CN113625393A - 一种可调谐型模式转换器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐型模式转换器及其制方法，属于平面光波导器件技术领域。基于MZI光波导结构，沿光的传播方向由输入少模直波导、3‑dBY分支分束器、第一输入直波导、第二输入直波导、第一3‑dBY分支分束器、第二3‑dBY分支分束器、四条调制臂、第一3‑dBY分支耦合器、第二3‑dBY分支耦合器、第一输出直波导、第二输出直波导、3‑dBY分支耦合器、输出少模直波导以及四条平行的加热电极构成；从下至上，为硅片衬底、二氧化硅下包层、条形结构的光波导芯层、聚合物上包层34结构；加热电极位于调制臂的正上方，芯层材料的折射率高于上包层材料。本发明通过对MZI结构的调制臂进行调制实现对四个光学模式进行相互转换的目的。

Description

一种可调谐型模式转换器及其制备方法
技术领域
本发明属于平面光波导器件技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以二氧化硅作为下包层、以具有高热光系数的有机聚合物材料作为光波导芯层和上包层的可调谐型模式转换器及其制备方法。
背景技术
互联网技术发展迅速，需要传输的数据量呈指数增长，传统的电互联已经难以满足快速增长的数据传输量的需求，因此，光互联应运而生。与传统的电互联不同的是，光互联以光作为数据传输的媒介，大大提高了数据传输速度。传统的单模光纤只能传输一种模式的光，为了提高单模光纤的信息容量，针对光的波长、幅度、偏振、相位等信息，提出了波分复用、偏分复用、多维编码调制以及正交频分复用等。到2017年，单模光纤的通信容量已经达到了71.6Tb/s。但是，由于光纤非线性效应以及香农极限的影响，单模光纤的通信容量也慢慢达到极限。对于单模光纤，光的波长、偏振、相位等信息维度都已经得到充分利用的情况下，想要进一步提升光纤的通信容量，便需要开发新的维度，于是便提出了模分复用技术。模分复用技术是将传统单模波导的半径增大，使其能传输更多的光学模式，这些模式相互正交，都能够作为一个独立的信道传输信息，这便使得信道传输容量成倍增加。
模式转换器(模式开关)是在光通信领域应用十分广泛的器件之一，是模分复用(Mode-DivisionMultiplexing,WDM)网络和系统中的核心器件。在输入端，模式转换器将携带不同信息的基模转换成所需的高阶模，不同的光学模式复用到同一个少模光纤中进行传输且彼此互不影响。在输出端，模式转换器又将高阶模转换为基模，与单模光通信系统相连接。与基于光纤的模式转换器相比，基于平面光波导结构的模式转换器不仅可以与光纤很好的兼容，而且还具有结构紧凑、可调谐、插入损耗小、模式相关损耗小、设计灵活、种类丰富等优点。且由于采用光刻工艺制作，可以在非常小的面积上实现非常复杂的功能，可以获得非常高的集成度。传统的模式转换器是不可调谐的，不同的模式从对应的输出端口输出。为了使器件更加灵活，可以通过电光效应、热光效应、磁光效应等对信号光的相位进行调制，从而实现不同光学模式输出端口的切换功能。
根据材料体系的不同，模式转换器可以分为很多种类。其中二氧化硅/硅(SOI)材料体系的光波导器件由于具有较大的光波导芯层和包层折射率差，制备的器件尺寸较小，但价格昂贵且制备工艺比较复杂。与无机材料相比，聚合物材料的光波导器件具有制作工艺简单、成本低廉、介电常数低、光学损伤阈值高、可以进行功能掺杂且能够与半导体工艺兼容等优点。此外，聚合物材料还可以通过掺杂实现更多的优良性能。聚合物材料具有较大的热光系数，但具有较低的热导率，因此可以通过热光效应对聚合物材料制备的器件进行调制，且功耗较低。利用这些性能，可以使利用其制备的模式转换器具有速度快、功耗小的优点。
但传统的模式转换器能够实现转换的模式数目比较少，并且大部分器件不能调谐，进而限制了光通信数据传输容量的进一步提高。
发明内容
为了克服传统的模式复用器的不足，本发明的目的在于提供一种可以处理多个光学模式的可调谐型模式转换器及其制备方法。
本发明采用传统的Mach–Zehnder interferometer(MZI)光波导结构进行级联，在平面光波导器件的结构设计中，MZI是一种最基本的器件结构，也是最易于实现的波导干涉仪方案，在光通信领域和平面光波导模式转换器领域具有重要的应用价值。主要由输入/输出直波导、Y分支3-dB分束器/耦合器和两条平行干涉臂所构成，其调制原理是将其中一条平行干涉臂作为参考臂，通过热光效应或电光效应等使另一平行干涉臂的相位发生改变，在输出端两平行波导臂中的光信号耦合后也发生改变，从而实现不同光学模式的转换和开关功能。
本发明以硅片作为衬底，以二氧化硅作为波导的下包层，以不相同的聚合物作为上包层和光波导芯层，其中用于制作光波导芯层的聚合物材料具有热光效应。本发明充分利用了聚合物材料种类多、热光系数大、加工性强的优点。本发明所采用的制作工艺简单且与半导体工艺兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的实际应用价值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
如附图1所示，一种可调谐型模式转换器，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左至右沿光的传播方向，依次由输入少模直波导1(可传输TE0、TE1、TE2、TE3模式)，3-dBY分支分束器2(可传输TE0、TE1模式)，两条平行的第一输入直波导3和第二输入直波导4(可传输TE0、TE1模式)，两个相同的第一3-dBY分支分束器5和第二3-dBY分支分束器6(可传输TE0、TE1模式)，四条平行的单模波导第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10，两个相同的第一3-dBY分支耦合器11和第二3-dBY分支耦合器12(可传输TE0模式)，两条平行的第一输出直波导13和第二输出直波导14(可传输TE0、TE1模式)，3-dBY分支耦合器15(可传输TE0、TE1模式)、输出少模直波导16(可传输TE0、TE1、TE2、TE3模式)以及第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19、第四加热电极20构成；输入少模直波导1和输出少模直波导16的长度a1和a1’相等，均为0.5～1.5cm，第一输入直波导3、第二输入直波导4、第一输出直波导13、第二输出直波导14的长度a2、a2’、a2”、a2”’相等，均为300～1000μm；第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10的长度a3、a3’、a3”、a3”’相等，均为0.1～2cm；第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19、第四加热电极20的长度a4、a4’、a4”、a4”’相等，均为0.1～2cm；
第一输入直波导3、第一3-dB Y分支分束器5、第一调制臂7、第二调制臂8、第一3-dBY分支耦合器11、第一输出直波导13构成第一二级MZI光波导结构；第二输入直波导4、第二3-dB Y分支分束器6、第三调制臂9、第四调制臂10、第二3-dBY分支耦合器12、第二输出直波导14构成第二二级MZI光波导结构；第一调制臂7和第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10分别共同构两个二级MZI光波导结构的两条干涉臂；输入少模直波导1、3-dBY分支分束器2、第一二级MZI光波导结构、第二二级MZI光波导结构、3-dBY分支耦合器15、输出少模直波导16构成一级MZI光波导结构；一级MZI光波导结构的两条平行干涉臂之间(第一输入直波导3和第二输入直波导4间，及第一输出直波导13和第二输出直波导14间)的中心间距d为50～200μm，二级MZI光波导结构的两条平行干涉臂之间(第一调制臂7和第二调制臂8间，及第三调制臂9和第四调制臂10之间)的中心间距d1相等，为30～100μm；
