CN206057632U - 适用于多光纤系统的plc多模光波导 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，该PLC多模光波导包括玻璃衬底和位于玻璃衬底内部的离子交换型多模光波导，该离子交换型多模光波导为各向渐变折射率型光波导，光波导的等效折射率介于耦合的两种多模光纤等效折射率之间；两种多模光纤为输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤的等效折射率差不超过0.1，输入光纤和输出光纤直径比例不超过1:2。与现有技术相比，本实用新型能够简单实现纤芯直径与折射率差异不大的多模光纤的互联，并且由此产生的光损耗小，同时兼具PLC型光波导尺寸小、性能稳定等优点。

Description

适用于多光纤系统的PLC多模光波导

技术领域

本实用新型涉及光通信领域的集成光学芯片，尤其涉及适用于多光纤系统的PLC多模光波导。

背景技术

随着光纤通信的快速发展，光纤通信系统中越来越多地应用到不同类型的多模光纤，在大型机房、变电站、人工智能、生物医疗领域均不同程度地应用了多模光纤系统。这些系统根据应用的需要，可能采用不同类型的多模光纤。另一方面，随着云服务和大数据时代的来临，上述的各种应用实现网络的互联、共享和远程控制变得越来越重要。因此，不同类型的多模光纤系统的兼容与互联是下一代网络亟需解决的问题。

目前将的不同光纤系统的互联方案通常是光电与电光转换，即将光纤系统1的信号通过光电转换转变为通用的电信号，再通过电光转换将电信号转变至另一光线系统2中去。这种方案在传输速率和带宽上受限于电信号的传输瓶颈以及光电转换的响应速率。而另一种尝试的方案是通过波导直径渐变的过渡型光波导实现两种多模光纤的直接互联，这种方案对光波导的制作要求高，工艺容差小，且过渡型光波导的传输损耗较大。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够简单实现纤芯直径与折射率差异不大的多模光纤的互联，并且由此产生的光损耗小，同时兼具PLC型光波导尺寸小、性能稳定的适用于多光纤系统的PLC多模光波导及其制法。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，该PLC多模光波导包括玻璃衬底和位于玻璃衬底内部的离子交 换型多模光波导，其特征在于，该离子交换型多模光波导为各向渐变折射率型光波导，光波导的等效折射率介于耦合的两种多模光纤等效折射率之间；两种多模光纤为输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤的等效折射率差不超过0.1，输入光纤和输出光纤直径比例不超过1:2。

所述的离子交换型多模光波导的顶部距离于玻璃衬底上表面以下0～50um。

所述的离子交换型多模光波导与玻璃衬底上表面的距离为离子交换型多模光波导的波导边缘与玻璃衬底上表面的距离，当离子交换型多模光波导的波导上侧未完全从玻璃衬底上表面分离时，所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为0μm。

所述的离子交换型多模光波导在玻璃衬底内垂直截面上分为两个区域：中心光场区与边缘光场区；其中，中心光场区的等效折射率接近但略低于两种多模光纤中折射率较高的多模光纤，两者差值不超过0.01。

所述的中心光场区的直径与两种多模光纤中纤芯直径较小的多模光纤的直径相近，两者差值不超过5μm；

边缘光场区的最大直与两种多模光纤中径纤芯直径较大的多模光纤的直径相近，两者差值不超过10μm；

所述的中心光场区的中心至边缘的折射率差为0.005～0.05，中心光场区外沿至边缘光场区外沿的折射率变化呈递减趋势，递减梯度为0.0002/[(Φ2-Φ1)/5]至0.01/[(Φ2-Φ1)/5]，其中Φ2为直径较大的多模光纤的直径，Φ1为直径较小的多模光纤的直径。

所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域：输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。

所述的输入波导区由单直波导或2～256端口的直波导阵列构成；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的拓扑结构；所述的输出波导区为单直波导或2～256端口的直波导阵列。

所述的功能结构区的结构为分路结构或耦合结构。

一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)镀膜：在玻璃晶圆上表面镀上一层均匀的掩膜；

2)光刻：根据PLC多模光波导需要实现的功能选择光刻板，然后将玻璃晶圆上的掩膜刻蚀出光刻板的图形；

3)离子交换：通过两次离子交换在玻璃晶圆表面以下形成光波导；一次交换为热离子交换，先在玻璃晶圆上表面形成热离子交换光波导，此时光波导与光纤尺寸仍不匹配，通光损耗大；二次交换为电场辅助离子交换，通过电场与熔盐的作用将光波导掩埋至玻璃表面以下，距离玻璃晶圆上表面0～50μm，此时光波导的形状在电场作用下发生形变，此时的光波导与光纤截面尺寸近似匹配，能够较好地与光纤进行耦合对接，光损耗小。

