专利名称：一种基于光子激励的光波导导波特性改善方法
技术领域：
本发明涉及一种改善光波导导波特性的方法，属于光通信技术领域。
背景技术：
近年来，在光通信干线网的超高速传输、以及接入网的光纤到户技术中，大量采用了石英光波导器件。在光纤网络中导入光波导器件，有三个指标需要严格控制，一个是光波导器件的插入损耗(IU，一个是光波导器件的回波损耗(RL)，还有一个是光波导器件的偏振相关损耗(PDL)。光波导器件插入损耗与光通信网络的经济成本直接有关，越低越好；光波导器件回波损耗直接影响光源信号的稳定性，越高越好；光波导器件偏振相关损耗与信号的误读率有关，越低越好。 光波导器件的插入损耗由三部分组成，一个是光波导芯片与光纤的对接耦合损耗，另一个是光波导芯片的原理损耗，还有一个是光波导芯片的附加损耗。其中光波导芯片与光纤的对接耦合损耗只能通过提高调芯对接技术来解决，与光波导制造技术无关(1.波导-光纤自动对接的质心调芯法及其所用自动调芯装置，专利号ZL03129249. 6 ;2.基于遗传算法的波导-光纤自动调芯法及其装置，专利号ZL200410018175. 1);光波导芯片的原理损耗是由光波导芯片的光学回路所依据的传输原理决定的，也与光波导制造技术无关；光波导芯片的附加损耗由光波导芯片的质量决定，与光波导制造技术密切相关。
光波导器件的回波损耗由两部分组成， 一个是光波导芯片与光纤对接耦合时产生的菲逆耳反射，另一个是来自于光波导芯片自身的反向瑞利散射。其中光波导芯片与光纤对接耦合时产生的菲逆耳反射目前普遍采用斜面对接、使反射光越出光纤的数值孔径的方法来解决；光波导芯片自身的反向瑞利散射损耗无法用斜面对接的方法解决，其大小与光波导制造技术密切相关。 光波导器件的偏振相关损耗主要来自于光波导芯片中残余应力导致的各向异性，也与光波导制造技术密切相关。 总之，石英光波导芯片自身引起的附加损耗、反向瑞利散射损耗以及偏振相关损耗是由石英光波导芯片的质量决定的，取决于光波导制造技术的水平高低。石英光波导芯片一旦制造完成，上述三个特性就被确定，除了通过指标质检剔除非合格品以外，目前尚没有积极有效的补救办法。国内外行业内考虑到目前制造技术的现实情况，石英光波导器件的合格判据在附加损耗、回波损耗以及偏振相关损耗的指标方面分别是不大于2dB、不小于55dB和不大于0. 3dB。
发明内容
本发明的目的是提供一种进一步提升石英光波导芯片的导波特性，从而提高石英光波导器件的性能和成品合格率的方法。 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于光子激励的光波导导波特性改善方法，其特征在于，由以下四个步骤按顺序共同构成
步骤1、采用波长为248nm的紫外光辐照石英光波导，248nm紫外光由石英光波导的上包层的上表面垂直入射，248nm紫外光的辐照范围覆盖石英光波导的全部上表面，248nm紫外光的辐照剂量须达到90J/cm2以上； 步骤2、切断248nm紫外光的辐照，将石英光波导在室温中放置5分钟以上；
步骤3、采用波长范围覆盖280nm 400nm的紫外光和波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光同时辐照石英光波导，波长范围覆盖280nm 400nm的紫外光由石英光波导的上包层的上表面垂直入射，波长范围覆盖280nm 400nm的紫外光的辐照范围覆盖所述石英光波导的全部上表面，波长范围覆盖280nm 400nm紫外光的辐照剂量须达到180J/cm2以上，波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光由侧面辐照所述石英光波导，波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光的辐照方向与所述石英光波导上表面法线成30度角，波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光的辐照范围覆盖石英光波导的全部上表面，波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光的辐照剂量须达到70J/cm2以上；