光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4；第一输入直波导3中的光经第一3-dBY分支分束器5分成两束光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合进入到第一输出直波导13当中；第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合进入到第二输出直波导14当中；第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出波导少模直波导16当中。所有分束器都是50：50(强度)分光。
如附图2(a)所示，3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15的Y分支两分支之间的间隙W为0.1～0.5μm，分支角度θ相等为0.5～1.5°；如附图2(b)所示，第一3-dBY分支分束器5、第二3-dBY分支分束器6、第一3-dBY分支耦合器11、第二3-dBY分支耦合器12的Y分支两分支之间的间隙W1为0.05～0.5μm，分支角度θ1相等为0.5～1.5°。
如附图3所示(为图1中A-A’位置的截面图)，从下到上，输入少模直波导1和输出少模直波导16，3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15，第一输入直波导3、第二输入直波导4、第一输出直波导13和第二输出直波导14，第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10，第一3-dBY分支分束器5和第一3-dBY分支耦合器11，第二3-dBY分支分束器6和第二3-dBY分支耦合器12，依次由硅片衬底31、在硅片衬底31上通过热氧化法生长的二氧化硅下包层32，在二氧化硅下包层32上制备的条形结构的光波导芯层33、在光波导芯层33上制备的聚合物上包层34组成；在聚合物上包层34上，在与第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10对应的位置处制备有第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19和第四加热电极20，电极材料为Al、Au或者Cr。第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19和第四加热电极20合称为Al电极35。
硅片衬底31的厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层32的厚度为13～17μm，光波导芯层33的厚度为1～5μm，上包层34的厚度为4～10μm，Al电极35的厚度为50～150nm。输入少模直波导1和输出少模直波导16的宽度相等，为7～10μm；3-dBY分支分束器2、3-dBY分支耦合器15、第一输入直波导3、第二输入直波导4、第一输出直波导13和第二输出直波导14的宽度相等，为3～5μm；第一3-dBY分支分束器5、第一3-dBY分支耦合器11、第二3-dBY分支分束器6、第二3-dBY分支耦合器12、第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10的宽度相等，为1.5～2.5μm；第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19和第四加热电极20的宽度相等，为3～10μm。
本发明所述的可调谐型模式转换器的制备方法，其制备工艺流程见附图4，具体叙述为：
A：硅片衬底的清洁处理
用沾有丙酮的棉球反复擦拭硅片衬底，再用沾有乙醇的棉球反复擦拭硅片衬底，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封。
B：二氧化硅下包层的制备
通过热氧化法在硅片衬底上生长一层厚度为13～17μm的二氧化硅下包层；
C：光波导芯层的制备
采用旋涂工艺将具有负热光系数的光波导芯层材料(该光波导芯层是包括EpoCore、EpoClad、SU-82002、SU-82005在内的一系列可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料，光波导芯层材料的折射率高于聚合物上包层折射率)旋涂在二氧化硅下包层上形成薄膜，转速为2000～5000转/分钟，聚合物薄膜厚度为1～5μm；然后对旋涂的聚合物薄膜进行前烘，采用阶梯升温的方法，在50℃～90℃加热10～30分钟，然后在80℃～100℃温度下加热20～30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；对聚合物薄膜进行光刻，在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版为需要制备的可调谐型模式转换器的结构(如图1所示)，曝光时间为5～40秒，使需要制备的器件输入/输出区、直波导区、Y分支分束器/耦合器和调制臂的光波导芯层区域的光波导芯层材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行中烘，在50℃～100℃加热10～30分钟，然后在80℃～100℃温度下加热20～30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；降温完毕后进行显影，先在光波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀15～40秒，将未被曝光的非光波导芯层结构去除，然后放入异丙醇溶液中洗去硅片表面残留的光波导芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)，去除硅片表面的异丙醇，最后用氮气吹干；最后进行后烘坚膜，在120℃～150℃加热30～60分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时，这样就在二氧化硅下包层上制得了条形结构的光波导芯层；
D：聚合物波导上包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(该聚合物上包层材料是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在已经制备完光波导芯层的硅片上，旋涂转速为2000～5000转/分钟，然后在120℃～150℃条件下加热30～60分钟，聚合物上包层厚度为3～10μm(光波导芯层上面的上包层的厚度)；
E：Al电极的制备
