CN103941428B - 一种二氧化硅与聚合物混合集成光波导型热光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化硅与聚合物混合集成光波导型热光调制器。本发明包括输入波导、输入连接波导、1×2光功分器、第一锥形波导、传输臂、第二锥形波导、2×1合波器、输出连接波导以及输出波导；输入光从输入波导经过经输入连接波导与1×2光功分器的一端相连接，1×2光功分器产生干涉，得到两束1:1的分光；1×2光功分器的一端经过第一锥形波导与传输臂的一端相连接，传输臂的另一端经过第二锥形波导与2×1合波器的一端相连接，2×1合波器的另一端经过输出连接波导与输出波导相连接。本发明具有结构紧凑、制作方法简便且波长不敏感的特点，同时聚合物光波导的制作工艺简单，降低了本发明中热光调制器的工艺难度。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种二氧化硅与聚合物混合集成光波导型热光调制器。
背景技术
光调制器是光通信系统中不可或缺的关键器件。基于平面光波导结构的光调制器由于其结构紧凑，易于与其它器件集成，适合大规模生产而受到广泛关注。光波导调制器的调制机理主要是基于光波导的电光效应和热光效应。其中热光调制器具有制作简单、成品率高、成本低、易于集成等优点。
二氧化硅是最早被广泛使用的光波导材料，工艺发展最成熟，这是因为二氧化硅光波导和标准单模光纤具有非常好的匹配关系。二氧化硅光波导具有优良的光学特性，传输损耗很小，约为0.02dB/cm，因此被认为是实现无源光集成器件最具实用前景的技术途径之一。但二氧化硅材料由于热光系数均非常小，因此基于二氧化硅材料的热光调制器器件尺寸非常大，功率非常高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种二氧化硅与聚合物混合集成光波导型热光调制器，结合二氧化硅光波导的低损耗、热不敏感优势及聚合物材料的高的热光系数，实现热光调制的功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明包括输入波导、输入连接波导、1×2光功分器、第一锥形波导、传输臂、第二锥形波导、2×1合波器、输出连接波导以及输出波导；
输入光从输入波导经过经输入连接波导与1×2光功分器的一端相连接，1×2光功分器产生干涉，得到两束1:1的分光；1×2光功分器的一端经过第一锥形波导与传输臂的一端相连接，传输臂的另一端经过第二锥形波导与2×1合波器的一端相连接，2×1合波器的另一端经过输出连接波导与输出波导相连接。
具体的输入光从输入波导经输入连接波导耦合进入1×2光功分器产生干涉，得到两束1:1的分光经第一锥形波导再耦合到与二氧化硅芯层中心对称的传输臂中；之后，两条传输臂传播的光由第二锥形波导耦合到2×1合波器中发生干涉，相干光再由输出连接波导耦合到输出波导中输出。
所述的输入波导、输入连接波导、第一锥形波导、第二锥形波导、输出连接波导以及输出波导均为二氧化硅单模波导结构。
所述的二氧化硅单模波导结构包括硅基底、二氧化硅下包层、掺锗二氧化硅芯层、二氧化硅上包层，具体的通过等离子体增强化学气相沉积法在硅基底上依次沉积二氧化硅下包层和掺锗二氧化硅芯层；通过光刻对掺锗二氧化硅芯层形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型干法刻蚀；再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅上包层。
所述的传输臂包括硅基底、二氧化硅下包层、掺锗二氧化硅层、聚合物芯层、二氧化硅缓冲层、热电极；具体的通过等离子体增强化学气相沉积法在硅基底上依次沉积二氧化硅下包层和掺锗二氧化硅芯层；通过光刻对掺锗二氧化硅芯层形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型干法刻蚀；在掺锗二氧化硅芯层刻蚀出窗口形成薄层的掺锗二氧化硅层，并通过旋涂在窗口中形成聚合物芯层，再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅缓冲层；最后在二氧化硅缓冲层上通过溅射形成热电极。
所述的掺锗二氧化硅层、聚合物芯层和热电极均处于第一锥形波导、第二锥形波导的中心轴上。
所述的聚合物芯层选用SU8材料。
输入光经过第一个3dB光功分器将分成两束等功率光束，并沿两个传输臂传播，其光强度分别为I1和I2；在经过传输臂时，如果由于热电极对传输臂加热的热光效应会导致该传输臂的波导内折射率变化Δn，使两束光出现相位差则输出端口的输出光强Iout为：
其中λ0为入射光波长，Δneff为有效折射率的变化值，L为传输臂的长度；当热电极不加热时，两条传输臂折射率相同，无相位差，干涉相长，输出光强较大；当热电极加热到使得折射率改变满足相位差时，干涉相消，输出光强几乎为0，以此实现光的调制功能。
本发明具有的有益的效果是：
