阵列波导光栅与光纤阵列一体化的结构及其制造方法 【技术领域】
本发明是一种阵列波导光栅与光纤阵列一体化的结构，尤其是具有能够使得阵列波导光栅的输入/输出波导容易地与光纤阵列直接对准的结构。本发明还涉及制造这种一体化结构的方法，以及制造阵列波导光栅中光波导的工艺方法。
背景技术
密集波分复用(DWDM)技术是解决宽带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。复用/解复用器是构造DWDM系统的关键部件。目前实现波分复用(WDM)技术通常有三种，它们是阵列波导光栅(AWG)、光纤光栅(FBG)和其它干涉型滤光器件(Filter)。可靠性高、信道数多、通带平坦、性能优良使AWG成为目前复用/解复用器的首选技术。如图1所示，AWG由输入波导4、输出波导5、输入平板波导6、输出平板波导7和阵列波导8组成，输入/输出波导4、5和阵列波导8由两个平板波导6和7相连，相邻阵列波导8间的长度差ΔL相同。解复用器的工作原理为：复用光波由输入光纤2耦合进入某一输入波导4，在平板波导6内衍射，并耦合进阵列波导区8，因阵列波导8端面位于光栅圆周上，所以衍射光以相同相位到达阵列波导8端面，相同相位的衍射光，经长度差为ΔL的阵列波导8传导后，产生了相位差(不同波长的相位差也不同)，于是不同波长的光波被输出平板波导7聚焦到不同的输出波导5的不同位置，完成解复用功能。如果光波反向输入，则完成复用功能，原理相同。
要实现不同波长的光信号的复用/解复用，必须将光波通过光纤耦合进AWG的输入波导，输出的光波也必须由AWG地输出波导耦合进输出光纤，因此，光纤与光波导的高效耦合是DWDM系统中非常重要的一个环节。光纤与光波导的直接端面耦合是实际工作中最常见的耦合方法，一般来说，波导的横截面与光纤芯面的匹配情况是固定的，因此能否将光纤与波导准确对准是实际工作中的最大问题。因为单模光纤的芯径和脊形波导的端面尺寸都是在微米量级，所以保持精密对准是极其困难的，而由对不准带来的附加耦合损耗也是不可忽略的。原则上，如果能够实现精密对准，再使用折射率匹配液减少界面的反射损耗就可以实现高效耦合。
然而，与FBG和Filter相比，AWG的输入/输出波导是具有几十甚至上百个通道的阵列波导，与输入/输出光纤的耦合(对准)粘接相对比较困难。为实现光纤与AWG的有效耦合，必须使用光纤阵列，即把多芯光纤安装在精确设置的V形槽阵列中，使它们彼此分开的间距与输入/输出波导间距相当，精度为微米级或更小。这样AWG与光纤的耦合(对准)就是阵列波导与光纤阵列的耦合，也就是说，要尽可能保证每一个单根光纤与所对应光波导的准确对准。图1所示为普通的耦合示意图，需要用精密的多维微调系统来调节AWG1与光纤阵列2和3的相对位置，同时需要有能够测量光纤阵列的光学对准装置，如日本骏河公司开发了光纤阵列-AWG-光纤阵列的自动调芯(耦合)系统。然而，这些设备往往造价昂贵，且对准耦合中操作复杂，需要的处理时间长。
另外，目前用于AWG中的硅基光波导主要有两种：SOI波导及SiO2/Si波导。但这两种波导制作工艺复杂，而且明显增加了AWG器件的成本。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种阵列波导光栅与光纤阵列一体化的结构及其制造方法，其具有成本低、结构与制造工艺简单、阵列波导光栅与光纤阵列对准耦合容易的优点。
本发明一种阵列波导光栅与光纤阵列一体化的结构，其特征在于，该结构包括一个阵列波导光栅及与阵列波导光栅输入、输出波导阵列对准耦合的输入和输出光纤阵列，阵列波导光栅与光纤阵列集成在同一片硅衬底上，所述阵列波导光栅的输入/输出波导与光纤阵列采用自对准方法直接进行端面耦合，其中光纤阵列由基片上的V或U形槽阵列、上盖片和多芯单膜光纤通过粘接剂粘合而成。
所述阵列波导光栅的输入/输出波导的导模场强度最强点与单模光纤纤芯中心重合。
所述阵列波导光栅所用波导为硅外延型光波导，其衬底为重掺杂的n型或p型单晶硅片。
