CN113484951A - 一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关 - Google Patents

Abstract

一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，属于聚合物集成光学技术领域。从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成，如图1所示。所述上包层和下包层均为EPOclad，折射率为1.56；芯层为EPOcore，折射率为1.572；调制电极为金属铝，基底层为硅片。芯层位于上、下包层之中，是由第一2×2多模干涉器、分支臂A与分支臂B、第二2×2多模干涉器三部分依次级联形成的对称马赫‑曾德尔干涉仪结构，分支臂A和分支臂B为弯曲波导、直波导和弯曲波导的级联结构，分支臂A和分支臂B的直波导部分相互平行。通过控制调制电极的工作状态，可以控制E₀₀，E₁₀和E₀₁三种模式信道变换，实现2×2的开关功能。

Description

一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关

技术领域

本发明属于聚合物集成光学技术领域，具体涉及一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关。

背景技术

光纤通信因具有独特的优势(例如，高速和低延迟等)在通信系统中具有至关重要的作用。随着社会发展，人们的生产、生活对信息的依赖程度越来越高，基于单模光纤的通信系统越来越难以满足光通信系统中日益增长的信息传输容量需求。为了进一步增加数据传输容量，多种复用技术被相继提出，例如时分复用技术、波分复用技术和偏分复用技术等。然而，由于光纤非线性、光纤熔融效应、香农极限以及光放大器带宽的限制，近年来实验证明基于单模光纤传输系统的的通信容量已接近其理论极限～100Tb/s，很难有进一步的突破。

在这种情况下，从空间维度出发的空分复用技术受到越来越多研究人员的关注。空分复用技术有两条技术路径，其中一条是利用多芯光纤的复用技术，即多芯光纤技术，另一种技术路径是利用支持较少模式光纤的复用技术，即模分复用技术。其中，模分复用技术利用模式间的正交性，以少模光纤为传输媒介，相互独立的本征模作为信道来承载多路信号，从一个新的维度成倍地提高光通信系统传输能力。模式开关是模分复用系统中关键器件之一，可以用于实现不同模式之间的切换或模式的信道切换，使模分复用系统更加灵活。

此外，在过去几十年的研究中，基于聚合物材料的集成光学器件取得了一定的进步。聚合物材料有很多优点，比如有较大的热光系数，较低的介电系数、简单的制作工艺、吸收损耗低、成本低等，在光波导集成光路的研究领域中有着不可替代的地位。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，用于实现E₀₀、E₁₀、E₀₁三种模式的信道切换。聚合物材料由于其具有较大的热光系数，可以非常有效的降低器件的驱动功率。此外，聚合物材料还有较低的介电系数、简单的制作工艺、吸收损耗低、成本低等诸多优点。

本发明所述的一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成，如图1所示。所述上包层和下包层均为聚合物材料EPOclad，折射率为1.56；芯层为聚合物材料EPOcore，折射率为1.572；调制电极为金属铝，基底层为硅片。芯层波导厚度为h，上、下包层的厚度均为h’，h<h’；芯层位于上、下包层之中；

