基于EOPCB的1x32聚合物光功分器的设计与制备

    陈克楠

    

    

    

    【摘要】 ? ?基于光束传输方法，设计了一种紧凑的1x32聚合物光功分器。工作中心波长为1550 nm，可应用于光电电路板（EOPCB）。光功分器的長度为20000μm。每个输出端口之间的间距为127μm。光功分器芯层的横截面为10μm x10μm。选用二氧化硅作为包层材料。采用飞秒激光结合湿法刻蚀制备。测试结果表明，光功分器输出端的插入损耗<27dB，均匀性1.2 dB。可以满足EOPCB的光互连。

    【关键词】 ? ?光电电路板 ? ?光功分器 ? ?湿法刻蚀 ? ?飞秒激光

    Abstract ?Based on the beam propagation method， a compact 1x32 polymer optical power splitter is designed. The working center wavelength is 1550 nm， which can be used in photoelectric printed circuit board （EOPCB）.The length of the spectrometer is 20，000μm.The spacing between each output port is 127μm.The cross section of the core layer of the optical power splitter is 10μm x10μm.Silicone glass was selected as cladding material. They were prepared by femtosecond laser combined with wet etching. The test results show that the insertion loss of the output of the optical power splitter is less than 27dB and the uniformity is 1.2dB.It can satisfy the optical interconnection of EOPCB.

    Key words ?Photoelectric circuit board; Optical power splitter; Wet etching; Femtosecond laser

    引言：

    随着通信技术的发展，对信息容量、传输速率以及传输距离的要求不断提高。光电印制电路板（EOPCB）中通常采用电信号互联的方式进行信息传输，但是由于磁场等外界环境因素，在传输过程中往往有噪声与串扰，因此光电印制电路板（EOPCB）中光互联取代传统电互联成为目前发展的趋势[1-4]，，无源光学器件作为光互联中重要组成部分也进行了大量研究[5-7]。聚合物材料具有良好的光学性能，被广泛应用于光学器件的制备。聚合物材料光学器件多采用光刻法进行制备，设备昂贵，工艺复杂，不利于大规模流水线生产[8-10]。 飞秒激光应用于微加工领域具有速度快、一致性好的特点，但在加工区域往往存在因库伦爆炸所遗留的受损区域，影响加工精度。在实际应用中需要一种简单高效且精度较高的聚合物光学器件加工手段。

    本文为解决上述问题，提出了一种应用于EOPCB中光信号接受与发射的紧凑型1x32聚合物光功分器，芯层采用SU8光刻胶材料，包层为二氧化硅。首先基于BPM仿真软件对整体结构进行仿真优化;进一步提出一种飞秒激光加工结合湿法刻蚀的制备方法，制备出完整器件;最后对器件进行通光测试，测试结果显示该器件满足EOPCB的集成度与性能的要求。

    一、1x32聚合物光功分器设计与制备

    1.1 ?光功分器的设计

    提出了一种采用光束传播法（BPM）设计了一种1x32聚合物光功分器，其结构如图2.1所示。总长度20000μm，其中弯曲部分长度15740μm，采用标准EOPCB封装格式，每条输出端口间距127μm，器件的弯曲半径不小于15000μm，分支角度小于2°。光功分器截面尺寸为10μm*10μm，包层为二氧化硅（折射率1.5198），芯层为SU8光刻胶（折射率1.566）。

    对光功分器进行模拟仿真，结果如图 2所示。仿真结果表明每条输出波导的归一化输出功率几乎一致，说明器件具有较好的均匀性，得到器件每个端口的插入损耗如图 1所示，对结果进行计算，平均插入损耗为16. 02 dB，均匀性为 0. 78 dB。

    1.2 ?光功分器的制备

    1x32光功分器加工第一步使用飞秒激光对二氧化硅衬底进行刻蚀;第二步将刻蚀好的样品使用湿法刻蚀进行处理;第三步使用刮刀法制备光功分器的波导芯层;最后加入二氧化硅上包层，放入烤箱烘烤。

