CN113376748B - 集成硅基布拉格反射器的合分波器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件及制备方法，该器件包括：衬底；滤波用布拉格反射器，形成于衬底上，用于对输入光进行滤波；反射用布拉格反射器，形成于衬底上，用于对经滤波用布拉格反射器滤波的输出光进行反射；增透用布拉格反射器，形成于衬底上，用于对经反射用布拉格反射器反射的反射光进行透射。本公开提供的集成硅基布拉格反射器的合分波器件及制备方法，工艺流程简单，能够一次性大规模生产不同种类需求的合分波器件。

Description

集成硅基布拉格反射器的合分波器件及制备方法
技术领域
本公开涉及波分复用技术领域，尤其涉及一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件及制备方法。
背景技术
随着信息技术的发展，波分复用技术越来越引起人们的重视。在5G通信中，由于光纤资源的紧张，前传网络将采用多波长复用的方式进行信息的传递。而交换机端口以及机房的资源也日趋紧张，因此多通道的高速率光模块成为了满足构建前传网络的首选。
多通道的高速率光模块主要由特定波长的发射模块与接收模块组合而成。无论是发射模块还是接收模块，在进行封装的时候合分波器件必不可少。在光模块的制备中，常用的合分波器件有Z-block、阵列波导光栅等。而阵列波导光栅体积庞大，不能适用于QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable，四路小型可插拔)模块的封装形式。在前传光模块中最主要应用的还是传统的Z-block器件。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：现有技术中Z-block型的合分波器件制备过程繁琐，且产能受限。
发明内容
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件及制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
本公开的一个方面提供了一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件，包括：
衬底；
滤波用布拉格反射器，形成于上述衬底上，用于对输入光进行滤波；
反射用布拉格反射器，形成于上述衬底上，用于对经上述滤波用布拉格反射器滤波的输出光进行反射；
增透用布拉格反射器，形成于上述衬底上，用于对经上述反射用布拉格反射器反射的反射光进行透射。
根据本公开的实施例，上述滤波用布拉格反射器包括多个，其中，多个滤波用布拉格反射器沿直线排列。
根据本公开的实施例，上述反射用布拉格反射器包括多层堆叠的第一介质膜对；其中，上述第一介质膜对包括折射率不同的第一介质膜和第二介质膜。
根据本公开的实施例，上述反射用布拉格反射器中上述第一介质膜对的堆叠层数越多，上述反射用布拉格反射器的反射率越高。
根据本公开的实施例，上述增透用布拉格反射器或者上述滤波用布拉格反射器包括多层堆叠的第二介质膜对和半波层；
其中，上述第二介质膜对包括折射率不同的第三介质膜和第四介质膜；
其中，上述半波层包括第三介质膜或者第四介质膜；
其中，上述半波层形成于上述多层堆叠的第二介质膜对内。
根据本公开的实施例，上述第一介质膜对中的上述第一介质膜的厚度或者上述第二介质膜的厚度包括介质膜内光波长的四分之一；
上述第二介质膜对中的上述第三介质膜的厚度或者上述第四介质膜的厚度包括介质膜内光波长的四分之一。
根据本公开的实施例，上述第一介质膜对中的上述第一介质膜和上述第二介质膜包括硅基介质膜；
上述第二介质膜对中的上述第三介质膜或者上述第四介质膜包括硅基介质膜。
根据本公开的实施例，上述衬底包括硅片或石英玻璃。
本公开的另一方面还提供了一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的制备方法，包括：
在衬底上形成图案化的光刻胶；
以上述图案化的光刻胶为掩膜，刻蚀上述衬底；
对上述衬底进行填充；
解理，在上述衬底上形成滤波用布拉格反射器、反射用布拉格反射器和增透用布拉格反射器。
根据本公开的实施例，其中，对上述衬底进行填充包括：
填充有机材料、再生长或者溅射无机材料。
根据本公开的实施例，因为采用通过在衬底上刻蚀和填充的方式来制备集成硅基布拉格反射器的合分波器件，所以，相比于现有技术，解决了合分波器件对镀膜机过于依赖的状态，制备工艺简单，并且能够一次性大规模生产不同种类需求的合分波器件。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的结构示意图；