如图2c所示，沿光传输方向，该模式不敏感信道开关的芯层是由第一2×2多模干涉器(Multimode interference,MMI)、分支臂A与分支臂B、第二2×2多模干涉器(MMI)三部分依次级联形成的对称马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer，MZI)结构；其中，第一2×2多模干涉器和第二2×2多模干涉器的尺寸参数完全一致(如图2a所示)，分别记作MMI-1和MMI-2(MMI-1、MMI-2、分支臂A和分支臂B位于同一平面，共同平行于基底层)；MMI-1和MMI-2均带有两条输入波导和两条输出波导，MMI-1的两个输入波导分别作为模式不敏感信道开关的第一输入端口(I₁)和第二输入端口(I₂)，MMI-2的两个输出波导分别作为模式不敏感信道开关的第一输出端口(O₁)和第二输出端口(O₂)，在MMI-1的两条输出波导和MMI-2的两条输入波导间分别连接有分支臂A和分支臂B；如图2a所示，MMI-1和MMI-2的主体结构宽度和长度分别为W_MMI和L_MMI，输入波导、输出波导宽度为w₁、长度为l₁。为了减小光学反射和散射带来的损耗，在输入波导、输出波导与多模干涉器的主体结构间引入了长度l₂、宽度在w₁和w₂间线性变化的过渡波导。同时，为了确保MZI的两分支臂间的热串扰足够小，需要保证两分支臂间距足够大，因此分支臂A和分支臂B为弯曲波导、直波导和弯曲波导的级联结构，分支臂A和分支臂B的直波导部分相互平行；弯曲波导的宽度为w₁、长度为l，弯曲波导两端中心处在垂直光传播方向上的距离为W_S，通过W_S和l即可确定弯曲波导形状(如图2b所示)；直波导和弯曲波导的长度和宽度相同。在分支臂A的直波导上面的上包层上设置有调制电极，其宽度为W_E，长度L_E与直波导长度相同，即L_E＝l。模式不敏感信道开关总长度为L＝4(l₁+l₂)+2L_MMI+3l(如图2c所示)。

该可重构模式不敏感信道开关的工作原理如下：

由于所述聚合物材料的芯层和包层折射率差很小(仅为0.012)，因此可以忽略模式偏振的影响。当E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从该模式不敏感信道开关的I₁端口输入时，先通过MMI-1被分成强度相同、相位相差π/2的两个E₀₀/E₁₀/E₀₁模式并从MMI-1的两个输出端口分别输出(Optics Letters,45(4):811-814,2020)，分别输入到分支臂A和分支臂B中。当调制电极不工作时，分支臂A中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式相位不发生改变，与分支臂B中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式分别传输至MMI-2的输入端口，经过MMI-2的干涉，合并为E₀₀/E₁₀/E₀₁模式，由于光的可逆性，最终从O₂端口输出；当调制电极工作时，由于热光效应，直波导折射率发生改变，在分支臂A中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式中引入π的相位差，接下来与分支臂B中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式分别传输至MMI-2的输入端口，经过MMI-2的干涉作用，合并为E₀₀/E₁₀/E₀₁模式，最终从O₁端口输出。当E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从模式不敏感信道开关的I₂端口输入时也有类似的工作情况，当调制电极不工作时，E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从O₁端口输出；当调制电极工作时，E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从O₂端口输出。该开关能够同时切换E₀₀，E₁₀和E₀₁三种模式的输出信道，实现2×2的信道开关功能。

进一步地，以E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从I₁端口输入为例，计算模式不敏感信道开关的消光比、串扰、插入损耗、驱动功率等性能。

当E₀₀模式从I₁端口输入时，计算得到的O₁和O₂端口输出的E₀₀模式以及由于输入波导尺寸较大而产生的E₁₀和E₀₁模式的能量与调制电极所加功率的关系如图3a所示。当驱动功率为0mW时，E₀₀模式从O₂端口输出，对应的插入损耗为1.59dB，模式间串扰小于-23.0dB，如图3b所示；当驱动功率增大至12.2mW时，E₀₀模式从O₁端口输出，对应的插入损耗为1.57dB，模式间串扰小于-22.7dB，如图3c所示。E₀₀模式的消光比为41.6dB。

当E₁₀模式从I₁端口输入时，计算得到的O₁和O₂端口输出的E₁₀模式以及由于输入波导尺寸较大而产生的E₀₀和E₀₁模式的能量与调制电极所加功率的关系如图4a所示。当驱动功率为0mW时，E₁₀模式从O₂端口输出，对应的插入损耗为2.70dB，模式间串扰小于-16.9dB，如图4b所示；当驱动功率增大至12.2mW时，E₁₀模式从O₁端口输出，对应的插入损耗为2.69dB，模式间串扰小于-21.6dB，如图4c所示。E₁₀模式的消光比为39.8dB。

