CN103197452A

CN103197452A - 一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器

Info

Publication number: CN103197452A
Application number: CN2013101310246A
Authority: CN
Inventors: 时尧成; 蔡涛; 刘清坤; 何赛灵
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: CN103197452B

Abstract

本发明公开了一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器。本发明包括硅衬底、下电极、二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层、液晶下定向层、液晶间隔物层、液晶层、液晶上定向层、上电极。在无外加电压的情况下，传输光在聚合物光波导芯层中低损耗传输，当外加电压逐渐增大时，液晶层的折射率逐渐增大，传输光逐渐扩散到作为波导包层的液晶层中去，不再作为导模传输，损耗增大，进而实现可调光衰减器功能。本发明提出的基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器具有结构紧凑，制作方法简便，且波长不敏感，工作带宽大的特点，满足光通信、集成光学等领域的实用要求。

Description

一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器。

背景技术

可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA) 是光通信系统中不可或缺的关键器件。VOA的主要功能是用来减低光信号或者平衡通道间光功率的差异。特别是随着密集波分复用(DWDM)技术和EDFA在光通信系统中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或者信道功率均衡，在光接收器端要进行动态饱和的控制，这些都使得VOA成为其中不可或缺的关键器件。VOA已成为构成动态信道均衡器(DCE)、可调功率光复用器(VMUX)、光分插复用器(OADM)等光器件的核心部件。

目前常见的VOA技术包括机械式VOA技术、MEMS技术及集成光波导技术等。机械式VOA是较为传统的解决方案，到目前为止，已经在系统中应用的VOA大多是采用机械方式来实现的。这类光衰减器具有工艺成熟、光学特性好、低损耗、偏振相关损耗小、无需温控等优点，但其缺点在于体积较大、组件多且结构复杂、响应速度不高且不利于与其它器件实现集成。利用MEMS技术，可以减小器件的尺寸，但是MEMS的机械磨损较大，而且调制速度较慢，同样不易于与其它器件实现集成化。

液晶材料近年来受到广泛关注，其对近红外光波长有高穿透率，同时液晶元件有着很大的工作带宽与制作小型化的优势。传统的基于液晶材料的VOA利用液晶对O光和E光的响应不同，结合双折射晶体来实现光衰减器功能，体积较大，无法实现集成化。随着光通信系统越来越复杂，VOA的发展趋势是：多通道、小体积、低成本、高集成、响应时间快、易于与其他光器件集成。相比之下，集成光波导VOA的优势日益显现：低插入损耗、成本低、体积小、无活动部件、稳定性好、利于实现模块集成等优点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器，结合聚合物光波导的集成化优势及液晶的可调谐特性，实现可调光衰减功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明采用垂直方向的电极结构，具体包括硅衬底、下电极、二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层、液晶下定向层、液晶间隔物层、液晶层、液晶上定向层、上电极；硅衬底为重掺杂的硅材料，电导率达到2×10^-2Ω·cm以上；硅衬底正上方利用化学气相沉积生长7～10μm厚的二氧化硅下包层，其折射率为1.45；硅衬底正下方利用化学电镀方式电镀有一层金属镍，该层金属镍作为下电极，且下电极的厚度为300nm～1μm;二氧化硅下包层的上表面通过干法刻蚀得到宽3 μm，厚2.5 μm的凹槽，然后通过旋涂匀胶将芯层聚合物材料嵌入二氧化硅包层上表面的凹槽中，从而形成聚合物光波导芯层；所述的二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层共同形成平顶式倒脊形波导结构；聚合物光波导芯层的上表面旋涂一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作为液晶下定向层，所述的聚甲基丙烯酸甲酯折射率为1.48。

上电极的材料为ITO玻璃，其下表面同样旋涂一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作为液晶上定向层，液晶上定向层下表面与液晶下定向层上表面之间通过多个直径为6～8μm的二氧化硅小球作间隔物，隔出液晶间隔物层，所述的液晶间隔物层为两端开放的筒形，且其横截面为矩形；所述的二氧化硅小球混合在紫外固化胶中，并将硅衬底、下电极、二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层、液晶下定向层、液晶上定向层、上电极固定在紫外光中曝光，使液晶上定向层下表面与液晶下定向层通过液晶间隔物层粘合固定；然后再利用毛细现象，将单轴正性向列相液晶注入液晶间隔物层形成的两端开放的筒形内，形成液晶层。

