同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成PLC芯片的制作方法

同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成plc芯片
技术领域
1.本实用新型涉及光纤到户无源光网络技术领域，尤其涉及一种同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成plc芯片。


背景技术：

2.当前三网大融合的大背景下，提速、降费已经成为宽带网络建设的重要战略工程。光纤到户(ftth)无源光网络(pon)技术凭借其超高带宽、灵活组网等优势得到了迅速发展，也因此成为了当前宽带网络建设的主流技术方案。
3.为了实现超高带宽与多通道的网络信息传输，无源光分路器得到了广泛的应用与发展，光分路器作为连接光网络终端和光网络单元的核心器件，是实现光信号分路、光信号功率分配和耦合控制的主要光学器件之一。y型分支波导结构是集成光学中重要且最为常用的光分路波导器件，其由于结构简单、分光均匀、额外损耗对器件本身影响较小等优点，还被广泛应用于光调制器、光开关、马赫
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曾德尔干涉仪等集成光学器件中。
4.光分路器的出现实现了多通道的网络信息传输，但是复杂的网络终端的状态监控一直没有得到很大的发展。目前网络监控，主要是利用多通道输出信号连接外部较为复杂的监控机制进行芯片中网络传输信号的监控，结构较为复杂，而针对光纤到户网络结构中的网络链路状态监控技术的专项研究还非常少，无法达到同时进行多通道光信号传输和通道监控的效果。