当E₀₁模式从I₁端口输入时，计算得到的O₁和O₂端口输出的E₀₁模式以及由于输入波导尺寸较大而产生的E₀₀和E₁₀模式的能量与调制电极所加功率的关系如图5a所示。当驱动功率为0mW时，E₀₁模式从O₂端口输出，对应的插入损耗为2.18dB，模式间串扰小于-22.1dB，如图5b所示；当驱动功率增大至12mW时，E₀₁模式从O₁端口输出，对应的插入损耗为2.22dB，模式间串扰小于-25.0dB，如图5c所示。E₀₁模式的消光比为35.6dB。

附图说明

图1是本发明所述的可重构模式不敏感信道开关的剖面结构示意图；

图2是本发明所述的可重构模式不敏感信道开关的芯层结构俯视图；

其中，图2a是单个2×2MMI的结构和各部位尺寸示意图；图2b是弯曲波导和直波导组成的平行放置的分支臂A与分支臂B的结构和各部位尺寸示意图；

图2c是本发明所述的2×2可重构模式不敏感信道开关芯层的俯视图；

图3a是当E₀₀模式从I₁端口输入时，计算得到的O₁和O₂端口输出的E₁₀模式以及由于输入波导尺寸较大而产生的E₀₀和E₀₁模式的能量与调制电极所加功率的关系；

图3b是当E₀₀模式从I₁端口输入时，驱动功率为0mW时，模式不敏感信道开关中的光场分布计算结果；

图3c是当E₀₀模式从I₁端口输入时，驱动功率为12.2mW时，模式不敏感信道开关中的光场分布计算结果；

图4a是当E₁₀模式从I₁端口输入时，计算得到的O₁和O₂端口输出的E₁₀模式以及由于输入波导尺寸较大而产生的E₀₀和E₀₁模式的能量与调制电极所加功率的关系；

图4b是当E₁₀模式从I₁端口输入时，驱动功率为0mW时，模式不敏感信道开关中的光场分布计算结果；

图4c是当E₁₀模式从I₁端口输入时，驱动功率为12.2mW时，模式不敏感信道开关中的光场分布计算结果；

图5a是当E₀₁模式从I₁端口输入时，计算得到的O₁和O₂端口输出的E₁₀模式以及由于输入波导尺寸较大而产生的E₀₀和E₀₁模式的能量与调制电极所加功率的关系；

图5b是当E₀₁模式从I₁端口输入时，驱动功率为0mW时，模式不敏感信道开关中的光场分布计算结果；

图5c是当E₀₁模式从I₁端口输入时，驱动功率为12mW时，模式不敏感信道开关中的光场分布计算结果；

图6是本发明所述的可重构模式不敏感信道开关制作流程图；

图7是本发明制作过程中所使用的掩膜版结构示意图；

其中图7a是模式不敏感信道开关波导掩膜版结构示意图，图7b是模式不敏感信道开关电极掩膜版结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明

实施例1

参见图1，模式不敏感信道开关从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成。参见图2c，沿光传输方向,模式不敏感信道开关的芯层是由MMI-1、分支臂A与分支臂B以及MMI-2三部分依次级联形成的对称MZI结构,MMI-1、MMI-2、分支臂A和分支臂B位于同一平面，共同平行于基底层。芯层波导厚度为h，上、下包层的厚度均为h’，h<h’；芯层位于上、下包层之中。2×2MMI的输入和输出波导均支持E₀₀，E₁₀，E₀₁三种模式。为了确保MZI的两分支臂间的热串扰足够小，需要保证两分支臂间距足够大，因此在分支臂A和分支臂B为弯曲波导、直波导和弯曲波导的级联结构，分支臂A和分支臂B的直波导部分相互平行。MMI-1和MMI-2均带有两条输入波导和两条输出波导，MMI-1的两个输入波导分别作为模式不敏感信道开关的第一输入端口(记作I₁)和第二输入端口(记作I₂)，MMI-2的两个输出波导分别作为模式不敏感信道开关的第一输出端口(记作O₁)和第二输出端口(记作O₂)，在MMI-1的两条输出波导和MMI-2的两条输入波导间分别连接有分支臂A和分支臂B。在分支臂A的直波导上面的上包层上设置有调制电极。

