一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法专利检索-等离子体增强化学气相沉积真空镀膜表面处理表面处理和涂层专利检索查询-专利查询网

一种基于级联 马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法

阅读：577发布：2022-04-09

专利汇可以提供一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法，包括：平面光波光路PLC芯片和第一光纤阵列和第二光纤阵列，所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上设有波导，在波导上设有覆盖层，所述波导包括输入级Y分支、第一长度固定臂和第二长度固定臂、第一开放臂、第二开放臂、第三开放臂、和第四开放臂、第一级3dB 耦合器、第二级3dB耦合器和输出级3dB耦合器。制备方法为：在硅衬底上制备缓冲层、波导，得到PLC芯片部分，切片研磨后和光纤阵列耦合，最后将相应的光纤连接。本发明可以实现可重构、相位精细可调、平顶型滤波、低非线性输出。，下面是一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法，其特征在于，包括：平面光波光路PLC芯片和第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2），所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底（7），在硅衬底（7）上设有二氧化硅缓冲层（8），在二氧化硅缓冲层（8）上设有波导（10），在波导（10）上设有覆盖层（11），所述波导（10）包括输入级Y分支（3）、第一长度固定臂（302）和第二长度固定臂（502）、第一开放臂（301）、第二开放臂（401）、第三开放臂（501）、和第四开放臂（601）、第一级3dB耦合器（4）和第二级3dB耦合器（6）及输出级3dB耦合器（5），所述第一长度固定臂（302）的两端分别与输入级Y分支（3）的下输出端、第二级3dB耦合器（4）的上输入端连接，输入级Y分支（3）的上输出端与第一开放臂（301）的一端连接，第一级3dB耦合器（4）的下输入端与第二开放臂（401）的一端连接，第三开放臂（501）一端与输出级3dB耦合器（5）的上输入端连接，第二固定臂（502）的两端分别与输出级3dB耦合器（5）的下输入端、第二级3dB耦合器（6）的上输出端连接，第二级3dB耦合器（6）的下输出端与第四开放臂（601）的一端连接；第一光纤阵列（1）上的第一通道（101）与输入级Y分支（3）的输入端口连接，第一光纤阵列（1）上的第三通道（103）的两端分别与第二开放臂（401）的另一端、第二光纤阵列（2）上的第一通道（201）的一端连接，第一光纤阵列（1）上的第四通道（104）的一端与输出级3dB耦合器（5）的上输出端口连接，第一光纤阵列（1）上的第五通道（105）的一端与输出级3dB耦合器（5）的下输出端口连接，第一光纤阵列（1）上的第六通道（106）的两端分别与第四开放臂（601）的另一端、第二光纤阵列（2）上的第四通道（204）的一端连接；第二光纤阵列（2）上的第二通道（202）的两端分别与第二光纤阵列（2）上的第六通道（206）的一端、第一级3dB耦合器（4）的上输出端口连接，第二光纤阵列（2）上的第三通道（203）的两端分别与第二光纤阵列（2）上的第五通道（205）的一端、第一级3dB耦合器（4）的下输出端口连接，第二光纤阵列（2）上的第一通道（201）的另一端与第一开放臂（301）的另一端连接，第二光纤阵列（2）上的第四通道（204）的另一端与第三开放臂（501）的另一端连接，第二光纤阵列（2）上的第五通道（205）的另一端与第二级3dB耦合器（6）的上输入端口连接，第二光纤阵列（2）上的第六通道（206）的另一端与第二级3dB耦合器（6）的下输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，其特征在于，所述光纤阵列（1）和（2）使用单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，其特征在于，所述光纤阵列（1）和（2）使用掺杂光纤。
4.一种权利要求1所述的一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤10）：取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片，利用热氧化法在硅衬底上制备厚度
15μm到20μm的二氧化硅缓冲层，利用等离子体增强化学气相沉积方法，其中，硅烷和氮气的体积比为1:20，温度250℃—400℃，在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层9，GeH4与Ar的体积比为1:10 ，形成厚度为8μm的波导层，且波导层的折射率高于二氧化硅缓冲层的折射率差为0.4%，由此得到晶圆片，
步骤20）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺，制备基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的PLC芯片部分，
所述光刻工艺为：利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，其中掩模板图形包括：输入级Y分支（3）、第一长度固定臂（302）和第二长度固定臂（502）、第一开放臂（301）、第二开放臂（401）、第三开放臂（501）、和第四开放臂（601）、第一级3dB耦合器（4）和第二级3dB耦合器（6）及输出级3dB耦合器（5），所述复制采用如下方法：首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，其中转速为
2000~8000 r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上，进而在热板上90℃到100℃烘
30秒，然后自然冷却，将冷却后晶圆片和掩模板上的图形位置对准后曝光；然后在热板上
100℃到120℃烘30秒，再自然冷却，进而采用0.6%质量浓度的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s，显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却；
所述刻蚀工艺为：利用反应离子刻蚀RIE工艺，Cl2为20sccm， Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅，然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶, 烘干后进行SiO2波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—
26.67Pa；O2与CHF3流量比为0.05:1；O2与CHF3的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm干涉仪的波导结构，
步骤30）：覆盖层制备：去除经过步骤20）光刻和刻蚀后的晶圆片上残留的掩膜，在光刻和刻蚀后的晶圆片上沉积硼磷硅BPSG( B2O3-P2O5-SiO2 glass)二氧化硅覆盖层，退火后得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器PLC芯片部分，
步骤40）：切片研磨：利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，对经过步骤30）处理后的晶圆片上的每个芯片进行分离，然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分，
步骤50）：将第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）与步骤40）得到的PLC芯片进行耦合：将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液，其中溶液配比为：硅烷偶联剂5ml，异丙醇50ml，浸泡时间为1.5h，浸泡后将PLC芯片和光纤阵列吹干，然后利用六维微调架将PLC芯片和光纤阵列对准，将第一光纤阵列（1）和PLC芯片的一端对准，将第二光纤阵列（2）和PLC芯片的另一端对准，进而将紫外胶刷到PLC芯片、第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）
2
的端面上，最后用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm，照射距离为9mm，时长为
180s，固化PLC芯片和光纤阵列，至此，将PLC芯片与第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）耦合连接，
步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到两个分离的马赫-曾德干涉仪；利用光纤熔接机，将第一光纤阵列（1）上的第三通道（103）的光纤和第二光纤阵列（2）上的第一通道（201）光纤进行连接得到一个干涉仪；然后利用同样的方法将第一光纤阵列（1）上的第六通道（106）的光纤和第二光纤阵列（2）上的第四通道（204）光纤进行连接得到另一个干涉仪，
步骤70）：对步骤60）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器；利用光纤熔接机，将第二光纤阵列（2）上的第二通道（202）的光纤和第二光纤阵列（2）上的第六通道（206）光纤进行连接；然后利用同样的方法将第二光纤阵列（2）上的第三通道（203）的光纤和光纤阵列（2）上的第五通道（205）光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器。

