CN114153028A - 一种基于mzi结构的双模波导热光开关及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于MZI结构的双模波导热光开关及其制备方法，属于平面光波导器件技术领域。整个器件基于MZI光波导结构，从左到右依次由平行输入直波导、S弯曲波导、平行耦合臂波导、S弯曲波导、平行直波导、锥形波导、宽度大于输入直波导的平行相移器直波导、两个锥形波导、平行直波导、S弯曲波导、平行耦合臂波导、S弯曲波导、平行输出直波导、在平行相移器直波导正上方的金属电极构成。本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为波导的芯层和包层，充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势。同时，本发明所采用的制备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。

Description

一种基于MZI结构的双模波导热光开关及其制备方法
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、以聚合物材料作为马赫增德尔干涉仪(MZI)结构的波导芯层及包层的双模波导热光开关及其制备方法。
背景技术
近年来，随着互联网业务和信息技术的迅猛发展，光纤通信已经成为支撑我们快速发展的信息驱动型社会的基石之一，人们对信息的依赖程度变得越来越高，比如物联网、大数据、云计算等一些新兴业务对通信系统也提出更高的要求。为了满足这些需求，则必然需要进一步提高光网络的传输容量。然而，由于光纤的非线性效应以及光纤放大器带宽的限制，目前单模光纤的通信容量已经接近极限。为了满足未来人们对通信容量的需求，模分复用技术应运而生。这是由于空间模式的正交性，不同的空间模式可作为独立的传输信道，进而可以有效提升通信容量。在模分复用系统中，光开关与光开关阵列是构建光通信网络的关键器件，然而目前的光开关大部分只能实现基模的开关、或者基模和高阶模之间的转换，对高阶模式具有一定的敏感性。在采用模分复用技术的高速宽带通信网的骨干线上，复杂的网络拓扑需要可靠、灵活的网络管理，实现多种模式的光开关与光开关阵列在光网络中起着光域优化、路由、保护和减小网络阻塞等功能。因此，亟需开发出一种面向模分复用系统的多模光开关器件。
波导型光开关是目前光通信网络中应用最为广泛的光开关器件，与机械式光开关、微机电系统光开关、液晶光开关等其他类型的光开关相比，波导型光开关更易于集成，并具有结构简单、长期稳定性好等优势。目前，用于制备波导型光开关的材料主要分为无机材料和有机聚合物材料两类。与无机材料相比，有机聚合物材料的制备工艺简单且与半导体工艺兼容，成本低廉且可以通过分子工程来提高材料的性能，光学损伤阈值较高且介电常数较低，另外有机聚合物材料还具有种类繁多、折射率可调、偏振不敏感、抗电磁干扰能力强以及无机材料所无法比拟的高电光系数和高热光系数等优点，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础性材料。因此，利用有机聚合物材料探索和研究高性能、低功耗、小型化和集成化的光开关器件具有重要的理论意义和实际价值，在实现新一代全光通信网络和片上光互联技术应用中具有迫切需求，市场前景广阔。
在平面光波导结构中，马赫增德尔干涉仪(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，在光通信领域具有重要的应用价值，已经广泛用于光调制器和光开关的研究中。传统的MZI光波导主要由基于单模波导的输入/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，但是该结构只能实现对基模信号的调控和开关，或者实现基模与高阶模之间的转换，不能同时实现对基模和高阶模的开关与调控，进而限制了该结构在模分复用系统中的应用。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种以硅片作为衬底、以聚合物材料作为MZI结构的波导芯层及包层的双模波导热光开关及其制备方法。
本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为波导的芯层和包层，充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势。同时，本发明所采用的制备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，一种基于MZI结构的双模波导热光开关，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，利用定向耦合器代替传统的Y分支结构，从左到右依次由结构和尺寸相同的平行输入直波导1和2、结构和尺寸相同的S弯曲波导3和4(其中S弯曲波导3和4为相同的余弦型函数曲线波导，余弦型函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低；S弯曲波导3和4的曲线方程为：y＝(1-cosπa2/L)·h，其中x为余弦型函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦型函数曲线沿垂直波导方向的坐标，h＝[l1(l1')-l2(l2')]/2为余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影；a2＝0.2～1.0cm为余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影)、结构和尺寸相同的平行耦合臂波导5和6(耦合臂5和6共同构成MZI光波导结构的3dB分束器，即输入耦合区)、结构和尺寸相同的S弯曲波导7和8(S弯曲波导7和8的结构与尺寸同S弯曲波导3和4的结构与尺寸相同)、结构和尺寸相同的平行直波导9和10(1-10共同构成实现LP01模式和LP11a模式等功率分配的定向耦合器)、结构和尺寸相同的锥形波导11和12、结构和尺寸相同的宽度大于输入直波导的平行相移器直波导13和14、结构和尺寸相同的锥形波导15和16(锥形波导11、12、15、16和平行相移器直波导13、14共同构成MZI模式不敏感热光开关的相移器)、结构和尺寸相同的平行直波导17和18(同9和10)、结构和尺寸相同的S弯曲波导19和20(S弯曲波导19和20的结构与尺寸同S弯曲波导3和4的结构与尺寸相同)、结构和尺寸相同的平行耦合臂波导21和22(耦合臂21和22共同构成MZI光波导结构的3dB合束器，即输出耦合区)、结构和尺寸相同的S弯曲波导23和24(S弯曲波导23和24的结构与尺寸同S弯曲波导3和4的结构与尺寸相同)、结构和尺寸相同的平行输出直波导25和26(17～26共同构成实现LP01模式和LP11a模式等功率分配的定向耦合器)、结构和尺寸相同的在平行相移器直波导13和14正上方的金属电极27和28构成。
输入直波导1、2和输出直波导25、26的长度a1和a1’为0.1～1.5cm(考虑器件的实际解理情况，a1和a1’可以相等，也可以不相等)；S弯曲波导3、4、7、8、19、20、23和24的偏折角度θ为0.5～1.5°，水平长度a2和a2’为0.2～1.0cm；平行耦合臂波导5、6、21、22的长度L和L’为0.1～1.5cm，平行直波导9和10、平行直波导17和18的长度a3和a3’为0.05～0.15cm；锥形波导11、12、15、16的水平长度a4和a4’为0.1～0.5cm，平行相移器直波导13、14的长度a5为0.2～1cm，宽度为8～20μm；两段金属电极27和28的长度a6为0.2～1cm，宽度w1为10～15μm；输入直波导1、2之间和输出直波导25、26之间的间距l1和l1’为50～200μm，平行耦合臂波导5、6之间和平行耦合臂波导21、22之间的耦合间距l2和l2’为0.5～10μm；
如附图2所示，一种基于MZI结构的双模波导热光开关，图2(a)为图1中A-A’位置的截面图，其特征在于：从下到上相移器依次由硅片衬底29、在硅片衬底29上制备的聚合物下包层30、在聚合物下包层30上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层33、在聚合物下包层30和光波导芯层33上制备的聚合物上包层34、在聚合物上包层34上制备的金属电极27和28组成，光波导芯层33被包埋在聚合物上包层34之中，金属电极27和28位于矩型波导结构的光波导芯层33的正上方；图2(b)为图1中B-B’位置的截面图，其特征在于：从下到上输入直波导1和2，S弯曲波导3、4、7、8、19、20、23和24，平行耦合臂波导5、6、21和22，锥形波导11、12、15、16，平行相移器直波导13、14，平行直波导9、10、17和18，输出直波导25和26依次由硅片衬底29、在硅片衬底29上制备的聚合物下包层30、在聚合物下包层30上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层33'(33'和33为同种材料)、在聚合物下包层30和光波导芯层33'上制备的聚合物上包层34组成(除金属电极27、28以及相移器直波导13、14外，部件3～24的截面结构均与部件1、2、25、26的截面结构相同，区别仅在于两个矩型波导结构的光波导芯层间的距离不相同)，光波导芯层33'被包埋在聚合物上包层34之中；
硅片衬底29的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层30的厚度为5～15μm，光波导芯层33(33')的厚度为2～8μm，波导宽度为2～15μm(除13、14以外，所有的波导宽度都相同，相移器直波导13和14的宽度为是8～20μm)，位于光波导芯层33(33')上方的聚合物上包层34的厚度为5～15μm，光波导芯层33(33')被包埋在聚合物上包层34中，两个金属电极27、28的厚度为20～200nm。
本发明所述的基于MZI结构的双模波导热光开关器件的制备方法，其制备工艺流程见附图3，具体叙述为：
A：硅片衬底的清洁处理
将硅片衬底29浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，再在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；
