CN113281843B - 一种基于聚合物的四模模式循环转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于聚合物的四模模式循环转换器，属于光通信领域。包括：包层、上芯层和下芯层为折射率不同的聚合物，折射率由低到高；上芯层包括：第一少模波导和第二少模波导，两者相互平行，结构和材料均相同，均同时至少支持少模光纤的LP₀₁、LP_11b、LP₀₂和LP_21b模式；下芯层包括：第一单模波导至第四单模波导，四者位于平行区域下方，结构不同材料相同，分别用于将少模波导的模式LP₀₁转换为LP_11b、LP_11b转换为LP₀₂、LP₀₂转换为LP_21b、LP_21b转换为LP₀₁；上芯层和下芯层形成光通路，用于将进入第一少模波导的光信号经过下芯层中一个单模波导模式转换后，从第二少模波导输出。本发明通过两个少模聚合物波导和四个单模聚合物波导，实现四种模式之间循环转换，提升链路集成度。

Description

一种基于聚合物的四模模式循环转换器

技术领域

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种基于聚合物的四模模式循环转换器。

背景技术

由于近年来通讯与数据传输的飞速增长，基于波分复用系统单模光纤的传输容量已接近其香农极限。为了扩大传输容量，采用FMF(Few Mode Fiber，少模光纤)的模分复用(Mode division multiplexing，MDM)系统引起了人们的广泛关注。到目前为止，用于模分复用系统的器件包括基于自由空间光的相位掩膜版、模式选择耦合器(Mode SelectiveCoupler，MSC)、飞秒激光刻蚀和平面光波导(Planer Lightwave Circuit，PLC)。

相位掩膜版由于是空间光作为载体，所以传输效率极低，损耗非常大；MSC虽和光纤兼容性好，但难以批量生产且集成度较低，飞秒激光刻蚀型器件制备难度极大，容差低；而PLC因其材料选择丰富，可以和光纤兼容，热光系数大等优势备受科研人员的青睐。

而PLC根据其使用的材料可进一步划分为二氧化硅/硅(SOI)材料体系和有机聚合物材料体系，由于聚合物材料的折射率可控并且与光纤的折射率更为接近，端面的菲涅尔反射更小，且基于聚合物材料的器件端面面积和光纤接近，不需要使用光栅和FMF对接，损耗低，具有极大的发展潜力。

因为不同模式在同一根FMF中的传播速度和损耗不同，导致了模式群时延(Differential Mode Group Delay，DMGD)和模式相关损耗(Mode Dependent Loss，MDL)的产生，这也影响了MDM系统的传输质量。而模式循环转换器可以使每一个MDM系统中的模式在一根相同的光纤中传输相同的距离，最大程度上消除DMGD和MDL对信号传输的影响。

现有的模式循环转换器是基于全光纤的MSC器件，其工艺制作难度极大，几乎不可能大批量生产，并且集成度很低，结构较为复杂。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于聚合物的四模模式循环转换器，其目的在于解决少模光纤链路的模间色散，实现片上的四种模式之间的循环转换，使少模通信链路的集成度得以提升容易复现、适合大批量生产。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于聚合物的四模模式循环转换器，所述四模模式循环转换器包括：由下而上的衬底、下芯层和上芯层；包层包覆下芯层和上芯层；

包层、上芯层和下芯层为折射率不同的聚合物，且折射率由低到高；

上芯层包括：第一少模波导(6)和第二少模波导(1)，两者相互平行，且结构和材料均相同，均能同时至少支持少模光纤的LP₀₁、LP_11b、LP₀₂和LP_21b模式；

下芯层包括：第一单模波导至第四单模波导(2，3，4，5)，四者位于少模波导平行区域下方，且结构不同材料相同，分别用于将少模波导的模式LP₀₁转换为LP_11b、LP_11b转换为LP₀₂、LP₀₂转换为LP_21b、LP_21b转换为LP₀₁；

上芯层和下芯层形成光通路，用于将进入第一少模波导(6)的光信号经过下芯层的其中一个单模波导模式转换后，从第二少模波导(1)输出。

优选地，每个单模波导包括：依次连接的基模输入区(11)、第一S型过渡区(10)、梯形过渡区(9)、第二S型过渡区(8)和基模输出区(7)；

上述组件的结构参数同时满足以下条件：

支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式；第一少模波导(6)的能量最大程度转换到基模输入区(11)；能量弯曲损耗最低；梯形过渡区(9)匹配连接第一S型过渡区(10)和第二S型过渡区(8)；基模输出区(7)内的能量最大程度转换到第二少模波导(1)。