4)热差扩散：由于上述离子交换光波导的高折射率区位于光波导的中下部分，并且离子交换中二次交换后的光波导其下界面的折射率分布近似阶跃，与不同的多模光纤匹配时会出现耦合点不重合或耦合损耗大等问题。因此需要将光波导进一步改良，形成全渐变型光波导。热差扩散工艺实现了这一转变。热差扩散工艺将离子交换后的玻璃晶圆置于热差扩散装置中，所述的热差扩散装置包括温区1和温区2，以及两个温区之间的密封隔热层，温区1与温区2的温度均在150～600℃，保证光波导中离子的扩散速率，温度越高，扩散速率越快。温区1的温度小于温区2的温度，是为了保证温区2的离子扩散快于温区1，且温差不超过40℃，防止晶圆应力过大而破裂；玻璃晶圆通过密封隔热层将上下温区隔离，玻璃晶圆在热差扩散装置中保持1～24小时，完成后缓慢降温取出，降温时先降高温区2温度，待温区1与温区2的温度保持1致时，同步降温，降温速率控制在10～50℃/min。

5)后续工艺：步骤(4)所得产品经划片和端面磨抛后即得适用于多光纤系统的PLC多模光波导。

步骤(1)所述的掩膜通过分子束外延或磁控溅射的方式镀上，掩膜的厚度为50～1000nm；

步骤(2)所述的光刻：通过旋涂在掩膜上形成一层光刻胶膜，接着采用加热烘烤方式固化光刻胶膜，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的图样转印至光刻胶膜上，最后再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化；然后将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于加热的腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上；最后将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；

步骤(3)所述的两次离子交换中一次交换为热离子交换，二次交换为电场辅助离子交换；具体步骤为：先在玻璃晶圆上表面形成热离子交换光波导，然后通过 电场与熔盐的作用将光波导掩埋至玻璃晶圆表面以下，距离玻璃晶圆上表面0～50μm。

其中一次交换具体为：将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过源离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成离子交换表面光波导；

二次交换具体：去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过电场辅助扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方0～50um处；

步骤(4)所述的温区1与温区2的填充物是空气或熔盐。选择熔盐的一层，光波导扩散速率会加快，制作得到的光波导渐变性更强。

步骤(4)所述的密封隔热层保证两个温区隔热良好，并且能耐受高温和熔盐腐蚀，同时采用软性材料或用胶体与玻璃晶圆密合，防止晶圆膨胀挤压破裂。

步骤(5)所述的后续工艺中划片具体为：将热差扩散完成的玻璃晶圆按照光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元；

所述的端面磨抛具体为：将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成适用于多光纤系统的PLC多模光波导。

本实用新型采用离子交换技术实现了折射率渐变型的适用于多光纤系统的PLC多模光波导。它利用离子交换型光波导径向上由中心向四周扩散的折射率变化实现不同类型光纤的“自适应”，当光信号从输入光纤通过该光波导向输出光纤传输时，在耦合界面，由于输入光纤与光波导具有较相近的折射率分布，光耦合进入光波导时不会产生显著地耦合损耗，通过光波导的传输过程，光信号的光场分布趋于两种光纤之间——主能量集中于光波导中心，少量能量从波导中心外围区域缓慢衰减，因此，当光信号从光波导耦合至输出光纤时，也具有光波导与输入光纤耦合时相似的效果。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是能够简单实现纤芯直径与折射率差异不大的多模光纤的互联，并且由此产生的光损耗小，同时兼具PLC型光波导尺寸小、性能稳定等优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的适用于多光纤系统的PLC多模光波导与两种多模光纤连接结构示意图；

图2为适用于多光纤系统的PLC多模光波导的垂直截面示意图；

图3为适用于多光纤系统的PLC多模光波导的垂直截面俯视图；

图4为本实用新型的制作方法的工艺流程图；

图5为热差扩散装置的结构示意图；

图6为PLC多模光波导热差扩散前后的截面变化图：a为PLC多模光波导热差扩散前，b为PLC多模光波导热差扩散后；

图7为本实用新型实施例1的适用于多光纤系统的PLC多模光波导与两种多模光纤连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