图2A示意性示出了根据本公开实施例的硅基布拉格反射器的结构示意图；
图2B示意性示出了图2A中硅基布拉格反射器的波长与反射率的关系曲线示意图；
图3A示意性示出了根据本公开实施例的带有半波层的硅基布拉格反射器的结构示意图；
图3B示意性示出了图3A中带有半波层的硅基布拉格反射器的波长与反射率的关系曲线示意图；以及
图4示意性示出了根据本公开实施例的一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的制备方法流程图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1.滤波用布拉格反射器；11.第一滤波用布拉格反射器；12.第二滤波用布拉格反射器；13.第三滤波用布拉格反射器；14.第四滤波用布拉格反射器；2.反射用布拉格反射器；3.增透用布拉格反射器；4.衬底。
具体实施方式
传统的Z-block是在玻璃块的一边贴上多个相应波长的滤光片，该滤光片只能让当前通道的波长通过，并且反射其它通道的波长；玻璃块的另一边，一部分区域镀高反膜，一部分区域镀增透膜。这种方式制备的Z-block需要将各个部件制备好之后进行组装。且在制备过程中需要大量的镀膜机工作来获得滤光片和镀增透膜和高反膜，由于镀膜过程本身就需要耗费大量时间。因此，传统的Z-block制备过程繁琐，且产能受限。
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。
本公开提供了一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件，包括：
衬底；
滤波用布拉格反射器，形成于衬底上，用于对输入光进行滤波；
反射用布拉格反射器，形成于衬底上，用于对经滤波用布拉格反射器滤波的输出光进行反射；
增透用布拉格反射器，形成于衬底上，用于对经反射用布拉格反射器反射的反射光进行透射。
根据本公开的实施例，本公开的集成硅基布拉格反射器的合分波器件，通过在衬底上刻蚀和填充的方式形成集成硅基布拉格反射器的合分波器件，相比于现有技术，解决了合分波器件对镀膜机过于依赖的状态，并且能够一次性大规模生产不同种类需求的合分波器件。
根据本公开的实施例，反射用布拉格反射器包括多层堆叠的第一介质膜对；其中，第一介质膜对包括折射率不同的第一介质膜和第二介质膜。
根据本公开的实施例，第一介质膜对中的第一介质膜的厚度或者第二介质膜的厚度包括介质膜内光波长的四分之一；
第二介质膜对中的第三介质膜的厚度或者第四介质膜的厚度包括介质膜内光波长的四分之一。
根据本公开的实施例，反射用布拉格反射器中第一介质膜对的堆叠层数越多，反射用布拉格反射器的反射率越高。
根据本公开的实施例，其中，反射用布拉格反射器中的介质膜对可以包括1对介质膜对，还可以包括多对，例如2对介质膜对、三对介质膜对或者更多对介质膜对。
根据本公开的实施例，反射用布拉格反射器是由两种折射率不同的介质膜组成介质膜对，并通过介质膜对的多层堆叠形成的一种复合结构；每一层介质膜的厚度d为光在该介质膜中的波长λlayer的四分之一，即λlayer/4，λlayer为光在真空中的波长λ0与介质膜的折射率n之比，即λ0/n，由此可知，反射用布拉格反射器中的介质膜的厚度与介质膜本身的折射率有关，介质膜的折射率越大介质膜的厚度越薄。
根据本公开的实施例，反射用布拉格反射器的反射率与介质膜的折射率之间的关系式如下所示：
Figure BDA0003120038320000051
其中，R为反射用布拉格反射器的反射率，N为介质膜的对数，n0为外界折射率，n1和n2为分别为两种折射率不同的介质膜的折射率，n3为衬底的折射率。光在第一介质膜与第二介质膜之间的界面上产生反射波，每个界面处的反射波因为介质膜厚度不同而产生相位差，并产生一系列的反射光波带，在一定的波长范围内反射率显著提高。反射用布拉格反射器的中心位置的波长为λ0，当拥有足够数量的介质膜对堆叠在一起时，波长为λ0的光波反射率接近于1，即达到完全反射，此时的布拉格反射器能够作为反射用布拉格反射器。
根据本公开的实施例，滤波用布拉格反射器包括多个，其中，多个滤波用布拉格反射器沿直线排列。
根据本公开的实施例，滤波用布拉格反射器的数量可以根据器件的需要进行加减；例如，滤波用布拉格反射器的数量可以是两个、三个甚至更多个。
