專利名稱：一種基于光子激勵的光波導(dǎo)導(dǎo)波特性改善方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善光波導(dǎo)導(dǎo)波特性的方法，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，在光通信干線網(wǎng)的超高速傳輸、以及接入網(wǎng)的光纖到戶技術(shù)中，大量采用了石英光波導(dǎo)器件。在光纖網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)入光波導(dǎo)器件，有三個指標(biāo)需要嚴格控制，一個是光波導(dǎo)器件的插入損耗(IU，一個是光波導(dǎo)器件的回波損耗(RL)，還有一個是光波導(dǎo)器件的偏振相關(guān)損耗(PDL)。光波導(dǎo)器件插入損耗與光通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟成本直接有關(guān)，越低越好；光波導(dǎo)器件回波損耗直接影響光源信號的穩(wěn)定性，越高越好；光波導(dǎo)器件偏振相關(guān)損耗與信號的誤讀率有關(guān)，越低越好。 光波導(dǎo)器件的插入損耗由三部分組成，一個是光波導(dǎo)芯片與光纖的對接耦合損耗，另一個是光波導(dǎo)芯片的原理損耗，還有一個是光波導(dǎo)芯片的附加損耗。其中光波導(dǎo)芯片與光纖的對接耦合損耗只能通過提高調(diào)芯對接技術(shù)來解決，與光波導(dǎo)制造技術(shù)無關(guān)(1.波導(dǎo)-光纖自動對接的質(zhì)心調(diào)芯法及其所用自動調(diào)芯裝置，專利號ZL03129249. 6 ;2.基于遺傳算法的波導(dǎo)-光纖自動調(diào)芯法及其裝置，專利號ZL200410018175. 1);光波導(dǎo)芯片的原理損耗是由光波導(dǎo)芯片的光學(xué)回路所依據(jù)的傳輸原理決定的，也與光波導(dǎo)制造技術(shù)無關(guān)；光波導(dǎo)芯片的附加損耗由光波導(dǎo)芯片的質(zhì)量決定，與光波導(dǎo)制造技術(shù)密切相關(guān)。
光波導(dǎo)器件的回波損耗由兩部分組成， 一個是光波導(dǎo)芯片與光纖對接耦合時產(chǎn)生的菲逆耳反射，另一個是來自于光波導(dǎo)芯片自身的反向瑞利散射。其中光波導(dǎo)芯片與光纖對接耦合時產(chǎn)生的菲逆耳反射目前普遍采用斜面對接、使反射光越出光纖的數(shù)值孔徑的方法來解決；光波導(dǎo)芯片自身的反向瑞利散射損耗無法用斜面對接的方法解決，其大小與光波導(dǎo)制造技術(shù)密切相關(guān)。 光波導(dǎo)器件的偏振相關(guān)損耗主要來自于光波導(dǎo)芯片中殘余應(yīng)力導(dǎo)致的各向異性，也與光波導(dǎo)制造技術(shù)密切相關(guān)。 總之，石英光波導(dǎo)芯片自身引起的附加損耗、反向瑞利散射損耗以及偏振相關(guān)損耗是由石英光波導(dǎo)芯片的質(zhì)量決定的，取決于光波導(dǎo)制造技術(shù)的水平高低。石英光波導(dǎo)芯片一旦制造完成，上述三個特性就被確定，除了通過指標(biāo)質(zhì)檢剔除非合格品以外，目前尚沒有積極有效的補救辦法。國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)考慮到目前制造技術(shù)的現(xiàn)實情況，石英光波導(dǎo)器件的合格判據(jù)在附加損耗、回波損耗以及偏振相關(guān)損耗的指標(biāo)方面分別是不大于2dB、不小于55dB和不大于0. 3dB。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種進一步提升石英光波導(dǎo)芯片的導(dǎo)波特性，從而提高石英光波導(dǎo)器件的性能和成品合格率的方法。 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于光子激勵的光波導(dǎo)導(dǎo)波特性改善方法，其特征在于，由以下四個步驟按順序共同構(gòu)成