采用蒸镀工艺在聚合物上包层上蒸镀一层厚度为50～150nm的Al膜，然后利用旋涂工艺在Al膜上制备正性光刻胶BP212薄膜，转速为2000～3000转/分钟；对旋涂的光刻胶BP212薄膜进行前烘，即在80℃～100℃温度下加热20～30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时，得到厚度为0.5～2.0μm的BP212薄膜；对光刻胶BP212薄膜在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，掩膜版为需要制备的调制电极的结构(如图1所示，调制电极在调制臂的正上方)，曝光时间为2～10秒，使除调制臂电极及其电极引脚以外区域的光刻胶BP212薄膜被曝光；将曝光后硅片放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中10～30秒，去除未曝光的光刻胶，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；对曝光的光刻胶BP212薄膜进行坚膜，即在80～100℃加热10～20分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；降至室温后进行Al电极的显影，即将坚膜后硅片放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中1～20分钟，将调制臂电极及其电极引脚以外区域的Al膜部分去除，用去离子水反复冲洗干净，用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中5～10秒，去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；从而得到本发明所述的可调谐型模式转换器。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的波导型模式转换器结合了MZI光波导结构的干涉效应强和有机聚合物材料热光系数大的优势，通过对MZI结构的调制臂进行调制实现对四个光学模式进行相互转换的目的；另外，采用聚合物材料使得器件的制备工艺比较简单，只需要旋涂、光刻等常规工艺，不需要难度较高的工艺，而且生产成本低、效率高、能够大规模批量生产，而且能够应用到实际当中的模式转换器。
附图说明
图1：本发明所述的可调谐型模式转换器的结构示意图；
图2(a)：可调谐型模式转换器的3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15的结构示意图；
图2(b)：可调谐型模式转换器的第一3-dBY分支分束器5、第二3-dBY分支分束器6、第一3-dBY分支耦合器11、第二3-dBY分支耦合器12的结构示意图；
图3：图1中A-A’位置的横截面示意图；
图4：可调谐型模式转换器的制备工艺流程图；
图5(a)：可调谐型模式转换器无调制时输入TE0模式的光场分布模拟图；
图5(b)：可调谐型模式转换器输入TE0模式，并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，实现输出TE1模式的光场分布模拟图；
图5(c)：可调谐型模式转换器输入TE0模式，并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制，实现输出TE2模式的光场分布模拟图；
图5(d)：可调谐型模式转换器输入TE0模式，并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制，实现输出TE3模式的光场分布模拟图；
图6(a)：可调谐型模式转换器输入TE1模式，并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，实现输出TE0模式的光场分布模拟图；
图6(b)：可调谐型模式转换器无调制时输入TE1模式的光场分布模拟图；
图6(c)：可调谐型模式转换器输入TE1模式，并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制，实现输出TE2模式的光场分布模拟图；
图6(d)：可调谐型模式转换器输入TE1模式，并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制，实现输出TE3模式的光场分布模拟图；
图7(a)：可调谐型模式转换器输入TE2模式，并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制，实现输出TE0模式的光场分布模拟图；
图7(b)：可调谐型模式转换器输入TE2模式，并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制，实现输出TE1模式的光场分布模拟图；
图7(c)：可调谐型模式转换器无调制时输入TE2模式的光场分布模拟图；
图7(d)：可调谐型模式转换器输入TE2模式，并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，实现输出TE3模式的光场分布模拟图；
图8(a)：可调谐型模式转换器输入TE3模式，并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制，实现输出TE0模式的光场分布模拟图；
图8(b)：可调谐型模式转换器输入TE3模式，并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制，实现输出TE1模式的光场分布模拟图；
图8(c)：可调谐型模式转换器输入TE3模式，并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，实现输出TE2模式的光场分布模拟图；
图8(d)：可调谐型模式转换器无调制时输入TE3模式的光场分布模拟图；
如图1所示，可调谐型模式转换器的平面结构示意图，各部件的名称为：输入少模直波导1，3-dBY分支分束器2，第一输入直波导3，第二输入直波导4，第一3-dBY分支分束器5，第二3-dBY分支分束器6，第一调制臂7，第二调制臂8，第三调制臂9，第四调制臂10，第一3-dBY分支耦合器11，第二3-dBY分支耦合器12，第一输出直波导13，第二输出直波导14，3-dBY分支耦合器15，输出少模直波导16，第一加热电极17，第二加热电极18，第三加热电极19，第四加热电极20。
如图2(a)所示，可调谐型模式转换器的3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15的结构示意图，两个Y分支之间的间隙W可以使该模式转换器更好的处理偶阶模；
如图2(b)所示，可调谐型模式转换器的第一3-dBY分支分束器5、第二3-dBY分支分束器6、第一3-dBY分支耦合器11、第二3-dBY分支耦合器12的结构示意图，两个Y分支之间的间隙W1可以使该模式转换器更好的处理偶阶模；
如图3所示，为图1中A-A’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31，二氧化硅下包层32，光波导芯层33，聚合物上包层34，加热Al电极35。
如图4所示，图中的31为硅衬底，32为通过热氧化法生长的二氧化硅下包层，33为通过旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的光波导芯层，34为通过旋涂工艺制备的聚合物上包层，35为加热Al电极。
如图5(a)所示，为无调制情况下输入TE0模式时的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，在未加调制情况下，输入TE0模式时输出为TE0模式；
如图5(b)所示，为输入TE0模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE0模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行适当调制可以实现输出TE1模式；
图5(c)所示，为输入TE0模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE0模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行适当调制可以实现输出TE2模式；