步骤4、同时切断波长范围覆盖280nm 400nm紫外光和波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光的辐照，将石英光波导在室温中放置30分钟。 本发明采用高能量光子激发石英光波导芯片中被分子价键缺陷俘获的、处在隙内能级上的亚稳态电子，通过受激电子的热辐射退激以及伴有的原子驰豫来修复石英光波导芯片中的分子价键缺陷，从微观上改进石英光波导芯片的玻璃结构，达到改善光学导波性能的效果。 本发明在用现行光波导制造技术制备完成的石英光波导芯片上实施，是对现行石英光波导制造技术的一种后续工艺发展，其优点是可明显改善石英光波导光学特性。
图1为光热效应实验结构 图2为光热效应测试结果图。
具体实施例方式
以下结合实施例来具体说明本发明。
实施例
基本原理 现行石英光波导芯片采用火焰水解淀积技术(FHD)或等离子体辅助化学气相淀积技术(PECVD)或两种技术的结合来制造，工艺流程十分复杂，包括在基板上形成非晶态Si02垫衬包层、在垫衬包层上形成非晶态Si02+Ge02芯层、采用光刻技术和反应离子蚀刻技术形成Si02+Ge02光波导回路、在光波导回路两侧和上部形成非晶态Si02包覆层等，其间还插入数次高温热处理。由于火焰水解淀积技术或等离子体辅助化学气相淀积技术本质上都是通过不断地化学成键来构成非晶态玻璃薄膜，难免在石英光波导中留下化学阶键缺陷。
紫外光谱测试结果显示作为波导包层的纯Si02非晶态玻璃薄膜的吸收边约在7. 3eV附近，对应的波长约为170nm，这与非桥氧电子以及Si-0成键态电子向Si-0抗键态跃迁的能隙宽度靠近。在5. leV(对应242nm波长)附近还观察到了很小的吸收峰，这与氧空位点缺陷的吸收波长一致。表明Si(^波导包层中含有少量的非桥氧和氧空位缺陷。作为波导芯层的Si02+Ge02非晶态玻璃薄膜的吸收边较纯Si02非晶态玻璃薄膜的发生了红移，移至6.9eV(对应180nm波长)附近。在5. leV处的吸收峰明显增高且变宽，表明Si02+Ge02非晶态玻璃中除了含有较多的非桥氧和氧空位点缺陷以外，还有大量锗空位点缺陷。
由于点缺陷引起介质密度或折射率的起伏，光波通过时发生瑞利散射，导致传输损耗和回波损耗的增加。另外，火焰水解淀积技术或等离子体辅助化学气相淀积技术都涉及高温成膜过程，由于基板与形成中的薄膜的热膨胀系数存在差异，冷却到室温时薄膜中会留有应力，由此引起的折射率各向异性是导致偏振相关损耗增大的主要原因。高温热处理虽然可以在相当程度上减少缺陷浓度并释放大部分应力，但不能完全解决问题，限制了现行石英光波导芯片光学特性的进一步提高。 用总剂量为90J/cm2、波长为248nm的紫外光分别辐照Si02和Si02+Ge02非晶态玻璃薄膜后，再次做紫外光谱测试发现，Si(^玻璃薄膜的吸收谱与辐照前无甚区别，但Si02+Ge02玻璃薄膜的吸收谱发生了明显变化，主要变化表现为5. leV处的吸收峰几乎消失，而6. 2eV(对应200nm波长)处出现了新的吸收峰。这是由于Si02+Ge02玻璃薄膜中的氧空位点缺陷吸收248nm光子后，Si-Ge成键态向抗键态跃迁，形成GeE'点缺陷，并释放一个扩展态受激电子。该受激电子是不稳定的，容易被周边锗空位点缺陷俘获从而形成色心。GeE'点缺陷的吸收峰在6. 2eV附近，而色心的吸收带在可见光区域，因此色心能级属于隙内浅能级。实验还发现，进一步增加248nm紫外光的辐照剂量后，紫外吸收谱没有变化，表明辐照剂量达90J/cm2时，色心浓度已经饱和。 上述实验结果表明，采用火焰水解淀积技术或等离子体辅助化学气相淀积技术制备的Si02非晶态玻璃薄膜缺陷甚少，该类技术制备的Si02+Ge02非晶态玻璃薄膜则含有较多的非桥氧缺陷、氧空位点缺陷以及锗空位点缺陷。上述SiO^Ge(^非晶态玻璃薄膜被总剂量为90J/cm2的248nm紫外光辐照后，氧空位点缺陷被GeE'点缺陷替换，同时形成大量浅能级色心，色心浓度达到饱和。 由于被色心束缚的电子处在隙内浅能级上，用3. 4eV光子能量的365nm紫外光辐照就足以被激励，被色心束缚的电子吸收了 365nm紫外光子后跃迁至导带迁移率边以上，成为扩展态电子。由于扩展态受激电子是不稳定的，可以通过辐射跃迁或无辐射跃迁退激，退激过程往往伴有原子驰豫，以求降低内能。历经了总剂量为90J/cm2的248nm紫外辐照后的SiO^Ge(^非晶态玻璃薄膜在365nm紫外光辐照时没有观察到荧光，因此可以认为上述扩展态受激电子主要通过无辐射跃迁退激，伴有原子驰豫，365nm紫外光子能量除了部分贡献给驰豫位移作功以外，其它主要转移为发热。 