光调制器、光开关和波长转换器等；在光传感系统中由于MZI灵敏度非常高，可以用来测量电流、电磁场、温度、压力等微弱物理量。

马赫-曾德干涉仪主要分为三类：第一类是传统基于分离元件的MZI；第二类是传统全光纤型MZI；第三种是基于平面光波光路(英文全称:PlanarLightwave Circuit，文中简称:PLC)的MZI。

传统基于分离元件的MZI由于光学元件的相对位置校正难度较大，会出现无法避免的随机扰动从而影响其性能。目前，在光谱学和基本量度学方面还有一些应用，但在光传感、通信系统中的应用却非常少。

传统全光纤型MZI由两个3dB耦合器和两个不同长度的臂组成，输出特性固定。与传统MZI相比，全光纤型MZI结构简单、体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、和抗电磁干扰能力强，但是受温度环境影响较大，从而导致系统性能稳定性低。

基于PLC工艺的MZI利用半导体工艺制备，具有结构紧凑、可批量制作、稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅(英文全称:Silica-on-Silicon，文中简称:SoS)工艺的PLC型MZI是首先被应用于光通信、传感系统中的PLC干涉仪；并且其具有热稳定、集成高、成本低等特点。但是，PLC型MZI一般两臂光程差固定，从而限制其输出特性固定不变，不利于光传感、通信系统重构多变。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，该干涉仪可以实现相位精细可调，且结构紧凑、简单和稳定性高。同时，本发明还提供该干涉仪的制备方法，该制备方法简单、成本低、可批量制作。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，该干涉仪包括：平面光波光路PLC芯片和外接导光臂，所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上设有波导层，波导层上设有覆盖层。所述波导层包括输入级3dB耦合器、一个长度固定臂及输出级3dB耦合器，所述长度固定臂的两端分别与输入级3dB耦合器的下输出端口、输出级3dB耦合器的下输入端连接，在输入级3dB耦合器的上输出端口上设有第一开放臂且与第一开放臂的一端连接，在输出级3dB耦合器的上输入端上设有第二开放臂且与第二开放臂的一端连接，所述外接导光臂的两端分别与第一开放臂的另一端、第二开放臂的另一端连接。

由输入级3dB耦合器端的上输入端口或者下输入端口输入一定频率范围的信号，经过3dB耦合器多模干涉效应从输入级3dB耦合器端的上输出端口和者下输入端口输出相位差为90°的光信号。一路光信号经过长度固定臂进入输出级3dB耦合器的下输入端，另一路光信号经过第一开放臂、外接导光臂和第二开放臂进入输出级3dB耦合器的上输入端。当外接导光臂取合适长度时，两路光信号相互干涉，使特定的频率信号增强，相反使得特定的频率信号减弱。通过调节外接导光臂的光程差可以实现干涉仪相位精细可调，从而改变光传感、通信系统的性能。

本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的技术方案：

A）输入端为2×2耦合器，输出端为2×2耦合器，构成“二入二出”结构。

B）输入端为1×2分路器，输出端为2×1合波器，构成“一入一出”结构。

C）输入端为1×2分路器，输出端为2×2耦合器，构成“一入二出”结构。

D）输入端为2×2耦合器，输出端为2×1合波器，构成“二入一出”结构。

上述的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片。利用热氧化法在硅衬底上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层。利用等离子体增强化学气相沉积方法，硅烷和氮气浓度为5%S_iH₄:N₂，温度250℃—400℃，在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层9，采用气体浓度10%的GeH₄:Ar，形成厚度为8μm的波导层，且波导层的折射率高于二氧化硅缓冲层的折射率差为0.4%。

步骤20）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺，制备非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的PLC芯片部分，包括：输入级3dB耦合器1、输出级3dB耦合器2、长度固定臂3、第一开放臂4和第二开放臂5。具体步骤包括步骤201）和步骤202）。

步骤201）光刻工艺。利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，其中掩模板图形包括：输入级3dB耦合器1、输出级3dB耦合器2、长度固定臂3、第一开放臂4和第二开放臂5。首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，其中转速为2000～8000r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上。进而在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。将晶圆片和掩模板图形位置对准后曝光；然后在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。进而采用0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s。显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却。最后，利用高倍率显微镜检查图形质量。