技术实现要素：

5.针对上述的技术问题，本实用新型提出一种同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成plc芯片，将平面波导分光路器与波导光栅集成设计在同一个光芯片上，用以解决现有技术中光纤到户网络传输技术无法简单、快速和集成化的实现多通道光信号传输与通道监控并用的问题，降低网络链路监控的复杂程度，大幅降低整个光网络结构传输与监控并行的实现难度。
6.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
7.一种同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成plc芯片，由上包层、波导芯层和晶圆基底构成。其中，波导芯层位于晶圆基底上部，上包层位于晶圆基底的上部并覆盖波导芯层；波导芯层包括波导光栅和平面波导光分路器，平面波导光分路器的输出端与波导光栅连接，波导光栅的周期是均匀的。
8.进一步的，晶圆基底是硅基或石英基，波导芯层是掺锗的二氧化硅，上包层是掺杂硼和磷的二氧化硅，波导芯层的折射率大于晶圆基底和上包层的折射率，波导芯层中波导光栅区域的折射率周期性变化。
9.进一步的，波导光栅是采用半导体深刻蚀工艺的波导光栅。
10.进一步的，波导光栅是布拉格波导光栅。
11.进一步的，波导芯层还包括毛细管，毛细管与平面波导光分路器的输入端连接。
12.进一步的，平面波导光分路器包括呈树状分支排列且依次连接的n个层级的y分支波导。
13.进一步的，n个层级的y分支波导中的第一层级y分支波导的输入端与毛细管连接，第一层级y分支波导的输出端与第二层级y分支波导的输入端连接；第n层级y分支波导的输入端与第n
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1层级y分支波导的输入端连接，第n层级y分支波导的输出端与波导光栅连接。
14.进一步的，n个层级的y分支波导中的每个y分支波导的结构均相同。
15.进一步的，n个层级的y分支波导中的每个y分支波导均包括输入波导和输出波导，输入波导和输出波导前后依次相连接。
16.进一步的，输入波导包括宽直输入波导、窄直输入波导、展宽波导和过渡波导；宽直输入波导、窄直输入波导、展宽波导和过渡波导前后依次连接，过渡波导与输出波导相连接。
17.本实用新型将平面波导分光器与波导光栅集成设计在同一光芯片上，第一，解决了光纤到户无源光网络技术中无法同时多通道光信号传输和网络链路状态的问题；第二，无需连接外部监控机制，降低了网络链路监控的复杂程度；第三，提高了使用过程中的稳定性和可靠性，具有良好的性能参数，可灵活拓展更多的通道数；第四，适合现代工业的大批量生产，可以广泛应用到光纤到户建设及其他光网络传输中。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本实用新型的集成plc芯片的输入端的横截面结构示意图；
20.图2是本实用新型的集成plc芯片中波导芯层的结构示意图；
21.图3是本实用新型的集成plc芯片中波导光栅的结构示意图；
22.图4是本实用新型的集成plc芯片的输出端的横截面结构示意图；
23.图5是本实用新型的集成plc芯片中y分支波导的结构示意图；
24.图6是本实用新型实施例二的集成plc芯片的谱线图，其中，(a)为反射谱线图，(b)为透射谱线图。
25.图中：1
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上包层，2
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波导芯层，3
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晶圆基底，4
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波导光栅，5
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平面波导光分路器，6
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毛细管，7
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第一层级y分支波导，8
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第二层级y分支波导，9
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第n
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1层级y分支波导，10
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第n层级y分支波导，11
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输入波导，12
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输出波导，13
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宽直输入波导，14
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窄直输入波导，15
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展宽波导，16
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过渡波导。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.实施例1，如图1所示，本实用新型提供了一种同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成plc芯片，包括上包层1、波导芯层2和晶圆基底3构成，波导芯层2位于晶圆基底3上部，上包层1位于晶圆基底3的上部并覆盖波导芯层2，其中，本实施例中，上包层1的横截面为倒凹形，波导芯层2的横截面和晶圆基底3的横截面均为矩形，波导芯层2的下表面与晶圆基底3的上表面接触，波导芯层2上、左和右三个表面与上包层1的内凹槽的上、左和右三个表面对应接触，使上包层1覆盖波导芯层2，在本实用新型其他实施例中，上包层1、波导芯层2和晶圆基底3也可以是其他形状，并满足上述位置关系。
