CN116148982A - 光波分复用解复用器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光波分复用解复用器及其制作方法，属于波分复用技术领域，让波分复用器结构紧凑，产品稳定性好，损耗低，结构尺寸小，产品稳定性好，损耗低，偏正不敏感且隔离度大，包括波导芯片和两组光纤阵列，波导芯片包括衬底、下包层、芯层和上包层，在芯层设有若干条波导光路，这若干条波导光路之间呈“W”状布置；波导光路由直波导光路和弯曲波导光路组成来实现光信号在波导芯片上的传输；弯曲波导光路的转弯点分布在波导芯片的左右两端面上；并且位于波导芯片内任意两条相邻的波导光路之间的夹角均为锐角。

Description

光波分复用解复用器及其制作方法

技术领域

本发明涉及波分复用技术领域，尤其涉及一种光波分复用解复用器及其制作方法。

背景技术

波分复用(WDM)技术主要是将发送端的多路光信号组合起来(复用)，并耦合到同一根光纤中进行同时传输；在接收端再将组合的光信号分开(解复用)，恢复原信号送至不同的客户终端。将波分复用/解复用器分别置于光纤的两端来实现不同光信号的耦合与分离。

根据应用领域的不同，目前常用的波分复用器大致可以分为干涉膜滤波器(TFF)型、光纤光栅型、阵列波导光栅(AWG)型和熔融拉锥耦合型波分复用器。其中，干涉膜滤波技术及阵列波导光栅技术近年来发展较为成熟，商用的波分复用器主要也是采用干涉膜滤波技术及阵列波导技术来设计。波分复用/解复用器的重要性能指标包括中心波长(λ₀)、插入损耗、信道隔离度和通带宽度等。

基于TFF的波分复用器：技术较成熟，具有温度稳定性好、插入损耗较低、偏振不敏感、信道隔离度高、信道间隔可以不规则设置、系统升级容易等优点，适合信道数量不多的波分复用系统。目前薄膜滤波片型波分复用器的制作采用全胶封装工艺，由自聚焦透镜、薄膜滤波片及准直器实现。其缺点是随着通道数的增加，插入损耗增大，器件成本与通道数成正比，装配时间长且重复性低等。

发明内容

本发明是为了解决现有薄膜滤波片型波分复用解复用器随着通道数的增加，插入损耗增大，器件成本与通道数成正比，装配时间长，可靠性差的不足，提供一种光波分复用解复用器及其制作方法；

目的一，是让波分复用器结构紧凑，产品稳定性好，损耗低，结构尺寸小，产品稳定性好，损耗低，偏正不敏感且隔离度大；

目的二，是旨在解决波分复用器制作工艺复杂，重复性差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

光波分复用解复用器，包括波导芯片和两组光纤阵列，波导芯片包括衬底、下包层、芯层和上包层，在芯层设有若干条波导光路，这若干条波导光路之间呈“W”状布置；波导光路由直波导光路和弯曲波导光路组成来实现光信号在波导芯片上的传输；弯曲波导光路的转弯点分布在波导芯片的左右两端面上；并且位于波导芯片内任意两条相邻的波导光路之间的夹角均为锐角；

在每组光纤阵列一端的每条光纤上分别设有干涉滤波薄膜，每组光纤阵列的一端分别正对设置在波导芯片左右两个端面上，并且每组光纤阵列上的每条光纤的干涉滤波薄膜与弯曲波导光路的弯曲点一对一对接布置。

作为优选，位于波导芯片同一侧的任意两个相邻转弯点之间的间距可根据不同要求进行调整。

作为优选，位于波导芯片同一侧的任意两个相邻转弯点之间的间距或者是127微米，或者是250微米，或者是127微米、250微米的整数倍。

作为优选，在干涉滤波薄膜处的每根光纤上分别设有自聚焦透镜的光信号调节器。

作为优选，光信号调节器包括固定光纤的支架，自聚焦透镜设置在支架上。

光波分复用解复用器的制作方法，制作方法如下：

步骤一、制作波导芯片；

波导芯片采用平面光波导技术及半导体工艺制作完成；制作波导芯片如下：

S1，选择合适的衬底材料作为基板，采用半导体清洗工艺对基板进行清洗，保证基板的洁净度；

对基板的颗粒度、平整度有较高的要求；

衬底材料可采用硅片、石英片或者陶瓷；

S2，制作下包层；选择折射率较低的材料在衬底基板上沉积纯薄膜作为下包层，厚度为6-15微米；

若衬底材料为石英，下包层材料为纯二氧化硅则可以省略此步骤；

S3，制作芯层；选择折射率较高的材料作为芯层的制作材料，根据设计在基板或下包层表面通过CVD工艺方法沉积制作一定厚度的芯层；

可经退火工艺处理提高薄膜的质量，减小波导的损耗；芯层波导材料可用二氧化硅、硅、氮化硅；

S4，制作波导光路，采用光刻和刻蚀工艺对芯层进行处理，将芯层加工成符合设计要求的波导光路；

特别的，输入端和输出端的间距以及输出端之间的间距可以根据不同的要求进行调整；

S5，制作上包层；选择与下包层折射率相同的材料作为上包层的制作材料，在基板或下包层的表面以及波导光路的上表面，通过CVD工艺或者FHD工艺方法沉积制作厚度为15-30微米的上包层，使波导光路均被密封在基板或下包层和上包层之间；