所述的光波导芯层聚合物材料选用SU-8-2005，该材料为MicroChem公司产品，使用环戊酮稀释到23%，其折射率为1.575。

所述的单轴正性向列相液晶的型号为TEB30A。

本发明工作过程如下：

本发明中，液晶层被用作平顶式倒脊形波导结构的上包层。其基本工作原理是，当外加电压为0V时，液晶分子的排列仅受液晶下定向层、液晶上定向层上下两层的控制，平行于硅衬底，垂直于聚合物波导结构排列，此时液晶层的折射率等于液晶的O光折射率，整个发明的工作状态是光能量集中在聚合物光波导芯层传输，光能量传输只有较小的附加损耗。当通过电极施加电场时，作为平顶式倒脊形波导结构上包层的液晶层折射率增加，本发明的限制效应减弱，当电压足够大时，液晶层的折射率与聚合物光波导芯层相当，光能量开始从聚合物光波导芯层中向外辐射，不再以导模形式传输，使得器件对光场的衰减损耗增加，以实现本发明传输光能量衰减的目的，进而实现可调光衰减器的功能。

本发明有益效果如下：

1.本发明结合聚合物光波导的集成化优势及液晶的可调谐特性，具有结构紧凑、制作方法简便，且波长不敏感，工作带宽大的特点。

2.本发明将液晶层作为平顶式倒脊形波导结构的上包层，通过聚合物与液晶折射率的匹配，能够有效地克服光场被过强地限制于波导芯层中的问题，使得波导中的光场能够有效地与液晶层接触，从而获得尽可能大的可调谐范围以及更大的调谐效率。

3.本发明采用平顶式的倒脊形聚合物波导，增强波导上液晶包层的定向均匀性，增大器件的动态可调谐范围，降低器件的阈值电压及工作电压。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为液晶层7折射率随外加电压的变化曲线。

图3 本发明输出光功率随外加电压的响应曲线（通光波长为1550nm时）。

图中：1、硅衬底，2、下电极，3、二氧化硅下包层，4、聚合物光波导芯层，5、液晶下定向层，6、液晶间隔物层，7、液晶层，8、液晶上定向层，9、上电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器，采用垂直方向的电极结构，具体包括硅衬底1、下电极2、二氧化硅下包层3、聚合物光波导芯层4、液晶下定向层5、液晶间隔物层6、液晶层7、液晶上定向层8、上电极9。硅衬底1为重掺杂的硅材料，电导率达到2×10^-2Ω·cm以上；硅衬底1正上方利用化学气相沉积生长7～10μm厚的二氧化硅下包层3，其折射率为1.45；硅衬底1正下方利用化学电镀方式电镀有一层金属镍，该层金属镍作为下电极2，且下电极2的厚度为300nm～1μm;在二氧化硅下包层3的上表面通过干法刻蚀得到宽3 μm，厚2.5 μm的凹槽；然后通过旋涂匀胶将波导的芯层聚合物材料嵌入二氧化硅包层上表面的凹槽中，形成聚合物光波导芯层4；所述的波导的芯层聚合物材料选用SU-8-2005（MicroChem公司产品，使用环戊酮稀释到23%），其折射率为1.575；传统脊形结构使得波导表面液晶层的均匀定向成为一个难题，进而降低了器件的可调谐范围，另外，正脊型波导结构复杂的边界条件容易对液晶层造成强锚定作用，从而增大了控制液晶取向所需要的电压，提高了器件的功耗，因此本发明中二氧化硅下包层3、聚合物光波导芯层4共同形成平顶式倒脊形波导结构，增强液晶包层的定向均匀性，增大器件的动态可调谐范围，降低器件的阈值电压及工作电压；聚合物光波导芯层4的上表面旋涂一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），作为液晶下定向层5，所述的聚甲基丙烯酸甲酯折射率为1.48。