如图1所示，以纤芯直径40um，纤芯折射率为1.47的石英多模光纤1通过长度为1cm的基于玻璃基离子交换型多模光波导的PLC多模直波导3连接纤芯直径80um，纤芯折射率为1.46的石英多模光纤2的俯视图为例进行说明。

PLC多模直波导3两端分别通过光学耦合紫外固化胶4与含有多模光纤1以及多模光纤2的光纤阵列FA 5连接。

上述PLC多模直波导由适用于多光纤系统的PLC多模光波导构成。如图2～3所示，PLC多模光波导为玻璃基离子交换型多模光波导(PLC多模光波导截面轮廓A如图3所示)，光波导顶部距离于玻璃衬底31上表面以下距离H为50um，光波导为各向渐变折射率型光波导，光波导等效折射率约为1.464；。光波导可以近似为两个区，中心光场区32与边缘光场区33，中心光场区32的等效折射率约为1.467；中心光场区的直径Φ1约为45μm；边缘光场区的最大直径Φ2约为70um；中心光场区中心至边缘的折射率差约为0.005，中心光场区外沿至边缘光场区外沿的径向折射率差变化梯度近似为每8um减少0.0002。多模光纤1通过长度为2cm的基于玻璃基离子交换型多模光波导的PLC多模直波导连接多模光纤2产生的附加光损耗约为0.3dB。

该PLC多模直波导的制作工艺流程如图4所示，具体包括以下步骤：1)镀膜：在玻璃晶圆上表面清洗后镀上一层厚度为80nm的铝掩膜；2)光刻：对于镀膜完成的晶圆，首先通过旋涂在铝掩膜上形成一层光刻胶膜，膜厚50nm，接着采用烘 箱90℃加热固化光刻胶膜1小时，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的直波导图样转印至光刻胶膜上，曝光光强3mW/cm²，曝光时间15秒，最后采用烘箱100℃烘烤30分钟完成光刻胶膜的再固化；3)腐蚀：将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于40℃水浴的磷酸腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上。4)去胶：采用丙酮溶解光刻胶，使光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5)一次交换：采用银钠离子交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过银离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成银钠离子交换表面光波导，交换熔盐为100％硝酸银，交换温度320℃，交换时间为2小时；6)二次交换：采用磷酸腐蚀液去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过电场辅助离子扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方50um，交换熔盐为硝酸钠与硝酸钙质量比1:1，交换温度300℃，电压为500V，时间为4小时；7)热差扩散：将二次交换完成的玻璃晶圆放置于热差扩散装置(如图5所示)中，玻璃晶圆6通过聚醚醚酮密封隔热层7将上下温区隔离，温区1B为空气8，温区2C注入硝酸钠熔盐9。温区1B温度为280℃，温区2C温度为320℃。玻璃晶圆6在热差扩散装置中保持1小时，完成后缓慢降温取出，降温时先降低温区2温度，待温区1B与温区2C保持1致时，同步降温，降温速率应控制在50℃/min。PLC多模光波导热差扩散前后的截面变化图如图6所示，可以看出热差扩散前离子交换光波导的高折射率区位于光波导的中下部分(图6a)，并且离子交换中二次交换后的光波导其下界面的折射率分布近似阶跃，与不同的多模光纤匹配时会出现耦合点不重合或耦合损耗大等问题。热差扩散后形成全渐变型光波导(图6b)；8)划片：将热差扩散完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元，芯片尺寸为10×2.2×2.5mm³；9)研磨抛光：将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的PLC多模直波导芯片。10)采用光学耦合紫外固化胶将两种带有FA头的光纤封装对准于PLC多模直波导芯片的两侧。

实施例2：

如图7所示，以纤芯直径62.5um，纤芯折射率为1.47的石英多模光纤1通过长度为1.6cm的基于玻璃基离子交换型多模光波导的PLC多模1×4光分路器3’连接4根纤芯直径50um，纤芯折射率为1.57的塑料多模光纤2的俯视图为例进行说明。