B：聚合物下包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物下包层材料(聚合物下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)、EpoClad(micro resist technology GembH公司)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在清洗干净的硅片衬底29上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，旋涂的时间为10-100秒，然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟、90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行前烘；待温度自然降至室温以后，对旋涂好的下包层进行整体曝光，曝光时间为4～300秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；再在50℃～100℃条件下处理5～30分钟、90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行后烘，制备得到厚度为5～15μm的聚合物下包层30；
C：器件光波导芯层的制备
采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料(该聚合物芯层是包括SU-82002、SU-8 2005、EpoCore、EpoClad(当选择其他满足芯包层折射率差的聚合物材料作包层时，可以将EpoClad选作芯层材料)在内的一系列可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料，聚合物芯层材料的折射率高于聚合物上/下包层材料的折射率)旋涂在制备好的聚合物下包层30表面，旋涂速度为3000～5000转/分钟，旋涂的时间为10-100秒；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行前烘，制得厚度为2～8μm的聚合物芯层31；待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板32紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，曝光时间为4～50秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；曝光完成后除去波导掩膜板32，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温以后，再在与光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将未曝光的MZI芯层结构以外区域的光刻胶去除；然后放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和聚合物芯层材料，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，从而在聚合物下包层30上制得器件的光波导芯层结构33(33')，波导芯层33(33')的宽度为2～15μm(相移器结构的波导宽度为8～20μm)；
D：聚合物上包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(聚合物上包层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)、EpoClad(micro resist technology GembH公司)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在光波导芯层33(33')上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，旋涂的时间为10-100秒，然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟、90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行前烘；待温度自然降至室温以后，对旋涂好的上包层进行整体曝光，曝光时间为4～300秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟，90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行后烘，从而在光波导芯层上制备得到厚度为5～15μm的聚合物上包层34，聚合物上包层34完全覆盖光波导芯层；
E：金属电极的制备