(1)二氧化硅和聚合物材料聚合物混合集成的热光调制器，结合二氧化硅光波导的低损耗优势及聚合物的高热光系数，有效地弥补了二氧化硅波导低热光系数的缺陷，具有结构紧凑、制作方法简便且波长不敏感的特点。
(2)采用二氧化硅作为热光调制器的光波导结构减小了调制器与标准单模光纤的耦合损耗，且二氧化硅光波导本身传输损耗很小。
(3)与其他比如二氧化硅和Si等材料相比聚合物热光系数较高，相同的温度变化产生的有效折射率差较大，实现相同调制功能所需的传输臂长度较小，减小了器件的尺寸，同时聚合物光波导的制作工艺简单，降低了本发明中热光调制器的工艺难度。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2本发明中二氧化硅单模波导结构的横截面示意图。
图3为本发明传输臂部分的横截面示意图。
图4热光调制器输出光强随温度改变示意图。
图中：二氧化硅输入波导1、输入连接波导2、1×2光功分器3、第一锥形波导4、传输臂5、第二锥形波导6、2×1合波器7、输出连接波导8、输出波导9、硅基底10、二氧化硅下包层11、掺锗二氧化硅芯层12、二氧化硅上包层13、掺锗二氧化硅层14、聚合物芯层15、二氧化硅缓冲层16、热电极17。
具体实施方式
下面结合附图和二氧化硅与聚合物混合集成光波导型热光调制器的实施实例对本发明作进一步说明。
本发明包括输入波导1、输入连接波导2、1×2光功分器3、第一锥形波导4、传输臂5、第二锥形波导6、2×1合波器7、输出连接波导8以及输出波导9。
输入光从输入波导1经过经输入连接波导2与1×2光功分器3的一端相连接，1×2光功分器3的一端经过第一锥形波导4与传输臂5的一端相连接，传输臂5的另一端经过第二锥形波导6与2×1合波器7的一端相连接，2×1合波器7的另一端经过输出连接波导8与输出波导9相连接。
所述的输入波导1、输入连接波导2、第一锥形波导4、第二锥形波导6、输出连接波导8以及输出波导9均为二氧化硅单模波导结构，具体包括硅基底10、二氧化硅下包层11、掺锗二氧化硅芯层12、二氧化硅上包层13，具体的通过等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)在硅基底10上依次沉积二氧化硅下包层和掺锗二氧化硅芯层12；通过光刻对掺锗二氧化硅芯层12形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型(Inductive Coupled Plasma,ICP)干法刻蚀；再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅上包层；
所述的传输臂5包括硅基底10、二氧化硅下包层11、掺锗二氧化硅层14、聚合物芯层15、二氧化硅缓冲层16、热电极17；具体的通过等离子体增强化学气相沉积法在硅基底10上依次沉积二氧化硅下包层和掺锗二氧化硅芯层12；通过光刻对掺锗二氧化硅芯层12形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型干法刻蚀；在掺锗二氧化硅芯层12刻蚀出窗口形成薄层的掺锗二氧化硅层14，并通过旋涂在窗口中形成聚合物芯层15，再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅缓冲层16；最后在二氧化硅缓冲层16上通过溅射形成热电极17；
所述的掺锗二氧化硅层14、聚合物芯层15和热电极17均处于第一锥形波导4、第二锥形波导6的中心轴上；
所述的聚合物芯层选用SU8材料，能利用其热光效应来实现热光调制功能。
实施例1：
在本实例中，二氧化硅下包层7折射率为1.45，厚度约为12μm；所述掺锗二氧化硅芯层8折射率为1.46，厚度为6μm；二氧化硅上包层9折射率为1.45，厚度约为4μm。所述的二氧化硅输入波导1和二氧化硅输出波导9，其掺锗二氧化硅芯层的高度为6μm。具体制作过程为：通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)在硅基底上依次沉积折射率为1.45的二氧化硅下包层和折射率为1.46的掺锗二氧化硅芯层。由于Si的折射率3.45高于掺锗二氧化硅的折射率，二氧化硅下包层7的厚度要足够大大于10μm才能保证在掺锗二氧化硅芯层传输的光不会泄露。通过PECVD沉积12μm的二氧化硅下包层和6μm的掺锗二氧化硅芯层后；
通过光刻对掺锗二氧化硅芯层12形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型(Inductive Coupled Plasma,ICP)干法刻蚀；再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅上包层。
