Y分支平面波導型光分路器的研制

徐子杰， 張榮君， 張 帆， 俞 翔， 王子儀， 王松有，鄭玉祥， 陳良堯， 黃俊明， 謝 丹，

(1.上海超精密光學制造工程技術研究中心，復旦大學信息科學與工程學院，上海200433;2.博創科技股份有限公司，上海200233)

0 引言

隨著用戶對信息需求的增加以及高清電視(HDTV)的普及，以銅纜為基礎的通信網絡正逐步被光通信網絡代替［1］，而且密集波分復用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)系統被用于高速率大容量光網絡中［2］。光通信網絡的完善和發展依賴于有源和無源光器件的性能提高［3］。其中，無源光分路器是DWDM無源光網絡(Passive Optical Network，PON)中連接光線路終端(Optical Line Terminal，OLT) 和光網絡單元(Optical Network Unit，ONU)的核心光器件。熔融拉錐型(Fused Biconical Tapered，FBT)［4］光分路器由于其插入損耗具有窗口效應，已不適用于DWDM系統。而隨著集成光學的發展出現的平面波導型(Planar Lightwave Circuits，PLC)［5］光分路器則由于其具有工作波長寬、插入損耗低和可靠性高等優點，得到了快速的發展［6-7］。

PLC光分路器作為集成光學中的一個重要基本光波導器件，受到了人們越來越多的關注和研究。隨著人們對非對稱Y分支波導理論分析的深入［8］，唐雄貴等［9］通過左右分支波導相對于輸入波導在橫向方向上進行偏移實現了特定分束比光輸出，而楊永佳等［10］則提出了帶有矩形過渡區的非對稱Y分支波導的兩種設計方案，這都擴大了Y分支波導的應用范圍。同時，對光子晶體波導［11］和等離子波導［12］的研究，使得PLC光分路器的性能獲得了很大提高。其中，光子晶體波導分路器由于能將光限制在光子晶體中，從而減小了能量損失，等離子Y分支波導則可以具有較大的分支角度，方便了集成。但上述工作主要集中在PLC的理論研究，對可應用于光通信DWDM無源光網絡系統的PLC分路器實驗研究報道較少。

本文對Y分支結構PLC光分路器的基本制備過程和特性測量進行了介紹，實驗制得了1×8 PLC光分路器，測量了其主要傳輸參數，并對測試結果進行了討論。

1 實驗

PLC光分路器的制作過程主要分為光波導芯片的制備以及芯片的封裝。其中，光波導芯片的制備是采用半導體工藝(薄膜、光刻、刻蝕等工藝)，光分路功能在波導芯片上完成;然后在芯片兩端分別耦合輸入端以及輸出端的多通道光纖陣列進行封裝。圖1為1×8 PLC光分路器內部結構示意圖。

圖1 1×8 PLC光分路器內部結構示意圖

1.1 光波導芯片的制備

光波導芯片的制備主要采用工業界標準的微電子工藝完成，其制備過程主要可分為:①在硅片上沉積石英基底層;②使用外延法生長或火焰水解法(Flame Hydrolysis Deposition，FHD)［13］生長高折射率波導層;③通過光刻和反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)［14］等工藝制備出光波導通道;④沉積低折射率波導保護層。作為實例，圖2為實驗制備的1×8 PLC光分路器刻蝕芯片實物圖，對于 1N(N=2，4，8，16，…)的Y分支PLC光分路器芯片的制備工藝是一樣的。本文所采用的芯片制備方法，工藝成熟，如Yoshinori Hibino等曾報導了類似方法制備的矩形芯層的尺寸約為8μm×8μm，并且芯層和包層的折射率差約為0.3%的Y分支結構PLC分路器芯片［15］。

圖2 1×8 PLC光分路器芯片實物顯微照片

1.2 光波導芯片的封裝

光波導光芯片制備完成之后，需要對其進行封裝。與光波導芯片制備工藝相比，芯片-光纖的耦合裝配同樣是一個非常嚴格的步驟，這將直接影響到封裝后分路器的傳輸性能及其工作穩定性和可靠性。圖3為PLC光分路器各部件的封裝結構示意圖，其核心部分為上述PLC光波導芯片。

