Y分支平面波导型光分路器的研制_徐子杰
第32卷第7期2013年7月
实验室研究与探索
ＲESEAＲCHAND EXPLOＲATIONIN LABOＲATOＲY
Vol．32No．7Jul．2013
·实验技术·
Y 分支平面波导型光分路器的研制
111111
徐子杰，张荣君，张帆，俞翔，王子仪，王松有，
1121，2
郑玉祥，陈良尧，黄俊明，谢丹
（1．上海超精密光学制造工程技术研究中心，复旦大学信息科学与工程学院，上海200433；
2．博创科技股份有限公司，上海200233）要:研制了Y 分支平面波导型光分路器，采用半导体工艺制备了1ˑ 8平面光
波导芯片，经过耦合对准和黏接完成了芯片的封装。对研制的平面波导型光分路摘
器在1270 1570nm 波长范围内的插入损耗进行了测量，在该波长范围内插入损耗曲线较平坦。这表明平面波导型光分路器的插入损耗在所测试波段对波长不敏感，而熔融拉锥型光分路器的插入损耗曲线表现出明显的窗口限制。同时对1310、1550nm 处8个输出口的传输特性进行了表征，偏振相关损耗都小于0．05dB ，PLC 光分路器具有良好的传输性能。而回波损耗均大于50dB 。结果表明，关键词:集成光学; 无源光器件; 光分路器; 平面光波导型中图分类号：TN 256文献标志码：A 文章编号：1006－7167（2013）07－0005－03
Fabrication of Y-branch Planar Lightwave Circuit Optical Splitter
XU Zi-jie 1，ZHANG Ｒong-jun 1，ZHANG Fan 1，YU Xiang 1，WANG Zi-yi 1，WANG Song-you 1，
2
ZHENG Yu-xiang 1，CHEN Liang-yao 1，HUANG Jun-ming 2，XIE Dan 1，
（1．Shanghai Engineering ＲesearchCenter of Ultra-precision Optical Manufacturing ，School of Information Science and Engineering ，Fudan University ，Shanghai 200433；2．Broadex Technologies Co．Ltd．，Shanghai 200233，China ）Abstract ：A Y-branch planar lightwave circuit （PLC ）optical splitter was fabricated using semiconductor process ，in this paper．The optical waveguide chip was packaged by coupling alignment and adhesion after fabrication．The insert loss of the 1ˑ 8Y-branch planar lightwave circuit optical splitter was measured in the operation wavelength from 1270nm to 1570nm．The insert loss curve is almost flat ，which indicates that the PLC splitters are insensitive to wavelength in the test range．However ，the insert loss curve of fused biconical tapered optical splitter presents obvious windows restriction．Meanwhile ，the polarization dependent loss and return loss of 8output ports are less than 0．05dB and larger than 50dB in the wavelength of 1310nm and 1550nm ，respectively．The results show that the PLC splitters have high transmission efficiency．
Key words ：integrated optics ；passive optical device ；optical splitter ；planar lightwave circuit
