CN103941427B - 高制作容差的平面波导型可调光衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器，包括第一耦合器，第一耦合器的输入端与输入波导连接，第一耦合器的两个输出端分别与上臂支路和下臂支路的前端连接，第二耦合器的两个输入端分别与上臂支路和下臂支路的后端连接，第二耦合器的输出端与输出波导连接，所述上臂支路和/或下臂支路上设有金属薄膜加热器，金属薄膜加热器位于隔离沟槽之间，本发明中第一耦合器和第二耦合器采用不对称的耦合器，同时使第二耦合器的耦合比与第一耦合器的耦合比相等，这种结构使当上臂支路或下臂支路的折射率变化时，第二耦合器的其中一个输出波导的衰减可满足大于30 dB的设计要求，该结构在工艺误差高达±0.1um时，仍可使衰减量大于30dB，提高了器件的制作容差。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，特别是涉及一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器。
背景技术
可调光衰减器（VOA）是光波分复用网络系统中最重要的光无源器件之一。它可实现光波分复用网络系统中各个信道间的功率均衡。在光波分复用网络系统中，从抑制非线性和抑制串扰的观点出发，要求各波长的电平相等，尤其是随着DWDM传输系统和EDFA在光通信中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化和信道功率均衡，在光接收器端要进行动态饱和控制，光网络中也需要对其它信号进行控制，这些都使VOA成为其中不可或缺的关键器件。
虽然目前光衰减器已有多种类型的制造技术，大致分为传统的机械型、液晶型、微机电系统（MEMS）技术及平面光波导（PLC）技术等，但是MEMS技术和PLC技术制造的可调光衰减器适合光路的集成化和模块化发展的需要，具有尺寸小、成本低、集成度高、适合大批量和自动化生产等优点。MEMS技术的VOA虽然也可以实现小型化和集成化，但器件存在运动部件，其稳定性和可靠性不如平面光波导器件。
PLC技术制造的可调光衰减器分为磁光效应、热光效应、电光效应、声光效应等多种型式，其中热光效应的可调光衰减器由于其控制灵活方便、性能稳定可靠、调节精度高等优点受到人们的广泛重视。
可调光衰减器的制作工艺一般采用半导体工业中的硅基二氧化硅平台，该平台采用已成熟的等离子增强化学气相沉积工艺（简称PECVD）。首先在硅基晶圆上长出二氧化硅的下包层和芯层，然后用离子反应刻蚀将芯层刻蚀成所需波导形状，最后用PECVD生长二氧化硅上包层。上、下包层的二氧化硅的折射率相同，芯层掺入少量锗，使芯区二氧化硅的折射率较高，高于包层约0.7%左右，形成弱波导模式。
由于半导体工艺存在制作误差，可调光衰减器的芯层和包层参数在制作时并不能完全和设计参数匹配，设计的3dB耦合器在制作出来后，耦合比将偏离3dB；芯层宽度也会偏离设计参数，这会对可调光衰减器的调制深度有影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是由于现有可调光衰减器采用上述工艺制作，制作工艺存在工艺误差，使可调光衰减器的芯层和包层参数在制作时并不能完全和设计参数匹配，不能达到所需的调制深度。本发明提供一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器，包括第一耦合器，第一耦合器的输入端与输入波导连接，第一耦合器的两个输出端分别与上臂支路和下臂支路的前端连接，第二耦合器的两个输入端分别与上臂支路和下臂支路的后端连接，第二耦合器的输出端与输出波导连接，所述上臂支路和/或下臂支路上设有金属薄膜加热器，金属薄膜加热器位于隔离沟槽之间，所述第一耦合器和第二耦合器的耦合比相同且均为不对称的耦合器，使可调光衰减器在制作工艺偏差高达±0.1um的情况下仍能达到较高的调制深度。
所述不对称的耦合器的耦合比为m:n，其中，m≠ n，且m，n均不为0。
所述第一耦合器和第二耦合器为Y型耦合器或X型耦合器。
本发明中第一耦合器和第二耦合器采用不对称的耦合器，同时使第二耦合器的耦合比与第一耦合器的耦合比相等，通过这种结构使得当上臂支路或下臂支路的折射率变化时，第二耦合器的其中一个输出波导的衰减可满足大于30 dB的设计要求，该结构在工艺误差高达±0.1um时，仍可使衰减量大于30dB，提高了器件的制作容差。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例2的结构示意图。
