CN104101952A - 阵列光栅波导型波分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成光学技术领域。它提出了一种阵列光栅波导型波分复用器，是基于平面光波导技术，采用半导体硅基二氧化硅平面制作工艺；由前后各一个能自由聚焦的平板波导和中间一组平面阵列波导组成的集成光路，具有双向可逆的单路/多路密集型多信道输入输出端口和波分复用/解复用功能；采用光电一体化集成模块金属外壳封装形式，内置式自动恒温控制装置，可有效改善平面集成阵列波导光栅的温度稳定性。该光器件不但结构紧凑，集成度高，体积小，重量轻，性能稳定可靠，而且制作工艺成熟、稳定，适合大批量生产，生产效率高、成本低，适用于光通信的骨干网、城域网和接入网的波分复用系统。

Description

阵列光栅波导型波分复用器

技术领域

本发明是一种阵列光栅波导型波分复用器(WDM)，属于集成光学技术领域。

背景技术

现有传统的波分复用器主要有光学介质薄膜窄带滤波器和光纤光栅滤波器。

光学介质薄膜窄带滤波器的基本原理是基于传统的F-P腔干涉滤波器，通常采用多腔结构(3～5腔)来实现平顶的光谱响应特性和较好的品质因数，但由于在制作时，光学薄膜的层数多达上百层，给多腔光学介质薄膜窄带滤波器的设计、制作和测试都带来极大的难度，同时对膜层的损耗、应力、温度稳定性、折射率控制以及衬底材料的热膨胀特性和后续的光学切割抛光等方面要求非常苛刻。光学介质薄膜窄带滤波器是单通道滤波器，实际制作多通道波分复用器则需要多个中心波长不同的滤波器级联。由于采用串行的级联方式，每个三端口器件的反射通道的损耗为0.2dB，这样在通道数较多时将导致波分复用/解复用器件各通道间损耗的不均衡。第一个通道损耗最小，最后一个损耗最大，如果通道数为40，则通道间损耗的不均匀性高达8dB以上。

光纤光栅滤波器相当于一个带阻滤波器，其基本原理是：符合布拉格条件的波长发生全发射，而其它波长的光则直接通过。光纤光栅窄带滤波器长度一般为15～20mm，光栅常数约为1μm，亦即单个光纤光栅就包含上万个周期结构，因此它可以达到接近100％的反射率。通常采用相位掩膜和全息曝光方法制作光纤光栅，虽然光纤光栅插入损耗低、对偏振不敏感、光谱响应特性好，但其设计、工艺、封装的难度较大，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种尺寸小、集成度高、性能稳定的多信道阵列光栅波导型(AWG)波分复用器，它是现代光通讯系统和网络必不可少的波分复用核心器件。

本发明的方案是设计一个采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作的平面光波导，波导光芯沉积于硅基晶圆上，并置于折射率和厚度都不同于光芯的二氧化硅衬垫和覆盖包层中，其衬垫和覆盖包层的折射率略小于光芯的折射率，厚度则是光芯厚度二到三倍；器件的平面波导光路结构特征是：具有单路和多路双向可逆的密集型多信道输入输出端口，前后各有一个平板波导形成光路自由聚焦平面，中间是阵列波导，各路波导长度的设计原则是根据给定的中心波长，使临近波导的光程差等效于密集波分复用器中心波长的整数倍；器件的封装结构包括内置式自动恒温控制装置，楔型槽结构波导光纤接口，双层光电一体化集成模块和金属外壳。

本发明与现有技术比较具有如下优点：

1.由于采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作，克服了传统光纤熔锥器件在生产工艺和器件性能上存在的稳定性和可靠性问题，提高了器件的生产效率和性能。平面工艺器件适合大批量生产，而且体积小、重量轻、集成度高、成本低。

2.光学介质薄膜窄带滤波器技术和光纤光栅技术制作波分复用器件是串行工作，而基于平面集成阵列波导光栅技术的器件则是并行工作，尤其是信道数目较大时，在插入损耗和均匀性上优势明显。随着半导体工艺和技术的不断成熟和进步，平面波导器件无论在功能复杂性和功能集成方面，还是在制作成本方面都远优于现有的传统器件。