在聚合物上包层34上真空蒸镀厚度为20～200nm的金属(金属电极材料是包括铝(Aluminum)、金(Gold)、铜(Cuprum)、铬(Chromium)等在内的导电性良好的一系列金属材料)薄膜35，再在金属薄膜35上旋涂光刻胶，旋涂速度为2000～6000转/分钟，旋涂的时间为10～100秒，然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，固化后得到厚度为1～10μm的光刻胶薄膜36；待温度自然降至室温以后，在光刻机上采用电极掩膜版37对光刻胶薄膜36进行对版曝光，曝光时间为2～20秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；电极掩膜版为三段式结构，由有效加热区(b)、输入和输出区(c)、金属加热电极引脚区(d)三部分组成，其中输入和输出区(c)、金属加热电极引脚区(d)均有二个，金属加热电极引脚区、输入区、有效加热区、输出区、金属加热电极引脚区依次连接；二个输入和输出区(c)在有效加热区(b)的同侧，有效加热区(b)的长度L1为0.2～5cm、宽度W1为10～50μm；金属加热电极引脚区(d)的长度L2为500～1500μm，宽度W2为2000～5000μm；使电极掩膜版37的有效加热区(b)与相移器波导的波导臂对应，电极加热区位于该波导臂的正上方，有效加热区中心线与该波导臂的中心线重合；而后进行电极显影，在光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～180秒，将受到紫外曝光的光刻胶区域以及未被光刻胶覆盖的金属区域去除，氮气吹干后在120～150℃条件下处理10～30分钟进行后烘；然后将带有光刻胶电极图案和金属电极图案的样片进行整体曝光，曝光时间为2～20秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2，然后将其放入去胶剂中去除金属电极图案上方的光刻胶电极图案，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在90～120℃条件下处理10～30分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物上包层34上制得器件的金属电极结构27和28，从而制备得到本发明所述的一种基于MZI结构的双模波导热光开关器件。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的基于MZI结构的双模波导热光开关具有和光纤接近的低折射率、与光纤耦合效率高以及抗电磁干扰能力强的优势，另外，器件制作工艺比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术就可以实现两种模式下同时不敏感的传输以及热光开关的功能，生产成本低、效率高，适合于批量生产可实际应用的平面光波导热光模式不敏感开关器件。
附图说明
图1：本发明所述的基于MZI结构的双模波导热光开关的结构示意图；
图2(a)：图1中A-A’位置的横截面示意图；
图2(b)：图1中B-B’位置的横截面示意图；
图3：基于MZI结构的双模波导热光开关的制备工艺流程图；
图4：金属电极27(28)的结构及与MZI光波导结构的位置关系示意图；
图5(a)：双模波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图；
图5(b)：双模波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图；
图5(c)：相移器部分波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图；
图5(d)：相移器部分波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图；
图6：器件从相移器中间解理后作为功率分配器工作时，两种模式分别发射到输入波导中时，不同耦合间距l2(l2’)下输出端口的归一化输出功率随着耦合长度L的变化关系曲线；图6(a)的耦合间距l2(l2’)为3μm，图6(b)的耦合间距l2(l2’)为4μm，图6(c)的耦合间距l2(l2’)为3.5μm，图6(d)的耦合间距l2(l2’)为3.34μm；
图7：不同相移器波导宽度下两种模式传输的归一化输出功率随着电极温度的变化曲线；
图8：两种模式传输下器件的归一化输出功率随着施加到电极的驱动功率P的变化关系曲线；
图9(a)：电极在关断状态(P＝0mW)，LP01模式的光场传输模拟图；
图9(b)：电极在关断状态(P＝0mW)，LP11a模式的光场传输模拟图；
图9(c)：电极在工作状态(P＝5.5mW)，LP01模式的光场传输模拟图；
图9(d)：电极在工作状态(P＝5.5mW)，LP11a模式的光场传输模拟图；
图10(a)：电极在关断状态(P＝0mW)以及工作状态(P＝5.5mW)下，LP01模式传输的归一化输出功率随波长(1530nm～1565nm)的变化关系曲线；
图10(b)：电极在关断状态(P＝0mW)以及工作状态(P＝5.5mW)下，LP11a模式传输的归一化输出功率随波长(1530nm～1565nm)的变化关系曲线；
图11(a)：基于MZI结构的双模波导热光开关的器件整体照片；
图11(b)：基于MZI结构的双模波导热光开关的电极放大的显微镜照片；
图11(c)：基于MZI结构的双模波导热光开关的波导的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图11(d)：基于MZI结构的双模波导热光开关的耦合区显微镜照片；
图12：基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式和LP11a模式分别传输时，在不同驱动功率下两个输出端口的近场输出光斑；