收稿日期：2012－12－03
基金项目：国家自然科学基金（11174058）；国家科技重大专项课题（2011ZX02109-004）；复旦大学精品课程和研讨型课程建设项目资助
作者简介：徐子杰（1987－），男，湖北天门人，硕士生，主要从事光电子器件方面的研究。
Tel．：[1**********]；E-mail ：[1**********]@fudan．edu．cn
通信作者：张荣君（1972－），男，河南罗山人，博士，副教授，主要从事信息功能材料的光学性质、光学仪器系统与光子学器件等科研与教65643559；E-mail ：rjzhang@fudan．edu．cn 学工作。Tel．：021-
0引言
随着用户对信息需求的增加以及高清电视
（HDTV ）的普及，以铜缆为基础的通信网络正逐步被
［1］光通信网络代替，而且密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing ，DWDM ）系统被用于
高速率大容量光网络中
［2］
。光通信网络的完善和发
6实验
［3］
室研究与探索
第32卷
展依赖于有源和无源光器件的性能提高。其中，无
源光分路器是DWDM 无源光网络（Passive Optical Network ，PON ）中连接光线路终端（Optical Line Terminal ，OLT ）和光网络单元（Optical Network Unit ，ONU ）的核心光器件。熔融拉锥型（Fused Biconical Tapered ，FBT ）［4］光分路器由于其插入损耗具有窗口效应，已不适用于DWDM 系统。而随着集成光学的发展出现的平面波导型（Planar Lightwave Circuits ，PLC ）［5］光分路器则由于其具有工作波长宽、插入损耗
［6-7］
。低和可靠性高等优点，得到了快速的发展
PLC 光分路器作为集成光学中的一个重要基本光
其制备过程主要可分为：①在硅片上沉积石工艺完成，
英基底层；②使用外延法生长或火焰水解法（Flame Hydrolysis Deposition ，FHD ）［13］生长高折射率波导层；③通过光刻和反应离子刻蚀（ＲeactiveIon Etching ，ＲIE）［14］等工艺制备出光波导通道；④沉积低折射率波导保护层。作为实例，图2为实验制备的1ˑ 8PLC 4，8，光分路器刻蚀芯片实物图，对于1N （N =2，16，…）的Y 分支PLC 光分路器芯片的制备工艺是一样的。本文所采用的芯片制备方法，工艺成熟，如Yoshinori Hibino 等曾报导了类似方法制备的矩形芯层的尺寸约为8μm ˑ 8μm ，并且芯层和包层的折射率差
［15］
约为0．3%的Y 分支结构PLC 分路器芯片。
波导器件，受到了人们越来越多的关注和研究。随着
［8］
人们对非对称Y 分支波导理论分析的深入，唐雄贵通过左右分支波导相对于输入波导在横向方向
［10］
而杨永佳等上进行偏移实现了特定分束比光输出，
则提出了带有矩形过渡区的非对称Y 分支波导的两
种设计方案，这都扩大了Y 分支波导的应用范围。同
［11］［12］时，对光子晶体波导和等离子波导的研究，使得PLC 光分路器的性能获得了很大提高。其中，光子晶
等
［9］
体波导分路器由于能将光限制在光子晶体中，从而减小了能量损失，等离子Y 分支波导则可以具有较大的分支角度，方便了集成。但上述工作主要集中在PLC 的理论研究，对可应用于光通信DWDM 无源光网络系统的PLC 分路器实验研究报道较少。
本文对Y 分支结构PLC 光分路器的基本制备过程和特性测量进行了介绍，实验制得了1ˑ 8PLC 光分路器，测量了其主要传输参数，并对测试结果进行了讨论。
1．2
图21ˑ 8PLC 光分路器芯片实物显微照片
光波导芯片的封装
光波导光芯片制备完成之后，需要对其进行封装。
与光波导芯片制备工艺相比，芯片-光纤的耦合装配同
样是一个非常严格的步骤，这将直接影响到封装后分路器的传输性能及其工作稳定性和可靠性。图3为PLC 光分路器各部件的封装结构示意图，其核心部分为上述PLC 光波导芯片
。
1实验
PLC 光分路器的制作过程主要分为光波导芯片的光波导芯片的制备是采制备以及芯片的封装。其中，
用半导体工艺（薄膜、光刻、刻蚀等工艺），光分路功能在波导芯片上完成；然后在芯片两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列进行封装。图1为1ˑ 8PLC 光分路器内部结构示意图
。
图3
PLC 光分路器结构示意图