说明书全文

一种基于级联 马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其

制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于集成光子器件技术领域，涉及一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法。

背景技术

[0002] 马赫-曾德干涉仪 (英文全称: Mach-Zehnder Interferometer，文中简称: MZI) 作为相位检测光路结构已在光传感、通信系统中得到了广泛的应用。在光纤通信中MZI通常用来作为光纤波分复用器、光调制器、光开关和波长转换器等；在光传感系统中由于MZI灵敏度非常高，可以用来测量电流、电磁场、温度、压力等微弱物理量。基于马赫-曾德干涉仪的梳状滤波器是光通信中的关键器件，尤其在密集波分复用系统中起到波长复用和解复用的关键作用。其中，制作梳状滤波器的马赫-曾德干涉仪主要分为两类：第一类是传统全光纤型MZI；第二种是基于平面光波光路 (英文全称: Planar Lightwave Circuit，文中简称: PLC ) 的MZI。

[0003] 传统全光纤型MZI组成的梳状滤波器由两个3dB耦合器和两个不同长度的臂组成，输出特性固定。基于全光纤型MZI的梳状滤波器结构简单、体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、和抗电磁干扰能力强，但是受温度环境影响较大，从而导致系统性能稳定性低。

[0004] 基于PLC工艺的MZI制作的梳状滤波器，利用半导体工艺制备，具有结构紧凑、可批量制作、稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅 (英文全称: Silica-on-Silicon，文中简称: SoS) 工艺的PLC型梳状滤波器是首先被应用于光通信、传感系统中的PLC器件；并且其具有热稳定、低非线性、高带宽、集成高和成本低等特点。但是，基于PLC型MZI的梳状滤波器一般两臂光程差固定，从而限制其输出特性固定不变，不利于光传感、通信系统重构多变；而且单个MZI一般无法得到平顶滤波。

发明内容

[0005] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，梳状滤波器可以实现相位精细可调、平顶型滤波(即输出波型顶端较平)、热稳定、低非线性、低传输损耗、高度集成、与单模光纤高效耦合，且结构简单。同时，本发明还提供该梳状滤波器的制备方法，该制备方法简单、成本低、可批量制作。