步驟1、采用波長為248nm的紫外光輻照石英光波導(dǎo)，248nm紫外光由石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射，248nm紫外光的輻照范圍覆蓋石英光波導(dǎo)的全部上表面，248nm紫外光的輻照劑量須達到90J/cm2以上； 步驟2、切斷248nm紫外光的輻照，將石英光波導(dǎo)在室溫中放置5分鐘以上；
步驟3、采用波長范圍覆蓋280nm 400nm的紫外光和波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光同時輻照石英光波導(dǎo)，波長范圍覆蓋280nm 400nm的紫外光由石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射，波長范圍覆蓋280nm 400nm的紫外光的輻照范圍覆蓋所述石英光波導(dǎo)的全部上表面，波長范圍覆蓋280nm 400nm紫外光的輻照劑量須達到180J/cm2以上，波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光由側(cè)面輻照所述石英光波導(dǎo)，波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光的輻照方向與所述石英光波導(dǎo)上表面法線成30度角，波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光的輻照范圍覆蓋石英光波導(dǎo)的全部上表面，波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光的輻照劑量須達到70J/cm2以上；
步驟4、同時切斷波長范圍覆蓋280nm 400nm紫外光和波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光的輻照，將石英光波導(dǎo)在室溫中放置30分鐘。 本發(fā)明采用高能量光子激發(fā)石英光波導(dǎo)芯片中被分子價鍵缺陷俘獲的、處在隙內(nèi)能級上的亞穩(wěn)態(tài)電子，通過受激電子的熱輻射退激以及伴有的原子馳豫來修復(fù)石英光波導(dǎo)芯片中的分子價鍵缺陷，從微觀上改進石英光波導(dǎo)芯片的玻璃結(jié)構(gòu)，達到改善光學(xué)導(dǎo)波性能的效果。 本發(fā)明在用現(xiàn)行光波導(dǎo)制造技術(shù)制備完成的石英光波導(dǎo)芯片上實施，是對現(xiàn)行石英光波導(dǎo)制造技術(shù)的一種后續(xù)工藝發(fā)展，其優(yōu)點是可明顯改善石英光波導(dǎo)光學(xué)特性。


圖1為光熱效應(yīng)實驗結(jié)構(gòu) 圖2為光熱效應(yīng)測試結(jié)果圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例來具體說明本發(fā)明。
實施例
