一种可自定义分光比的集成光功率分路器及其制备方法与流程

本发明涉及光通信分光技术领域，尤其涉及一种可自定义分光比的集成光功率分路器及其制备方法。

背景技术：
目前，有两种技术途径可以获得实际可变的光功分器：一种是Y型光纤熔融拉锥型光功率可调耦合器，但由于器件尺寸大，且易受应力等环境因素影响，不能够提供稳定的光功率分配比；另一种是利用电光或是热光效应，通过在波导旁附加电极或热电极，以改变Y形波导光路其中一分支波导的折射率的方式来实现可调的光能量分配，但由于制作附加电极或热电极的工艺要求较高，同时很大程度上增加了成本。中国专利公开号CN1467926，公开日是2004年1月14日，名称为“光功率分路器”的方案中公开了一种光功率分路器，具有一个输入光波导和用于将输入光波导分路成N个光信号的N个输出光波导，包括：至少两个具有平面光波电路元件结构并在单一芯片中以预设的距离被分开放置的光分路器；以及用于对准多个光分路器的输入和输出光波导的对准波导。不足之处在于，这种光功率分路器，只能将一束光信号平均分成两路光信号。由于光信号的衰减与传输路程有关，传输路程越远光信号衰减的越多，到达越远处的光信号就越弱。如果一路光信号需要传输的距离比较远，而另一路光信号需要传输的距离又比较近，那么传输远的那一路光信号由于要经过较远的传输路程，导致到达远距离目的地的光信号变得非常弱，有可能弱到不能识别的程度，进而影响光信号的远距离传输，即在远距离端需要增强的光信号；而传输距离较近的这一路光信号由于经过的路程较近，导致到达近距离目的地的光信号还非常强，而且光信号强到远远超过了近距离目的地所需要的正常光信号，即在近距离端产生出了多余的光信号。远端需要增加光信号，而近端确有多余的光信号，这是由于光信号分配比例比不好，把本来够用的这束光信号给浪费了一部分。将一束光信号平均分成两路光信号的光功率分路器，会导致本来够用的一束光信号会浪费一部分，显得性价比较低。名称解释：1、CVD(ChemicalVaporDeposition,化学气相沉积)，指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。2、光刻和刻蚀，这两个词是半导体工艺中的重要步骤。（1）“光刻”是指在涂满光刻胶的晶圆（或者叫硅片）上盖上事先做好的光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定时间的照射。原理就是利用紫外线使部分光刻胶变质，易于腐蚀。（2）“刻蚀”是光刻后，用腐蚀液将变质的那部分光刻胶腐蚀掉（正胶），晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。然后用另一种腐蚀液对晶圆腐蚀，形成半导体器件及其电路。

技术实现要素：
本发明是为了解决现有光功率分路器，只能将一束光信号平均分成两路光信号，会导致本来够用的一束光信号会浪费一部分，性价比较低的不足，提供一种可自定义分光比的集成光功率分路器及其制备方法，该分路器及其制备方法，在制造时可根据自行设计的分光比需要进行制造，且稳定性好，制作简单，成本低。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可自定义分光比的集成光功率分路器制备方法，包括以下步骤：步骤一，制作衬底层，选择石英作为衬底层的制作材料，并对衬底层的表面进行抛光处理；步骤二，制作下包层，选择折射率低的纯材料作为下包层的制作材料，在衬底层的上表面，通过CVD方法沉积制作厚度为16-30微米的下包层；步骤三，制作芯层，选择折射率高的掺杂材料作为芯层的制作材料，在下包层的上表面通过CVD方法沉积制作厚度为6微米的芯层；步骤四，制作Y形波导光路，通过光刻和刻蚀工艺对芯层进行处理，将芯层加工成截面为6×6微米的Y形波导