根据本公开的实施例，增透用布拉格反射器或者滤波用布拉格反射器包括多层堆叠的第二介质膜对和半波层；
其中，第二介质膜对包括折射率不同的第三介质膜和第四介质膜；
其中，半波层包括第三介质膜或者第四介质膜；
其中，半波层形成于多层堆叠的第二介质膜对内。
根据本公开的实施例，当布拉格反射器中存在一半波层时可得到一具有窄带光谱透射滤波作用的器件，其通带局限于四分之一波长的光子带隙中心。因此，当在由介质膜对堆叠而成的布拉格反射器中存在一半波层后，该具有一半波层的布拉格反射器能够作为滤波用布拉格反射器和增透用布拉格反射器。
根据本公开的实施例，半波层的材料与所要插入的布拉格反射器的介质膜对中的其中之一的材料相同，其厚度也与该介质膜对中的其中之一相同；半波层可以插入在该布拉格反射器的中间一对介质膜对之间。
根据本公开的实施例，反射用布拉格反射器和增透用布拉格反射器沿直线排列；滤波用布拉格反射器与反射用布拉格反射器和增透用布拉格反射器存在一定间隔且相互平行。
根据本公开的实施例，第一介质膜对中的第一介质膜和第二介质膜包括硅基介质膜；第二介质膜对中的第三介质膜或者第四介质膜包括硅基介质膜。
根据本公开的实施例，衬底包括硅片或石英玻璃。
本公开还提供了一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的制备方法，包括：
在衬底上形成图案化的光刻胶；
以图案化的光刻胶为掩膜，刻蚀衬底；
对衬底进行填充；
解理，在衬底上形成滤波用布拉格反射器、反射用布拉格反射器和增透用布拉格反射器。
根据本公开的实施例，其中，对衬底进行填充包括：
填充有机材料、再生长或者溅射无机材料。
根据本公开的实施例，在对衬底进行填充时，填充的材料可以是有机材料，还可以是无机材料，例如SiO2、TiO2、Si3N4。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
图1示意性示出了根据本公开实施例的一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的结构示意图。
如图1所示，该器件整体形成于衬底4上，衬底4采用硅片，该硅基布拉格反射器的合分波器件整体采用Z-block的结构，器件的左侧为滤波用硅基布拉格反射器1，自上而下设置有滤波用硅基布拉格反射器11、滤波用硅基布拉格反射器12、滤波用硅基布拉格反射器13、滤波用硅基布拉格反射器14；反射用硅基布拉格反射器2与增透用硅基布拉格反射器3形成于衬底4的另一侧，且与滤波用硅基布拉格反射器1保持平行，并与入射光波的传播方向保持一定的角度，该夹角可以保证不同位置平行入射的光可以汇聚到一起。
如图1所示，波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4的入射光从滤波用布拉格反射器1所包括的滤波用布拉格反射器11、滤波用布拉格反射器12、滤波用布拉格反射器13、滤波用布拉格反射器14入射，并通过右侧的反射用布拉格反射器2进行反射，最后通过增透用布拉格反射器4将反射用布拉格反射器2反射的光波输出。
根据本公开的实施例，
图2A示意性示出了根据本公开实施例的硅基布拉格反射器的结构示意图；图2B示意性示出了图2A中硅基布拉格反射器的波长与反射率的关系曲线示意图。
如图2A和图2B所示，布拉格反射器是由折射率分别为n1和n2的介质膜组成的介质膜对堆叠而成，由上述布拉格光栅的反射率与介质膜的折射率之间的关系式可知，当拥有足够数量的介质膜对堆叠在一起时，波长为λ0的光波反射率接近于1。由图2B可知，随波长增加反射率随之变化，并在波长1.55um处达到最大值；而随着介质膜对由6对增加到10对时，波长在1.5μm～1.6μm时反射率明显增加，并接近100％。所以，通过增加介质膜对的对数能够显著提高布拉格反射器的反射率，从而形成反射用布拉格反射器。
图3A示意性示出了根据本公开实施例的带有半波层的硅基布拉格反射器的结构示意图；以及图3B示意性示出了图3A中带有半波层的硅基布拉格反射器的波长与反射率的关系曲线示意图。
如图3A和图3B所示，向布拉格反射器的介质膜之间加入一半波层之后，此时硅基布拉格反射器的周期型结构被打断，会导致该硅基布拉格反射器的反射率降低，如图3B所示，当波长为1.55μm时，反射能力最弱。因此，通过向布拉格发射器中加入半波层，能够形成滤波用布拉格反射器和增透用布拉格反射器。
根据本公开的实施例，当半波层设置于布拉格反射器的介质膜对的中间位置时，其降低反射率的效果最佳。
实施例2