上电极9材料为ITO玻璃，在其下表面同样旋涂一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），作为液晶上定向层8，液晶上定向层8下表面与液晶下定向层5上表面之间通过多个直径为6～8μm的二氧化硅小球作间隔物，隔出液晶间隔物层6，所述的液晶间隔物层为两端开放的筒形，且其横截面为矩形；所述的二氧化硅小球混合在紫外固化胶（在紫外光中将发生胶合）中，并将硅衬底1、下电极2、二氧化硅下包层3、聚合物光波导芯层4、液晶下定向层5、液晶上定向层8、上电极9固定在紫外光中曝光，使液晶上定向层8下表面与液晶下定向层5通过液晶间隔物层6粘合固定；然后再利用毛细现象，将型号为TEB30A的单轴正性向列相液晶注入液晶间隔物层6内，形成液晶层7。

脊形波导结构。

本发明中，器件的衬底选用的是重掺杂的硅材料，其导电性能较好，且二氧化硅下包层、SU-8波导芯层、及PMMA定向层均较薄（微米量级），所以在器件的两极上加上电压时，大部分电压仍将会分布在液晶层中，并不会造成过大的能量损耗。

如图2所示，当外加电压小于2V时，此时加在液晶层上的电压小于液晶响应的阈值电压，液晶层的折射率小于聚合物芯层的折射率，满足波导传输的导模条件，光场被限制在波导内传输，损耗较小。当外加电压逐渐增大，液晶层的折射率接近或超过聚合物波导芯层的折射率，无法满足波导的导模条件，光场耗散到波导芯层外，损耗很大。

如图3所示，本发明通过测量可调光衰减器在不同外加电压下的输出光功率，得到器件的阈值电压约为2V。当外加电压由0V逐渐上升为7V时，能实现器件输出的光功率大于25 dB的调谐。通过测量一定波长范围下的响应，结果显示本发明在整个C+L光通信波段的响应一致。

Claims

1. 一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器，其特征在于包括硅衬底、下电极、二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层、液晶下定向层、液晶间隔物层、液晶层、液晶上定向层、上电极;

硅衬底为重掺杂的硅材料，电导率达到2×10^-2Ω·cm以上；硅衬底正上方利用化学气相沉积生长7～10μm厚的二氧化硅下包层，其折射率为1.45；硅衬底正下方利用化学电镀方式电镀有一层金属镍，该层金属镍作为下电极，且下电极的厚度为300nm～1μm;二氧化硅下包层的上表面通过干法刻蚀得到宽3 μm，厚2.5 μm的凹槽，然后通过旋涂匀胶将芯层聚合物材料嵌入二氧化硅包层上表面的凹槽中，从而形成聚合物光波导芯层；所述的二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层共同形成平顶式倒脊形波导结构；聚合物光波导芯层的上表面旋涂一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作为液晶下定向层，所述的聚甲基丙烯酸甲酯折射率为1.48；

上电极的材料为ITO玻璃，其下表面同样旋涂一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作为液晶上定向层，液晶上定向层下表面与液晶下定向层上表面之间通过多个直径为6～8μm的二氧化硅小球作间隔物，隔出液晶间隔物层，所述的液晶间隔物层为两端开放的筒形，且其横截面为矩形；所述的二氧化硅小球混合在紫外固化胶中，并将硅衬底、下电极、二氧化硅下包层、聚合物光波导芯层、液晶下定向层、液晶上定向层、上电极固定在紫外光中曝光，使液晶上定向层下表面与液晶下定向层通过液晶间隔物层粘合固定；然后再利用毛细现象，将单轴正性向列相液晶注入液晶间隔物层内，形成液晶层。

2.如权利要求1所述的一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器，其特征在于所述的芯层聚合物材料选用SU-8-2005，该材料为MicroChem公司产品，使用环戊酮稀释到23%，其折射率为1.575。

3.如权利要求1所述的一种基于液晶包层聚合物光波导的可调光衰减器，其特征在于所述的单轴正性向列相液晶的型号为TEB30A。