图3为三种不同耦合比的VOA的模拟效果图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，给出了一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器，包括第一耦合器2，第一耦合器2采用Y型耦合器，Y型耦合器的输入端与输入波导1连接，Y型耦合器的两个输出端分别与上臂支路3-1和下臂支路3-2的前端连接，第二耦合器4即X型耦合器的两个输入端分别与上臂支路3-1和下臂支路3-2的后端连接，X型耦合器的两个输出端分别与输出波导5-1和输出波导5-2连接，上臂支路3-1和下臂支路3-2上设有金属薄膜加热器6，金属薄膜加热器6位于隔离沟槽7之间，所述Y型耦合器通过调整两输出端的波导宽度，从而使Y型耦合器2的耦合比为m:n，X型耦合器通过调整耦合臂长和耦合间距使耦合比与Y型耦合器的耦合比相同也为m:n，在耦合比为某个比例时，可使可调光衰减器在制作工艺偏差高达±0.1um的情况下仍能达到较高的调制深度。
其中，耦合比m:n优选为6:4，第二耦合器4还可采用Y型耦合器。
工作过程如下：光信号通过输入波导1传输到Y型耦合器中，Y型耦合器由于两输出端的波导宽度不同，将光信号分成强度不相等的光束，然后经过上臂支路3-1和下臂支路3-2后再由与Y型耦合器耦合比相同的X型耦合器耦合后分别传输到输出波导5-1和输出波导5-2中，X型耦合器由于耦合臂长和耦合间距的改变使得X型耦合器的耦合比与Y型耦合器的耦合比相等，使得在制作工艺误差高达±0.1um的情况下，通过金属薄膜加热器6改变上臂支路3-1和/或下臂支路3-2的折射率时X型耦合器的其中一个输出波导的衰减仍可满足大于30 dB的设计要求。
实施例2：如图2所示，给出了一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器，包括第一耦合器2，第一耦合器2采用X型耦合器，X型耦合器的两个输入端分别与输入波导1-1和输入波导1-2相连，X型耦合器的两个输出端分别与上臂支路3-1和下臂支路3-2的前端相连，第二耦合器4即X型耦合器的两个输入端分别与上臂支路3-1和下臂支路3-2的后端连接，X型耦合器的两个输出端分别与输出波导5-1和输出波导5-2连接，上臂支路3-1和下臂支路3-2上设有金属薄膜加热器6，金属薄膜加热器6位于隔离沟槽7之间，通过调整第一耦合器2即X型耦合器和第二耦合器4即 X型耦合器的耦合长度和耦合间距使两者的耦合比相同为m:n，在耦合比为某个比例时，使可调光衰减器在制作工艺偏差高达±0.1um的情况下仍能达到较高的调制深度。
其中，耦合比m:n优选为6:4，第二耦合器4还可采用Y型耦合器。
工作过程如下：光信号通过输入波导1-1和输入波导1-2传输到第一耦合器2即X型耦合器中，X型耦合器由于耦合长度和耦合间距的改变，将光信号分成强度不相等的光束，然后经过上臂支路3-1和下臂支路3-2后再由第二耦合器4即X型耦合器耦合后分别传输到输出波导5-1和输出波导5-2中。第二耦合器4即 X型耦合器由于耦合长度和耦合间距的改变，使得第二耦合器4与第一耦合器2的耦合比相同，在制作工艺误差高达±0.1um的情况下，通过金属薄膜加热器6改变上臂支路3-1和/或下臂支路3-2的折射率时，第二耦合器4的其中一个输出波导的衰减仍可满足大于30 dB的设计要求。
为进一步理解，采用Rsoft软件模拟三种不同耦合比的输出结果，模拟时采用可调光衰减器的结构为第一耦合器采用Y型耦合器，第二耦合器采用X型耦合器，且可调光衰减器的两臂长度相等，分别模拟5:5、6:4、7:3这三种耦合比，通过热调制，使其中一臂的折射率差变化时，每种结构都能达到大于30dB的衰减。然后引入工艺误差，使波导宽度同时增大或减小，对比这三种耦合比对工艺误差的容忍能力。模拟结果如图3所示，在误差高达±0.1um时，耦合比为6:4的VOA结构的衰减量保持在30dB以上，而耦合比为7:3、5:5的VOA结构的衰减量变化较大，小于30dB，但是耦合比7:3的VOA结构的衰减量变化比耦合比5:5的VOA结构的衰减量变化大，实验证明通过采用不对称的耦合器，可以达到提高器件制作容差的效果，但是耦合器的耦合比应稍微偏离5:5，若偏离程度太大则器件对工艺误差的容忍能力变得更差。
Claims (2)
1.一种高制作容差的平面波导型可调光衰减器，包括第一耦合器（2），第一耦合器（2）的输入端与输入波导连接，第一耦合器（2）的两个输出端分别与上臂支路（3-1）和下臂支路（3-2）的前端连接，第二耦合器（4）的两个输入端分别与上臂支路（3-1）和下臂支路（3-2）的后端连接，第二耦合器（4）的输出端与输出波导连接，所述上臂支路（3-1）和 / 或下臂支路（3-2）上设有金属薄膜加热器（6），金属薄膜加热器（6）位于隔离沟槽（7）之间，其特征在于：所述第一耦合器（2）和第二耦合器（4）耦合比相同且均为不对称的耦合器，使可调光衰减器在制作工艺偏差高达 ±0.1um 的情况下仍能达到较高的调制深度；使衰减量大于30dB；所述不对称的耦合器的耦合比为m:n，其中，m≠n，且m，n均不为0；耦合比m:n为6:4。
2.根据权利要求 1 所述的高制作容差的平面波导型可调光衰减器，其特征在于：所述第一耦合器（2）和第二耦合器（4）为 Y 型耦合器或 X 型耦合器。
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