图4示意性示出了根据本公开实施例的一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的制备方法流程图。
如图4所示，集成硅基布拉格反射器的合分波器件的制备方法可以包括如下步骤。
S401：采用硅片作为衬底的材料，在衬底上形成所需要的图案化的光刻胶。
S402：以图案化的光刻胶为掩膜，刻蚀衬底。
S403：对刻蚀后的衬底进行材料填充，依据不同折射率的需要进行相应材料的填充。
S404：解理，在衬底上分别形成滤波用硅基布拉格反射器、反射用硅基布拉格反射器、增透用硅基布拉格反射器，并经后续处理最终形成集成硅基布拉格反射器的合分波器件。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件，其特征在于，包括：
衬底；
多个滤波用布拉格反射器，形成于所述衬底上，用于对不同波长的输入光进行滤波；
反射用布拉格反射器，形成于所述衬底上，用于对经所述滤波用布拉格反射器滤波的输出光进行反射；
增透用布拉格反射器，形成于所述衬底上，用于对经所述反射用布拉格反射器反射的反射光进行透射；
其中，所述输入光射入所述滤波用布拉格反射器进行滤波，所述滤波用布拉格反射器的输出光射入所述反射用布拉格反射器或所述增透用布拉格反射器；
在所述输出光射入所述反射用布拉格反射器的情况下，所述输出光经过所述反射用布拉格反射器反射至下一个滤波用布拉格反射器，再经过下一个所述滤波用布拉格反射器的折射，与下一个滤波用布拉格反射器的输出光合并；
在所述输出光射入所述增透用布拉格反射器的情况下，所述滤波用布拉格反射器位于最低端，所述输出光与经过最低端滤波用布拉格反射器折射的光合并，经过所述增透用布拉格反射器后输出，实现光波的合并。
2.根据权利要求1所述的合分波器件，其特征在于，多个滤波用布拉格反射器沿直线排列。
3.根据权利要求1所述的合分波器件，其特征在于，所述反射用布拉格反射器包括多层堆叠的第一介质膜对；其中，所述第一介质膜对包括折射率不同的第一介质膜和第二介质膜。
4.根据权利要求3所述的合分波器件，其特征在于，所述反射用布拉格反射器中所述第一介质膜对的堆叠层数越多，所述反射用布拉格反射器的反射率越高。
5.根据权利要求3所述的合分波器件，其特征在于，所述增透用布拉格反射器或者所述滤波用布拉格反射器包括多层堆叠的第二介质膜对和半波层；
其中，所述第二介质膜对包括折射率不同的第三介质膜和第四介质膜；
其中，所述半波层包括第三介质膜或者第四介质膜；
其中，所述半波层形成于所述多层堆叠的第二介质膜对内。
6.根据权利要求5所述的合分波器件，其特征在于，所述第一介质膜对中的所述第一介质膜的厚度或者所述第二介质膜的厚度包括介质膜内光波长的四分之一；
所述第二介质膜对中的所述第三介质膜的厚度或者所述第四介质膜的厚度包括介质膜内光波长的四分之一。
7.根据权利要求5所述的合分波器件，其特征在于，所述第一介质膜对中的所述第一介质膜和所述第二介质膜包括硅基介质膜；
所述第二介质膜对中的所述第三介质膜或者所述第四介质膜包括硅基介质膜。
8.根据权利要求1所述的合分波器件，其特征在于，所述衬底包括硅片或石英玻璃。
9.一种集成硅基布拉格反射器的合分波器件的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成图案化的光刻胶；
以所述图案化的光刻胶为掩膜，刻蚀所述衬底；
对所述衬底进行填充；
解理，在所述衬底上形成多个滤波用布拉格反射器、反射用布拉格反射器和增透用布拉格反射器；
其中，所述多个滤波用布拉格反射器能够对不同波长的输入光进行滤波，所述滤波用布拉格反射器的输出光能够射入所述反射用布拉格反射器或所述增透用布拉格反射器；
在所述滤波用布拉格反射器的输出光射入所述反射用布拉格反射器的情况下，所述滤波用布拉格反射器的输出光经过所述反射用布拉格反射器反射至下一个滤波用布拉格反射器，再经过下一个所述滤波用布拉格反射器的折射，与下一个滤波用布拉格反射器的输出光合并；
在所述滤波用布拉格反射器的输出光射入所述增透用布拉格反射器的情况下，所述滤波用布拉格反射器位于最低端，所述滤波用布拉格反射器的输出光与经过最低端滤波用布拉格反射器折射的光合并，经过所述增透用布拉格反射器后输出，实现光波的合并。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
其中，对所述衬底进行填充包括：
填充有机材料、再生长或者溅射无机材料。
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