28.如图2所示，波导芯层2包括波导光栅4和平面波导光分路器5，平面波导光分路器5的输出端与波导光栅4连接，如图3所示，波导光栅4的周期是均匀的，其中，本实施例中，将波导光栅4和平面波导光分路器5设置在同一plc 芯片上，当光信号输入到本实施例的plc芯片时，根据需要，会通过平面波导光分路器将光信号分成若干份，实现了多通道光信号传输的目的；同时，由于平面波导光分路器5的输出端与波导光栅4连接，若干份光信号会从平面波导光分路器5中输出到波导光栅4中，波导光栅4的周期是均匀的，反射特定波长的光信号，具有滤波作用，实现了网络链路状态监控的目的；此外，本实施例中，plc芯片无需外部连接监控机制，降低了网络链路监控的复杂程度，提高了使用过程中的稳定性和可靠性，适合现代工业的大批量生产，可以广泛应用到光纤到户建设及其他光网络传输中。
29.进一步的，在本实施例中，晶圆基底3是石英基，波导芯层2是掺锗的二氧化硅，上包层1是掺杂硼和磷的二氧化硅，通过调整波导芯层2的二氧化硅中锗的浓度和上包层1的二氧化硅中硼与磷的浓度，使波导芯层2的折射率为 1.4651～1.4811，大于晶圆基底3的折射率1.4448和上包层1的折射率1.4448，此时波导芯层2中波导光栅4区域的折射率周期性变化，使波导光栅4具备滤波作用，能够反射特定波长，利用波导光栅4这一特性，使得plc芯片具有网络链路状态的监控能力。
30.进一步的，在本实施例中，波导光栅4是采用半导体深刻蚀工艺的波导光栅。半导体深刻蚀工艺，是利用掩膜版与光刻机将掩膜版中设计的波导光栅图像在晶圆基底上进行曝光，获得所需波导光栅图像，之后利用半导体刻蚀机进行深度刻蚀，得到相应的波导光栅结构。使用半导体深刻蚀工艺制成的波导光栅，成本低，对环境污染少，适用于工业生产。
31.进一步的，本实施例中，波导光栅4是布拉格波导光栅。布拉格光栅，也称为反射光栅，根据设计参数不同，可将入射光中的某一特定波长的光进行反射，具有反射谱线宽窄，反射率高的特点，其反射方程的表达式为：
32.mλ
b
＝2λn
eff
33.其中，m为反射光栅的阶数，λ为光栅的周期，n
eff
为芯区的有效折射率，λ
b
为反射波长。
34.进一步的，如图2所示，本实施例中，波导芯层2还包括毛细管6，毛细管 6与平面波导光分路器5的输入端连接。用毛细管6将传输的光信号输入进平面波导光分路器5，是比较常用的做法，在生产中，可匹配成熟的生产工艺，有利于大规模生产。在本实用新型的其他实施例中，也可以使用其他类似的结构。
35.进一步的，在本实施例中，平面波导光分路器5包括呈树状分支排列且依次连接的n个层级的y分支波导。如图4所示，在生产过程中，调整n的数值，可灵活控制多通道光信号传输过程中的通道个数2
n
，进一步控制光信号传输进波导光栅4时的份数，适应更多的应用
场景。
36.进一步的，在本实施例中，n个层级的y分支波导中的第一层级y分支波导7的输入端与毛细管6连接，第一层级y分支波导7的输出端与第二层级y 分支波导8的输入端连接；第n层级y分支波导10的输入端与第n
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1层级y分支波导9的输入端连接，第n层级y分支波导10的输出端与波导光栅4连接。
37.进一步的，在本实施例中，n个层级的y分支波导中的每个y分支波导的结构均相同。这样，能够降低plc芯片结构的复杂程度，提升生产速度，更加适应现代工业的生产环境。
38.进一步的，如图5所示，在本实施例中，n个层级的y分支波导的每个y 分支波导均包括输入波导11和输出波导12，输入波导11和输出波导12相连接。 plc芯片在工作时，光信号由毛细管6进入，由第一层级y分支波导7的输入波导11进入输出波导12，再由输出波导12进入下一层级y分支波导的输入波导11，最终由第n层级y分支波导10的输出波导12进入波导光栅4。
39.进一步的，如图5所示，在本实施例中，输入波导11包括宽直输入波导13、窄直输入波导14、展宽波导15和过渡波导16；宽直输入波导13、窄直输入波导14、展宽波导15和过渡波导16前后依次连接，过渡波导16与本层级的y 分支波导的输出波导12相连接，宽直输入波导13与毛细管6或上一层级的y 分支波导的输出波导12相连接。具体的说，宽直输入波导13的横截面固定，光信号从宽直输入波导13的输入端输入；窄直输入波导14的横截面固定，小于宽直输入波导13的横截面，窄直输入波导14的输入端与宽直输入波导13的输出端连接；展宽波导15的输入端与窄直输入波导14的输出端连接，展宽波导15的输入端与窄直输入波导14的输出端横截面相同，展宽波导15的输入端到输出端，横截面逐渐增大；过渡波导16的横截面与展宽波导15的输出端横截面相同，过渡波导16的输入端与展宽波导15的输出端连接，过渡波导16的输出端与输出波导12的输入端连接。在本实施例中，窄直输入波导14可以有效滤除上一层级y型分支结构的输出宽波导13中产生的高阶模，改善器件输出的均匀性；同时，在y型分支波导结构中也引入了展宽波导15，可以减少倾斜效应对光场模式末端的影响，经过展宽波导15的光束展宽会发生缓慢变化，过渡波导16使变化后的展宽光束趋于稳定。
40.实施例2，一种同时实现多通道光信号传输与监控功能的集成plc芯片，其与实施例1的区别在于，plc芯片为1
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8分光路器集成芯片。为了更好的匹配现有的成熟的生产工艺，适应大批量生产，平面波导光分路器5中，各波导的横截面为6um
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6um，输入波导11、展宽波导15和过渡波导16的长度分别是3300um、500um、90um，预设y波导分支的层级为3，波导光栅4中，光栅长度为8000um，光栅占空比50％，固定波导光栅的反射阶数为9阶。圆晶基底 3是硅基，预设波导芯层2的二氧化硅中锗的浓度以及上包层1的二氧化硅中硼与磷的浓度，当1550nm波长的光信号输入，折射率为1.4447，波导芯层2的折射率为1.4556，上包层1的折射率为1.4447，由于波导芯层2中存在波导光栅4 区域，其特殊结构具备滤波作用，能够反射特定波长，利用波导光栅4这一特性，使得plc芯片具有网络链路状态的监控能力。以上参数仅用于本实施例，在本实用新型其他实施例中，也可以使用其他符合标准的参数，只要达到目的即可。
41.进一步的，在本实施例中，将制成的集成plc芯片进行耦合封装，并利用宽带光源、
环形器、光谱分析仪、集成光芯片和若干单模光纤跳线搭建实验平台，进行集成plc芯片器件的性能研究。测试结果如图6中(a)与(b)所示，制成的集成plc芯片器件反射范围1597nm～1639nm，相邻通道的中心波长间隔为6nm，3db带宽最大为0.67nm，通道反射率最低为88.24％，8通道光信号传输过程中平均插损为11.92db，输出均匀性为0.19db。
42.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。