一种光功率分束器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种超多路的光功率分束器。
【背景技术】
[0002] 光通信系统的发展促进了光器件的快速发展，在无源光网络（PON)系统中，光功 率分束器（Splitter)具有不可替代地位。而超多路光功率分束器由于具有大量光功率输 出通道，不仅可以降低光纤到户（FTTH)系统的建设成本，也可以用在全光正交频分复用系 统、多路激光直写技术以及多通道的联合变换相关器中。
[0003] 早期的光功率分束器采用光纤熔融拉锥技术，其优点是在分路数较少的情况下， 熔融拉锥技术成本较低并满足光功率分路的性能需求；但是，当更复杂的FTTH结构要求更 多路光功率分束时，基于熔融拉锥技术的光功率分束器性能降低、成本增高，器件的封装体 积增加。
[0004] 基于光波导技术的IXN光功率分束器是平面波导结构的一种基本应用，与传统 功率分束器相比，尺寸小、集成度高，而且带宽宽、通道均匀性好；包括基于Y分支波导级联 的光功率分束器和基于多模干涉效应（MMI)的光功率分束器。
[0005] 基于Y分支波导级联的光功率分束器，对于单个Y分支波导而言，若分支角过大， 则由于模式不匹配会引起较大的辐射损耗，因此分支角一般很小（< 2° )，就造成了器件 的长度过长、工艺集成难度大；随着分数通道加倍，不断级联，器件的长度、损耗及非均匀性 不断变大。
[0006] 基于多模干涉（MMI)效应的光功率分束器对偏振不敏感、结构紧凑且制作简便， 但MMI多模区宽度越宽，长度越长，工艺容差性越差，器件的长度，损耗及非均匀性不断变 大，因此MMI光功率分束器不适合大通道数器件的设计。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光功率分束器，其目的 在于，在更小尺寸的器件上实现大通道数光功率分束；
[0008] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光功率分束器，包括衬底以 及在所述衬底上自下而上依次排列的包层、下导波层和上导波层；
[0009] 其中，衬底采用单晶硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石或碳化硅等可形成平面光波导的 介质材料；
[0010] 包层沿Y方向的厚度为〇. 4微米~0. 6微米，采用二氧化硅、磷化铟、铟镓砷磷、砷 化镓、铝镓砷、氮化镓，铟镓氮或铝镓氮等可形成平面光波导的介质材料；
[0011] 上导波层和下导波层均采用非晶硅、铟镓砷磷、砷化镓、氮化镓、铟镓氮或铝镓氮 等可形成平面光波导的介质材料；下导波层沿Y方向的厚度为〇. 230微米~0. 27微米；Y 方向是指与水平面垂直的方向；
[0012] 其中，上导波层为图形层，在上导波层上沿Z方向依次刻蚀有输入波导、准直透 镜、光束整形透镜组、相移光栅、傅里叶变换透镜、第一相位补偿结构、直流分量相移器、第 二相位补偿结构）和输出波导阵列；其中，Z方向是指沿水平面向右方向；
[0013] 其中，准直透镜、光束整形透镜组、相移光栅、傅里叶变换透镜、第一相位补偿结 构、直流分量相移器和第二相位补偿结构的的厚度相同；输入波导与输出波导阵列的厚度 相同；
[0014] 其中，输入波导的右侧输出端面与准直透镜的左侧输入端面紧密接触，以获得良 好的准直效果，在准直透镜的输出端得到平面波；准直透镜与光束整形透镜组之间、光束 整形透镜组与相移光栅之间、相移光栅与傅里叶变换透镜之间、傅里叶变换透镜与第一相 位补偿结构之间、第一相位补偿结构与直流分量相移器之间、直流分量相移器与第二相位 补偿结构之间和第二相位补偿结构与输出波导阵列之间均保持间距；各组件间保持间距， 使得光的衍射过程近似为标量波处理。