图5(d)所示，为输入TE0模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE0模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行适当调制可以实现输出TE3模式；
如图6(a)所示，为输入TE1模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE1模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行适当调制可以实现输出TE0模式；
如图6(b)所示，为无调制情况下输入TE1模式时的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，在未加调制情况下，输入TE1模式时输出为TE1模式；
如图6(c)所示，为输入TE1模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE1模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行适当调制可以实现输出TE2模式；
如图6(d)所示，为输入TE1模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE1模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行适当调制可以实现输出TE3模式；
如图7(a)所示，为输入TE2模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE2模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行适当调制可以实现输出TE0模式；
如图7(b)所示，为输入TE2模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE2模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行适当调制可以实现输出TE1模式；
如图7(c)所示，为无调制情况下输入TE2模式时的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，在未加调制情况下，输入TE2模式时输出为TE2模式；
如图7(d)所示，为输入TE2模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE2模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行适当调制可以实现输出TE3模式；
如图8(a)所示，为输入TE3模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE3模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行适当调制可以实现输出TE0模式；
如图8(b)所示，为输入TE3模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE3模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行适当调制可以实现输出TE3模式；
如图8(c)所示，为输入TE3模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，输入TE3模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行适当调制可以实现输出TE2模式；
如图8(d)所示，为无调制情况下输入TE3模式时的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出，在未加调制情况下，输入TE3模式时输出为TE3模式；
具体实施方式
实施例1
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例结构如图1所示，输入少模直波导1和输出少模直波导16的长度a1和a1’相等为1cm，第一输入直波导3、第二输入直波导4、第一输出直波导13、第二输出直波导14的长度a2、a2’、a2”、a2”’相等为500μm。第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10的长度a3、a3’、a3”、a3”’相等为0.3cm，一级MZI光波导结构两条平行干涉臂之间的中心间距d为104μm，二级MZI光波导结构两条平行干涉臂之间的中心间距d1相等为52μm，第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19、第四加热电极20的长度a4、a4’、a4”、a4”’相等为0.2cm；
如附图2(a)所示，3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15的Y分支两分支之间的间隙W为0.196μm，分支角度θ相等为1.14°；如附图2(b)所示，第一3-dBY分支分束器5、第二3-dBY分支分束器6、第一3-dBY分支耦合器11、第二3-dBY分支耦合器12的Y分支两分支之间的间隙W1为0.098μm，分支角度θ1相等为1.43°。
如附图3所示(为图1中A-A’位置的截面图)，可调谐型模式转换器的输入少模直波导1和输出少模直波导16，3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15，第一输入直波导3、第二输入直波导4、第一输出直波导13和第二输出直波导14，第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10，第一3-dBY分支分束器5和第一3-dBY分支耦合器11，第二3-dBY分支分束器6和第二3-dBY分支耦合器12，第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19、第四加热电极20，从下至上依次由硅片衬底31、在硅片衬底31上通过热氧化法生长的二氧化硅下包层32，在二氧化硅下包层32上制备的聚合物光波导芯层33、在光波导芯层33上制备的聚合物上包层34，在聚合物上包层上制备的Al电极35组成。
硅片衬底31的厚度为1mm，二氧化硅下包层32的厚度为15μm，光波导芯层33的厚度为2μm，波导上包层34的厚度为4μm(光波导芯层之上的上包层厚度)，Al电极35的厚度为100nm。输入少模直波导1和输出少模直波导16的宽度相等为8μm，3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器15，第一输入直波导3、第二输入直波导4、第一输出直波导13和第二输出直波导14的宽度相等为3.902μm，第一3-dBY分支分束器5和第一3-dBY分支耦合器11、第二3-dBY分支分束器6和第二3-dBY分支耦合器12、第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10的宽度相等为1.902μm，第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19、第四加热电极20的宽度相等为8μm。
光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合进入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合进入到第二输出直波导14当中，第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出少模直波导16当中。
