基于EOPCB的1x32聚合物光功分器的設計與制備

陳克楠

【摘要】 ? ?基于光束傳輸方法，設計了一種緊湊的1x32聚合物光功分器。工作中心波長為1550 nm，可應用于光電電路板（EOPCB）。光功分器的長度為20000μm。每個輸出端口之間的間距為127μm。光功分器芯層的橫截面為10μm x10μm。選用二氧化硅作為包層材料。采用飛秒激光結合濕法刻蝕制備。測試結果表明，光功分器輸出端的插入損耗<27dB，均勻性1.2 dB。可以滿足EOPCB的光互連。

【關鍵詞】 ? ?光電電路板 ? ?光功分器 ? ?濕法刻蝕 ? ?飛秒激光

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：

隨著通信技術的發展，對信息容量、傳輸速率以及傳輸距離的要求不斷提高。光電印制電路板（EOPCB）中通常采用電信號互聯的方式進行信息傳輸，但是由于磁場等外界環境因素，在傳輸過程中往往有噪聲與串擾，因此光電印制電路板（EOPCB）中光互聯取代傳統電互聯成為目前發展的趨勢[1-4]，，無源光學器件作為光互聯中重要組成部分也進行了大量研究[5-7]。聚合物材料具有良好的光學性能，被廣泛應用于光學器件的制備。聚合物材料光學器件多采用光刻法進行制備，設備昂貴，工藝復雜，不利于大規模流水線生產[8-10]。 飛秒激光應用于微加工領域具有速度快、一致性好的特點，但在加工區域往往存在因庫倫爆炸所遺留的受損區域，影響加工精度。在實際應用中需要一種簡單高效且精度較高的聚合物光學器件加工手段。

本文為解決上述問題，提出了一種應用于EOPCB中光信號接受與發射的緊湊型1x32聚合物光功分器，芯層采用SU8光刻膠材料，包層為二氧化硅。首先基于BPM仿真軟件對整體結構進行仿真優化;進一步提出一種飛秒激光加工結合濕法刻蝕的制備方法，制備出完整器件;最后對器件進行通光測試，測試結果顯示該器件滿足EOPCB的集成度與性能的要求。

一、1x32聚合物光功分器設計與制備

1.1 ?光功分器的設計

提出了一種采用光束傳播法（BPM）設計了一種1x32聚合物光功分器，其結構如圖2.1所示。總長度20000μm，其中彎曲部分長度15740μm，采用標準EOPCB封裝格式，每條輸出端口間距127μm，器件的彎曲半徑不小于15000μm，分支角度小于2°。光功分器截面尺寸為10μm*10μm，包層為二氧化硅（折射率1.5198），芯層為SU8光刻膠（折射率1.566）。

對光功分器進行模擬仿真，結果如圖 2所示。仿真結果表明每條輸出波導的歸一化輸出功率幾乎一致，說明器件具有較好的均勻性，得到器件每個端口的插入損耗如圖 1所示，對結果進行計算，平均插入損耗為16. 02 dB，均勻性為 0. 78 dB。

1.2 ?光功分器的制備

1x32光功分器加工第一步使用飛秒激光對二氧化硅襯底進行刻蝕;第二步將刻蝕好的樣品使用濕法刻蝕進行處理;第三步使用刮刀法制備光功分器的波導芯層;最后加入二氧化硅上包層，放入烤箱烘烤。

實驗采用的激光器為飛秒激光器（Coherent Libra HE），其中心波長為 800nm，激光的重復頻率為10 kHz，脈沖寬度為100 fs，單脈沖能量>0. 4 mJ，光束質量因子 M2<1. 3。

選擇激光參數5 mw，加工速度2. 5 m/s，將待加工樣品用夾持裝置固定在六自由度工作臺上，使用40倍物鏡將光斑聚焦在樣品表面，光斑直徑為5微米，使用CAD軟件畫出激光的加工路徑，將加工路徑圖導入 CAD fusion 中，CAD fusion可以生成路徑規劃的機代碼。加工平臺根據規劃路徑程序帶動樣品運動。

從圖3（a）可以看出，飛秒激光加工后形貌不均勻平整，表面有碎屑產生，這是由于被加工材料吸收激光能量產生電離，帶負電荷的電子溢出，只留下帶正電荷的離子，在庫侖力的作用下相互排斥，形成凹槽，這個過程被稱為庫倫爆炸。從圖3（b）可以看出，所形成的凹槽并非矩形，而是類似于半橢圓形，這是由于實驗采用激光的光場為高斯分布，因此刻蝕所留下的結構也為中間凹陷邊緣略淺。所刻蝕的凹槽底部有未去除但被影響區域，這部分區域是庫倫爆炸過程中遺留下來的缺陷部分，這部分對氫氟酸的腐蝕非常敏感，腐蝕速度能達到未被影響部分的幾千倍，故需要采用濕法刻蝕技術對樣品進一步加工修飾，去除樣品的影響區域的同時可以對加工區域進行拋光，達到理想的設計形貌。

圖4為了經過濕法刻蝕20分鐘后樣品的形貌圖，左側為輸出端口顯微鏡細節圖，中間為整體結構俯視圖，右側為分支處俯視細節圖，上方為端面細節圖。

本次實驗波導芯層材料采用SU8光刻膠是一種雙酚A型環氧樹脂為主要成分的負性光刻膠，該種材料化學穩定性良好，受外力影響小，并且具有自平整能力，所制備的波導平整性良好，端面無凸起，從而有效降低了通光測試時的耦合損耗。圖5為經烘烤后光功分器斷面效果圖。

二、光功分器性能測試

光功分器的損耗測試通常采用光纖耦合的方式進行，通過光纖將特定波長的光信號輸入光功分器的輸入端口，在輸出端口處同樣使用光纖對光信號進行接收，接收信號的光纖另一端連接在光功率計上，對光功率進行測量。本次實驗采用的是波長為 1550 nm 的光源，光纖直連功率計時光功率為11μw。具體的測試系統如圖6所示。

實際耦合的實驗中，由于端面之間會存在一定的介質間隙，使光信號在傳輸過程中會經過兩個界面，分別為：光纖—介質界面，介質—波導界面，如圖7所示。

本次實驗光功分器芯層折射率為1. 566，光纖纖芯折射率設為1. 4536，帶入可解出n3=2. 13，即在波導與光纖之間用折射率為2. 13的匹配液來代替空氣可以最大限度的降低菲涅爾反射損耗。

由圖6中的測試系統對器件進行通光測試，得到每條通道的插入損耗如表1所示。

表1為1x32聚合物光功分器每條通道的插入損耗情況。通過計算所制備的1x32聚合物光功分器插入損耗小于27 dB，輸出通道最高43 nw，最低32 nw，均勻性為1. 2 dB。

四、結束語

本文研究了一種緊湊型1x32聚合物光功分器，包層采用折射率為1.5198的二氧化硅材料，芯層采用折射率為1.566的SU8光刻膠。所設計的光功分器采用Y分支型結構，彎曲部分長度小于15740μm。利用5mw的飛秒激光以2.5mm/s的加工速度對二氧化硅基底進行加工，再使用質量分數為5%的氫氟酸對飛秒激光加工后的二氧化硅基底浸泡20分鐘，最后使用刮刀法制備出光功分器芯層。采用光纖耦合對接的方式對器件進行通光測試，結果表明每條輸出通道的插入損耗小于27dB，均勻性1.2dB，能夠滿足通訊波段的EOPCB應用。

參 ?考 ?文 ?獻

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