基本原理 現(xiàn)行石英光波導(dǎo)芯片采用火焰水解淀積技術(shù)(FHD)或等離子體輔助化學(xué)氣相淀積技術(shù)(PECVD)或兩種技術(shù)的結(jié)合來制造，工藝流程十分復(fù)雜，包括在基板上形成非晶態(tài)Si02墊襯包層、在墊襯包層上形成非晶態(tài)Si02+Ge02芯層、采用光刻技術(shù)和反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)形成Si02+Ge02光波導(dǎo)回路、在光波導(dǎo)回路兩側(cè)和上部形成非晶態(tài)Si02包覆層等，其間還插入數(shù)次高溫?zé)崽幚?。由于火焰水解淀積技術(shù)或等離子體輔助化學(xué)氣相淀積技術(shù)本質(zhì)上都是通過不斷地化學(xué)成鍵來構(gòu)成非晶態(tài)玻璃薄膜，難免在石英光波導(dǎo)中留下化學(xué)階鍵缺陷。
紫外光譜測試結(jié)果顯示作為波導(dǎo)包層的純Si02非晶態(tài)玻璃薄膜的吸收邊約在7. 3eV附近，對應(yīng)的波長約為170nm，這與非橋氧電子以及Si-0成鍵態(tài)電子向Si-0抗鍵態(tài)躍遷的能隙寬度靠近。在5. leV(對應(yīng)242nm波長)附近還觀察到了很小的吸收峰，這與氧空位點缺陷的吸收波長一致。表明Si(^波導(dǎo)包層中含有少量的非橋氧和氧空位缺陷。作為波導(dǎo)芯層的Si02+Ge02非晶態(tài)玻璃薄膜的吸收邊較純Si02非晶態(tài)玻璃薄膜的發(fā)生了紅移，移至6.9eV(對應(yīng)180nm波長)附近。在5. leV處的吸收峰明顯增高且變寬，表明Si02+Ge02非晶態(tài)玻璃中除了含有較多的非橋氧和氧空位點缺陷以外，還有大量鍺空位點缺陷。
由于點缺陷引起介質(zhì)密度或折射率的起伏，光波通過時發(fā)生瑞利散射，導(dǎo)致傳輸損耗和回波損耗的增加。另外，火焰水解淀積技術(shù)或等離子體輔助化學(xué)氣相淀積技術(shù)都涉及高溫成膜過程，由于基板與形成中的薄膜的熱膨脹系數(shù)存在差異，冷卻到室溫時薄膜中會留有應(yīng)力，由此引起的折射率各向異性是導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗增大的主要原因。高溫?zé)崽幚黼m然可以在相當(dāng)程度上減少缺陷濃度并釋放大部分應(yīng)力，但不能完全解決問題，限制了現(xiàn)行石英光波導(dǎo)芯片光學(xué)特性的進一步提高。 用總劑量為90J/cm2、波長為248nm的紫外光分別輻照Si02和Si02+Ge02非晶態(tài)玻璃薄膜后，再次做紫外光譜測試發(fā)現(xiàn)，Si(^玻璃薄膜的吸收譜與輻照前無甚區(qū)別，但Si02+Ge02玻璃薄膜的吸收譜發(fā)生了明顯變化，主要變化表現(xiàn)為5. leV處的吸收峰幾乎消失，而6. 2eV(對應(yīng)200nm波長)處出現(xiàn)了新的吸收峰。這是由于Si02+Ge02玻璃薄膜中的氧空位點缺陷吸收248nm光子后，Si-Ge成鍵態(tài)向抗鍵態(tài)躍遷，形成GeE'點缺陷，并釋放一個擴展態(tài)受激電子。該受激電子是不穩(wěn)定的，容易被周邊鍺空位點缺陷俘獲從而形成色心。GeE'點缺陷的吸收峰在6. 2eV附近，而色心的吸收帶在可見光區(qū)域，因此色心能級屬于隙內(nèi)淺能級。實驗還發(fā)現(xiàn)，進一步增加248nm紫外光的輻照劑量后，紫外吸收譜沒有變化，表明輻照劑量達90J/cm2時，色心濃度已經(jīng)飽和。 上述實驗結(jié)果表明，采用火焰水解淀積技術(shù)或等離子體輔助化學(xué)氣相淀積技術(shù)制備的Si02非晶態(tài)玻璃薄膜缺陷甚少，該類技術(shù)制備的Si02+Ge02非晶態(tài)玻璃薄膜則含有較多的非橋氧缺陷、氧空位點缺陷以及鍺空位點缺陷。