这种光热现象通过如图1所示的马赫_曾德尔干涉实验得到了证实，马赫_曾德尔干涉回路的两根干涉臂中插入了两根长度为30cm的石英单模光波导，两根石英单模光波导均事先历经了总剂量为90J/cm2的248nm紫外辐照，本实验选择在其中一根石英单模光波导的上表面用遮紫外挡片截断365nm紫外辐照；前后两个宽带3dB单模光纤耦合器的中心波长是1310nm;与光波导连接的光纤都是近红外单模光纤；光源的工作波长是1310nm，光功率是lmW ;紫外冷光源的波长是365nm，辐照范围限制在光波导上，到达光波导上表面的紫外光光强是68. 8mW/cm2。采用切断后再熔融烧结的技术微调干涉臂中一根光纤的长度，使得未实施365nm紫外辐照时的输出端交叉耦合功率比接近50X。另外，由于平面绘图的限制，图1中示意的紫外辐照表示紫外光沿垂直于纸面、且由光波导上表面射入。
实验基本原理是干涉臂中的一根光波导暴露在365nm紫外辐照中，光波导中被色心缺陷俘获的、处在隙内浅能级上的亚稳态电子吸收了 365nm紫外光子后跃迁至导带迁移率边以上，通过原子驰豫退激并伴有发热。波导芯及其周围包层吸热后发生热致折射率变化，结果使得通过该波导的导模的传播常数发生变化，导致通过两根干涉臂的导模之间产生额外的相位差。由于马赫-曾德尔干涉对相位差极为灵敏，可以通过测量输出端的功率耦合比的变动来观察。另外，由于光波导中的色心浓度已经饱和，加之365nm紫外光的光子能量只有3. 4eV，不会在辐照过程中产生额外的色心。 图2给出了实测结果，前8min的365nm紫外辐照使交叉耦合比发生明显变动，8min的紫外辐照剂量约为33J/cm、之后的6min紫外辐照期间交叉耦合比几乎不动，意味着热平衡建立。切断紫外辐照后，波导逐渐降到室温，交叉耦合比随之回复，但实验显示交叉耦合比不能回复到原始水平。切断紫外辐照达10min后再次开启365nm紫外辐照，交叉耦合比的变动趋势与初次紫外辐照时的基本相同，但是同为33J/cm2辐照剂量得到的交叉耦合比的变化量小于初次辐照的。继续上述过程可以发现，第3次过程的交叉耦合比的变化量进一步减小，而第4次过程与第3次过程测得的结果基本相同。 上述实验现象表明一定剂量的365nm紫外辐照具有修复点缺陷的作用，经初次14min(相当于57. 8J/cm2辐照剂量)辐照后的光波导的点缺陷已有部分修复，修复机理主要源于光热效应及其伴有的原子驰豫，锗空位点缺陷俘获的电子经365nm紫外光子激发后的释热退激不是简单地表现为电子被锗空位点缺陷重新俘获，也不是简单地表现为电子被GeE'点缺陷重新俘获后还原为氧空位点缺陷，由于原子驰豫和光热效应的作用，部分GeE'点缺陷易于与近邻的非桥氧和退激电子重构形成正常的SiO^Ge(^价键，内能降低，从而获得更稳定的结构。这个过程使得部分GeE'点缺陷得到修复、色心减少，结果是波导的折射率分布发生变化，以至于切断365nm紫外辐照后交叉功率耦合比恢复不到初值。也是因为色心的减少，光热效应随之减小，交叉功率耦合比的变动量因此减小。随着365nm紫外辐照总剂量的不断增加，缺陷修复效应趋于饱和，如图2所示那样，365nm紫外辐照剂量达173J/cm、相当于完成第三次辐照)以上后，交叉功率耦合比的变动开始出现等幅值周期性重复。
由上述实验结果还可得到一个提示，在实施365nm紫外辐照的同时，辅以带宽覆盖8000 22000nm的红外辐照可以获得更好的修复效果，因为Si-O-Si键的0离子和Si离子的拉伸振动谱以及Si-0键的弯曲振动谱分别在9090nm、12500nm和20833nm附近，采用包含这些谱线的红外辅助辐照可以进一步促进原子驰豫的充分进行，提高缺陷修复的效率。另外，由紫外辐照激励的原子驰豫以及由红外辐照激励的分子键振动对于释放光波导中残留的应力也是十分有利的。
缺陷修复操作流程 步骤1、采用波长为248nm的紫外光辐照石英光波导，该248nm紫外光由石英光波导的上包层的上表面垂直入射，该248nm紫外光的辐照范围覆盖石英光波导的全部上表面，该248nm紫外光的辐照剂量须达到90J/cm2以上； 步骤2、切断上述248nm紫外光的辐照，石英光波导在室温中放置5分钟；
步骤3、改用波长范围覆盖280nm 400nm的紫外光和波长范围覆盖8000nm 22000nm的红外光同时辐照上述石英光波导，该280nm 400nm紫外光由石英光波导的上包层的上表面垂直入射，该280nm 400nm紫外光的辐照范围覆盖石英光波导的全部上表面，