光路；步骤五，制作上包层，选择与下包层折射率相同的掺杂材料作为上包层的制作材料，在下包层的上表面以及Y形波导光路的上表面，通过CVD方法沉积制作厚度为16-30微米的上包层，使Y形波导光路除输入端和输出端外均被密封在上包层和下包层之间；步骤六，制作波导凹槽，在Y形波导光路的拉锥型分叉段一侧方的上包层内设置波导凹槽，波导凹槽的槽底落在下包层的上表面上或落在下包层内，波导凹槽的开口在上包层的上表面上，且波导凹槽距离Y形波导光路0.4-2.3微米，波导凹槽的宽度为8微米，波导凹槽的长度要根据Y形波导光路的拉锥型分叉段长度来设定，并且波导凹槽的一端要超过拉锥型分叉段的锥底30微米，波导凹槽的另一端与拉锥型分叉段的锥尖平行；步骤七，注入固化辅助波导材料，选择折射率符合分光比设计要求的辅助波导材料注入到波导凹槽内，并让辅助波导材料在波导凹槽内固化，形成辅助波导块；步骤八，封装，通过封装技术进行贴盖板封装。本方案通过测试使用后发现，一束光信号从Y形波导光路的输入端输入，该光信号经过器件总损耗后的剩余光信号并没有进行平均分配，该光信号就在拉锥型分叉段的耦合区与辅助波导块发生耦合，耦合的结果是，把这束光信号更多的一部分光信号被引导了Y形波导光路的右分支光路中，只有不到二分之一的剩余光信号流向了左分支光路中。也就是靠近辅助波导块这侧的右分支光路分到了较多的光信号，远离辅助波导块那侧的左分支光路分到了较少的光信号。实现了在制造时可根据自行设计的分光比需要进行制造，且稳定性好，制作简单，成本低。作为优选，所述下包层的制作材料选择纯二氧化硅薄膜，所述芯层的制作材料选择折射率高的掺杂二氧化硅薄膜，所述上包层的制作材料选择掺杂二氧化硅薄膜，所述辅助波导材料选择高分子材料，所述贴盖板的制作材料选用普通玻璃材料。作为优选，高于或低于Y形波导光路的波导凹槽内侧壁向Y形波导光路这侧弯折，和Y形波导光路厚度等高的波导凹槽内侧壁与Y形波导光路外侧壁平行。一种可自定义分光比的集成光功率分路器，包括，衬底层、下包层、芯层、上包层和贴盖板，采用石英材料制作衬底层，并对衬底层的表面进行抛光处理；在衬底层的上表面，采用折射率低的纯材料，通过CVD方法沉积制作厚度为16-30微米的下包层；在下包层的上表面，采用折射率高的掺杂材料，通过CVD方法沉积制作厚度为6微米的芯层；采用光刻和刻蚀工艺对芯层进行处理，将芯层加工成截面为6×6微米的Y形波导光路；采用与下包层折射率相同的掺杂材料，在下包层的上表面以及Y形波导光路的上表面，通过CVD方法沉积制作厚度为16-30微米的上包层，使Y形波导光路除输入端和输出端外均被密封在上包层和下包层之间；在Y形波导光路的拉锥型分叉段一侧方的上包层内设置波导凹槽，波导凹槽的槽底落在下包层的上表面上或落在下包层内，波导凹槽的开口在上包层的上表面上，且波导凹槽距离Y形波导光路0.4-2.3微米，波导凹槽的宽度为8微米，波导凹槽的长度要根据Y形波导光路的拉锥型分叉段长度来设定，并且波导凹槽的一端要超过拉锥型分叉段的锥底30微米，波导凹槽的另一端与拉锥型分叉段的锥尖平行；选择折射率符合分光比设计要求的辅助波导材料注入到波导凹槽内，并让辅助波导材料在波导凹槽内固化，形成辅助波导块；通过封装技术进行贴盖板封装。作为优选，所述下包层的制作材料选择纯二氧化硅薄膜，所述芯层的制作材料选择折射率高的掺杂二氧化硅薄膜，所述上包层的制作材料选择掺杂二氧化硅薄膜，所述辅助波导材料选择高分子材料，所述贴盖板的制作材料选用普通玻璃材料。作为优选，高于或低于Y形波导光路的波导凹槽内侧壁向Y形波导光路这侧弯折，和Y形波导光路厚度在同一高度段的波导凹槽内侧壁与Y形波导光路外侧壁平行。本发明能达到如下效果：1、该分路器及其制备方法，在制造时可根据自行设计的分光比需要进行制造，且可靠性稳定性好，制造简单方便，成本低。