步骤202）刻蚀工艺。利用反应离子刻蚀RIE（RIE对应中文：反应离子刻蚀）工艺，Cl2为20sccm，Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅（氢化无定形硅的化学式为a-Si:H）。然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶,烘干后进行SiO₂波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O₂与CHF₃流量比为0.05:1；O₂与CHF₃的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm干涉仪的波导结构。

步骤30）：覆盖层制备。对步骤20）得到的晶圆片，经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG(B₂O₃-P₂O₅-S_iO₂glass)二氧化硅覆盖层、退火工艺，得到非对称相位可调马赫-曾德干涉仪PLC芯片部分。

步骤40）：切片研磨。利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，将晶圆上的每个芯片分离。然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分。

步骤50）：利用单模光纤阵列和步骤30）得到的PLC芯片进行耦合。将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液，其中溶液配比为：硅烷偶联剂5ml，异丙醇50ml，浸泡时间为1.5h，浸泡后将PLC芯片和光纤阵列吹干。然后利用六维微调架将PLC芯片和光纤阵列对准，将光纤阵列的一端口和PLC芯片的第一开放臂（4）的输出端口对准，将光纤阵列的另一端口和PLC芯片的第二开放臂5的输入端口对准。进而将紫外胶刷到PLC芯片和光纤阵列端面上，最后用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，时长为180s，固化PLC芯片和光纤阵列。至此，将PLC芯片和单模光纤耦合连接，从而得到外接导光臂6和PLC芯片连接。

步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪的输入端和输出端进行耦合；首先，利用六维微调架将PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口分别与输入端光纤阵列12和光纤阵列13对准。然后，利用六维微调架将PLC芯片的输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口分别与输出端光纤阵列14和光纤阵列15对准。然后，取适量紫外胶刷到PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口、光纤阵列12、13、14和15、输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口的端面上。然后，利用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，时长为180s，固化紫外胶。至此，完成PLC芯片的输入、输出端和光纤阵列的耦合，从而得到非对称相位可调马赫-曾德干涉仪。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）相位精细可调。本发明的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪通过干涉仪的一条臂外接相位调制部件，实现相位精细可调，理论上可实现0°～360°相位调节；本发明通过一次制作，可以实现多种相位可调；实施方法是MZ干涉仪的PLC部分利用半导体工艺一次制作成形，并固定不变；通过外接光纤，可以实现干涉效应，进而利用拉力作用部件可以实现外接导光臂的长度变化，从而实现相位精细可调。然而，传统PLC型MZ干涉仪，如果想实现相位调节，必须要制作不同型号的PLC芯片，带来制作成本增加；或者需要利用特定的双折射材料及点光效应等实现可调，成本极高，制约了其大规模应用。

（2）制备工艺兼容性好，成本低。基于SoS光波导工艺制备出芯片，并通过外接导光臂构成干涉仪；既克服了传统全光纤型干涉仪不稳定问题，又具备PLC工艺集成度高的特点；并且不需要双折射材料便可实现相位可调；传统电光效应制作的MZ干涉仪，需要对材料有特定要求，而且制作工艺有一定要求；相比于本发明具有材料成本低的优势，而且工艺不需要特定要求。

（3）结构简单，并具有多种使用方案。通过外接导光臂的变化可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光传感、通信系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的原理示意图。

图2是本发明实施例中制作完成的衬底、缓冲层与波导层结构示意图。

图3是本发明实施例中制作完成的PLC芯片部分俯视图。

图4是本发明实施例中制作完成的波导横截面结构示意图。

图5是本发明实施例中制作完成覆盖层的波导横截面结构示意图。

图6是本发明实施例中外接导光臂和PLC芯片开放臂耦合后的结构示意图。

图7是本发明实施例中干涉仪PLC芯片输入和输出端口耦合后的结构示意图。

图8是本发明实施例的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的仿真结果图。

图9是本发明实施例的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的实验结果图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。