[0015] 工作时，输入波导接收入射光束，经准直透镜实现光准直，在准直透镜焦平面得到 平行光；光束整形透镜组将平行光的光功率空间均匀化，使得能量空间均匀分布，获取均匀 平面波；相移光栅对均匀平面波进行周期性相位调制，获取周期性的场分布；傅里叶变换 透镜对该场分布进行从空域到频域的傅里叶变换，将基频分量与交流分量空间分离，在其 后焦平面得到输入光场的空间频谱；第一相位补偿结构对傅里叶变换透镜出射的各阶平行 光束做空间傅里叶变换处理，在空间频谱面得到光栅的空间频谱；直流分量相移器在频域 对基频分量进行固定相移，起空间滤波的作用；第二相位补偿结构辅助实现第二次傅里叶 变换，第二次傅里叶变换对所有分量进行从频域到空域的反傅里叶变换，将所有交流分量 和直流分量再次在空间叠加到一起，获取周期性的输出场分布；在每个周期中，部分区域场 强得到加强，其余区域场强抵消为零；相移光栅的周期数为N，实现N路光功率分束。
[0016] 优选的，光束整形透镜包括沿Z方向从左至右排列的一个凹透镜和一个凸透镜； 凹透镜与凸透镜之间保持间距，凹透镜近准直透镜设置，凸透镜近相移光栅设置。
[0017] 优选的，准直透镜的右侧输出端面与光束整形透镜组的凹透镜的左侧输入端面之 间具有10微米~50微米的间距；光束整形透镜组的凸透镜的右侧输出端面与相移光栅的 左侧输入端面之间具有5微米~20微米的间距；傅里叶变换透镜的左侧输入端面与相移光 栅的右侧输出端面与之间具有10微米~50微米的间距；组件之间的间距在该范围内取值， 在实现功能的同时使得器件更加紧凑，减小器件体积，有利于光电集成；间距过小，则光的 衍射过程不能近似为标量波进行处理；间距过大使得器件尺寸过大；
[0018] 傅里叶变换透镜的右侧输出端面与第一相位补偿结构的左侧输入端面之间的间 距为4280微米~4320微米；根据傅里叶变换透镜的焦距f确定。
[0019] 第一相位补偿结构的右侧输出端面与直流分量相移器的左侧输入端面之间的间 距为9微米~11微米；直流分量相移器的右侧输出端面与第二相位补偿结构的左侧输入端 面之间的间距为9微米~11微米；间距过大则会增大器件尺寸；间距过小，则光的衍射过 程不能近似为标量波进行处理。
[0020] 第二相位补偿结构的右侧输出端面与输出波导阵列的左侧输入端面之间的间距 为4280微米~4320微米；根据傅里叶变换透镜的焦距f获取。
[0021] 优选的，傅里叶变换透镜是由两段相同的圆弧围成的扁平柱体；沿X方向宽度为 1100微米~1200微米，圆弧半径R为1230微米~1250微米；沿Y方向厚度为0. 37微米~ 0. 4微米；
[0022] 傅里叶变换透镜沿X方向的宽度根据相移光栅的尺寸来确定；由于相移光栅的周 期数目N决定了光功率分束器的分路数N，每一个周期在X方向尺寸决定了光功率分束器出 射的分束光束之间的间距；如果间距过大则器件尺寸过大，如果间距过小则引起各通道之 间的耦合，使器件的性能劣化；
[0023] 上述圆弧半径R根据傅里叶变换透镜焦距f决定，R = 2 (rvV-1) f ;傅里叶变换 透镜焦距f为4400微米~4500微米，nH为透镜内的等效折射率值（即上导波层、下导波 层、包层和衬底总的等效折射率）Ik为背景材料系（包括下导波层、包层和衬底）的有效折 射率值；
[0024] 沿Y方向厚度根据有效折射率法（Effective Index Method)或者模式求解法 (Mode solver)获取，并保留50纳米的制作容差；其中，X方向是指水平面上与Z方向垂直 的方向。
[0025] 优选的，上导波层的厚度为0. 37微米~0. 4微米。
[0026] 优选的，直流分量相移器为长方体，沿X方向宽度350微米，覆盖住整个0阶光束， 沿Z方向长度为3. 8微米，根据引入的相位延迟值确定；沿Y方向的厚度为0. 3微米~0. 4 微米，根据有效折射率法或者模式求解获取，并保留50纳米的制作容差。
[0027] 本发明提供的光功率分束器，采用相干光在平面光波导的横向干涉原理，通过调 整上导波层的厚度来调整各组件的有效折射率；根据各个组件的轮廓及有效折射率，调整 各区域的相位延迟；本发明提供的光功率分束器，通过傅里叶变换透镜和第一相位补偿结 构完成从空域到频域，通过傅里叶变换透镜和第二相位补偿结构完成从频域到空域的两次 傅里叶变换，并由直流分量相移器在频域进行相应的乘法运算，对空间频谱进行调制，获取 多路输出。
[0028] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有