2、该分路器及其制备方法，在Y形波导光路的的拉锥型分叉段设置光信号耦合区，并在耦合区内设有附加的辅助波导，耦合区的波导凹槽设置在Y形波导光路的总分支波导的一侧方，通过向波导凹槽中注入不同折射率的辅助波导材料方式来改变耦合区内光信号的等效折射率分布，最终实现光功率分路器的分光比在制造设计时的自定义。附图说明图1是本发明的下包层沉积制作在衬底层上的一种结构示意图。图2是本发明在图1的基础上，芯层沉积制作在下包层上的一种结构示意图。图3是本发明在图2的基础上，采用光刻和刻蚀工艺把芯层处理成Y形波导光路后的一种结构示意图。图4是本发明在图3的基础上，在下包层的上表面以及Y形波导光路的上表面上沉积制作上包层后的一种结构示意图。图5是本发明在图4的基础上，在Y形波导光路拉锥型分叉段一侧方的上包层内设置波导凹槽，并把辅助波导材料固化在波导凹槽内，形成辅助波导块后的一种结构示意图。图6是本发明从光信号输入端观看的一种斜俯视结构示意图。图7是本发明从光信号输入端观看的一种正视结构示意图。图8是本发明从光信号输出端观看的一种斜俯视结构示意图。图9是本发明固化的辅助波导块和Y形波导光路间距布置的一种俯视结构示意图。图10是本发明固化的辅助波导块没有弯折段时的一种层次结构示意图。图11是本发明固化的辅助波导块上端有弯折段时的一种层次结构示意图。图12是本发明固化的辅助波导块上下端都有弯折段时的一种层次结构示意图。图中：衬底层1，下包层2，芯层3，Y形波导光路4，上包层5，辅助波导块6，输入端7，右分支光路8，右分支光路输出端9，左分支光路10，左分支光路输出端11，拉锥型分叉段12，锥底13，第二段辅助波导块14，锥尖16，第一段辅助波导块15，耦合区17，上段辅助波导块18，中段辅助波导块19，下段辅助波导块20，波导凹槽21。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。实施例：一种可自定义分光比的集成光功率分路器及其制备方法，其步骤如下:步骤一，参见图1所示，制作衬底层1，选择石英作为衬底层的制作材料，并对衬底层的表面进行抛光处理。可以根据设备选择衬底层的大小，比如硅片有4寸的、六寸的和八寸的等不同规格。步骤二，参见图1所示，制作下包层2，选择折射率低的纯二氧化硅薄膜材料作为下包层的制作材料，在衬底层的上表面，通过CVD方法沉积制作厚度为16微米的下包层。下包层的厚度要大于10微米以上，如果下包层厚度太薄了，信号光在耦合区进行耦合时，Y形波导光路拉锥型分叉段内的信号光易穿过下包层，对光信号损耗较大，因此，下包层的厚度要大于10微米以上，以保证器件性能不受衬底层折射率的影响。但下包层的厚度也不宜过于厚，下包层的厚度不超过30毫米为宜，下包层过于厚了不仅增加制作材料的成本，产生浪费，也使制作出来的元件体积较大，导致使用不便，还增加制作材料的成本。步骤三，参见图2所示，制作芯层3，选择折射率高的掺杂二氧化硅薄膜材料作为芯层的制作材料，在下包层的上表面通过CVD方法沉积制作厚度为6微米的芯层。由于单模光纤纤芯尺寸一般在小于10微米，所以把芯层厚度制成6微米，是跟光纤可以匹配，尽量减少耦合损耗。芯层的厚度也不宜过厚，过厚导致耦合度会变差。参见图9、图10所示，由于厚的芯层，使芯层耦合区的Y形波导光路拉锥型分叉段横截面较大，左右间的距离较大，由于距离的限制，设在耦合区一侧辅助波导块就不能对耦合区另一侧的光信号进行有效的耦合吸引，进而影响光信号的自定义分光比的效果。步骤四，参见图3所示，制作Y形波导光路4，通过光刻和刻蚀工艺对芯层进行处理，将芯层加工成截面为6×6微米的Y形波导光路。把Y形波导光路制成截面为6×6微米的正方形面，这样耦合区的耦合度较好。步骤五，参见图4所示，制作上包层5，选择与下包层折射率相同的掺杂二氧化硅薄膜材料作为上包层的制作材料，在下包层的上表面以及Y形波导光路的上表面，通过CVD方法沉积制作厚度为16微米的上包层，使Y形波导光路除输入端和输出端外均被密封在上包层和下包层之间。