圖3 PLC光分路器結構示意圖

PLC分路器的封裝過程包括耦合對準和黏接等步驟。其中PLC分路器芯片與光纖陣列的耦合對準有手工和自動兩種方式，它們依賴的硬件主要有六維精密微調架、光源、功率計、顯微觀測系統等，而最常用的是自動對準，它是通過光功率反饋形成閉環控制，因而對接精度和對接的耦合效率高。在上面的耦合對準過程中，1×8 PLC分路器有8個通道且每個通道都要精確對準，由于波導芯片和光纖陣列的制造工藝保證了各個通道間的相對位置，所以只需把PLC分路器芯片與光纖陣列的第1和第8通道同時對準，便可實現其他通道的對準，這樣可減少封裝對準的操作。光纖陣列是用機械的方法在玻璃板上以250μm間距加工成V形溝槽，然后將光纖陣列固定在此。實驗中，由于V形槽中存在的瑕疵與纖芯的殘余偏心常造成相當于1 μm的對準偏差，即使波導管與纖芯模完全匹配，也會出現大約0.2 ～0.4 dB 的連接損耗［16］，因而 V 形槽的選擇十分重要。在PLC分路器芯片與光纖陣列的黏接以及各個部件的組裝過程中，為了減少組裝時間，采用紫外固化黏接劑。光纖連接界面是保持長期可靠的重點，一般選用耐濕、耐剝離的氟化物環氧樹脂與硅烷鏈材料組合的黏接劑。為了減少端面的反射，采用8°研磨技術。黏接和組裝好光纖陣列后的PLC分路器芯片被封裝在金屬(鋁)管殼內，封裝完成后的1×8 PLC分路器實物照片如圖4所示，其尺寸為40 mm×4 mm×4 mm。

圖4 1×8平面波導型光分路器實物照片

2 測試結果與討論

插入損耗是表征PLC光分路器傳輸特性的最重要參數，它直接反映器件的分光特性。分路器制備完成后，實驗首先測量了1×8 PLC光分路器的插入損耗，測試波長范圍為1 270～1 570 nm，實驗同時還測量了相同分路數的FBT光分路器的插入損耗作為比較，結果如圖5所示。FBT光分路器插入損耗與波長有關，有明顯的窗口限制，這主要是因為光纖的耦合系數對波長敏感［17］。而PLC光分路器的插入損耗曲線在整個工作波段分布較平坦，保持在10 dB左右，沒有明顯的波長相關性，這是由于PLC分路器結構與光的分布耦合無關，其帶寬僅取決于模色散的限制。這表明PLC分路器插入損耗IL隨波長變化不大，有利于該器件用于多波長光網絡中。

圖5 1×8 PLC光分路器與熔融拉錐型光分路器插入損耗曲線

實驗還測量了1×8 PLC光分路器在1 310、1 550 nm通信波長的偏振相關損耗和回波損耗等傳輸特性參數，結果如表1所示?？梢?，8個通道在2個波長下的插入損耗十分接近，且均小于10 dB，在9.51～9.83 dB，這與圖5所示的結果相一致，說明了PLC光分路器具有分光均勻性好的優點。兩波長下的偏振相關損耗都在0.05 dB以內，而回波損耗均大于50 dB，能夠滿足要求。測量結果表明，實驗制得的1×8 PLC光分路器具有良好的傳輸性能，可以用于多波長光通信DWDM系統中。

表1 1×8平面波導型光分路器檢測指標 dB

3 結語

本文介紹了光分路器在無源光網絡中的重要性及PLC光分路器的研究進展。實驗制備了1×8 PLC光分路器芯片并對其進行了封裝，測量了該光分路器在1 270～1 570 nm波長范圍內的插入損耗，并與同樣分路數的FBT分路器的插入損耗進行了對比。結果表明，PLC光分路器插入損耗曲線平坦，對波長不敏感。同時對該器件在1 310、1 550 nm兩個波長的主要傳輸特性參數進行了測量，最大插入損耗為9.83 dB，兩波長下的偏振相關損耗都在0.05 dB以內，而回波損耗均大于50 dB。結果表明，平面波導型光分路器作為一種基于石英基板的集成波導光功率分配器件，具有體積小、工作波長范圍寬、可靠性高、分光均勻性好等特點，特別適用于多波長DWDM無源光通信網絡中。另外，在我校精品課程“光子學器件與工藝”有關內容的授課過程中［3］，本文介紹的內容與實驗演示、通過課堂研討學習以及到行業內專業公司實地學習，使學生對有關光纖通信的基礎知識、最新技術及其發展趨勢有更深刻的理解與掌握，激發了學生進一步深入探索思考的興趣，取得良好教學效果，受到學生廣泛歡迎。

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