[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，该梳状滤波器包括：平面光波光路PLC芯片和第一光纤阵列和第二光纤阵列，所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上设有波导，在波导上设有覆盖层，所述波导包括输入级Y分支、第一长度固定臂和第二长度固定臂、第一开放臂、第二开放臂、第三开放臂、和第四开放臂、第一级3dB耦合器和第二级3dB耦合器及输出级3dB耦合器，所述第一长度固定臂的两端分别与输入级Y分支的下输出端、第二级3dB耦合器的上输入端连接，输入级Y分支的上输出端与第一开放臂的一端连接，第一级3dB耦合器的下输入端与第二开放臂的一端连接，第三开放臂一端与输出级3dB耦合器的上输入端连接，第二固定臂的两端分别与输出级3dB耦合器的下输入端、第二级3dB耦合器的上输出端连接，第二级3dB耦合器的下输出端与第四开放臂的一端连接；第一光纤阵列上的第一通道与输入级Y分支的输入端口连接，第一光纤阵列上的第三通道的两端分别与第二开放臂的另一端、第二光纤阵列上的第一通道的一端连接，第一光纤阵列上的第四通道的一端与输出级3dB耦合器的上输出端口连接，第一光纤阵列上的第五通道的一端与输出级3dB耦合器的下输出端口连接，第一光纤阵列上的第六通道的两端分别与第四开放臂的另一端、第二光纤阵列上的第四通道的一端连接；第二光纤阵列上的第二通道的两端分别与第二光纤阵列上的第六通道的一端、第一级3dB耦合器的上输出端口连接，第二光纤阵列上的第三通道的两端分别与第二光纤阵列上的第五通道的一端、第一级3dB耦合器的下输出端口连接，第二光纤阵列上的第一通道的另一端与第一开放臂的另一端连接，第二光纤阵列上的第四通道的另一端与第三开放臂的另一端连接，第二光纤阵列上的第五通道的另一端与第二级3dB耦合器的上输入端口连接，第二光纤阵列上的第六通道的另一端与第二级3dB耦合器的下输入端口连接。

[0007] 由输入级Y分支输入端口输入一定频率范围的信号，经过第一级3dB耦合器多模干涉效应从第一级3dB耦合器端的上输出端口和者下输入端口输出相位差为90°的光信号。一路光信号经过光纤进入第二级3dB耦合器的下输入端口，另一路光信号经过光纤进入第二级3dB耦合器的上输入端口。再经过输出级3dB耦合器多模干涉效应从输出级3dB耦合器的上输出端口和者下输入端口输出相位差为90°的光信号。当外接光纤取合适长度时，两路光信号相互干涉，使特定的频率信号增强，相反使得特定的频率信号减弱。通过调节外接光纤的光程差可以实现干涉仪相位精细可调，从而改变光传感、通信系统的性能。

[0008] 上述的基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤10）：取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片，利用热氧化法在硅衬底上制备厚度
15μm到20μm的二氧化硅缓冲层，利用等离子体增强化学气相沉积方法，其中，硅烷和氮气的体积比为1:20，温度250℃—400℃，在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层9，GeH4与Ar的体积比为1:10 ，形成厚度为8μm的波导层，且波导层的折射率高于二氧化硅缓冲层的折射率差为0.4%，由此得到晶圆片，
步骤20）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺，制备基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的PLC芯片部分，
所述光刻工艺为：利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，其中掩模板图形包括：输入级Y分支（3）、第一长度固定臂（302）和第二长度固定臂（502）、第一开放臂（301）、第二开放臂（401）、第三开放臂（501）、和第四开放臂（601）、第一级3dB耦合器（4）和第二级3dB耦合器（6）及输出级3dB耦合器（5），所述复制采用如下方法：首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，其中转速为
2000~8000 r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上，进而在热板上90℃到100℃烘
30秒，然后自然冷却，将冷却后晶圆片和掩模板上的图形位置对准后曝光；然后在热板上
100℃到120℃烘30秒，再自然冷却，进而采用0.6%质量浓度的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s，显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却；
所述刻蚀工艺为：利用反应离子刻蚀RIE工艺，Cl2为20sccm， Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅，然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶, 烘干后进行SiO2波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—
26.67Pa；O2与CHF3流量比为0.05:1；O2与CHF3的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm干涉仪的波导结构，
步骤30）：覆盖层制备：去除经过步骤20）光刻和刻蚀后的晶圆片上残留的掩膜，在光刻和刻蚀后的晶圆片上沉积硼磷硅BPSG( B2O3-P2O5-SiO2 glass)二氧化硅覆盖层，退火后得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器PLC芯片部分，
步骤40）：切片研磨：利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，对经过步骤30）处理后的晶圆片上的每个芯片进行分离，然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分，
步骤50）：将第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）与步骤40）得到的PLC芯片进行耦合：将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液，其中溶液配比为：硅烷偶联剂5ml，异丙醇50ml，浸泡时间为1.5h，浸泡后将PLC芯片和光纤阵列吹干，然后利用六维微调架将PLC芯片和光纤阵列对准，将第一光纤阵列（1）和PLC芯片的一端对准，将第二光纤阵列（2）和PLC芯片的另一端对准，进而将紫外胶刷到PLC芯片、第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）
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的端面上，最后用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm，照射距离为9mm，时长为
180s，固化PLC芯片和光纤阵列，将PLC芯片与第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）耦合连接。