S6，采用高精度的划片机把以上步骤制作完成的晶圆按照设计图纸切割到预设的规格，成为波导芯片；

步骤二、制作光纤镀膜；

首先对光纤进行预处理，使用特殊夹具把多根光纤进行固定，光纤端面方向一致；采用高精CMP工艺对光纤端面进行切割、清洗、研磨、抛光；然后把固定有多根光纤的夹具放置到镀膜机中，通过气相沉积的方法，根据设计中的滤波要求，在光纤端面上沉积多层不同的介质薄膜，组成具有特定波长选择特性的干涉滤波薄膜，光纤镀膜制作完成；

步骤三、制作光纤阵列；

将符合设计要求的具有不同波长选择性的镀膜光纤和V槽组装成光纤阵列；在光纤阵列中，输入光纤和最后一根输出光纤不需要做端面镀膜；

步骤四、将制作完成的波导芯片和具有特定波长选择性的光纤阵列通过光学对准后耦合封装，构成所需信道数的解复用器。

所述的波导芯片采用平面光波导技术及半导体工艺制作完成；

所述的波导芯片包括衬底、下包层、芯层和上包层，其中芯层设有波导光路，波导光路由直波导光路和弯曲波导光路组成来实现光信号在波导芯片上传输；

由一个输入光路和N个输出光路组成的光路则应用于解复用器，反之，由N个输入光路和一个输出光路组成的光路则应用于复用器，N为大于等于1的自然数。

波导芯片上光信号传输的任意两条波导光路间形成特定角度；有效降低波导光路的传输损耗。

波导光路输出端分布在波导芯片的两侧，可有效减小波导芯片的尺寸，使其结构更加紧凑。

波导光路的输入端和输出端的间距以及输出端之间的间距可根据不同的要求进行调整；

波导光路的输入端和输出端的间距以及输出端之间的间距或者是127微米，或者是250微米，或者是127微米、250微米的整数倍；这样可与光纤阵列有效匹配，便于耦合封装，减小装配时间，提高产品的稳定性。

光纤阵列(英文叫Fiber Array，FA)主要结构包括特定V槽和镀膜光纤；

以解复用器为例，

光纤阵列一由一个输入光纤和N个输出光纤(N为大于等于1的自然数)，经封装工艺固定在特定V槽内；以确保光信号传输的稳定性，便于后道耦合封装工艺；

光纤阵列二由N个输出光纤(N为大于等于1的自然数)组成。

光纤阵列一、光纤阵列二中每根输出光纤的输入端端面上都设有特定波长选择特性的干涉滤波薄膜；

干涉滤波薄膜由几十层乃至上百层不同材料、不同折射率和不同厚度的高反射膜按照设计要求组合起来，具体包括多层高折射率膜层、多层低折射率膜层及中间膜层。

特别的，

高折射率膜层的光学厚度为中心波长λ₀的四分之一；

低折射率膜层的光学厚度为中心波长λ₀的四分之一；

中间膜层的光学厚度为中心波长λ₀的二分之一或其整数倍；

它的主要工作原理是：每层介质膜既可透射一部分光又可反射一部分光，每层介质膜界面上多次反射与透射进行光学干涉线性叠加，当两个薄膜界面上来回反射和透射的光程差为光波长时，多次透射光同相加强，形成更强的透射光波，反相则相消，由此可使某一波长范围呈带通状态，对其余波长范围呈带阻状态，从而形成所要求的滤波特性，起到解复用的作用，将多个波长的滤波光纤组合起来，可构成所需信道数的解复用器；反之，能够将多个单波混合成一束混合波，从而起到波分复用的作用。

本发明能够达到如下效果：

本发明进行了结构的优化，简化了制造工艺，缩减了装配时间，波分复用器制作工艺简单，尤其波导芯片可以批量生产，重复性高，从而大大降低了生产成本；产品结构稳定性好，且具有插入损耗随通道数增加不明显、偏正不敏感且隔离度大等特点。让波分复用器结构紧凑，产品稳定性好，损耗低，结构尺寸小，产品稳定性好，损耗低，偏正不敏感且隔离度大。

