Y分支平面波导型光分路器的研制

徐子杰， 张荣君， 张 帆， 俞 翔， 王子仪， 王松有，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)

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光通信网络代替［1］，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展依赖于有源和无源光器件的性能提高［3］。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、插入损耗低和可靠性高等优点，得到了快速的发展［6-7］。

PLC光分路器作为集成光学中的一个重要基本光波导器件，受到了人们越来越多的关注和研究。随着人们对非对称Y分支波导理论分析的深入［8］，唐雄贵等［9］通过左右分支波导相对于输入波导在横向方向上进行偏移实现了特定分束比光输出，而杨永佳等［10］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。同时，对光子晶体波导［11］和等离子波导［12］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1×8 PLC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 实验

PLC光分路器的制作过程主要分为光波导芯片的制备以及芯片的封装。其中，光波导芯片的制备是采用半导体工艺(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1×8 PLC光分路器内部结构示意图。

图1 1×8 PLC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工艺完成，其制备过程主要可分为:①在硅片上沉积石英基底层;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(Reactive Ion 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1×8 PLC光分路器刻蚀芯片实物图，对于 1N(N=2，4，8，16，…)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×8μm，并且芯层和包层的折射率差约为0.3%的Y分支结构PLC分路器芯片［15］。

图2 1×8 PLC光分路器芯片实物显微照片

1.2 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。

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，而最常用的是自动对准，它是通过光功率反馈形成闭环控制，因而对接精度和对接的耦合效率高。在上面的耦合对准过程中，1×8 PLC分路器有8个通道且每个通道都要精确对准，由于波导芯片和光纤阵列的制造工艺保证了各个通道间的相对位置，所以只需把PLC分路器芯片与光纤阵列的第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1 μm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 ～0.4 dB 的连接损耗［16］，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8°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1×8 PLC分路器实物照片如图4所示，其尺寸为40 mm×4 mm×4 mm。

图4 1×8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1×8 PLC光分路器的插入损耗，测试波长范围为1 270～1 570 nm，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数对波长敏感［17］。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10 dB左右，没有明显的波长相关性，这是由于PLC分路器结构与光的分布耦合无关，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。

图5 1×8 PLC光分路器与熔融拉锥型光分路器插入损耗曲线

实验还测量了1×8 PLC光分路器在1 310、1 550 nm通信波长的偏振相关损耗和回波损耗等传输特性参数，结果如表1所示。可见，8个通道在2个波长下的插入损耗十分接近，且均小于10 dB，在9.51～9.83 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0.05 dB以内，而回波损耗均大于50 dB，能够满足要求。测量结果表明，实验制得的1×8 PLC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。

表1 1×8平面波导型光分路器检测指标 dB

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1×8 PLC光分路器芯片并对其进行了封装，测量了该光分路器在1 270～1 570 nm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。结果表明，PLC光分路器插入损耗曲线平坦，对波长不敏感。同时对该器件在1 310、1 550 nm两个波长的主要传输特性参数进行了测量，最大插入损耗为9.83 dB，两波长下的偏振相关损耗都在0.05 dB以内，而回波损耗均大于50 dB。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。另外，在我校精品课程“光子学器件与工艺”有关内容的授课过程中［3］，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。

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