有益效果：本发明通过上述优选结构的单模波导，实现能量损耗小。

优选地，上芯层下表面与下芯层上表面之间的距离同时满足以下条件：

支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式；第一少模波导(6)能量最大程度转换到基模输入区(11)；基模输出区(7)内的能量最大程度转换到第二少模波导(1)。

优选地，下芯层的下表面和衬底的上表面之间的距离同时满足以下条件：保证下芯层内的能量不往外泄露的同时，尽可能节约包层的材料。

优选地，上芯层的上表面和位于上包层的上表面之间的距离同时满足以下条件：保证上芯层内的能量不往外泄露的同时，尽可能节约包层的材料。

优选地，上芯层材料为EpoCore&EpoClad混合材料，下芯层材料为EpoCore，包层材料为EpoClad。

优选地，整个四模模式循环转换器为长方体，长度范围为32mm～33mm，厚度范围为150μm～200μm，宽度范围为3mm～4mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明通过两个少模聚合物波导和四个单模聚合物波导，实现片上的四种模式之间的循环转换，即输入LP₀₁时输出LP_11b，输入LP_11b时输出LP₀₂，输入LP₀₂时输出LP_21b，输入LP_21b时输出LP₀₁，使少模通信链路的集成度得以提升，具有重要的实际应用价值。由于可采用聚合物材料通过湿法显影和刻蚀技术制作，比MSC熔融拉锥的步骤更为简单，容易复现、适合大批量生产。且整个芯片的尺寸约为3cm×0.3cm，集成度大幅度提升，适用于少模光纤链路用以改善DMGD以及MDL。

附图说明

图1为本发明实施例提供的四模模式循环转换器的三维结构图；

图2为本发明实施例提供的四模模式循环转换器结构的俯视图；

图3为本发明实施例提供的四模模式循环转换器截面示意图；

图4(a)为本发明实施例提供的从Inport输入LP01时光场分布图；

图4(b)为本发明实施例提供的从Inport输入LP01时能量转换效率图；

图5(a)为本发明实施例提供的从Inport输入LP11b时光场分布图；

图5(b)为本发明实施例提供的从Inport输入LP11b时能量转换效率图；

图6(a)为本发明实施例提供的从Inport输入LP02时光场分布图；

图6(b)为本发明实施例提供的从Inport输入LP02时能量转换效率图；

图7(a)为本发明实施例提供的从Inport输入LP21b时的光场分布图；

图7(b)为本发明实施例提供的从Inport输入LP21b时能量转换效率图；

图8为本发明实施例提供的四模模式循环转换器制作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于聚合物的四模模式循环转换器，所述四模模式循环转换器包括：由下而上的衬底、下芯层和上芯层；包层包覆下芯层和上芯层。

包层、上芯层和下芯层为折射率不同的聚合物，且折射率由低到高。

优选地，上芯层材料为EpoCore&EpoClad混合材料，折射率为n₁，下芯层材料为EpoCore，折射率为n₂，包层材料为EpoClad，折射率为n，满足n₂>n₁>n。也可以是，包层材料为OrmoClad，下芯层波导材料为OrmoCore，少模波导为OrmoCore&Ormoclad的混合材料。

上芯层包括：第一少模波导(6)和第二少模波导(1)，两者相互平行，且结构和材料均相同，均能同时至少支持少模光纤的LP₀₁、LP_11b、LP₀₂和LP_21b模式。第一矩形少模波导(6)用于对接输入光纤，第二少模波导(1)用于对接输出光纤。

优选地，第一少模波导(6)和第二少模波导(1)均为矩形，其长、宽、高和水平间距需要满足：能同时至少支持少模光纤的LP₀₁、LP_11b、LP₀₂和LP_21b模式，支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式。

下芯层包括：第一单模波导至第四单模波导(2，3，4，5)，四者位于少模波导平行区域下方，且结构不同材料相同，分别用于从少模光纤的模式LP₀₁转换为LP_11b、LP_11b转换为LP₀₂、LP₀₂转换为LP_21b、LP_21b转换为LP₀₁。