上述SiO^Ge(^非晶態(tài)玻璃薄膜被總劑量為90J/cm2的248nm紫外光輻照后，氧空位點缺陷被GeE'點缺陷替換，同時形成大量淺能級色心，色心濃度達到飽和。 由于被色心束縛的電子處在隙內(nèi)淺能級上，用3. 4eV光子能量的365nm紫外光輻照就足以被激勵，被色心束縛的電子吸收了 365nm紫外光子后躍遷至導(dǎo)帶遷移率邊以上，成為擴展態(tài)電子。由于擴展態(tài)受激電子是不穩(wěn)定的，可以通過輻射躍遷或無輻射躍遷退激，退激過程往往伴有原子馳豫，以求降低內(nèi)能。歷經(jīng)了總劑量為90J/cm2的248nm紫外輻照后的SiO^Ge(^非晶態(tài)玻璃薄膜在365nm紫外光輻照時沒有觀察到熒光，因此可以認為上述擴展態(tài)受激電子主要通過無輻射躍遷退激，伴有原子馳豫，365nm紫外光子能量除了部分貢獻給馳豫位移作功以外，其它主要轉(zhuǎn)移為發(fā)熱。 這種光熱現(xiàn)象通過如圖1所示的馬赫_曾德爾干涉實驗得到了證實，馬赫_曾德爾干涉回路的兩根干涉臂中插入了兩根長度為30cm的石英單模光波導(dǎo)，兩根石英單模光波導(dǎo)均事先歷經(jīng)了總劑量為90J/cm2的248nm紫外輻照，本實驗選擇在其中一根石英單模光波導(dǎo)的上表面用遮紫外擋片截斷365nm紫外輻照；前后兩個寬帶3dB單模光纖耦合器的中心波長是1310nm;與光波導(dǎo)連接的光纖都是近紅外單模光纖；光源的工作波長是1310nm，光功率是lmW ;紫外冷光源的波長是365nm，輻照范圍限制在光波導(dǎo)上，到達光波導(dǎo)上表面的紫外光光強是68. 8mW/cm2。采用切斷后再熔融燒結(jié)的技術(shù)微調(diào)干涉臂中一根光纖的長度，使得未實施365nm紫外輻照時的輸出端交叉耦合功率比接近50X。另外，由于平面繪圖的限制，圖1中示意的紫外輻照表示紫外光沿垂直于紙面、且由光波導(dǎo)上表面射入。
實驗基本原理是干涉臂中的一根光波導(dǎo)暴露在365nm紫外輻照中，光波導(dǎo)中被色心缺陷俘獲的、處在隙內(nèi)淺能級上的亞穩(wěn)態(tài)電子吸收了 365nm紫外光子后躍遷至導(dǎo)帶遷移率邊以上，通過原子馳豫退激并伴有發(fā)熱。波導(dǎo)芯及其周圍包層吸熱后發(fā)生熱致折射率變化，結(jié)果使得通過該波導(dǎo)的導(dǎo)模的傳播常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致通過兩根干涉臂的導(dǎo)模之間產(chǎn)生額外的相位差。由于馬赫-曾德爾干涉對相位差極為靈敏，可以通過測量輸出端的功率耦合比的變動來觀察。另外，由于光波導(dǎo)中的色心濃度已經(jīng)飽和，加之365nm紫外光的光子能量只有3. 4eV，不會在輻照過程中產(chǎn)生額外的色心。 圖2給出了實測結(jié)果，前8min的365nm紫外輻照使交叉耦合比發(fā)生明顯變動，8min的紫外輻照劑量約為33J/cm、之后的6min紫外輻照期間交叉耦合比幾乎不動，意味著熱平衡建立。切斷紫外輻照后，波導(dǎo)逐漸降到室溫，交叉耦合比隨之回復(fù)，但實驗顯示交叉耦合比不能回復(fù)到原始水平。切斷紫外輻照達10min后再次開啟365nm紫外輻照，交叉耦合比的變動趨勢與初次紫外輻照時的基本相同，但是同為33J/cm2輻照劑量得到的交叉耦合比的變化量小于初次輻照的。繼續(xù)上述過程可以發(fā)現(xiàn)，第3次過程的交叉耦合比的變化量進一步減小，而第4次過程與第3次過程測得的結(jié)果基本相同。 上述實驗現(xiàn)象表明一定劑量的365nm紫外輻照具有修復(fù)點缺陷的作用，經(jīng)初次14min(相當(dāng)于57. 