实施例2

本实施例是对实施例1更为详细的地进一步说明。

2×2MMI的输入和输出波导需要支持E₀₀，E₁₀，E₀₁三种模式，因此我们选取w₁＝h＝6.7μm，输入和输出波导的长度l₁＝200μm。考虑到材料实际情况及电极和芯层间距离，选取上、下包层厚度h’＝7.7μm，即芯层与调制电极间的上包层厚度为1μm。为了减小光学反射和散射带来的损耗而在输入和输出处引入了的宽度线性变化的过渡波导的长度l₂＝300μm，w₂＝9μm。选取2×2MMI主体结构的宽度W_MMI＝40μm，根据光束传播法(IEEE Journal ofQuantum Electronics,38(7):927-933,2002)优化得到2×2MMI主体结构的长度L_MMI＝3.8mm。组成MZI分支臂的弯曲波导和直波导的长度l均为1mm。弯曲波导两端中心处在垂直光传播方向上的距离W_S＝15μm，通过W_S和l即可确定弯曲波导形状。调制电极的宽度W_E＝10μm，长度L_E＝l＝1mm。最终，模式不敏感信道开关的总长度L＝1.26cm。

实施例3

一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，其工作原理如下：

由于所述聚合物材料的芯层和包层折射率差很小(仅为0.012)，因此可以忽略模式偏振的影响。当E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从该模式不敏感信道开关的I₁端口输入时，先通过MMI-1被分成强度相同、相位相差π/2的两个E₀₀/E₁₀/E₀₁模式并从MMI-1的两个输出端口分别输出(Optics Letters,45(4):811-814,2020)，分别输入到分支臂A和分支臂B中。当调制电极不工作时，分支臂A中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式相位不发生改变，与分支臂B中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式分别传输至MMI-2的输入端口，经过MMI-2的干涉，合并为E₀₀/E₁₀/E₀₁模式，由于光的可逆性，最终从O₂端口输出；当调制电极工作时，由于热光效应，直波导折射率发生改变，在分支臂A中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式中引入π的相位差，接下来与分支臂B中的E₀₀/E₁₀/E₀₁模式分别传输至MMI-2的输入端口，经过MMI-2的干涉作用，合并为E₀₀/E₁₀/E₀₁模式，最终从O₁端口输出。当E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从模式不敏感信道开关的I₂端口输入时也有类似的工作情况，当调制电极不工作时，E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从O₁端口输出；当调制电极工作时，E₀₀/E₁₀/E₀₁模式从O₂端口输出。该开关能够同时切换E₀₀，E₁₀和E₀₁三种模式的输出信道，实现2×2的信道开关功能。

实施例4

下面结合图6详细说明本发明的具体制备方式，具体步骤如下：

1.清洗硅衬底：选用硅片作为基底层，首先用丙酮有机溶剂清洗硅片，去除硅片表面油污等有机物杂质；接着用无水乙醇溶液清洗硅片，去除上一步清洗残留的丙酮；最后用去离子水反复冲洗，去除在硅片表面残留的乙醇并吹干硅片。

2.旋涂EPOclad下包层：在清洗干净的硅基底层上旋涂7.7μm厚的EPOclad聚合物材料(德国Micro Resist Technology，负性光刻胶)作为器件的下包层。之后进行前烘，紫外曝光100mW和后烘以增强聚合物的交联程度。其中，前/后烘的温度为65℃固化10min，再95℃固化20min。

3.旋涂EPOcore芯层：在下包层上旋涂6.7μm厚的EPOcore聚合物材料(德国MicroResist Technology，负性光刻胶)作为器件的芯层。之后进行前烘，前烘的温度为65℃固化10min，再95℃固化20min。

4.光刻，显影：利用紫外光刻和湿法显影方法制备器件波导，利用如图7a所示的与模式不敏感信道开关芯层波导结构互补的掩膜版进行掩膜，在紫外曝光100mW后进行后烘，后烘的温度为65℃固化10min，再95℃固化20min。之后采用EPO显影液去除未被曝光的EPOcore得到模式不敏感信道开关的芯层；接着用异丙醇清洗掉残留的EPO显影液；最后用去离子水清洗掉残留的异丙醇，120℃加热固化30min。