优选地，如图2所示，每个单模波导包括：依次连接的基模输入区(11)、第一S型过渡区(10)、梯形过渡区(9)、第二S型过渡区(8)和基模输出区(7)。

基模输入区(11)用于将少模波导6中的模式转换为基模LP₀₁，在单模波导中传输；由于左右两端的少模波导间距较大，使用第一S型过渡区(10)和第二S型过渡区(8)，将7和11连接且尽可能减少能量损耗。基模输出区(7)用于将单模波导中的基模转化为其他模式，在少模波导1中传输。

上述组件的结构参数同时满足以下条件：

支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式；第一少模波导(6)的能量最大程度转换到基模输入区(11)；能量弯曲损耗最低；梯形过渡区(9)匹配连接第一S型过渡区(10)和第二S型过渡区(8)；基模输出区(7)内的能量最大程度转换到第二少模波导(1)。

上芯层和下芯层形成光通路，用于将进入第一少模波导(6)的光信号经过下芯层的其中一个单模波导模式转换后，从第二少模波导(1)输出。

优选地，上芯层下表面与下芯层上表面之间的距离同时满足以下条件：

支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式；第一少模波导(6)能量最大程度转换到基模输入区(11)；基模输出区(7)内的能量最大程度转换到第二少模波导(1)。

优选地，下芯层的下表面和衬底的上表面之间的距离同时满足以下条件：保证下芯层内的能量不往外泄露的同时，尽可能节约包层的材料。

优选地，上芯层的上表面和位于上包层的上表面之间的距离同时满足以下条件：保证上芯层内的能量不往外泄露的同时，尽可能节约包层的材料。

优选地，整个四模模式循环转换器为长方体，长度范围为32mm～33mm，厚度范围为150μm～200μm，宽度范围为3mm～4mm。

实施例

以硅片作为衬底，硅片衬底的厚度为100μm～200μm。包层和芯层均为聚合物，包层覆盖少模波导和下芯层波导。芯包层的折射率由有效折射率法确定。波导的截面尺寸、上下芯层之间水平与垂直的距离均由光束传播法确定。

如图3所示，上芯层的两根波导之间的距离D为80～100μm，两根少模波导横截面宽高相等，宽度为10～15μm，厚度为7～12μm。两根波导均支持少模光纤(Few Mode Fiber，FMF)中的前六种模式(包含简并模)在其中传输。

如图2所示，下芯层波导为四根结构相似的单模波导(2、3、4、5)，其水平方向的距离为0.5～1mm。每根波导由基模输入区(11)、S型过渡区(8、10)、梯形过渡区(9)、基模输出区(7)构成。四根单模波导厚度均为3～4μm。四个基模输入区的长度l₅分别为5～6mm、3.8～5mm、3.5～4.6mm、1.9～2.6mm，S型过渡区的长度l₂、l₄均为1.5～2.5mm，梯形过渡区的长度l₃分别为1.3～2.6mm、0.5～1.2mm、0.7～1.3mm、2.7～3.2mm，基模输出区的长度分别为4～4.5mm、3.5～4.3mm、2～2.7mm、5～5.8mm。四个基模输入区的中心与右侧少模波导(6)的中心在水平方向上的距离d₄分别为5.2～5.9μm、6.8～7.5μm、8.1～8.6μm、6.6～7.6μm，S型过渡区(10)在水平方向上的宽度d₃分别为41～45μm、40～47μm、38～42μm、41～44μm，S型过渡区(8)在水平方向上的宽度d₂分别为42～45μm、39～44μm、41～45μm、40～49μm，四个基模输出区的中心与左侧少模波导(1)的中心在水平方向上的距离d₁分别为6.8～7.4μm、8.2～8.6μm、6.6～7.6μm、5.4～5.9μm。下芯层波导仅支持基模通过。

如图3所示，芯层波导下表面与下芯层波导上表面距离h为2.5～3μm。下芯层波导距硅片衬底10～20μm，少模波导距上包层5～15μm。

工作原理如下：

根据所使用的聚合物材料在1550nm处的折射率n、n₁以及n₂，通过有效折射率法分别确定两根少模波导和四根下芯层波导的横截面尺寸。其中，5号单模波导中的基模输入区与2号单模波导中的基模输出区中LP₀₁的有效折射率与少模波导(1、6)中的LP₀₁的有效折射率相等；4号单模波导中的基模输入区与5号单模波导中的基模输出区中LP_11b的有效折射率与少模波导(1、6)中的LP₀₁的有效折射率相等；3号单模波导中的基模输入区与4号单模波导中的基模输出区中LP₀₂的有效折射率与少模波导(1、6)中的LP₀₁的有效折射率相等；2号单模波导中的基模输入区与3号单模波导中的基模输出区中LP_21b的有效折射率与少模波导(1、6)中的LP₀₁的有效折射率相等。