8J/cm2輻照劑量)輻照后的光波導(dǎo)的點缺陷已有部分修復(fù)，修復(fù)機理主要源于光熱效應(yīng)及其伴有的原子馳豫，鍺空位點缺陷俘獲的電子經(jīng)365nm紫外光子激發(fā)后的釋熱退激不是簡單地表現(xiàn)為電子被鍺空位點缺陷重新俘獲，也不是簡單地表現(xiàn)為電子被GeE'點缺陷重新俘獲后還原為氧空位點缺陷，由于原子馳豫和光熱效應(yīng)的作用，部分GeE'點缺陷易于與近鄰的非橋氧和退激電子重構(gòu)形成正常的SiO^Ge(^價鍵，內(nèi)能降低，從而獲得更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這個過程使得部分GeE'點缺陷得到修復(fù)、色心減少，結(jié)果是波導(dǎo)的折射率分布發(fā)生變化，以至于切斷365nm紫外輻照后交叉功率耦合比恢復(fù)不到初值。也是因為色心的減少，光熱效應(yīng)隨之減小，交叉功率耦合比的變動量因此減小。隨著365nm紫外輻照總劑量的不斷增加，缺陷修復(fù)效應(yīng)趨于飽和，如圖2所示那樣，365nm紫外輻照劑量達173J/cm、相當(dāng)于完成第三次輻照)以上后，交叉功率耦合比的變動開始出現(xiàn)等幅值周期性重復(fù)。
由上述實驗結(jié)果還可得到一個提示，在實施365nm紫外輻照的同時，輔以帶寬覆蓋8000 22000nm的紅外輻照可以獲得更好的修復(fù)效果，因為Si-O-Si鍵的0離子和Si離子的拉伸振動譜以及Si-0鍵的彎曲振動譜分別在9090nm、12500nm和20833nm附近，采用包含這些譜線的紅外輔助輻照可以進一步促進原子馳豫的充分進行，提高缺陷修復(fù)的效率。另外，由紫外輻照激勵的原子馳豫以及由紅外輻照激勵的分子鍵振動對于釋放光波導(dǎo)中殘留的應(yīng)力也是十分有利的。
缺陷修復(fù)操作流程 步驟1、采用波長為248nm的紫外光輻照石英光波導(dǎo)，該248nm紫外光由石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射，該248nm紫外光的輻照范圍覆蓋石英光波導(dǎo)的全部上表面，該248nm紫外光的輻照劑量須達到90J/cm2以上； 步驟2、切斷上述248nm紫外光的輻照，石英光波導(dǎo)在室溫中放置5分鐘；
步驟3、改用波長范圍覆蓋280nm 400nm的紫外光和波長范圍覆蓋8000nm 22000nm的紅外光同時輻照上述石英光波導(dǎo)，該280nm 400nm紫外光由石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射，該280nm 400nm紫外光的輻照范圍覆蓋石英光波導(dǎo)的全部上表面，
6該280nm 400nm紫外光的輻照劑量須達到180J/cm2以上，上述8000nm 22000nm的紅 外光由側(cè)面輻照上述石英光波導(dǎo)，紅外光的輻照方向與石英光波導(dǎo)上表面法線成30度角， 紅外光的輻照范圍覆蓋石英光波導(dǎo)的全部上表面，紅外光的輻照劑量達到70J/cm2以上；
步驟4、同時切斷上述波長范圍覆蓋280nm 400nm紫外光和波長范圍覆蓋 8000nm 22000nm的紅外光的輻照，石英光波導(dǎo)在室溫中放置30分鐘。