如图1所示，本发明的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，包括：平面光波光路PLC芯片和外接导光臂6，所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底7，在硅衬底7上设有二氧化硅缓冲层8，在二氧化硅缓冲层8上设有波导10，在波导10上设有覆盖层11。所述波导层9包括输入级3dB耦合器1、一个长度固定臂3及输出级3dB耦合器2，所述长度固定臂3的两端分别与输入级3dB耦合器1的下输出端口、输出级3dB耦合器2的下输入端连接，在输入级3dB耦合器1的上输出端口上设有第一开放臂4且与第一开放臂4的一端连接，在输出级3dB耦合器2的上输入端上设有第二开放臂5且与第二开放臂5的一端连接，所述外接导光臂6的两端分别与第一开放臂4的另一端、第二开放臂5的另一端连接。外接导光臂6长度可调，从而得到相位精细可调。

上述非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的制备方法，包括以下步骤：

步骤201）光刻工艺。利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，其中掩模板图形（如图3所示）包括：输入级3dB耦合器1、输出级3dB耦合器2、长度固定臂3、第一开放臂4和第二开放臂5。首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，其中转速为2000～8000r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上。进而在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。将晶圆片和掩模板图形位置对准后曝光；然后在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。进而采用0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s。显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却。最后，利用高倍率显微镜检查图形质量。

步骤202）刻蚀工艺。利用反应离子刻蚀RIE（RIE对应中文：反应离子刻蚀）工艺，Cl2为20sccm，Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅。然后在含量为99.5％丙酮溶液中浸泡10min去除残留的光刻胶,烘干后进行SiO₂波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O₂与CHF₃流量比为0.05-1；O₂与CHF₃的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm干涉仪的波导结构。

步骤40）：切片研磨。利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，将晶圆上的每个芯片分离。然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分。从而使得输入级3dB耦合器、输出级3dB耦合器、第一开放臂（4）和第二开放臂（5）的端面与芯片端面一致。

步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪的输入端和输出端进行耦合；首先，利用六维微调架将PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口分别与输入端光纤阵列12和光纤阵列13对准。然后，利用六维微调架将PLC芯片的输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口分别与输出端光纤阵列14和光纤阵列15对准。然后，取适量紫外胶刷到PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口、第一输入端光纤阵列12、第二输入端光纤阵列13、第一输出端光纤阵列14和第二输出端光纤阵列15、输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口的端面上。然后，利用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，时长为180s，固化紫外胶。至此，完成PLC芯片的输入、输出端和光纤阵列的耦合，从而得到非对称相位可调马赫-曾德干涉仪。

实施例：

下面介绍非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的制备方法，以对上述制备方法进行更为详尽的说明。

步骤10）：制作二氧化硅缓冲层8和波导9。参照图2所示，包括步骤101）、步骤102）和步骤103）。

步骤101）取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片即衬底7，去除表面的污物；然后，经过去离子水超声波的超声清洗和干燥，完成了硅片的清洗；

步骤102）制备二氧化硅缓冲层8，制备二氧化硅缓冲层8的方法有多种，例如化学气相沉积法（CVD）、火焰水解法（FHD）、溶胶凝胶法（Sol-Gel）、热氧化法（TO）等。由于热氧化法一次热氧化可以同时对百余片的硅片进行氧化，在实际生产中具有较高的效率，而且可同时对硅衬底7的正反两面同时氧化，从而可以消除附加应力。因此，利用热氧化法在硅衬底7上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层8。

步骤103）制作波导层9。利用等离子体增强化学气相沉积（等离子体增强化学气相沉积，文中简称：PECVD）方法，以硅烷和氧气为反应气体，或者以一氧化二氮为反应气体。本实施例以硅烷和氮气浓度为5%SiH₄:N₂，温度为250℃—400℃条件下采用气体浓度为：5%S_iH₄:N₂。通过在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层9，采用气体为浓度10%的GeH₄:Ar，且波导层9和二氧化硅缓冲层8折射率差为0.4%。

步骤20）：刻蚀波导形状，如图3和4所示。在波导层9上，利用光刻和刻蚀工艺，制备非对称相位可调马赫-曾德干涉仪中输入端3dB耦合器1、一个长度固定臂3、第一开放臂4、第二开放臂5和输出端3dB耦合器。制备得到波导俯视图如图3所示，波导横截面10如图4所示，包括步骤201）和步骤202）。