PLC 分路器的封装过程包括耦合对准和黏接等步骤。其中PLC 分路器芯片与光纤阵列的耦合对准有手工和自动两种方式，它们依赖的硬件主要有六维精密微调架、光源、功率计、显微观测系统等，而最常用的
它是通过光功率反馈形成闭环控制，因而是自动对准，
对接精度和对接的耦合效率高。在上面的耦合对准过
1ˑ 8PLC 分路器有8个通道且每个通道都要精程中，
图11ˑ 8PLC 光分路器内部结构示意图
1．1光波导芯片的制备
光波导芯片的制备主要采用工业界标准的微电子
确对准，由于波导芯片和光纤阵列的制造工艺保证了
所以只需把PLC 分路器芯片各个通道间的相对位置，
与光纤阵列的第1和第8通道同时对准，便可实现其
他通道的对准，这样可减少封装对准的操作。光纤阵
表1
1ˑ 8平面波导型光分路器检测指标
dB
列是用机械的方法在玻璃板上以250μm 间距加工成
V 形沟槽，然后将光纤阵列固定在此。实验中，由于V 形槽中存在的瑕疵与纤芯的残余偏心常造成相当于1μm 的对准偏差，即使波导管与纤芯模完全匹配，也会出现大约0．2 0．4dB 的连接损耗，因而V 形槽的选择十分重要。在PLC 分路器芯片与光纤阵列的黏接以及各个部件的组装过程中，为了减少组装时间，采用紫外固化黏接剂。光纤连接界面是保持长期可靠的重点，一般选用耐湿、耐剥离的氟化物环氧树脂与硅烷链材料组合的黏接剂。为了减少端面的反射，采用8ʎ 研磨技术。黏接和组装好光纤阵列后的PLC 分路器芯片被封装在金属（铝）管壳内，封装完成后的1ˑ 8PLC 分路器实物照片如图4所示，其尺寸为40mm ˑ 4mm ˑ 4mm
。
［16］
dB ，这与图5所示的结果相一致，说明了PLC 光分路
器具有分光均匀性好的优点。两波长下的偏振相关损耗都在0．05dB 以内，而回波损耗均大于50dB ，能够满足要求。测量结果表明，实验制得的1ˑ 8PLC 光分路器具有良好的传输性能，可以用于多波长光通信DWDM 系统中。
图41ˑ 8平面波导型光分路器实物照片
2测试结果与讨论
插入损耗是表征PLC 光分路器传输特性的最重要参数，它直接反映器件的分光特性。分路器制备完成后，实验首先测量了1ˑ 8PLC 光分路器的插入损耗，测试波长范围为1270 1570nm ，实验同时还测量了相同分路数的FBT 光分路器的插入损耗作为比较，结果如图5所示。FBT 光分路器插入损耗与波长有关，有明显的窗口限制，这主要是因为光纤的耦合系
［17］
数对波长敏感。而PLC 光分路器的插入损耗曲线在整个工作波段分布较平坦，保持在10dB 左右，没有
这是由于PLC 分路器结构与光的明显的波长相关性，
分布耦合无关，其带宽仅取决于模色散的限制。这表
明PLC 分路器插入损耗IL 随波长变化不大，有利于该器件用于多波长光网络中
。
3结语
本文介绍了光分路器在无源光网络中的重要性及
PLC 光分路器的研究进展。实验制备了1ˑ 8PLC 光测量了该光分路器在分路器芯片并对其进行了封装，
1270 1570nm 波长范围内的插入损耗，并与同样分路数的FBT 分路器的插入损耗进行了对比。结果表
PLC 光分路器插入损耗曲线平坦，明，对波长不敏感。1550nm 两个波长的主要传输同时对该器件在1310、特性参数进行了测量，最大插入损耗为9．83dB ，两波而回波损耗长下的偏振相关损耗都在0．05dB 以内，均大于50dB 。结果表明，平面波导型光分路器作为一种基于石英基板的集成波导光功率分配器件，具有体积小、工作波长范围宽、可靠性高、分光均匀性好等特点，特别适用于多波长DWDM 无源光通信网络中。
“光子学器件与工艺”另外，在我校精品课程有关内容，本文介绍的内容与实验演示、通过
课堂研讨学习以及到行业内专业公司实地学习，使学的授课过程中
生对有关光纤通信的基础知识、最新技术及其发展趋势有更深刻的理解与掌握，激发了学生进一步深入探索思考的兴趣，取得良好教学效果，受到学生广泛欢迎。
［3］
图51ˑ 8PLC 光分路器与熔融拉锥型光分路器插入损耗曲线
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1550实验还测量了1ˑ 8PLC 光分路器在1310、nm 通信波长的偏振相关损耗和回波损耗等传输特性8个通道在2个波长下参数，结果如表1所示。可见，
的插入损耗十分接近，且均小于10dB ，在9．51 9．83
（下转第27页）
示电极，用标准加入法对水样中碘离子浓度进行测定
（见表3），结果显示，该电极适用于实际水样中碘离子含量的快速准确测定。
表3
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