[0009] 步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到两个分离的马赫-曾德干涉仪；利用光纤熔接机，将第一光纤阵列（1）上的第三通道（103）的光纤和第二光纤阵列（2）上的第一通道（201）光纤进行连接得到一个干涉仪；然后利用同样的方法将第一光纤阵列（1）上的第六通道（106）的光纤和第二光纤阵列（2）上的第四通道（204）光纤进行连接得到另一个干涉仪。

[0010] 步骤70）：对步骤60）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器；利用光纤熔接机，将第二光纤阵列（2）上的第二通道（202）的光纤和第二光纤阵列（2）上的第六通道（206）光纤进行连接；然后利用同样的方法将第二光纤阵列（2）上的第三通道（203）的光纤和光纤阵列（2）上的第五通道（205）光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器。

[0011] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1）相位精细可调。本发明的一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器通过干涉仪的两条臂外接相位调制部件，实现相位精细可调，理论上可实现0°~360°相位调节；本发明通过一次制作，可以实现多种相位可调；实施方法是梳状滤波器的PLC部分利用半导体工艺一次制作成形，并固定不变；通过外接光纤，可以实现干涉效应，进而利用拉力作用部件可以实现外接光纤的长度变化，从而实现相位精细可调。然而，传统基于PLC型MZ干涉仪的梳状滤波器，如果想实现相位调节，必须要制作不同型号的PLC芯片，带来制作成本增加；或者需要利用特定的双折射材料及点光效应等实现可调，成本极高，制约了其大规模应用。

[0012] （2）高度集成、可重构和平顶型滤波输出。首先，采用外接光纤连接两个分离的MZI实现基于级联型MZIs的梳状滤波器，可极大降低器件尺寸。原因是与利用波导连接的基于SoS型PLC干涉仪的梳状滤波器相比，连接光纤尺寸可调，布局可变，而传统利用波导连接所需SoS型波导弯曲半径一般为10mm-15mm，导致器件尺寸变大，不利于集成。

[0013] 其次，采用长度可调的外接光纤可实现基于级联型MZIs的梳状滤波器输出特性动态可变，从而利用多功能使用；并且外接光纤的连接方式可按照需要改变；从而可见与传统基于两臂固定级联型MZIs的梳状滤波器相比，本发明具有动态可重构的优点。

[0014] 最后，采用级联型MZIs构成的梳状滤波器，两个MZIs的滤波带宽互补可以很好的得到平顶型滤波输出，是基于单个MZI的滤波器无法实现的。

[0015] （3）热稳定、低非线性和低损耗。SoS型PLC滤波器芯片基于石英玻璃制作，由材料特性决定其具有很高的热稳定性；并且损耗极低，可到0.01dB/cm，这是其他材料无法达到的。由于石英材料为各向同性材料，从而决定基于SoS型PLC干涉仪的梳状滤波器芯片具有极低的非线性，从而可以使得干涉仪适合高能量的传输。

[0016] （4）高耦合效率。本发明梳状滤波器采用SoS型PLC芯片，基于石英玻璃制作。由于石英玻璃折射率和单模光纤折射率非常接近；并且由单模条件决定PLC波导尺寸和单模光纤也具有很好的尺寸匹配。因此，本发明梳状滤波器和单模光纤具有极好的耦合效率，可小于0.1dB每端口。

[0017] （5）制备工艺兼容性好，成本低。基于SoS光波导工艺制备出芯片，并通过外接光纤构成梳状滤波器；既克服了传统全光纤型梳状滤波器不稳定问题，又具备PLC工艺集成度高的特点；并且不需要双折射材料便可实现相位可调；传统电光效应制作的MZ干涉仪，需要对材料有特定要求，而且制作工艺有一定要求；相比于本发明具有材料成本低的优势，而且工艺不需要特定要求。