上包层所起的作用和下包层所起的作用相同，上包层的厚度要大于10微米以上，如果上包层厚度太薄了，信号光在耦合区进行耦合时，Y形波导光路拉锥型分叉段内的信号光易穿过上包层，对光信号损耗较大，因此，上包层的厚度要大于10微米以上。但上包层的厚度也上易过于厚，上包层的厚度不超过30毫米为宜，上包层过于厚了不仅增加制作材料的成本，产生浪费，也使制作出来的元件体积较大，导致使用不便，还增加制作材料的成本。上包层和下包层不仅能够对辅助波导块进行保护，上包层和下包层还能对Y形波导光路进行保护。上包层是掺杂的二氧化硅薄膜，上包层内部的掺杂相对于下包层具有流动性，下包层不能流动，光信号的折射耦合效果较佳。步骤六，参见图5、图9、图12所示，制作波导凹槽21，在Y形波导光路的拉锥型分叉段一侧方的上包层内设置波导凹槽，具体是对上包层进行ICP刻蚀，将设计的波导凹槽图形转移至芯层同层高度，最终形成波导凹槽，其波导凹槽的槽底落在下包层的上表面上或落在下包层内，波导凹槽的开口在上包层的上表面上，且波导凹槽距离Y形波导光路0.4微米，波导凹槽的宽度为8微米，波导凹槽的长度要根据Y形波导光路的拉锥型分叉段12长度来设定，并且波导凹槽的一端要超过拉锥型分叉段的锥底30微米，波导凹槽的另一端与拉锥型分叉段的锥尖平行。由于波导凹槽的位置及形状就决定了辅助波导块的位置及形状大小，而辅助波导块的位置及形状会决定光信号的耦合度大小，耦合度大小会影响光信号的自定义分光比的效果。工艺上首先需要在光刻版上设计模拟波导凹槽图形，通过光刻将模拟波导凹槽图形转移到上层板或下层板上。波导凹槽的位置离Y形波导光路的距离如果太小了不宜于制作，间隔距离大了也会导致耦合度差，波导凹槽的位置离Y形波导光路的距离在0.4微米时的耦合度效果好。波导凹槽的宽度8微米最合适。由于超过8微米远的波导凹槽内的辅助波导块与光信号的耦合度会迅速降低到最小，甚至没有耦合，因此波导凹槽的宽度超过8微米就没有必要了，显得浪费，还占用空间，损耗材料，提高制作成本。波导凹槽的长度要根据Y形波导光路的拉锥型分叉段12长度来设定。对于不同波长的传输光信号，其Y形波导光路的拉锥型分叉段长度是不同的，耦合度还受到Y形波导光路的拉锥型分叉段的耦合区17长度的影响。耦合区越长耦合效果越好，反之则耦合效果变差。本实施例的耦合区长度为350微米。参见图9所示，波导凹槽21的一端要超过拉锥型分叉段的锥底30微米，也就是辅助波导块6的第二段辅助波导块14超过拉锥型分叉段的锥底13要30微米，这样耦合效果最好。波导凹槽的另一端一般不超过拉锥型分叉段的锥尖16，最多与拉锥型分叉段的锥尖平行。也就是辅助波导块6的第一段辅助波导块15一般不超过拉锥型分叉段的锥尖16，最多与拉锥型分叉段的锥尖平行，这样耦合效果最好。如图10所示，波导凹槽朝向Y形波导光路这侧的波导凹槽内侧壁可以设成竖直向上的直壁，从而使辅助波导块6的截面由一段组成，并且这一段竖直向上。这种结构便于加工制作。如图11所示，波导凹槽朝向Y形波导光路这侧的波导凹槽内侧壁由上段侧壁和中段侧壁组成，并且中段侧壁与Y形波导光路外侧壁平行，上段侧壁向Y形波导光路这侧弯折。从而使辅助波导块6的截面由中段辅助波导块19和上段辅助波导块18组成，并且中段辅助波导块与Y形波导光路外侧壁平行，上段辅助波导块向Y形波导光路这侧弯折。这样设计的辅助波导块能够更大程度的使光信号耦合，效果更佳，光信号的自定义分光比效果较好。如图12所示，波导凹槽朝向Y形波导光路这侧的波导凹槽内侧壁由上段侧壁、中段侧壁和下段侧壁组成，并且中段侧壁与Y形波导光路外侧壁平行，上段侧壁向Y形波导光路这侧弯折，下段侧壁也向Y形波导光路这侧弯折。