步骤201）利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层9上，其中掩模板图形包括输入端3dB耦合器1、一个长度固定臂3、第一开放臂4、第二开放臂5和输出端3dB耦合器。光刻工艺步骤具体分为8步：

步骤2011）表面处理：光刻的第一步是增强基片和光刻胶之间的黏附性。因此晶圆片表面必须是清洁和干燥的，并且用六甲基二硅胺烷（HMDS）进行表面浸润，可以起到黏附促进剂的作用。

步骤2012）旋转涂胶：表面处理后，晶圆片要立即采用旋转涂胶的方式涂上液相光刻胶材料，期间晶圆片被固定在一个真空载物台上。光刻胶的厚度、均匀性、颗粒沾污、针孔等指标和旋涂所采用的时间、速度以及装置都有很大的关系。典型的转速在2000～8000r/min之间，大约10s，可以甩出多余的光致抗蚀剂，从而得到厚度均匀的薄膜。

步骤2013）前烘焙：光刻胶被涂到晶圆片表面后必须烘焙使之成膜，并提高光刻胶和基底的黏附性，光刻胶的均匀性在这一步骤也会得到提升，典型的前烘焙条件是在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。

步骤2014）对准和曝光：在曝光之前，必须对晶圆片和掩膜版图形进行位置对准，以保证设计图形在晶圆片的合适位置。然后经过曝光，让光能激活光刻胶中的光敏成分。由于光掩膜版对光的选择性透过，因此光刻胶中的光敏成分也是被选择性的激活。这一步骤是限制线宽的重要一步。

步骤2015）后烘焙：后烘焙的重要作用是使光敏成分的反应更加彻底，并形成稳定的分布，其烘焙温度通常会高于前烘焙温度10℃到20℃，即：在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。

步骤2016）显影：显影是在晶圆片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶中的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在晶圆片表面。最通常的显影方法是浸泡，然后用去离子水冲洗后甩干。浸泡的时间和温度是十分重要的两个控制因素。典型的采用0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间在140s—190s。

步骤2017）坚膜烘焙：显影后的热烘就是坚膜烘焙。烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的黏附性。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀过程非常关键。坚膜烘焙的温度通常要高于后烘温度10℃到20℃，即110℃到140℃烘30秒，然后自然冷却。

步骤2018）检查：利用高倍率的显微镜观察晶圆上面图形的质量。一旦光刻胶在晶圆片表面形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形的质量。检查的目的一是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求，二是如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把她们除去，晶圆片返工。如果光刻图形存在缺陷，对于波导的性能来说是灾难性的，因此必须在刻蚀之前进行检查。

步骤202）利用刻蚀工艺来制备非对称相位可调马赫-曾德干涉仪中输入端3dB耦合器1、长度固定臂3、第一开放臂4、第二开放臂5和输出端3dB耦合器：利用反应离子刻蚀RIE（RIE对应中文：反应离子刻蚀）工艺，Cl₂为20sccm，Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅（氢化无定形硅的化学式为a-Si:H）或多晶硅（多晶硅的化学式是poly-Si）掩膜；然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶,烘干后进行SiO₂波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O₂与CHF₃流量比为0.05:1；O₂与CHF₃的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到干涉仪的波导结构10，如图4所示。本实施例中，波导3的截面尺寸为8μm×8μm。

步骤30）：覆盖层制备。参照图5所示，对步骤20）得到的晶圆片，经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG二氧化硅覆盖层、退火等工艺制得非对称相位可调马赫-曾德干涉仪PLC芯片部分。

步骤40）切片研磨。晶圆切片研磨利用高速旋转的划片刀沿晶圆上的划片槽切割晶圆，将晶圆上的每个芯片分离；其中划片刀转速30000rpm，并供应冷却水。利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，针对切片得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分，如图3所示。