[0018] （6）结构简单，并具有多种使用方案。通过外接光纤的变化可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光传感、通信系统。附图说明

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0020] 图1是基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的原理示意图。

[0021] 图2是本发明实施例中制作完成的衬底、缓冲层与波导层结构示意图。

[0022] 图3是本发明实施例中制作完成的PLC芯片部分俯视图。

[0023] 图4是本发明实施例中制作完成的波导横截面结构示意图。

[0024] 图5是本发明实施例中制作完成覆盖层的波导横截面结构示意图。

[0025] 图6是本发明实施例中光纤阵列和PLC芯片耦合结构示意图。

[0026] 图7光纤阵列的外接光纤对应通道连结后得到两个相位可调马赫-曾德干涉仪的结构示意图。

[0027] 图8是本发明实施例中光纤阵列对应通道光纤连接后得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的结构示意图。

[0028] 图9是本发明实施例的基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的仿真结果图。

具体实施方式

[0029] 为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。

[0030] 如图1所示，本发明的基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，包括：平面光波光路PLC芯片和第一光纤阵列1和第二光纤阵列2，所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底7，在硅衬底7上设有二氧化硅缓冲层8，在二氧化硅缓冲层8上设有波导10，在波导10上设有覆盖层11，所述波导10包括输入级Y分支3、第一长度固定臂302和第二长度固定臂502、第一开放臂301、第二开放臂401、第三开放臂501、和第四开放臂601、第一级3dB耦合器4和第二级3dB耦合器6及输出级3dB耦合器5，所述第一长度固定臂302的两端分别与输入级Y分支3的下输出端、第二级3dB耦合器4的上输入端连接，输入级Y分支
3的上输出端与第一开放臂301的一端连接，第一级3dB耦合器4的下输入端与第二开放臂
401的一端连接，第三开放臂501一端与输出级3dB耦合器5的上输入端连接，第二固定臂
502的两端分别与输出级3dB耦合器5的下输入端、第二级3dB耦合器6的上输出端连接，第二级3dB耦合器6的下输出端与第四开放臂601的一端连接；第一光纤阵列1上的第一通道101与输入级Y分支3的输入端口连接，第一光纤阵列1上的第三通道103的两端分别与第二开放臂401的另一端、第二光纤阵列2上的第一通道201的一端连接，第一光纤阵列1上的第四通道104的一端与输出级3dB耦合器5的上输出端口连接，第一光纤阵列1上的第五通道105的一端与输出级3dB耦合器5的下输出端口连接，第一光纤阵列1上的第六通道106的两端分别与第四开放臂601的另一端、第二光纤阵列2上的第四通道204的一端连接；第二光纤阵列2上的第二通道202的两端分别与第二光纤阵列2上的第六通道
206的一端、第一级3dB耦合器4的上输出端口连接，第二光纤阵列2上的第三通道203的两端分别与第二光纤阵列2上的第五通道205的一端、第一级3dB耦合器4的下输出端口连接，第二光纤阵列2上的第一通道201的另一端与第一开放臂301的另一端连接，第二光纤阵列2上的第四通道204的另一端与第三开放臂501的另一端连接，第二光纤阵列2上的第五通道205的另一端与第二级3dB耦合器6的上输入端口连接，第二光纤阵列2上的第六通道206的另一端与第二级3dB耦合器6的下输入端口连接。第一光纤阵列1上有第一通道101、第二通道102、第三通道103、第四通道104、第五通道105和第六通道106；第二光纤阵列2上有第一通道201、第二通道202、第三通道203、第四通道204、第五通道205和第六通道206；外接光纤202、203、205和206长度可调，从而得到相位精细可调。

[0031] 上述基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的制备方法，包括以下步骤：步骤10）：取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片。利用热氧化法在硅衬底上制备厚度
15μm到20μm的二氧化硅缓冲层。利用等离子体增强化学气相沉积方法，硅烷和氮气浓度为5% SiH4:N2，温度250℃—400℃，在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层
9，采用气体浓度10%的GeH4:Ar，形成厚度为8μm的波导层，且波导层的折射率高于二氧化硅缓冲层的折射率差为0.4%。

[0032] 步骤20）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺，制备基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的PLC芯片部分，包括：输入级Y分支3、第一长度固定臂302和第二长度固定臂502、第一开放臂301、第二开放臂401、第三开放臂501、和第四开放臂601、第一级3dB耦合器4和第二级3dB耦合器6及输出级3dB耦合器5。具体步骤包括步骤201）和步骤202）。