3.由于设计采用内置式自动恒温控制装置，将改善平面集成阵列光栅波导的温度稳定性，并实现多功能光电一体集成模块器件的封装。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是本发明平面波导光路结构示意图

图2是本发明输入/输出星形耦合器(输入/输出平板波导)结构示意图

其中：图2-1是输入星形耦合器(输入平板波导)结构示意图

图2-2是输出星形耦合器(输出平板波导)结构示意图

图3是本发明平面光波导加工过程中的截面结构示意图

其中：图3-1硅基晶圆  图3-2沉积未掺杂的二氧化硅下包层

图3-3沉积掺锗的二氧化硅芯层 图3-4铬层 图3-5光刻胶影像

图3-6刻蚀铬层 图3-7二氧化硅芯层的精密刻蚀

图3-8去除光刻胶和铬层 图3-9沉积掺硼和磷的二氧化硅覆盖包层

图4是本发明集成模块封装结构示意图

图中1单路信号端：波分复用时作为信号输出端，解复用时作为信号输入端

2输入星形耦合器(输入平板波导)：作为输入端光路自由传播，聚焦平面

3阵列波导：波导光栅阵列，相邻波导的长度取决于临近波导的光程差

4输出星形耦合器(输出平板波导)：作为输出端光路自由传播，聚焦平面

5多路信号端：波分复用时作为信号输入端，解复用时作为信号输出端

6输入波导：光路通过该输入波导进入输入星形耦合器(输入平板波导)

7楔型槽结构波导接口：该楔型槽结构能有效降低光波的插入损耗

8输入端的阵列波导 9输出端的阵列波导

10输出波导：光路通过该输出波导进入多路信号端

11硅基晶圆：半导体硅基材，作为晶圆芯片加工的衬底

12衬垫：光芯下部的衬底，折射率略小于波导光芯的二氧化硅

13波导光芯：二氧化硅平面光波导，传输光信号

14铬层 15光刻胶影像

16覆盖包层：光芯上部掺硼和磷的二氧化硅覆盖包层，其折射率略小于波导光芯的二氧化硅

17单路传输接口：集成器件的单路光纤传输接口

18多路传输接口：集成器件的多路光纤传输接口

19电路接口：集成器件的恒温控制电路接口

20外壳底座：集成器件的金属外壳底座

21端盖：集成器件的金属外壳端盖

22温控模块：集成器件的恒温控制电路模块

23光芯片模块：集成器件的晶圆芯片的光路模块

24波导光纤接口：光芯片模块的光波导和光纤接口

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明的具体实施方式：

本发明是采用硅基沉积二氧化硅的半导体加工技术和工艺制作而成的，如图3-9平面光波导截面结构示意图所示，由硅基晶圆(11)、衬垫(12)、波导光芯(13)以及覆盖包层(16)构成，其工艺步骤为：

1.采用等离子气相沉积法，在硅基晶圆(11)上，沉积衬垫(12)，如图3-2所示

2.采用等离子气相沉积法，在衬垫(12)上，沉积波导光芯(13)，如图3-3所示

3.经过高温退火后，在波导光芯(13)上，溅射一层铬(14)，如图3-4所示

4.涂覆一层光刻胶，在掩模板下通过光刻机完成光刻胶的光刻，形成光刻胶影像，如图3-5所示

5.利用反应离子刻蚀技术，刻蚀铬层，形成如图3-6所示的结构示意图

6.按照波导所要求的尺寸和精度，完成二氧化硅波导光芯的精密刻蚀，形成所设计的平面波导光路，如图3-7所示

7.去除光刻胶和铬层，形成如图3-8所示的结构示意图

8.沉积掺硼和磷的二氧化硅覆盖包层，形成如图3-9所示的结构示意图

9.切割晶圆，抛光打磨裸片，完成芯片的封装

其中波导光芯(13)二氧化硅材料的折射率略大于衬垫(12)和覆盖包层(16)二氧化硅材料的折射率；而衬垫(12)和覆盖包层(16)的厚度是波导光芯(13)厚度的二到三倍，以保证光信号高效率地在波导光芯中传送。