6该280nm 400nm紫外光的辐照剂量须达到180J/cm2以上，上述8000nm 22000nm的红 外光由侧面辐照上述石英光波导，红外光的辐照方向与石英光波导上表面法线成30度角， 红外光的辐照范围覆盖石英光波导的全部上表面，红外光的辐照剂量达到70J/cm2以上；
步骤4、同时切断上述波长范围覆盖280nm 400nm紫外光和波长范围覆盖 8000nm 22000nm的红外光的辐照，石英光波导在室温中放置30分钟。
实施过程及结果 选择的光波导样品分别是1 X 4、 1 X 8、 1 X 16和1 X 32石英光波导分路器，石英光 波导分路器的输入端面和输出端面均采用8度斜面研磨抛光处理，特性测试采用8度斜面 单模光纤列阵与石英光波导分路器的端面耦合技术，对接耦合采用自动调芯方法，测试波 长是1310nm。缺陷修复采用前述缺陷修复操作流程给定的工艺步骤，修复前后测得的数据 归纳于表1。从表1可以看出，采用本发明技术做了缺陷修复后，回波损耗的改善高达6dB 以上，表明瑞利散射明显减少，瑞利散射的减少源于点缺陷造成的折射率起伏的减少。偏振 相关损耗也有非常明显的改善，这与光波导残留应力的缓解直接相关，得益于原子驰豫和 分子键振动的效果。附加损耗的改善与瑞利散射的减少以及残留应力的缓解都有关，是综 合效应，测试数据显示附加损耗的改善也是十分明显的。
光波导 分路器 类型回波损耗(dB)偏振相关损耗(dB)附加损耗(dB)修复前修复后改善效 果修复前修复后改善效 果修复前修复后改善效 果
1x456.262.7+6.50.110.04.-0.070.60.5-0.1
1x855.962.1+6.20,180,05-0.130.80.5-0.3
1x1655.861.9+6,10.190.05-0.141.10.7-0.4
1x3255.361.6+6.30.220.08-0.141.60.9-0.7 表1
权利要求
一种基于光子激励的光波导导波特性改善方法，其特征在于，由以下四个步骤按顺序共同构成步骤1、采用波长为248nm的紫外光辐照石英光波导，所述248nm紫外光由石英光波导的上包层的上表面垂直入射，所述248nm紫外光的辐照范围覆盖所述石英光波导的全部上表面，所述248nm紫外光的辐照剂量须达到90J/cm2以上；步骤2、切断所述248nm紫外光的辐照，将所述石英光波导在室温中放置5分钟以上；步骤3、采用波长范围覆盖280nm～400nm的紫外光和波长范围覆盖8000nm～22000nm的红外光同时辐照所述石英光波导，所述波长范围覆盖280nm～400nm的紫外光由所述石英光波导的上包层的上表面垂直入射，所述波长范围覆盖280nm～400nm的紫外光的辐照范围覆盖所述石英光波导的全部上表面，所述波长范围覆盖280nm～400nm紫外光的辐照剂量须达到180J/cm2以上，所述波长范围覆盖8000nm～22000nm的红外光由侧面辐照所述石英光波导，所述波长范围覆盖8000nm～22000nm的红外光的辐照方向与所述石英光波导上表面法线成30度角，所述波长范围覆盖8000nm～22000nm的红外光的辐照范围覆盖所述石英光波导的全部上表面，所述波长范围覆盖8000nm～22000nm的红外光的辐照剂量须达到70J/cm2以上；步骤4、同时切断所述波长范围覆盖280nm～400nm紫外光和波长范围覆盖8000nm～22000nm的红外光的辐照，将所述石英光波导在室温中放置30分钟。
全文摘要
本发明提供了一种基于光子激励的光波导导波特性改善方法，其特征在于，步骤为采用紫外光由石英光波导的上包层的上表面垂直入射辐照石英光波导，在室温中放置后，再用紫外光和红外光分别从上包层的上表面垂直及侧面入射，随后在室温中放置。本发明在用现行光波导制造技术制备完成的石英光波导芯片上实施，是对现行石英光波导制造技术的一种后续工艺发展，其优点是可明显改善石英光波导光学特性。
文档编号H04B10/12GK101762844SQ20091019928
公开日2010年6月30日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者周依群, 周建忠, 简平荣, 陈抱雪 申请人:上海美弗信光电科技有限公司