如附图5(a)所示，当输入TE0模式且无外加调制情况下，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相同的TE0模式的光进入到第一输出直波导13当中；第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中相同的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中；第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出波导16当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光为相位相同的TE0模式，因此输出光为TE0模式。
如附图5(b)所示，当输入TE0模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4；第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，第一调制臂7和第二调制臂8都输出的TE0模式且与原TE0模式相位相反，两调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中的TE0模式相位相反的TE0模式的光进入到第一输出直波导13当中；第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中相同的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中；第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出波导16当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE0模式的光能量相同，相位相反，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE1模式。
如附图5(c)所示，当输入TE0模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4；第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE1模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第四调制臂10进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相反，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE1模式相位相反的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE1模式的光能量相同，相位相反，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE2模式。
如附图5(d)所示，当输入TE0模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE1模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第三调制臂9进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相反，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE1模式相位相同的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE1模式的光能量相同，相位相同，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE3模式。
如附图6(a)所示，当输入TE1模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相同且与输入的第一输入直波导3中的光相位相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相位相反的TE0模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位不变，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中的TE0模式相位相同的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE0模式的光能量相同，相位相同，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE0模式。
如附图6(b)：当输入TE1模式且无调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相同的TE0模式的光进入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中相同的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中，第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出波导16当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光为相位相反的TE0模式，因此输出光为TE1模式。
如附图6(c)：当输入TE1模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE1模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第三调制臂9进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相反，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE1模式相位相反的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE1模式的光能量相同，相位相反，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE2模式。
如附图6(d)：当输入TE1模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE1模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相同的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第四调制臂10进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相反，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE1模式相位相同的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE1模式的光能量相同，相位相同，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE3模式。