所述阵列波导光栅中的阵列波导与输入/输出波导为梯形或矩形截面的大芯径硅脊形单模波导。
所述阵列波导光栅中的输入/输出波导端面可镀膜以降低背反射。
所述光纤阵列的上盖片是由选自包括硅、硼酸玻璃、石英及其它透光物质的组的材料制成。
所述光纤阵列上盖片刻有与基片上光纤阵列区的V形或U形槽阵列相互对准的V形或U形槽阵列，或者在上盖片的边缘采用对准限位条结构，以固定粘合在上盖片与基片V形或U形槽阵列间的多芯光纤。
所述上盖片上的V或U形槽阵列可由硅晶片通过标准光刻工艺结合干法或湿法刻蚀工艺刻蚀而成，也可以使用模具铸造出V或U形槽阵列。
所述光纤阵列的粘接剂可采用紫外固化的紫外胶或采用加热固化的胶。
所述光纤阵列的多芯单膜光纤采用拉锥光纤以提高与大芯径硅脊形单模波导的耦合效率。
所述光纤阵列的多芯单膜光纤的端面经过抛光并可在其端面镀膜以降低背反射。
本发明一种阵列波导光栅与光纤阵列一体化结构的制造方法，可使所述阵列波导光栅的输入/输出波导的模场最强点与单模光纤中心自对准而实现高效耦合，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)采用常规外延工艺在重掺杂n型或p型硅单晶衬底上生长一层厚硅膜，形成基片；(2)在基片的阵列波导光栅区刻蚀出符合设计要求的阵列波导光栅结构；(3)在基片的光纤阵列区刻蚀出符合设计要求的V形或U形槽阵列结构，在光纤阵列的上盖片可刻蚀相应的V形或U形槽阵列，或边缘对准限位条结构；(4)多芯单模光纤端面抛光后，对阵列波导光栅的输入/输出波导端面及光纤端面镀膜，再用粘接剂将多芯光纤粘合在上下对准的上盖片与基片的V形或U形槽阵列间，形成与阵列波导光栅的输入/输出波导阵列自准直的光纤阵列。
所述步骤(2)是这样进行的，根据设计要求设计阵列波导光栅的版图，保证输入/输出波导间距与多芯单模光纤间距严格相同；制版；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为掩蔽层；利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片阵列波导光栅区刻蚀出阵列波导光栅结构；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅保护层。
所述步骤(3)是这样进行的，根据设计要求设计光纤阵列区V形或U形槽阵列的掩膜版图，一方面V形或U形槽阵列间距与多芯单模光纤间距严格相同，另一方面精确限定此版图与阵列波导光栅版图间的对准标志位置；设计上盖片版图；制版；高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅掩蔽层；利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片光纤阵列区刻蚀出V形或U形槽阵列；刻蚀上盖片图形。
所述阵列波导光栅的二氧化硅保护层与光纤阵列区V形或U形槽阵列的二氧化硅掩蔽层同期形成，即基片上形成的第二层二氧化硅在阵列波导光栅区作用为保护层，在光纤阵列区作用为掩蔽层。
本发明一种制造阵列波导光栅用光波导的方法，其特征在于，在重掺杂硅单晶衬底上外延生长一层硅，并在其上热氧化或化学气相淀积一层薄二氧化硅掩蔽膜；再采用标准光刻工艺结合各向异性湿法腐蚀或反应离子干法刻蚀，制备出阵列波导光栅中的平板波导及作为阵列波导和输入/输出波导的脊形波导阵列。
【附图说明】
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是现有普通的阵列波导光栅与光纤阵列的耦合示意图；
图2是本发明实施例的阵列波导光栅与光纤阵列一体化结构的立体视图；
图3是已装好光纤阵列的对准耦合部分立体视图；
图4是未装光纤阵列的对准耦合部分立体视图；
图5是制备本发明阵列波导光栅及其与光纤阵列一体化结构的工艺流程图；
图6是本发明阵列波导光栅中所用硅脊形波导的截面结构图，(a)矩形截面(b)梯形截面。