步骤50）：利用单模光纤阵列和步骤40）得到的PLC芯片进行耦合。通过紫外固化，将光纤阵列6和开放臂4和5两端耦合连接，从而使得外接导光臂6和PLC芯片连接，如图6所示，包括步骤501）、步骤502）、步骤503）和步骤504）：

步骤501）配制硅烷偶联剂。用到的硅烷偶联剂型号：GEA-187；将硅烷偶联剂质量比为10%溶于异丙醇，即取硅烷偶联剂5ml，取异丙醇50ml，将硅烷偶联剂溶于异丙醇，并一边搅拌，直至均匀，得到溶液。

步骤502）PLC芯片和光纤阵列6前处理。将PLC芯片和光纤阵列6浸泡于硅烷偶联剂溶液内，浸泡时间为1.5h；搅拌约半小时后，静止浸泡至时间结束；最后分别取出PLC芯片和光纤阵列，用电吹风将其吹干。

步骤503）PLC芯片与光纤阵列6对准。将PLC芯片固定在芯片支架上，注意保持水平，将光纤阵列6放置于六维微调架上，本实施例光纤阵列6长度为5cm；利用PLC芯片耦合封装系统将光纤阵列6和PLC芯片完成对准。

步骤504）点胶与紫外固化。首先取适量紫外胶，本实施例为EMI-3553；然后刷到PLC芯片和光纤阵列6端面上；最后，紫外固化，其中用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，固化时长为180s。至此完成光纤阵列6和开放臂4和5两端耦合连接，从而得到外接导光臂6和PLC芯片连接，如图6所示。

步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪的输入端和输出端进行耦合，如图7所示，具体包括2个步骤：

步骤601）输入端对准。PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口分别与输入端光纤阵列12和光纤阵列13对准。将PLC芯片固定在芯片支架上，注意保持水平，将输入端光纤阵列12和13放置于六维微调架上；利用PLC芯片耦合封装系统将输入端光纤阵列12和13和PLC芯片完成对准。

步骤602）输出端对准。利用六维微调架将PLC芯片的输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口分别与输出端光纤阵列14和光纤阵列15对准。。将输出端光纤阵列14和15放置于六维微调架上；利用PLC芯片耦合封装系统将输出端光纤阵列14和15和PLC芯片完成对准。

步骤603）点胶与紫外固化。首先取适量紫外胶，本实施例为EMI-3553；然后刷到刷到PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口、光纤阵列12、13、14和15、输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口的端面上。；最后，紫外固化，其中用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，固化时长为180s。至此完成输入端3dB耦合器1与输入端光纤阵列12和13进行耦合，将输出端3dB耦合器2与输出端光纤阵列14和15进行耦合连接，最终得到非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，如图7所示。

对该实施例设计的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，进行仿真试验。利用全矢量有限差分光束传播法（FD-BPM），对本发明结构进行了仿真，传输谱图如图8所示。图8中，横坐标为光波波长，纵坐标经过干涉仪后不同波长的损耗。由图8可见，当外接导光臂6的长度为5cm时，输出谱消光比大于40dB，并且插入损耗可以忽略。

对该实施例制备的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，进行了实验测试。实验采用C+L波段ASE(英文全称：Amplified Spontaneous Emission，中文全称：放大自发辐射)宽带光源，光谱分析仪为Agilent86142B，光谱分辨率0.06nm。图9所示为干涉仪的输出光谱图，可见其FSR(英文全称：Free Spectra Range，中文全称：自由谱域)与理论结果相一致。

由此可见，本发明的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，通过干涉仪的一条臂外接相位调制部件，实现相位精细可调，理论上可实现0°～360°相位调节；制备工艺兼容性好，成本低，基于SoS光波导工艺制备出芯片，并通过外接导光臂构成干涉仪；既克服了传统全光纤型干涉仪不稳定问题，又具备PLC工艺集成度高的特点；并且不需要双折射材料便可实现相位可调；结构简单，并具有多种使用方案，通过外接导光臂的变化可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光传感、通信系统。