[0033] 步骤201）光刻工艺。利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层上，其中掩模板图形（如图3所示）包括：输入级Y分支3、第一长度固定臂302和第二长度固定臂502、第一开放臂301、第二开放臂401、第三开放臂501、和第四开放臂601、第一级3dB耦合器4和第二级3dB耦合器6及输出级3dB耦合器5。首先，利用六甲基二硅胺烷（HMDS）对步骤10）制得的晶圆片进行表面浸润处理；然后旋转涂胶，其中转速为2000~8000 r/min，时间10s，将光刻胶均匀涂于波导层上。进而在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。将晶圆片和掩模板图形位置对准后曝光；然后在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。进而采用0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间为140s—190s。显影后进行坚膜烘焙，温度110℃到140℃下烘30秒，然后自然冷却。最后，利用高倍率显微镜检查图形质量。

[0034] 步骤202）刻蚀工艺。利用反应离子刻蚀RIE（RIE对应中文：反应离子刻蚀）工艺，Cl2为20sccm， Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅。然后在含量为99.5％丙酮溶液中浸泡10min去除残留的光刻胶, 烘干后进行SiO2波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O2与CHF3流量比为0.05-1；O2与CHF3的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到截面尺寸为8μm×8μm干涉仪的波导结构。

[0035] 步骤30）：覆盖层制备。对步骤20）得到的晶圆片，经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG( B2O3-P2O5-SiO2 glass)二氧化硅覆盖层、退火工艺，得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器PLC芯片部分。

[0036] 步骤40）：切片研磨。利用转速30000rpm的划片刀，供应冷却水，将晶圆上的每个芯片分离。然后利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，对分离得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分。从而使得输入级Y分支3、第一开放臂4、第二开放臂5和输出级3dB耦合器的端面与芯片端面一致。

[0037] 步骤50）：将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液，其中溶液配比为：硅烷偶联剂5ml，异丙醇50ml，浸泡时间为1.5h，浸泡后将PLC芯片和光纤阵列吹干，然后利用六维微调架将PLC芯片和光纤阵列对准，将第一光纤阵列1和PLC芯片的一端对准，将第二光纤阵列2和PLC芯片的另一端对准，进而将紫外胶刷到PLC芯片、第一光纤阵列1和第二2
光纤阵列2的端面上，最后用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm，照射距离为
9mm，时长为180s，固化PLC芯片和光纤阵列，至此，将PLC芯片与第一光纤阵列1和第二光纤阵列2耦合连接。

[0038] 步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到两个分离的马赫-曾德干涉仪；利用光纤熔接机，将第一光纤阵列1上的第三通道103的光纤和第二光纤阵列2上的第一通道201光纤进行连接得到一个干涉仪；然后利用同样的方法将第一光纤阵列1上的第六通道106的光纤和第二光纤阵列2上的第四通道204光纤进行连接得到另一个干涉仪。

[0039] 步骤70）：对步骤60）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器；利用光纤熔接机，将第二光纤阵列2上的第二通道202的光纤和第二光纤阵列2上的第六通道206光纤进行连接；然后利用同样的方法将第二光纤阵列2上的第三通道203的光纤和光纤阵列2上的第五通道205光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器。

[0040] 实施例：下面介绍基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器的制备方法，以对上述制备方法进行更为详尽的说明。

[0041] 步骤10）：制作二氧化硅缓冲层8和波导9。参照图2所示，包括步骤101）、步骤102）和步骤103）。

[0042] 步骤101）取一硅衬底，利用湿化学法清洗硅片即衬底7，去除表面的污物；然后，经过去离子水超声波的超声清洗和干燥，完成了硅片的清洗；步骤102）制备二氧化硅缓冲层8，制备二氧化硅缓冲层8的方法有多种，例如化学气相沉积法（CVD）、火焰水解法（FHD）、溶胶凝胶法（Sol-Gel）、热氧化法（TO）等。由于热氧化法一次热氧化可以同时对百余片的硅片进行氧化，在实际生产中具有较高的效率，而且可同时对硅衬底7的正反两面同时氧化，从而可以消除附加应力。因此，利用热氧化法在硅衬底
7上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层8。

[0043] 步骤103）制作波导层9。利用等离子体增强化学气相沉积（等离子体增强化学气相沉积，文中简称：PECVD）方法，以硅烷和氧气为反应气体，或者以一氧化二氮为反应气体。本实施例以硅烷和氮气浓度为5% SiH4:N2，温度为250℃—400℃条件下采用气体浓度为：
5% SiH4:N2。通过在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层9，采用气体为浓度
10%的GeH4:Ar，且波导层9和二氧化硅缓冲层8折射率差为0.4%。