【具体实施方式】
请参阅图2是说明本发明实施例的阵列波导光栅与光纤阵列一体化结构的立体视图。在图示情况下，光纤阵列的通道数为8，实际应用中还会有16路、32路、64路、128路等。如图2所示，该结构包括基片40和两个上盖片50，以及粘结在基片40和上盖片50之间的输入、输出多芯单模光纤51。
其中，基片40被划分为三个区：AWG区10、输入光纤阵列区20和输出光纤阵列区30，它们是在同一硅衬底上形成的，即将图1中三个分立的光无源器件集成在一起。
阵列波导光栅在AWG区10形成，其作用是将由输入光纤阵列20’耦合入输入波导11的光信号进行复用或解复用，再由输出波导12耦合进输出光纤阵列30’。本发明中用于AWG 10’的波导为结构与制造工艺简单的硅外延波导，其中的阵列波导15及输入/输出波导11、12阵列采用具有梯形或矩形截面的脊形结构。光纤阵列区刻蚀有V形或U形准直槽阵列，单个槽的对称面与AWG输入/输出波导11、12中相应单根波导的对称面重合，槽间距与多芯光纤51间距相同。多芯光纤51在V或U形槽的导向作用下平行等距排列在V或U形槽中，确定AWG 10’的输入/输出波导11、12与多芯光纤51间的最佳相对距离后，经粘接剂固化被粘结在V或U形槽与上盖片50之间。粘接剂可采用紫外固化的紫外胶或采用加热同化的其它胶。
上盖片50可刻蚀V或U形槽阵列，与基片40上光纤阵列区的V或U形槽等距平行并一一对准，多芯光纤51被粘接固定在上下V或U形槽形成的菱形或矩形槽中。或者在上盖片50的边缘采用对准限位条结构，另外也可不刻蚀沟槽。在上盖片50上可刻蚀V或U形槽阵列的方法很多：一种刻蚀方法是由硅晶片通过标准光刻结合干法或湿法刻蚀工艺刻蚀而成，另一种方法可以使用适当的模具铸造出V或U形槽阵列。因多芯光纤51可采用紫外胶固化，因此上盖片50的材料除了易于刻蚀V或U形槽的硅晶片外，还可以采用如石英、硼酸玻璃等透光材料。
DWDM系统中要求器件的插入损耗小，必须尽量降低各种损耗。多芯光纤51与波导11、12间的端面回波损耗可通过选择合适的粘接剂来降低。本发明中AWG输入/输出波导11、12采用的是脊形硅外延波导，采用较大波导芯径(10～20μm)可降低其传输损耗。由于波导11、12的横截面与多芯光纤51芯面的匹配情况直接影响耦合效率，而目前普通光纤的芯径为9～10μm，为降低AWG 10’与光纤阵列20’、30’间的耦合失配损耗，我们的最佳实施例中采用的单模多芯光纤为端面芯径较大的拉锥光纤，并在对准粘合前己进行了端面抛光，另外可在AWG 10’的输入/输出波导11、12及多芯光纤51端面镀膜以降低背反射。
图3是描述已装好光纤阵列20、30的对准耦合部分的立体视图(局部)。AWG 10’的输入/输出脊形波导11、12通过光纤阵列20’、30’的V或U形导向槽与光纤阵列20’、30’自准直，即单根波导的导模场最强点与对应的光纤中心重合，从而实现AWG 10’与光纤阵列20’、30’间的高效耦合。如图3所示，单模多芯光纤51放入V形槽后，单根光纤在X方向和Y方向受到限制，只要精确设计参数并严格控制工艺条件，使光纤芯径中心与波导模场最强点重合，此时光纤只有Z方向一个自由度，也就是说，在进行AWG 10’与光纤阵列20’、30’的对准时，只需调节光纤阵列20’、30’在Z方向与输入/输出波导阵列11、12的相对位置就可以找到最佳耦合点，这就大大降低了调制难度。
图4是描述本结构在未装光纤阵列时对准耦合部分(图中只取了单根波导11、12与一个V形槽70)的立体视图。图中示出的是采用湿法工艺得到的两个实施例，AWG输入/输出波导11、12为梯形截面的硅脊形波导，对准槽为V形槽70。V形槽70有两种截面形状：梯形(a)与V形(b)。也可采用干法工艺，得到的AWG输入/输出波导11、12为矩形截面的硅脊形波导，对准槽为U形槽。