Claims

1.一种非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，其特征在于，包括：平面光波光路PLC芯片和外接导光臂（6），所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底（7），在硅衬底（7）上设有二氧化硅缓冲层（8），在二氧化硅缓冲层（8）上设有波导（10），在波导（10）上设有覆盖层（11），所述波导（10）包括输入级3dB耦合器（1）、一个长度固定臂（3）及输出级3dB耦合器（2），所述长度固定臂（3）的两端分别与输入级3dB耦合器（1）的下输出端口、输出级3dB耦合器（2）的下输入端连接，在输入级3dB耦合器（1）的上输出端口上设有第一开放臂（4）且与第一开放臂（4）的一端连接，在输出级3dB耦合器（2）的上输入端上设有第二开放臂（5）且与第二开放臂（5）的一端连接，所述外接导光臂（6）的两端分别与第一开放臂（4）的另一端、第二开放臂（5）的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，其特征在于，所述外接导光臂（6）为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，其特征在于，所述外接导光臂（6）为掺杂光纤。

4.一种权利要求1所述的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片，利用热氧化法在硅衬底上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层，利用等离子体增强化学气相沉积方法，其中，硅烷和氮气的体积比为1:20，温度250℃—400℃，在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层9，GeH₄与Ar的体积比为1:10 ，形成厚度为8μm的波导层，且波导层的折射率高于二氧化硅缓冲层的折射率差为0.4%，由此得到晶圆片，

步骤20）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺，制备非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的PLC芯片部分，

所述光刻工艺为：利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，其中掩模板图形包括：输入级3dB耦合器（1）、输出级3dB耦合器（2）、长度固定臂（3）、第一开放臂（4）和第二开放臂（5），所述复制采用如下方法：首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，其中转速为2000~8000 r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上，进而在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却，将冷却后晶圆片和掩模板上的图形位置对准后曝光；然后在热板上100℃到120℃烘30秒，再自然冷却，进而采用0.6%质量浓度的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s，显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却；

所述刻蚀工艺为：利用反应离子刻蚀RIE工艺，Cl₂为20sccm， Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅，然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶, 烘干后进行SiO₂波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O₂与CHF₃流量比为0.05:1；O₂与CHF₃的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm干涉仪的波导结构，

步骤30）：覆盖层制备：去除经过步骤20）光刻和刻蚀后的晶圆片上残留的掩膜，在光刻和刻蚀后的晶圆片上沉积硼磷硅BPSG( B₂O₃-P₂O₅-S_iO₂ glass)二氧化硅覆盖层，退火后得到非对称相位可调马赫-曾德干涉仪PLC芯片部分，

步骤40）：切片研磨：利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，对经过步骤30）处理后的晶圆片上的每个芯片进行分离，然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分，

步骤50）：将单模光纤阵列和步骤40）得到的PLC芯片进行耦合：将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液，其中溶液配比为：硅烷偶联剂5ml，异丙醇50ml，浸泡时间为1.5h，浸泡后将PLC芯片和光纤阵列吹干，然后利用六维微调架将PLC芯片和光纤阵列对准，将光纤阵列的一端口和PLC芯片的第一开放臂（4）的输出端口对准，将光纤阵列的另一端口和PLC芯片的第二开放臂（5）的输入端口对准，进而将紫外胶刷到PLC芯片和光纤阵列端面上，最后用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，时长为180s，固化PLC芯片和光纤阵列，至此，将PLC芯片和单模光纤耦合连接，从而实现外接导光臂（6）和PLC芯片连接，

步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪的输入端和输出端进行耦合；首先，利用六维微调架将PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口分别与第一输入端光纤阵列（12）和第二输入端光纤阵列（13）对准，然后，利用六维微调架将PLC芯片的输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口分别与第一输出端光纤阵列（14）和第二输出端光纤阵列（15）对准，然后，将紫外胶刷到PLC芯片的输入级3dB耦合器的上输入端口和下输入端口、第一输入端光纤阵列（12）、第二输入端光纤阵列（13）、第一输出端光纤阵列（14）和第二输出端光纤阵列（15）、输出级3dB耦合器的上输出端口和下输出端口的端面上，然后，利用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm²，照射距离为9mm，时长为180s，固化紫外胶，至此，完成PLC芯片的输入、输出端和光纤阵列的耦合，从而得到非对称相位可调马赫-曾德干涉仪。