如附图7(a)，当输入TE2模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相同，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE0模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第四调制臂10进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相同，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE0模式相位相同的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE0模式的光能量相同，相位相同，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE0模式。
如附图7(b)：当输入TE2模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相同，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE0模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第三调制臂9进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相同，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE0模式相位相反的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE0模式的光能量相同，相位相反，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE1模式。
如附图7(c)：当输入TE2模式并无调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相同的TE1模式的光进入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中相同的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出波导16当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光为相位相反的TE1模式，因此输出光为TE2模式。
如附图7(d)：当输入TE2模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相反的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相位相反的TE1模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相反，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中的TE1模式相位相同的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE1模式的光能量相同，相位相同，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE3模式。
如附图8(a)，当输入TE3模式并对第一调制臂7和第三调制臂9进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相相同，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE0模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第三调制臂9进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相同，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE0模式相位相同的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE0模式的光能量相同，相位相同，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE0模式。
如附图8(b)：当输入TE3模式并对第一调制臂7和第四调制臂10进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相同，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成TE0模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于对第四调制臂10进行调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相同，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第一输出直波导13中的TE0模式相位相反的TE0模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE0模式的光能量相同，相位相反，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE1模式。
如附图8(c)：当输入TE3模式并对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于对第一调制臂7和第二调制臂8进行调制，第一调制臂7输出的光与第二调制臂8输出的光相位相反，经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相位相反的TE1模式输入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，第三调制臂9与第四调制臂10中的光的相位相反，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中的TE1模式相位相同的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的TE1模式的光能量相同，相位相反，因此耦合进入到输出波导16当中产生TE2模式。
如附图8(d)：当输入TE3模式且无调制时，光从输入少模直波导1输入，经3-dBY分支分束器2分成两束相位相同的TE1模式的光进入到第一输入直波导3和第二输入直波导4，第一输入直波导3中的光又经第一3-dBY分支分束器5分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第一调制臂7和第二调制臂8当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器11耦合成与第一输入直波导3中相同的TE1模式的光进入到第一输出直波导13当中，第二输入直波导4中的光经第二3-dBY分支分束器6分成两束相位相反的TE0模式的光进入到第三调制臂9和第四调制臂10当中，由于无调制，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器12耦合成与第二输入直波导4中相同的TE1模式的光进入到第二输出直波导14当中，第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光经3-dBY分支耦合器15耦合进入输出波导16当中，由于第一输出直波导13和第二输出直波导14中的光为相位相同的TE1模式，因此输出光为TE3模式。
实施例2