如上所述，根据本发明一体化的结构可以使阵列波导光栅10’的输入/输出波导11、12与光纤阵列20’、30’采用自对准方法直接进行端面耦合，其中最关键的一条是要保证光纤阵列20’、30’中每根光纤的中心与波导阵列11、12中对应波导的模场最强点重合，因此必须严格控制制作此结构的工艺步骤。
图5是展示制造本发明优选实例的上述一体化结构的方法的基本工艺步骤的流程图。
按照图5所示的方法，首先在重掺杂n型或p型硅单晶衬底上采用常规外延工艺生长一层厚硅膜。由于衬底和外延层的自由载流子浓度不同，其折射率也不同，平行于硅片表面传播的光波可以被约束在外延层中，由此而形成的基片40实际上是一个平面光波导，并且这种方法制成的光波导工艺及结构相当简单。
第二步是要在基片40的阵列波导光栅区10刻蚀出符合设计要求的阵列波导光栅结构。通过设计软件设计出符合要求的阵列波导光栅1的版图，保证输入/输出波导11、12间距与多芯单模光纤51间距严格相同，并模拟计算出输入/输出波导11、12的模场最强点的位置；根据设计版图制作掩膜板；然后再用高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为掩蔽层；通过标准光刻工艺结合湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片阵列波导光栅区10刻蚀出阵列波导光栅结构；随后再采用高温热氧化或化学气相沉积方法在基片上形成一层二氧化硅作为AWG的保护层，这同时也就形成了光纤阵列区20、30刻蚀V形或U形槽70的掩蔽层；测试阵列波导光栅的输入/输出波导11、12的模场最强点的位置。
下一步要在基片40的光纤阵列区20、30刻蚀出符合设计要求的V形或U形槽70的阵列结构，在光纤阵列20’、30’的上盖片50刻蚀相应的V形或U形槽阵列。根据上一步模拟及测试出的阵列波导光栅1的输入/输出波导11、12的模场最强点的位置及其它设计要求设计光纤阵列区V形或U形槽70阵列的掩膜版图，一方面V形或U形槽70阵列间距与多芯单模光纤51间距严格相同，另一方面精确限定此版图与阵列波导光栅版图间的对准标志位置；设计上盖片50版图；制版；由于V形或U形槽70阵列的二氧化硅掩蔽层已在上步形成，可直接利用光刻及湿法各向异性腐蚀或干法反应离子刻蚀在基片光栅阵列区20、30刻蚀出与输入/输出波导11、12对准的V形或U形槽70阵列；刻蚀上盖片50图形。
最后一步是多芯单模光纤51与上盖片50和基片40的粘合。对多芯单模光纤51进行端面抛光后，这时可在光纤51端面与波导11、12端面镀膜以降低背反射，然后将多芯光纤51平行放入基片的V形或U形槽70阵列中，确定Z向最佳耦合点位置后，用粘接剂粘合在上盖片50与基片40的V形或U形槽70阵列间，形成与阵列波导光栅10’的输入/输出波导阵列11、12自准直的光纤阵列20’、30’。于是，制成本发明的阵列波导光栅10’及其与光纤阵列20’、30’一体化的结构。
图6是描述本发明中低成本制备AWG 10’用硅外延波导的截面结构图。如前所述，在重掺杂n型或p型硅单晶衬底80上采用常规外延工艺生长一层厚硅膜90。这就形成了初步的硅外延光波导。进一步采用光刻工艺，结合干法反应离子刻蚀形成矩形截面(a)，或结合湿法各向异性腐蚀形成梯形截面(b)，随后在其上热氧化或化学气相淀积一层薄二氧化硅保护膜100，即成为硅外延脊形波导，可用于AWG的输入/输出波导11、12及阵列波导15，此制备方法简单易行。若波导的尺寸选择恰当，器件的插入损耗可以很低。
本发明还公开了一种制造阵列波导光栅用光波导的方法，其是在重掺杂硅衬底上外延生长一层硅，并在其上热氧化或化学气相淀积一层薄二氧化硅作为保护膜；再采用标准光刻工艺结合湿法或干法刻蚀技术，制成阵列波导光栅中的平板波导、阵列波导及输入/输出波导阵列。
尽管参照其特定的实施例详细地展示和描述了本发明，但还应该指出，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变，而不脱离所附权利要求限定的本发明的范围。