也就是高于或低于Y形波导光路的波导凹槽内侧壁向Y形波导光路这侧弯折，和Y形波导光路厚度等高的波导凹槽内侧壁与Y形波导光路外侧壁平行。这种结构使辅助波导块6的截面由下段辅助波导块20、中段辅助波导块19和上段辅助波导块18组成，并且中段辅助波导块与Y形波导光路外侧壁平行，上段辅助波导块向Y形波导光路这侧弯折，下段辅助波导块也向Y形波导光路这侧弯折。这样设计的辅助波导块能够最大程度的使光信号耦合，其耦合效果更佳，光信号的自定义分光比效果较好。步骤七，参见图5所示，注入固化辅助波导材料，选择折射率符合分光比设计要求的高分子材料作为辅助波导材料，并把高分子材料注入到波导凹槽内，并让辅助波导的高分子材料在波导凹槽内固化，形成辅助波导块6。高分子材料（如UV胶就是一种高分子材料，其有一定的折射率）的折射率易于配置，高分子材料的折射率大小是根据设计所需分光比计算出来的。辅助波导块与Y形波导光路的拉锥型分叉段耦合区的距离在0.4-2.3µm之间变化，辅助波导材料的折射率在1.451-1.471之间变化。根据模拟结果，通过选择不同的距离以及折射率参数，可以使得Y形波导光路的靠近辅助波导块一侧的一个分支光路输出光强在0.03-0.82坎德拉之间变化，而远离辅助波导块一侧的另一个分支光路输出光强在0.06-0.72之间变化(假设输入光信号能量为1坎德拉)，器件总体损耗小于10%。采用高分子材料制作折射率符合分光比辅助波导块，价格低廉，工艺简单，易于制作。步骤八，封装，通过封装技术进行贴盖板封装，贴盖板的制作材料选用普通玻璃材料。封装后器件的机械性能以及环境稳定性好。普通玻璃材料易于获得，且价格低廉，进而降低制作成本。由于Y形波导光路的左分支光路和右分支光路的分光比一般是一样的，都是把器件总损耗后的剩余光信号进行平均分配，即剩余光信号会有二分之一流入到左分支光路中，会有二分之一流入到右分支光路中。本实施例我们通过测试使用后发现，参见图6、图9所示，在器件的光信号总体损耗等于0.08坎德拉的情况下，把一束能量为1坎德拉的光信号从Y形波导光路4的输入端7输入，该光信号就在拉锥型分叉段12的耦合区与辅助波导块6发生耦合。其耦合的结果是：有0.73坎德拉的光信号流入到了Y形波导光路的右分支光路8中，只有0.19坎德拉光信号流入到了左分支光路10中。也就是靠近辅助波导块这侧的右分支光路分到了较多的光信号，右分支光路本来应该分得0.46坎德拉的光信号，却分得0.73坎德拉的光信号，多获得了0.27坎德拉的光信号；而远离辅助波导块那侧的左分支光路分到了较少的光信号，左分支光路本来也应该分得0.46坎德拉的光信号，却只分得0.19坎德拉光信号，少得了0.27坎德拉的光信号。右分支光路多获得的0.27坎德拉光信号刚好是左分支光路少获得的0.27坎德拉光信号。出现这种结果的原因经分析后得知，就是靠近辅助波导块这侧的左分支光路借助光信号与辅助波导块耦合的结果，这个结果说明我们在Y形波导光路的拉锥型分叉段设计制作的辅助波导块对光信号的分光比的改变是有较好效果的。因此，我们在制造集成光功率分路器时，可根据自行设计的分光比需要进行光信号的自定义和制造，且分光比的效果较好，稳定性高，制作简单，成本低。在使用时，参见图6、图7、图8所示，远端需要增加光信号强度的，就把传输距离远的那条光纤接入到靠近辅助波导块这侧的右分支光路输出端9上。而近端不需要增加光信号强度的，就把传输距离近的那条光纤接入到远离辅助波导块这侧的左分支光路输出端11上。将一束光信号不是进行平均分配成两路光信号，增加了光功率分路器使用的灵活性。尽可能使本来够用的一束光信号不浪费，进而显得性价也比较高。上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施例限制，本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。