附图说明

图1为本发明的一种连接结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实例：光波分复用解复用器，参见图1所示，包括光导芯片1和两组光纤阵列4。该波导芯片采用平面光波导技术及半导体工艺制作完成，主要结构包括衬底、下包层、芯层和上包层，其中芯层设有波导光路，波导由直波导和弯曲波导组成来实现光信号的传输。波导光路设置有一个输入光路和N个输出光路应用于解复用器，反之，由N个输入光路和一个输出光路组成应用于复用器，N为大于等于1的自然数。传输波导间形成特定角度，有效降低波导的传输损耗。光波导输出端分布在波导芯片的两侧，可以有效减小波导芯片的尺寸，使其结构更加紧凑。光波导的输入端和输出端的间距以及输出端之间的间距可以根据不同的要求进行调整，作为优选间距为127微米或250微米或者是127微米、250微米的整数倍，这样可以与光纤阵列有效匹配，便于耦合封装，减小装配时间，提高产品的稳定性。

两组光纤阵列4主要结构包括特定V槽和镀膜光纤，以解复用器为例光纤阵列一2由一个输入光纤和N个输出光纤(N为大于等于1的自然数)，经封装工艺固定在特定V槽内，以确保光信号传输的稳定性，便于后道耦合封装工艺；光纤阵列二3由N个输出光纤(N为大于等于1的自然数)组成。

光纤阵列一的输入光纤里面传输了光波长为λ₁、λ₂…λ₈，共8种波长的光信号；

光纤阵列一的输出光纤里面传输的光的波长为λ₂、λ₄、λ₆、λ₈；

光纤阵列二的输出光纤里面传输的光的波长为λ₁、λ₃、λ₅、λ₇；

光纤阵列一、光纤阵列二中每根输出光纤的输入端端面上都设置了特定波长选择特性的干涉滤波薄膜5，薄膜由几十层乃至上百层不同材料、不同折射率和不同厚度的高反射膜按照设计要求组合起来，具体包括多层高折射率膜层、多层低折射率膜层及中间膜层。特别的，高折射率膜层的光学厚度为中心波长λ₀的四分之一；低折射率膜层的光学厚度为中心波长λ₀的四分之一；中间膜层的光学厚度为中心波长λ₀的二分之一或其整数倍；它的主要工作原理是：每层介质膜既可透射一部分光又可反射一部分光，每层介质膜界面上多次反射与透射进行光学干涉线性叠加，当两个薄膜界面上来回反射和透射的光程差为光波长时，多次透射光同相加强，形成更强的透射光波，反相则相消，由此可使某一波长范围呈带通状态，对其余波长范围呈带阻状态，从而形成所要求的滤波特性，起到解复用的作用，将多个波长的滤波光纤组合起来，可构成所需信道数的解复用器；反之，能够将多个单波混合成一束混合波，从而起到波分复用的作用。图1中的箭头表示光信号的传输方向。在干涉滤波薄膜处的每根光纤上分别设有自聚焦透镜的光信号调节器8。自聚焦透镜简称透镜9。光信号调节器包括固定光纤的支架，自聚焦透镜设置在支架10上。

光波分复用解复用器的制作方法如下：

步骤一、制作波导芯片，

波导芯片采用平面光波导技术及半导体工艺制作完成；制作波导芯片如下：

S1，选择合适的衬底材料作为基板，采用半导体清洗工艺对基板进行清洗，保证基板的洁净度；

对基板的颗粒度、平整度有较高的要求；

衬底材料可采用硅片、石英片或者陶瓷；

S2，制作下包层；选择折射率较低的材料在衬底基板上沉积纯薄膜作为下包层，厚度为6-15微米；

若衬底材料为石英，下包层材料为纯二氧化硅则可以省略此步骤；

S3，制作芯层；选择折射率较高的材料作为芯层的制作材料，根据设计在基板或下包层表面通过CVD工艺方法沉积制作一定厚度的芯层；

可经退火工艺处理提高薄膜的质量，减小波导的损耗；芯层波导材料可用二氧化硅、硅、氮化硅；

S4，制作波导光路，采用光刻和刻蚀工艺对芯层进行处理，将芯层加工成符合设计要求的波导光路；

特别的，输入端和输出端的间距以及输出端之间的间距可以根据不同的要求进行调整；

S5，制作上包层；选择与下包层折射率相同的材料作为上包层的制作材料，在基板或下包层的表面以及波导光路的上表面，通过CVD工艺或者FHD工艺方法沉积制作厚度为15-30微米的上包层，使波导光路均被密封在基板或下包层和上包层之间；