    实验采用的激光器为飞秒激光器（Coherent Libra HE），其中心波长为 800nm，激光的重复频率为10 kHz，脉冲宽度为100 fs，单脉冲能量>0. 4 mJ，光束质量因子 M2<1. 3。

    选择激光参数5 mw，加工速度2. 5 m/s，将待加工样品用夹持装置固定在六自由度工作台上，使用40倍物镜将光斑聚焦在样品表面，光斑直径为5微米，使用CAD软件画出激光的加工路径，将加工路径图导入 CAD fusion 中，CAD fusion可以生成路径规划的机代码。加工平台根据规划路径程序带动样品运动。

    从图3（a）可以看出，飞秒激光加工后形貌不均匀平整，表面有碎屑产生，这是由于被加工材料吸收激光能量产生电离，带负电荷的电子溢出，只留下带正电荷的离子，在库仑力的作用下相互排斥，形成凹槽，这个过程被称为库伦爆炸。从图3（b）可以看出，所形成的凹槽并非矩形，而是类似于半椭圆形，这是由于实验采用激光的光场为高斯分布，因此刻蚀所留下的结构也为中间凹陷边缘略浅。所刻蚀的凹槽底部有未去除但被影响区域，这部分区域是库伦爆炸过程中遗留下来的缺陷部分，这部分对氢氟酸的腐蚀非常敏感，腐蚀速度能达到未被影响部分的几千倍，故需要采用湿法刻蚀技术对样品进一步加工修饰，去除样品的影响区域的同时可以对加工区域进行抛光，达到理想的设计形貌。

    图4为了经过湿法刻蚀20分钟后样品的形貌图，左侧为输出端口显微镜细节图，中间为整体结构俯视图，右侧为分支处俯视细节图，上方为端面细节图。

    本次实验波导芯层材料采用SU8光刻胶是一种双酚A型环氧树脂为主要成分的负性光刻胶，该种材料化学稳定性良好，受外力影响小，并且具有自平整能力，所制备的波导平整性良好，端面无凸起，从而有效降低了通光测试时的耦合损耗。图5为经烘烤后光功分器断面效果图。

    二、光功分器性能测试

    光功分器的损耗测试通常采用光纤耦合的方式进行，通过光纤将特定波长的光信号输入光功分器的输入端口，在输出端口处同样使用光纤对光信号进行接收，接收信号的光纤另一端连接在光功率计上，对光功率进行测量。本次实验采用的是波长为 1550 nm 的光源，光纤直连功率计时光功率为11μw。具体的测试系统如图6所示。

    实际耦合的实验中，由于端面之间会存在一定的介质间隙，使光信号在传输过程中会经过两个界面，分别为：光纤—介质界面，介质—波导界面，如图7所示。

    本次实验光功分器芯层折射率为1. 566，光纤纤芯折射率设为1. 4536，带入可解出n3=2. 13，即在波导与光纤之间用折射率为2. 13的匹配液来代替空气可以最大限度的降低菲涅尔反射损耗。

    由图6中的测试系统对器件进行通光测试，得到每条通道的插入损耗如表1所示。

    表1为1x32聚合物光功分器每条通道的插入损耗情况。通过计算所制备的1x32聚合物光功分器插入损耗小于27 dB，输出通道最高43 nw，最低32 nw，均匀性为1. 2 dB。

    四、结束语

    本文研究了一种紧凑型1x32聚合物光功分器，包层采用折射率为1.5198的二氧化硅材料，芯层采用折射率为1.566的SU8光刻胶。所设计的光功分器采用Y分支型结构，弯曲部分长度小于15740μm。利用5mw的飞秒激光以2.5mm/s的加工速度对二氧化硅基底进行加工，再使用质量分数为5%的氢氟酸对飞秒激光加工后的二氧化硅基底浸泡20分钟，最后使用刮刀法制备出光功分器芯层。采用光纤耦合对接的方式对器件进行通光测试，结果表明每条输出通道的插入损耗小于27dB，均匀性1.2dB，能够满足通讯波段的EOPCB应用。

    参 ?考 ?文 ?献

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