当从少模波导(6)中输入LP₀₁时，能量会耦合到下层的5号单模波导并仍以LP₀₁的形式传播到基模输出区，再耦合到上层少模波导(1)并转换成LP_11b的形式继续传播直到输出端，如图4(a)所示，其转换效率为96％，如图4(b)所示，从图中可以看出，此时输入的LP₀₁模式可以完全转换至Outport以LP_11b模式输出。

当从少模波导(6)中输入LP_11b时，能量会耦合到下层的4号单模波导并仍以LP₀₁的形式传播到基模输出区，再耦合到上层少模波导(1)并转换成LP₀₂的形式继续传播直到输出端，如图5(a)，所示其转换效率为92％，如图5(b)所示，从图中可以看出，此时输入的LP_11b模式可以完全转换至Outport以LP₀₂模式输出。

当从少模波导(6)中输入LP₀₂时，能量会耦合到下层的3号单模波导并仍以LP₀₁的形式传播到基模输出区，再耦合到上层少模波导(1)并转换成LP_21b的形式继续传播直到输出端，如图6(a)所示，所示其转换效率为92％，如图6(b)所示，从图中可以看出，此时输入的LP₀₂模式可以完全转换至Outport以LP21b模式输出。

当从少模波导(6)中输入LP_21b时，能量会耦合到下层的2号单模波导并仍以LP₀₁的形式传播到基模输出区，再耦合到上层少模波导(1)并转换成LP₀₁的形式继续传播直到输出端，如图7(a)所示，所示其转换效率为94％，如图7(b)所示，从图中可以看出，此时输入的LP_21b模式可以完全转换至Outport以LP₀₁模式输出。

综上，器件整体上实现了LP₀₁、LP_11b、LP₀₂和LP_21b这四种模式的循环转换。试验结果显示，四种模式在1550nm处最佳串扰＜20dB，转换效率＞90％。

本发明所涉及的模式循环转换器及其制作流程如图8所示，具体步骤如下：

选用用于制作衬底的硅片，解离好后先在丙酮溶液中清洗10分钟，再用乙醇溶液清洗去除表面残留的丙酮，最后在去离子水中清洗，使用氮气冲干表面的水汽。

制备下包层，在清洗干净的硅片上均匀地旋涂厚度为10μm的EpoClad材料，旋涂速度为2500r/min，然后在120℃热台上前烘5min，降至室温后利用光刻机对样品进行紫外曝光固化；曝光后的样品在120℃的热台上再加热30min进行坚模处理，然后降温。

制作下芯层，在包层材料上旋涂厚度为3.7μm的Epocore材料，转速为5000r/min，再将样品放在50℃热台上加热2min，升温至90℃加热4min，待样品降至室温完成前烘。接着在下芯层上表面蒸镀一层约200nm厚的铝层；除去掩膜版后在铝层上旋涂光刻胶BP212，再放在50℃热台上加热2min，升温至90℃加热4min，再降至室温后完成后烘。然后在波长为365nm的紫外光下进行对版光刻(光刻掩膜版的结构需与下芯层结构互补)，曝光时间为12s；接着在5‰NaOH溶液中显影，去除曝光部分的BP212光刻胶和铝掩膜；接着采用ICP刻蚀方法对光刻后的下芯层进行显影，再在5‰NaOH溶液中清洗去除残留的显影液和光刻胶，最后在120℃的热台上加热30min坚模，然后降至室温。

制备中包层，在之前的基础上均匀地旋涂厚度为6.35μm的EpoClad材料，旋涂速度为5000r/min，然后在120℃热台上前烘5min，降至室温后利用光刻机对样品进行紫外曝光固化；曝光后的样品在120℃的热台上再加热30min进行坚模处理，然后降温。