S6，采用高精度的划片机把以上步骤制作完成的晶圆按照设计图纸切割到预设的规格，成为波导芯片；

步骤二、光纤镀膜，首先对光纤进行预处理，使用特殊夹具把多根光纤进行固定，光纤端面方向一致；采用高精CMP工艺对光纤端面进行切割、清洗、研磨、抛光。然后把固定有多根光纤的夹具放置到镀膜机中，通过气相沉积的方法，根据设计中的滤波要求，在光纤端面上沉积多层不同的介质薄膜，组成具有特定波长选择特性的干涉滤波薄膜；

步骤三、制作光纤阵列。将符合设计要求的具有不同波长选择性的镀膜光纤和V槽组装成光纤阵列。特别的，光纤阵列中输入光纤6和最后一个输出光纤7不需要采用经过端面镀膜的光纤制作。

步骤四、将制作完成的波导芯片和具有特定波长选择性的光纤阵列通过光学对准后耦合封装，构成所需信道数的解复用器。

本发明进行了结构的优化，简化了制造工艺，缩减了装配时间，尤其波导芯片可以批量生产，重复性高，从而大大降低了生产成本；产品结构稳定性好，且具有插入损耗随通道数增加不明显、偏正不敏感且隔离度大等特点。

Claims (6)

1.光波分复用解复用器，包括波导芯片和两组光纤阵列，波导芯片包括衬底、下包层、芯层和上包层，其特征在于，在芯层设有若干条波导光路，这若干条波导光路之间呈“W”状布置；波导光路由直波导光路和弯曲波导光路组成来实现光信号在波导芯片上的传输；弯曲波导光路的转弯点分布在波导芯片的左右两端面上；并且位于波导芯片内任意两条相邻的波导光路之间的夹角均为锐角；

在每组光纤阵列一端的每条光纤上分别设有干涉滤波薄膜，每组光纤阵列的一端分别正对设置在波导芯片左右两个端面上，并且每组光纤阵列上的每条光纤的干涉滤波薄膜与弯曲波导光路的弯曲点一对一对接布置。

2.根据权利要求1所述的光波分复用解复用器，其特征在于，位于波导芯片同一侧的任意两个相邻转弯点之间的间距可根据不同要求进行调整。

3.根据权利要求1所述的光波分复用解复用器，其特征在于，位于波导芯片同一侧的任意两个相邻转弯点之间的间距或者是127微米，或者是250微米，或者是127微米、250微米的整数倍。

4.根据权利要求1所述的光波分复用解复用器，其特征在于，在干涉滤波薄膜处的每根光纤上分别设有自聚焦透镜的光信号调节器。

5.根据权利要求1所述的光波分复用解复用器，其特征在于，光信号调节器包括固定光纤的支架，自聚焦透镜设置在支架上。

6.光波分复用解复用器的制作方法，所述的制作方法如下：

步骤一、制作波导芯片；

S1，选择合适的衬底材料作为基板，采用半导体清洗工艺对基板进行清洗，保证基板的洁净度；

S2，制作下包层；选择折射率较低的材料在衬底基板上沉积纯薄膜作为下包层，厚度为6-15微米；

S3，制作芯层；选择折射率较高的材料作为芯层的制作材料，根据设计在基板或下包层表面通过CVD工艺方法沉积制作一定厚度的芯层；

S4，制作波导光路，采用光刻和刻蚀工艺对芯层进行处理，将芯层加工成符合设计要求的波导光路；

输入端和输出端的间距以及输出端之间的间距可以根据不同的要求进行调整；

S5，制作上包层；选择与下包层折射率相同的材料作为上包层的制作材料，在基板或下包层的表面以及波导光路的上表面，通过CVD工艺或者FHD工艺方法沉积制作厚度为15-30微米的上包层，使波导光路均被密封在基板或下包层和上包层之间；

S6，采用高精度的划片机把以上步骤制作完成的晶圆按照设计图纸切割到预设的规格，成为波导芯片；

步骤二、制作光纤镀膜；

首先对光纤进行预处理，使用特殊夹具把多根光纤进行固定，光纤端面方向一致；采用高精CMP工艺对光纤端面进行切割、清洗、研磨、抛光；然后把固定有多根光纤的夹具放置到镀膜机中，通过气相沉积的方法，根据设计中的滤波要求，在光纤端面上沉积多层不同的介质薄膜，组成具有特定波长选择特性的干涉滤波薄膜，光纤镀膜制作完成；

步骤三、制作光纤阵列；

将符合设计要求的具有不同波长选择性的镀膜光纤和V槽组装成光纤阵列；在光纤阵列中，输入光纤和最后一根输出光纤不需要做端面镀膜；

步骤四、将制作完成的波导芯片和具有特定波长选择性的光纤阵列通过光学对准后耦合封装，构成所需信道数的解复用器。

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