硅片衬底的清洁处理：用沾有丙酮的棉球反复擦拭硅片衬底，再用沾有乙醇的棉球反复擦拭硅片衬底，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干后放入到干净的培养皿中并密封。
采用热氧化法制备二氧化硅下包层32：通过热氧化法生长一层厚度为15μm的二氧化硅下包层。
采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备器件包括输入/输出区、Y分支分束器/耦合器和调制臂在内的光波导芯层33：采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物材料SU-82002旋涂在清洁干净的二氧化硅下包层上，转速为2500转/分钟，对旋涂了聚合物薄膜的硅片进行前烘，采用阶梯升温的方法，在加热板上50℃、60℃、70℃依次分别加热5分钟，然后在90℃温度下加热20分钟，加热完毕后在室温下降温处理1.5小时，得到厚度为2μm的光波导芯层SU-82002聚合物薄膜；对制备完成的聚合物薄膜进行光刻，在波长为365nm的紫外光刻机下进行对版光刻，波导掩膜版为图1中的所有光波导芯层结构，曝光时间为5.5秒，使需要制备的器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器和调制臂的光波导芯层区域的光刻胶被紫外曝光；光刻完从光刻机上取下，在加热板上进行中烘，在50℃、60℃、70℃分别加热5分钟，然后在90℃温度下加热20分钟，加热完在室温下降温处理1.5小时；降温完毕后进行显影，先在SU-82002聚合物光刻胶对应的显影液中湿法刻蚀20秒，将未被曝光的非光波导芯层部分去除，然后放入异丙醇溶液中洗去硅片表面残留的显影液和光波导芯层材料，然后用去离子水反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)，去除硅片表面的异丙醇，最后用氮气吹干；显影完毕后进行后烘坚膜，在120℃加热30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1.5小时，光波导芯层的长度和宽度与图1中相同，这样就在下包层上制备完了光波导芯层结构。
采用旋涂工艺制备聚合物波导上包层34：将聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在已经制备完光波导芯层的硅片上，转速为3000转/分钟，然后在120℃下烘烤30分钟，得到厚度为4μm的波导上包层。
采用蒸镀、光刻、湿法刻蚀工艺制备Al电极35：在制备好二氧化硅下包层、光波导芯层和聚合物上包层的硅片上蒸镀一层厚度为100nm的Al掩膜，然后采用旋涂工艺在Al掩膜上旋涂得到正性光刻胶BP212薄膜，转速为2500转/分钟，厚度为2μm；对旋涂的光刻胶BP212薄膜进行前烘，然后在85℃温度下加热20分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；在光刻机上进行光刻，在波长为365nm的紫外光下进行对版光刻，掩膜版与图1中的第一调制臂7、第二调制臂8、第三调制臂9和第四调制臂10的结构尺寸相同，曝光时间为2.2秒，使除调制臂电极及其电极引脚以外的区域被曝光；将光刻完的硅片从光刻机上取下，放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中15秒，去除表面的浮胶，用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；对光刻胶BP212薄膜进行坚膜，95℃加热10分钟，加热完毕后在室温下降温处理1.5小时；降温完毕后进行Al电极的显影，将硅片放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中10分钟，将被曝光的非电极部分去除，然后用去离子水反复冲洗干净并用氮气吹干；放入乙醇中5秒，去除Al电极上的光刻胶BP212，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干，制得的第一加热电极17、第二加热电极18、第三加热电极19、第四加热电极20长度为2000μm、宽度为8μm的电极。
这样便制备出了符合要求的可调谐型模式转换器。应当指出的是，具体的实施方式只是本发明有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形，如采用铌酸锂、硅、氮化硅等波导材料。本领域的技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议得到的，都属于本专利所要保护的范围。

Claims (6)

1.一种可调谐型模式转换器，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左至右沿光的传播方向，依次由输入少模直波导(1)，3-dBY分支分束器(2)，两条平行的第一输入直波导(3)和第二输入直波导(4)，两个相同的第一3-dBY分支分束器(5)和第二3-dBY分支分束器(6)，四条平行的单模波导第一调制臂(7)、第二调制臂(8)、第三调制臂(9)和第四调制臂(10)，两个相同的第一3-dBY分支耦合器(11)和第二3-dBY分支耦合器(12)，两条平行的第一输出直波导(13)和第二输出直波导(14)，3-dBY分支耦合器(15)，输出少模直波导(16)以及第一加热电极(17)、第二加热电极(18)、第三加热电极(19)、第四加热电极(20)构成；
从下到上，输入少模直波导(1)和输出少模直波导(16)，3-dBY分支分束器(2)和3-dBY分支耦合器(15)，第一输入直波导(3)、第二输入直波导(4)、第一输出直波导(13)和第二输出直波导(14)，第一调制臂(7)、第二调制臂(8)、第三调制臂(9)和第四调制臂(10)，第一3-dBY分支分束器(5)和第一3-dBY分支耦合器(11)，第二3-dBY分支分束器(6)和第二3-dBY分支耦合器(12)，依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上通过热氧化法生长的二氧化硅下包层(32)，在二氧化硅下包层(32)上制备的条形结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)上制备的聚合物上包层(34)组成；在聚合物上包层(34)上，在与第一调制臂(7)、第二调制臂(8)、第三调制臂(9)和第四调制臂(10)对应的位置制备有第一加热电极(17)、第二加热电极(18)、第三加热电极(19)和第四加热电极(20)。
2.如权利要求1所述的一种可调谐型模式转换器，其特征在于：光从输入少模直波导(1)输入，经3-dBY分支分束器(2)分成两束光进入到第一输入直波导(3)和第二输入直波导(4)；第一输入直波导(3)中的光经第一3-dBY分支分束器(5)分成两束光进入到第一调制臂(7)和第二调制臂(8)当中，两束调制臂中的光经第一3-dBY分支耦合器(11)耦合进入到第一输出直波导(13)当中；第二输入直波导(4)中的光经第二3-dBY分支分束器(6)分成两束光进入到第三调制臂(9)和第四调制臂(10)当中，两束调制臂中的光经第二3-dBY分支耦合器(12)耦合进入到第二输出直波导(14)当中；第一输出直波导(13)和第二输出直波导(14)中的光经3-dBY分支耦合器(15)耦合进入输出少模直波导(16)当中；所有分束器都是50：50强度分光。