實施過程及結(jié)果 選擇的光波導(dǎo)樣品分別是1 X 4、 1 X 8、 1 X 16和1 X 32石英光波導(dǎo)分路器，石英光 波導(dǎo)分路器的輸入端面和輸出端面均采用8度斜面研磨拋光處理，特性測試采用8度斜面 單模光纖列陣與石英光波導(dǎo)分路器的端面耦合技術(shù)，對接耦合采用自動調(diào)芯方法，測試波 長是1310nm。缺陷修復(fù)采用前述缺陷修復(fù)操作流程給定的工藝步驟，修復(fù)前后測得的數(shù)據(jù) 歸納于表1。從表1可以看出，采用本發(fā)明技術(shù)做了缺陷修復(fù)后，回波損耗的改善高達6dB 以上，表明瑞利散射明顯減少，瑞利散射的減少源于點缺陷造成的折射率起伏的減少。偏振 相關(guān)損耗也有非常明顯的改善，這與光波導(dǎo)殘留應(yīng)力的緩解直接相關(guān)，得益于原子馳豫和 分子鍵振動的效果。附加損耗的改善與瑞利散射的減少以及殘留應(yīng)力的緩解都有關(guān)，是綜 合效應(yīng)，測試數(shù)據(jù)顯示附加損耗的改善也是十分明顯的。
光波導(dǎo) 分路器 類型回波損耗(dB)偏振相關(guān)損耗(dB)附加損耗(dB)修復(fù)前修復(fù)后改善效 果修復(fù)前修復(fù)后改善效 果修復(fù)前修復(fù)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
權(quán)利要求
一種基于光子激勵的光波導(dǎo)導(dǎo)波特性改善方法，其特征在于，由以下四個步驟按順序共同構(gòu)成步驟1、采用波長為248nm的紫外光輻照石英光波導(dǎo)，所述248nm紫外光由石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射，所述248nm紫外光的輻照范圍覆蓋所述石英光波導(dǎo)的全部上表面，所述248nm紫外光的輻照劑量須達到90J/cm2以上；步驟2、切斷所述248nm紫外光的輻照，將所述石英光波導(dǎo)在室溫中放置5分鐘以上；步驟3、采用波長范圍覆蓋280nm～400nm的紫外光和波長范圍覆蓋8000nm～22000nm的紅外光同時輻照所述石英光波導(dǎo)，所述波長范圍覆蓋280nm～400nm的紫外光由所述石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射，所述波長范圍覆蓋280nm～400nm的紫外光的輻照范圍覆蓋所述石英光波導(dǎo)的全部上表面，所述波長范圍覆蓋280nm～400nm紫外光的輻照劑量須達到180J/cm2以上，所述波長范圍覆蓋8000nm～22000nm的紅外光由側(cè)面輻照所述石英光波導(dǎo)，所述波長范圍覆蓋8000nm～22000nm的紅外光的輻照方向與所述石英光波導(dǎo)上表面法線成30度角，所述波長范圍覆蓋8000nm～22000nm的紅外光的輻照范圍覆蓋所述石英光波導(dǎo)的全部上表面，所述波長范圍覆蓋8000nm～22000nm的紅外光的輻照劑量須達到70J/cm2以上；步驟4、同時切斷所述波長范圍覆蓋280nm～400nm紫外光和波長范圍覆蓋8000nm～22000nm的紅外光的輻照，將所述石英光波導(dǎo)在室溫中放置30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于光子激勵的光波導(dǎo)導(dǎo)波特性改善方法，其特征在于，步驟為采用紫外光由石英光波導(dǎo)的上包層的上表面垂直入射輻照石英光波導(dǎo)，在室溫中放置后，再用紫外光和紅外光分別從上包層的上表面垂直及側(cè)面入射，隨后在室溫中放置。本發(fā)明在用現(xiàn)行光波導(dǎo)制造技術(shù)制備完成的石英光波導(dǎo)芯片上實施，是對現(xiàn)行石英光波導(dǎo)制造技術(shù)的一種后續(xù)工藝發(fā)展，其優(yōu)點是可明顯改善石英光波導(dǎo)光學(xué)特性。
文檔編號H04B10/12GK101762844SQ20091019928
公開日2010年6月30日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者周依群, 周建忠, 簡平榮, 陳抱雪 申請人:上海美弗信光電科技有限公司