制备上芯层，在中包层上旋涂厚度为11μm的Epocore&EpoClad混合材料，转速为3000r/min，再将样品放在120℃热台上加热5min，待样品降至室温完成前烘。接着在上芯层上表面蒸镀一层约200nm厚的铝层；除去掩膜版后在铝层上旋涂光刻胶BP212，再放在50℃热台上加热2min，升温至90℃加热4min，再降至室温后完成后烘。然后在波长为365nm的紫外光下进行对版光刻(光刻掩模板的结构需与下芯层结构互补)，曝光时间为12s；接着在5‰NaOH溶液中显影，去除曝光部分的BP212光刻胶和铝掩膜；接着采用ICP刻蚀方法对光刻后的上芯层进行显影，再在5‰NaOH溶液中清洗去除残留的显影液和光刻胶，最后在120℃的热台上加热30min坚模，然后降至室温。

所说的蒸发铝掩膜是指在上芯层16和下芯层14的上表面上用蒸发的方式蒸镀一层约200nm厚的铝层18。

所说的旋涂BP212是指在蒸发完毕的铝掩膜上滴一层正性光刻胶19，将样品置于涂覆机上，在3000rpm的转速下将光刻胶19均匀涂在铝掩膜上。

所说的ICP刻蚀是指先将掩膜版上的图形转移到铝膜18上，利用氧气耦合等离子体刻蚀将未被覆盖的芯层刻蚀掉，而有铝膜18覆盖的部分因为铝会与氧气发生反应生成氧化铝从而阻碍氧气与其下层的芯层波导发生反应。

这样便制备出了可以实现四种模式循环转换的器件，器件总长度在33000μm，整体转换效率在92％以上，器件制作完成后利用划片机对端面进行解理便可进行进一步的性能测试。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于聚合物的四模模式循环转换器，所述四模模式循环转换器包括：由下而上的衬底、下芯层和上芯层；包层包覆下芯层和上芯层；其特征在于，

包层、上芯层和下芯层为折射率不同的聚合物，且折射率由低到高；

上芯层包括：第一少模波导(6)和第二少模波导(1)，两者相互平行，且结构和材料均相同，均能同时至少支持少模光纤的LP₀₁、LP_11b、LP₀₂和LP_21b模式；

下芯层包括：第一单模波导至第四单模波导(2，3，4，5)，四者位于少模波导平行区域下方，且结构不同材料相同，分别用于将少模波导的模式LP₀₁转换为LP_11b、LP_11b转换为LP₀₂、LP₀₂转换为LP_21b、LP_21b转换为LP₀₁；

上芯层和下芯层形成光通路，用于将进入第一少模波导(6)的光信号经过下芯层的其中一个单模波导模式转换后，从第二少模波导(1)输出。

2.如权利要求1所述的四模模式循环转换器，其特征在于，每个单模波导包括：依次连接的基模输入区(11)、第一S型过渡区(10)、梯形过渡区(9)、第二S型过渡区(8)和基模输出区(7)；

上述组件的结构参数同时满足以下条件：

支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式；第一少模波导(6)的能量最大程度转换到基模输入区(11)；能量弯曲损耗最低；梯形过渡区(9)匹配连接第一S型过渡区(10)和第二S型过渡区(8)；基模输出区(7)内的能量最大程度转换到第二少模波导(1)。

3.如权利要求2所述的四模模式循环转换器，其特征在于，上芯层下表面与下芯层上表面之间的距离同时满足以下条件：

支持从少模光纤的一个模式转换为另一个模式；第一少模波导(6)能量最大程度转换到基模输入区(11)；基模输出区(7)内的能量最大程度转换到第二少模波导(1)。

4.如权利要求1至3任一项所述的四模模式循环转换器，其特征在于，下芯层的下表面和衬底的上表面之间的距离同时满足以下条件：保证下芯层内的能量不往外泄露的同时，尽可能节约包层的材料。

5.如权利要求1至3任一项所述的四模模式循环转换器，其特征在于，上芯层的上表面和位于上包层的上表面之间的距离同时满足以下条件：保证上芯层内的能量不往外泄露的同时，尽可能节约包层的材料。

6.如权利要求1至5任一项所述的四模模式循环转换器，其特征在于，上芯层材料为EpoCore&EpoClad混合材料，下芯层材料为EpoCore，包层材料为EpoClad。

7.如权利要求1至6任一项所述的四模模式循环转换器，其特征在于，整个四模模式循环转换器为长方体，长度范围为32mm～33mm，厚度范围为150μm～200μm，宽度范围为3mm～4mm。

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