模光波导的PLC多模1×4光分路器3’两端分别通过光学耦合紫外固化胶与含有多模光纤1以及多模光纤2’的光纤阵列FA 5连接。

该PLC多模直波导由适用于多光纤系统的PLC多模光波导构成。PLC多模光波导为玻璃基离子交换型多模光波导，光波导顶部距离于玻璃衬底上表面以下0um，光波导为各向渐变折射率型光波导，光波导等效折射率约为1.525。光波导可以近似为两个区，中心光场区与边缘光场区，中心光场区的等效折射率约为1.56；中心光场区的直径Φ1约为48μm；边缘光场区的最大直径Φ2约为65um；中心光场区中心至边缘的折射率差约为0.05，中心光场区外沿至边缘光场区外沿的径向折射率差变化梯度近似为每2.5um减少0.01。多模光纤1通过长度为1.6cm的基于玻璃基离子交换型多模光波导的PLC多模1×4光分路器连接4根多模光纤2。相对于多模光纤1，每根多模光纤2的插入损耗在6.4～6.8dB，输出光功率的均匀性为0.4dB。

该PLC多模1×4光分路器的制作工艺流程如图4所示，具体包括以下步骤：1)镀膜：在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为200nm的铝掩膜；2)光刻：对于镀膜完成的晶圆，首先通过旋涂在铝掩膜上形成一层光刻胶膜，膜厚100nm，接着采用烘箱100℃加热固化光刻胶膜1小时，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的直波导图样转印至光刻胶膜上，曝光光强0.9mW/cm²，曝光时间120秒，最后采用烘箱110℃烘烤50分钟完成光刻胶膜的再固化；3)腐蚀：将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于60℃水浴的磷酸腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上。4)去胶：采用丙酮溶解光刻胶，使光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5)一次交换：采用银钠离子交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过银离子的自由热扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成银钠离子交换表面光波导，交换熔盐为100％硝酸银，交换温度350℃，交换时间为4小时；6)二次交换：采用磷酸腐蚀液去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过电场辅助离子扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方0um，交换熔盐为硝酸钠与硝酸钙质量比1:1，交换温度280℃，电压为180V，时间为2小时；7)热差扩散：将二次交换完成的玻璃晶圆放置于热差扩散装置中，晶圆通过聚四氟乙烯密封隔热层将上下温区隔离，温区1为空气，温区2也为空气。温区1温度为240℃，温区2温度为260℃。玻璃晶圆在热差扩散装置中保持3小时，完成后缓慢降温取出，降温时先 降低温区2温度，待温区1与2保持1致时，同步降温，降温速率应控制在10℃/min。8)划片：将热差扩散完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元，芯片尺寸为16×2.5×2.5mm³；9)研磨抛光：将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的PLC多模1×4光分路器芯片。10)采用光学耦合紫外固化胶将两种带有FA头的光纤封装对准于PLC多模1×4光分路器芯片的两侧。

Claims (5)

1.一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，该PLC多模光波导包括玻璃衬底和位于玻璃衬底内部的离子交换型多模光波导，其特征在于，该离子交换型多模光波导为各向渐变折射率型光波导，光波导的等效折射率介于耦合的两种多模光纤等效折射率之间；两种多模光纤为输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤的等效折射率差不超过0.1，输入光纤和输出光纤直径比例不超过1:2。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，其特征在于，所述的离子交换型多模光波导的顶部距离于玻璃衬底上表面以下0～50um。

3.根据权利要求1所述的一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，其特征在于，所述的离子交换型多模光波导在玻璃衬底内垂直截面上分为两个区域：中心光场区与边缘光场区；其中，中心光场区的等效折射率接近但略低于两种多模光纤中折射率较高的多模光纤，两者差值不超过0.01。

4.根据权利要求3所述的一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，其特征在于，所述的中心光场区的直径与两种多模光纤中纤芯直径较小的多模光纤的直径相近，两者差值不超过5μm；

边缘光场区的最大直与两种多模光纤中径纤芯直径较大的多模光纤的直径相近，两者差值不超过10μm。

5.根据权利要求3所述的一种适用于多光纤系统的PLC多模光波导，其特征在于，所述的中心光场区的中心至边缘的折射率差为0.005～0.05，中心光场区外沿至边缘光场区外沿的折射率变化呈递减趋势，递减梯度为0.0002/[(Φ2-Φ1)/5]至0.01/[(Φ2-Φ1)/5]，其中Φ2为直径较大的多模光纤的直径，Φ1为直径较小的多模光纤的直径。