图1所示，当器件用于波分复用时，多路信号端(5)将作为输入口，通过复用光路，将多路信号端(5)输入的单一波长信号耦合至单路信号端(1)输出；当器件用于波分解复用时，单路信号端(1)作为输入端口，通过解复用光路，将单路信号端(1)输入的多波长混合信号分解至多路信号端(5)输出。平板波导(2、4)和阵列波导(3)组成的光路是一个双向可逆的光路，既可作为波分复用器也可作为波分解复用器。现以本发明作为波分解复用器为例说明其工作原理：输入波导将光纤中的多波长光耦合到第1个平板波导(2)中，此时的光不再受到横向限制，并且开始发散，分别进入阵列波导(3)的输入端口；光沿各波导独立传输，达到阵列波导(3)的输出端口；适当选择阵列波导的长度，使临近波导的光程差等效于密集波分复用器器件中心波长的整数倍，这样能保持光波长等相位地到达第2个平板波导(4)；阵列波导长度的改变使得相位随波长发生变化，从而导致第2个平板波导(4)的输出波导聚焦点随波长的不同而发生移动，亦即各波长发生空间分离，并从输出波导的不同端口输出，实现多波长解复用的功能。上述结构光路反过来使用便是波分复用器。

本发明阵列光栅波导型波分复用器采用光电一体化模块式封装，外壳底座(20)和端盖(21)为金属合金材料；一端为单路光纤传输接口(17)，另一端为多路光纤传输接口(18)；内部光芯片模块的波导光纤接口(24)采用能够保证光纤精确定位的楔型槽结构；内置式自动恒温控制装置由温度控制电路模块(22)和温控电路接口(19)构成，可保证密集波分复用器的温度稳定性；置于温控模块(22)之上的部分就是器件的核心部分即光芯片模块(23)，其集成光路采用平面集成阵列光栅波导技术。

Claims (5)

1.阵列光栅波导型波分复用器，由硅基晶圆、衬垫、波导光芯以及覆盖包层构成，其特征在于：硅基晶圆上沉积折射率及厚度不同的二氧化硅衬垫、波导光芯和覆盖包层，构成平面光波导器件；集成光路前后各有一个平板波导形成光路自由传播，聚焦平面，中间是一组平面阵列波导，二端是单路和多路密集型多信道的输入和输出；器件的封装结构包括内置式自动恒温控制装置，楔型槽结构的波导光纤接口，双层光电一体化集成模块和金属外壳。

2.按权利要求1所述的波分复用器，其特征在于：平面型波导光芯是沉积于硅基晶圆上，并置于折射率和厚度都不同于波导光芯的衬垫和覆盖包层中构成平面光波导器件；其衬垫和覆盖包层的折射率略小于波导光芯的折射率；而衬垫和覆盖包层的厚度则是波导光芯厚度的二到三倍。

3.按权利要求1所述的波分复用器，其特征在于：集成光路前后各有一个平板波导形成光信号传输的自由聚焦平面；中间是一组平面阵列波导，各路波导长度的设计原则是根据给定的中心波长，使临近波导的光程差等效于波分复用器中心波长的整数倍；二端是单路信号和多路信号双向可逆的输入输出口。作为波分解复用时，单路信号端为输入口，多路信号端为输出口；作为波分复用时，单路信号端为输出口，多路信号端为输入口。

4.按权利要求1所述的波分复用器，其特征在于：在输入波导与输入星形耦合器(输入平板波导)接口处，输入星形耦合器(输入平板波导)与阵列波导接口处，阵列波导与输出星形耦合器(输出平板波导)接口处，输出星形耦合器(输出平板波导)与输出波导接口处均采用垂直楔形波导结构，这样能有效地降低光波的插入损耗，提高光传播效率。

5.按权利要求1所述的密集波分复用器，其特征在于：带有内置式自动恒温控制装置，包括温度控制电路模块和温度控制电路接口；光纤与光波导接口采用能够精确定位的楔型槽结构；双层光电一体化集成模块结构，晶圆芯片的光路模块置于温度控制电路模块之上，并用金属合金材料作为集成器件的外壳；一端是单路光纤传输接口，另一端是多路光纤传输接口。