5.旋涂EPOclad上包层：在模式不敏感信道开关的芯层及下包层上旋涂7.7μm厚的EPOclad聚合物材料作器件上包层。之后进行前烘，紫外固化和后烘以增强聚合物的交联程度，实验参数与步骤2中一致。

6.蒸镀铝金属薄膜：采用蒸发的方法在EPOclad上包层上蒸镀一层约为200nm厚的金属铝膜。

7.旋涂BP212光刻胶：在铝膜上，在3000r/min的转速下，旋涂一层BP212正性光刻胶。之后进行前烘，前烘的温度为65℃(10min)，95℃(20min)。

8.光刻，显影：对上一步骤得到的样品利用如图7b所示与调制电极结构相同的掩膜版进行对版，紫外光刻；后烘后使用质量浓度5‰的NaOH溶液去除被曝光的铝及BP212光刻胶。

9.去除残留的BP212：将样品浸泡于无水乙醇溶液中，去除铝电极上的BP212光刻胶，再用去离子水清洗掉残留的无水乙醇，从而得到本发明所述的模式不敏感信道开关。

Claims (4)

1.一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，其特征在于：从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成；芯层厚度为h，上、下包层的厚度均为h’，h<h’；芯层位于上、下包层之中；沿光传输方向，芯层是由第一2×2多模干涉器(MMI-1)、分支臂A与分支臂B、第二2×2多模干涉器(MMI-2)三部分依次级联形成的对称马赫-曾德尔干涉仪结构；第一2×2多模干涉器(MMI-1)和第二2×2多模干涉器(MMI-2)分别带有两条输入波导和两条输出波导，第一2×2多模干涉器(MMI-1)的两个输入波导分别作为模式不敏感信道开关的第一输入端口(I₁)和第二输入端口(I₂)，第二2×2多模干涉器(MMI-2)的两个输出波导分别作为模式不敏感信道开关的第一输出端口(O₁)和第二输出端口(O₂)；在第一2×2多模干涉器(MMI-1)的两条输出波导和第二2×2多模干涉器(MMI-2)的两条输入波导间分别连接有分支臂A和分支臂B；第一2×2多模干涉器(MMI-1)和第二2×2多模干涉器(MMI-2)的主体结构宽度和长度分别为W_MMI和L_MMI，输入波导、输出波导的宽度为w₁、长度为l₁；在输入波导、输出波导与多模干涉器的主体结构间引入了长度l₂、宽度在w₁和w₂间线性变化的过渡波导；分支臂A和分支臂B为弯曲波导、直波导和弯曲波导的级联结构，分支臂A和分支臂B的直波导部分相互平行且位于同一平面内共同平行于基底层；在分支臂A和分支臂B的前后端为弯曲波导结构，弯曲波导的宽度为w₁、长度为l，弯曲波导前、后两端中心处在垂直光传播方向上的距离为W_S，通过W_S和l即可确定弯曲波导形状；两弯曲波导间的直波导和弯曲波导的长度和宽度相同，在分支臂A直波导上面的上包层上设置有调制电极，其宽度为W_E，长度L_E与直波导长度相同，即L_E＝l；模式不敏感信道开关总长度为L＝4(l₁+l₂)+2L_MMI+3l。

2.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，其特征在于：上包层和下包层均为聚合物材料EPOclad，折射率为1.56；芯层为聚合物材料EPOcore，折射率为1.572；调制电极为金属铝，基底层为硅片。

3.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，其特征在于：h＝6.7μm，h’＝7.7μm，w₁＝6.7μm，l₁＝200μm，l₂＝300μm，w₂＝9μm，W_MMI＝40μm，L_MMI＝3.8mm，l＝1mm，W_S＝15μm，W_E＝10μm，L_E＝l＝1mm，L＝1.26cm。

4.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构模式不敏感信道开关，其特征在于：通过控制调制电极的工作状态，控制E₀₀，E₁₀和E₀₁三种模式的信道变换，实现2×2的开关功能。

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