[0044] 步骤20）：刻蚀波导形状，如图3和4所示。在波导层9上，利用光刻和刻蚀工艺，制备基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器中输入级Y分支3、第一长度固定臂302和第二长度固定臂502、第一开放臂301、第二开放臂401、第三开放臂501、和第四开放臂601、第一级3dB耦合器4和第二级3dB耦合器6及输出级3dB耦合器5。制备得到波导俯视图如图3所示，波导横截面10如图4所示，包括步骤201）和步骤202）。

[0045] 步骤201）利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层9上，其中掩模板图形包括输入级Y分支3、第一长度固定臂302和第二长度固定臂502、第一开放臂301、第二开放臂401、第三开放臂501、和第四开放臂601、第一级3dB耦合器4和第二级3dB耦合器6及输出级3dB耦合器5。光刻工艺步骤具体分为8步：
步骤2011）表面处理：光刻的第一步是增强基片和光刻胶之间的黏附性。因此晶圆片表面必须是清洁和干燥的，并且用六甲基二硅胺烷（HMDS）进行表面浸润，可以起到黏附促进剂的作用。

[0046] 步骤2012）旋转涂胶：表面处理后，晶圆片要立即采用旋转涂胶的方式涂上液相光刻胶材料，期间晶圆片被固定在一个真空载物台上。光刻胶的厚度、均匀性、颗粒沾污、针孔等指标和旋涂所采用的时间、速度以及装置都有很大的关系。典型的转速在2000~8000 r/min之间，大约10s，可以甩出多余的光致抗蚀剂，从而得到厚度均匀的薄膜。

[0047] 步骤2013）前烘焙：光刻胶被涂到晶圆片表面后必须烘焙使之成膜，并提高光刻胶和基底的黏附性，光刻胶的均匀性在这一步骤也会得到提升，典型的前烘焙条件是在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。

[0048] 步骤2014）对准和曝光：在曝光之前，必须对晶圆片和掩膜版图形进行位置对准，以保证设计图形在晶圆片的合适位置。然后经过曝光，让光能激活光刻胶中的光敏成分。由于光掩膜版对光的选择性透过，因此光刻胶中的光敏成分也是被选择性的激活。这一步骤是限制线宽的重要一步。

[0049] 步骤2015）后烘焙：后烘焙的重要作用是使光敏成分的反应更加彻底，并形成稳定的分布，其烘焙温度通常会高于前烘焙温度 10℃到 20℃，即：在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。

[0050] 步骤2016）显影：显影是在晶圆片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶中的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在晶圆片表面。最通常的显影方法是浸泡，然后用去离子水冲洗后甩干。浸泡的时间和温度是十分重要的两个控制因素。典型的采用0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间在140s—190s。

[0051] 步骤2017）坚膜烘焙：显影后的热烘就是坚膜烘焙。烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的黏附性。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀过程非常关键。坚膜烘焙的温度通常要高于后烘温度 10℃到 20℃，即110℃到140℃烘30秒，然后自然冷却。

[0052] 步骤2018）检查：利用高倍率的显微镜观察晶圆上面图形的质量。一旦光刻胶在晶圆片表面形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形的质量。检查的目的一是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求，二是如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把她们除去，晶圆片返工。如果光刻图形存在缺陷，对于波导的性能来说是灾难性的，因此必须在刻蚀之前进行检查。

[0053] 步骤202）利用刻蚀工艺来制备基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器中输入级Y分支3、第一长度固定臂302和第二长度固定臂502、第一开放臂301、第二开放臂401、第三开放臂501、和第四开放臂601、第一级3dB耦合器4和第二级3dB耦合器6及输出级3dB耦合器5：利用反应离子刻蚀RIE（RIE对应中文：反应离子刻蚀）工艺，Cl2为20sccm， Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅（氢化无定形硅的化学式为a-Si:H）或多晶硅（多晶硅的化学式是poly-Si）掩膜；然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶, 烘干后进行SiO2波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W—300W；工作压强2.67Pa—26.67Pa；O2与CHF3流量比为0.05:1；O2与CHF3的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到干涉仪的波导结构10，如图4所示。本实施例中，波导3的截面尺寸为
8μm×8μm。

[0054] 步骤30）：覆盖层制备。参照图5所示，对步骤20）得到的晶圆片，经过去除残留掩膜、沉积硼磷硅BPSG二氧化硅覆盖层、退火等工艺制得基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器PLC芯片部分。