所述的1×2光功分器3与2×1合波器7能够采用多模干涉耦合器结构、Y分支结构或者方向耦合器结构。在本实例中，均采用多模干涉耦合器结构，当多模干涉耦合区宽度为80μm，长度为3250μm时能够实现1×2光功分或者是2×1合波功能。在多模干涉耦合器输入连接波导、第一锥形波导、第二锥形波导以及输出连接波导起到降低能量耦合损耗作用。其中输入连接波导、第二锥形波导的宽度从6μm线性变化到12μm，长度为150μm呈梯形；第一锥形波导、输出连接波导的宽度从12μm线性变化到6μm，长度为150μm呈梯形。
在本实例中，聚合物芯层的材料选用SU8材料，SU8材料为紫外光敏感性负性光刻胶，折射率约1.573(@1550nm)。具有良好的热光效应，其热光系数为-1.19×10-4。聚合物芯层与掺锗二氧化硅芯层采用中心对称的方式直接耦合，为得到最大的耦合效率，SU8材料的厚度取为3μm，宽度取为3μm。在掺锗二氧化硅芯层12刻蚀出窗口形成薄层的掺锗二氧化硅层14，并通过旋涂在窗口中形成3μm的聚合物材料，采用直接紫外光刻技术形成3μm宽的聚合物芯层15。
传输臂的聚合物芯层15成形后，通过PECVD沉积2μm厚折射率为1.45的二氧化硅缓冲层，来防止聚合物芯层15中的光泄露。最后采用金属剥离技术在传输臂上方生成金属热电极17，铬/金材料作为金属微加热电极：二氧化硅缓冲层16以上，依次为金属铬，厚度20nm，金属金，厚度60nm。加热金属区的宽度为5μm，长度为100μm；微加热电极的触点金属区的尺寸为100μm×100μm，以减少无用的功率消耗。
图4给出了该热光调制器输出光强随加热温度的变化曲线。不同传输臂长度L下的曲线分别如图中三条曲线所示。根据图4可看到明显的正弦调制现象，在传输臂长度较短时较低的温度依然能够产生较好的热光调制现象，降低了能量损耗。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种二氧化硅与聚合物混合集成光波导型热光调制器,其特征在于包括输入波导(1)、输入连接波导(2)、1×2光功分器(3)、第一锥形波导(4)、传输臂(5)、第二锥形波导(6)、2×1合波器(7)、输出连接波导(8)以及输出波导(9)；
输入光从输入波导(1)经过经输入连接波导(2)与1×2光功分器(3)的一端相连接，1×2光功分器(3)产生干涉，得到两束1:1的分光；1×2光功分器(3)的一端经过第一锥形波导(4)与传输臂(5)的一端相连接，传输臂(5)的另一端经过第二锥形波导(6)与2×1合波器(7)的一端相连接，2×1合波器(7)的另一端经过输出连接波导(8)与输出波导(9)相连接；
具体的输入光从输入波导(1)经输入连接波导(2)耦合进入1×2光功分器(3)产生干涉，得到两束1:1的分光经第一锥形波导(4)再耦合到与二氧化硅芯层中心对称的传输臂(5)中；之后，两条传输臂(5)传播的光由第二锥形波导(6)耦合到2×1合波器(7)中发生干涉，相干光再由输出连接波导(8)耦合到输出波导(9)中输出；
所述的输入波导(1)、输入连接波导(2)、第一锥形波导(4)、第二锥形波导(6)、输出连接波导(8)以及输出波导(9)均为二氧化硅单模波导结构；
所述的二氧化硅单模波导结构包括硅基底(10)、二氧化硅下包层(11)、掺锗二氧化硅芯层(12)、二氧化硅上包层(13)，具体的通过等离子体增强化学气相沉积法在硅基底(10)上依次沉积二氧化硅下包层和掺锗二氧化硅芯层(12)；通过光刻对掺锗二氧化硅芯层(12)形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型干法刻蚀；再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅上包层；
所述的传输臂(5)包括硅基底(10)、二氧化硅下包层(11)、掺锗二氧化硅层(14)、聚合物芯层(15)、二氧化硅缓冲层(16)、热电极(17)；具体的通过等离子体增强化学气相沉积法在硅基底(10)上依次沉积二氧化硅下包层和掺锗二氧化硅芯层(12)；通过光刻对掺锗二氧化硅芯层(12)形成图案，并进行电感耦合等离子体增强型干法刻蚀；在掺锗二氧化硅芯层(12)刻蚀出窗口形成薄层的掺锗二氧化硅层(14)，并通过旋涂在窗口中形成聚合物芯层(15)，再利用化学气相沉积法沉积二氧化硅缓冲层(16)；最后在二氧化硅缓冲层(16)上通过溅射形成热电极(17)；
所述的掺锗二氧化硅层(14)、聚合物芯层(15)和热电极(17)均处于第一锥形波导(4)、第二锥形波导(6)的中心轴上；
所述的聚合物芯层选用SU8材料；
输入光经过第一个3dB光功分器(3)将分成两束等功率光束，并沿两个传输臂(5)传播，其光强度分别为I1和I2；在经过传输臂(5)时，如果由于热电极对传输臂(5)加热的热光效应会导致该传输臂(5)的波导内折射率变化Δn，使两束光出现相位差则输出端口的输出光强Iout为：其中λ0为入射光波长，Δneff为有效折射率的变化值，L为传输臂的长度；当热电极不加热时，两条传输臂折射率相同，无相位差，干涉相长，输出光强较大；当热电极加热到使得折射率改变满足相位差时，干涉相消，输出光强几乎为0，以此实现光的调制功能。
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