3.如权利要求1所述的一种可调谐型模式转换器，其特征在于：第一输入直波导(3)、第一3-dB Y分支分束器(5)、第一调制臂(7)、第二调制臂(8)、第一3-dBY分支耦合器(11)、第一输出直波导(13)构成第一二级MZI光波导结构；第二输入直波导(4)、第二3-dB Y分支分束器(6)、第三调制臂(9)、第四调制臂(10)、第二3-dBY分支耦合器(12)、第二输出直波导(14)构成第二二级MZI光波导结构；第一调制臂(7)和第二调制臂(8)、第三调制臂(9)和第四调制臂(10)分别共同构两个二级MZI光波导结构的两条干涉臂；输入少模直波导(1)、3-dBY分支分束器(2)、第一二级MZI光波导结构、第二二级MZI光波导结构、3-dBY分支耦合器(15)、输出少模直波导(16)构成一级MZI光波导结构；第一输入直波导(3)和第二输入直波导(4)间及第一输出直波导(13)和第二输出直波导(14)间的中心间距d相等，第一调制臂(7)和第二调制臂(8)间及第三调制臂(9)和第四调制臂(10)之间的中心间距d1相等。
4.如权利要求1所述的一种可调谐型模式转换器，其特征在于：输入少模直波导(1)和输出少模直波导(16)的长度a1和a1’相等为0.5～1.5cm，第一输入直波导(3)、第二输入直波导(4)、第一输出直波导(13)、第二输出直波导(14)的长度a2、a2’、a2”、a2”’相等为300～1000μm；第一调制臂(7)、第二调制臂(8)、第三调制臂(9)和第四调制臂(10)的长度a3、a3’、a3”、a3”’相等为0.1～2cm；第一加热电极(17)、第二加热电极(18)、第三加热电极(19)、第四加热电极(20)的长度a4、a4’、a4”、a4”’相等为0.1～2cm；3-dBY分支分束器(2)和3-dBY分支耦合器(15)的Y分支两分支之间的间隙W相等为0.1～0.5μm，分支角度θ相等为0.5～1.5°；第一3-dBY分支分束器(5)、第二3-dBY分支分束器(6)、第一3-dBY分支耦合器(11)、第二3-dBY分支耦合器(12)的Y分支两分支之间的间隙W1相等为0.05～0.5μm，分支角度θ1相等为0.5～1.5°；硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层(32)的厚度为13～17μm，光波导芯层(33)的厚度为1～5μm，上包层(34)的厚度为4～10μm；第一加热电极(17)、第二加热电极(18)、第三加热电极(19)和第四加热电极(20)厚度相等为50～150nm；输入少模直波导(1)和输出少模直波导(16)的宽度相等为7～10μm，3-dBY分支分束器(2)、3-dBY分支耦合器(15)、第一输入直波导(3)、第二输入直波导(4)、第一输出直波导(13)和第二输出直波导(14)的宽度相等，为3～5μm；第一3-dBY分支分束器(5)、第一3-dBY分支耦合器(11)、第二3-dBY分支分束器(6)、第二3-dBY分支耦合器(12)、第一调制臂(7)、第二调制臂(8)、第三调制臂(9)和第四调制臂(10)的宽度相等，为1.5～2.5μm；第一加热电极(17)、第二加热电极(18)、第三加热电极(19)和第四加热电极(20)的宽度相等，为3～10μm。
5.如权利要求1所述的一种可调谐型模式转换器，其特征在于：光波导芯层的材料为EpoCore、EpoClad、SU-82002或SU-82005，聚合物上包层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯；光波导芯层材料的折射率高于聚合物上包层材料的折射率。
6.权利要求1～5任何一项所述的一种可调谐型模式转换器的制备方法，其步骤如下：
A：硅片衬底的清洁处理
用沾有丙酮的棉球反复擦拭硅片衬底，再用沾有乙醇的棉球反复擦拭硅片衬底，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封；
B：二氧化硅下包层的制备
通过热氧化法在硅片衬底上生长二氧化硅下包层；
C：光波导芯层的制备
采用旋涂工艺将具有负热光系数的光波导芯层材料旋涂在二氧化硅下包层上形成薄膜，转速为2000～5000转/分钟；然后对旋涂的聚合物薄膜进行前烘，采用阶梯升温的方法，在50℃～90℃加热10～30分钟，然后在80℃～100℃温度下加热20～30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；对聚合物薄膜进行光刻，在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版为需要制备的可调谐型模式转换器的结构，曝光时间为5～40秒，使需要制备的器件输入/输出区、直波导区、Y分支分束器/耦合器和调制臂的光波导芯层区域的光波导芯层材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行中烘，在50℃～100℃加热10～30分钟，然后在80℃～100℃温度下加热20～30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；降温完毕后进行显影，先在光波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀15～40秒，将未被曝光的非光波导芯层结构去除，然后放入异丙醇溶液中洗去硅片表面残留的光波导芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗，去除硅片表面的异丙醇，最后用氮气吹干；最后进行后烘坚膜，在120℃～150℃加热30～60分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时，这样就在二氧化硅下包层上制得了条形结构的光波导芯层；
D：聚合物波导上包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在已经制备完光波导芯层的硅片上，旋涂转速为2000～5000转/分钟，然后在120℃～150℃条件下加热30～60分钟；
E：Al电极的制备
采用蒸镀工艺在聚合物上包层上蒸镀Al膜，然后利用旋涂工艺在Al膜上制备正性光刻胶BP212薄膜，转速为2000～3000转/分钟；对旋涂的光刻胶BP212薄膜进行前烘，即在80℃～100℃温度下加热20～30分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时，得到厚度为0.5～2.0μm的BP212薄膜；对光刻胶BP212薄膜在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，掩膜版为需要制备的调制电极的结构，调制电极在调制臂的正上方，曝光时间为2～10秒，使除调制臂电极及其电极引脚以外区域的光刻胶BP212薄膜被曝光；将曝光后硅片放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中10～30秒，去除未曝光的光刻胶，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；对曝光的光刻胶BP212薄膜进行坚膜，即在80～100℃加热10～20分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；降至室温后进行Al电极的显影，即将坚膜后硅片放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中1～20分钟，将调制臂电极及其电极引脚以外区域的Al膜部分去除，用去离子水反复冲洗干净，用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中5～10秒，去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；从而得到可调谐型模式转换器。
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