[0055] 步骤40）切片研磨。晶圆切片研磨利用高速旋转的划片刀沿晶圆上的划片槽切割晶圆，将晶圆上的每个芯片分离；其中划片刀转速30000rpm，并供应冷却水。利用UNIPOL-1502型研磨抛光机，针对切片得到的芯片进行研磨抛光，得到端面为斜8°的干涉仪PLC芯片部分，如图3所示。

[0056] 步骤50）：将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液，其中溶液配比为：硅烷偶联剂5ml，异丙醇50ml，浸泡时间为1.5h，浸泡后将PLC芯片和光纤阵列吹干，然后利用六维微调架将PLC芯片和光纤阵列对准，将第一光纤阵列（1）和PLC芯片的一端对准，将第二光纤阵列（2）和PLC芯片的另一端对准，进而将紫外胶刷到PLC芯片、第一光纤阵列（1）和2
第二光纤阵列（2）的端面上，最后用到紫外光波长为365nm，照射强度为6500mw/cm，照射距离为9mm，时长为180s，固化PLC芯片和光纤阵列，至此，将PLC芯片与第一光纤阵列（1）和第二光纤阵列（2）耦合连接。包括步骤501）、步骤502）、步骤503）和步骤504）：
步骤501）配制硅烷偶联剂。用到的硅烷偶联剂型号：GEA-187；将硅烷偶联剂质量比为
10%溶于异丙醇，即取硅烷偶联剂5ml，取异丙醇50ml，将硅烷偶联剂溶于异丙醇，并一边搅拌，直至均匀，得到溶液。

[0057] 步骤502）PLC芯片和光纤阵列前处理。将PLC芯片和光纤阵列浸泡于硅烷偶联剂溶液内，浸泡时间为1.5h；搅拌约半小时后，静止浸泡至时间结束；最后分别取出PLC芯片和光纤阵列，用电吹风将其吹干。

[0058] 步骤503）PLC芯片与第一光纤阵列1和第二光纤阵列2对准。将PLC芯片固定在芯片支架上，注意保持水平，将第一光纤阵列1和第二光纤阵列2放置于六维微调架上，利用PLC芯片耦合封装系统将光纤阵列和PLC芯片完成对准。

[0059] 步骤504）点胶与紫外固化。首先取适量紫外胶，本实施例为EMI-3553；然后刷到PLC芯片和光纤阵列6端面上；最后，紫外固化，其中用到紫外光波长为365nm，照射强度为2
6500mw/cm，照射距离为9mm，固化时长为180s 。至此，将PLC芯片与第一光纤阵列1和第二光纤阵列2耦合连接，如图6所示。

[0060] 步骤60）：对步骤50）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到两个分离的马赫-曾德干涉仪；利用光纤熔接机，将第一光纤阵列1上的第三通道103的光纤和第二光纤阵列2上的第一通道201光纤进行连接得到一个干涉仪；然后利用同样的方法将第一光纤阵列1上的第六通道106的光纤和第二光纤阵列2上的第四通道204光纤进行连接得到另一个干涉仪。如图7所示。

[0061] 步骤70）：对步骤60）得到的干涉仪中光纤阵列对应的光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器；利用光纤熔接机，将第二光纤阵列2上的第二通道202的光纤和第二光纤阵列2上的第六通道206光纤进行连接；然后利用同样的方法将第二光纤阵列2上的第三通道203的光纤和光纤阵列2上的第五通道205光纤进行连接得到基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，如图8所示。

[0062] 对该实施例设计的基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，进行仿真试验。利用全矢量有限差分光束传播法（FD-BPM），对本发明结构进行了仿真，传输谱图如图8所示。图8中，横坐标为光波波长，纵坐标经过干涉仪后不同波长的损耗。由图9可见，输出谱消光比大于40dB，并且插入损耗可以忽略。

[0063] 由此可见，本发明的基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器，可实现平顶型滤波(即输出波型顶端较平)、热稳定、低非线性、低传输损耗、高度集成、与单模光纤高效耦合。通过干涉仪的外接相位调制部件，实现相位精细可调，理论上可实现0°~360°相位调节；制备工艺兼容性好，成本低，基于SoS光波导工艺制备出芯片，并通过外接光纤构成干涉仪；既克服了传统全光纤型干涉仪不稳定问题，又具备PLC工艺集成度高的特点；并且不需要双折射材料便可实现相位可调；结构简单，并具有多种使用方案，通过外接光纤的变化可以实现多种实用方案，从而可广泛应用于光传感、通信系统。

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一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其制备方法

一种基于级联马赫-曾德干涉仪型可重构梳状滤波器及其

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