图13(a)：基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式和LP11a模式传输时，波导1端口的归一化输出功率随着驱动功率的变化曲线；
图13(b)：基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式和LP11a模式传输时在C波段上的消光比曲线；
图14(a)：基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式传输下的响应时间曲线；
图14(b)：基于MZI结构的双模波导热光开关在LP11a模式传输下的响应时间曲线；
如图1所示，基于MZI结构的双模波导热光开关的平面结构示意图，各部件的名称为：平行输入直波导1和2，S弯曲波导3和4，两条平行的耦合臂5和6，S弯曲波导7和8，两段连接窄波导和相移器结构的平行直波导9和10，两个连接直波导9、10和两段宽度宽于输入波导的相移器波导的锥形波导结构11和12，两段宽度宽于输入波导的相移器波导13和14，两个连接相移器波导的输出端和窄波导的锥形波导结构15和16，两个连接锥形波导结构15、16的平行直波导17和18，S弯曲波导19和20，两条平行的耦合臂21和22，S弯曲波导23和24，两条相同长度的平行输出直波导25和26以及两段位于相移器波导正上方的金属电极27和28。
如图2所示，(a)图为图1中A-A’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底29，聚合物下包层30，矩形波导结构的光波导芯层33，聚合物上包层34，金属电极27和28；(b)图为图1中B-B’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底29，聚合物下包层30，矩形波导结构的光波导芯层33'，聚合物上包层34；
如图3所示，为基于MZI结构的双模波导热光开关的制备工艺流程图，图中的29为硅衬底，30为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导下包层，31为通过旋涂工艺制备的聚合物芯层薄膜，32为进行对版光刻制备光波导芯层的波导掩膜板，33为基于有机聚合物材料的光波导芯层，34为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导上包层，35为通过蒸镀工艺制备的金属薄膜，36为通过旋涂工艺制备的光刻胶薄膜，37为进行对版光刻制备电极的电极掩膜板，27(28)为通过湿法刻蚀工艺制备的电极。
如图4所示，为金属电极27(28)的结构及与MZI光波导结构的位置关系示意图，电极为三段式结构，图中的b为有效加热区，c为输入和输出区，d为金属加热电极引脚区。其中输入和输出区c和金属加热电极引脚区d均有二个，输入区、金属加热电极引脚区、有效加热区、金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区c在有效加热区b同侧，有效加热区b的长度L1为0.6cm、宽度W1为11μm；金属加热电极引脚区d的长度L2为1000μm，宽度W2为2000μm；在实际测试过程中使电极掩膜版33的有效加热区与相移器部分的一个波导臂对应，电极加热区位于该波导臂的正上方，有效加热区中心线与该波导臂的中心线重合。
如图5所示，(a)图为窄波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图，(b)图为窄波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图；仿真模拟采用的是COMSOL软件。在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和窄波导尺寸，从两幅模拟图中可以明显看出，两种模式的光场均主要集中在矩型波导之中，并且光场被限制的很好；(c)图为相移器部分宽波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图，(d)图为相移器部分宽波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图；由于不同的模式具有不同的传播常数，经过理论计算发现通过增加相移器的宽度，对于LP01和LP11a两种不同的模式，在波导宽度增加至10.5μm时，有效折射率相对于温度的变化率(d neff/dT)收敛于几乎相同的值，此时我们认为通过增加不敏感相移器波导的宽度实现了模式的不敏感传输。从两幅模拟图中可以明显看出，两种模式的光场均主要集中在矩型波导之中，并且光场被限制的很好，且实施例1中所选择的宽波导尺寸中只存在LP01和LP11a两种模式，不存在第三种模式，进而可以保证光信号在波导中有效进行传输。
如图6所示，为器件从相移器结构中间解理后，器件的一半作为功率分配器工作时，两种模式分别发射到输入波导1中时，不同耦合间距l2(l2’)值下输出波导的归一化输出功率随着耦合长度L的变化关系曲线，其中，1代表波导1的输出端口，2代表波导2的输出端口。在大量密集的数值模拟过程中，对于LP01模式和LP11a模式的传输，实现两个输出端口功率均等的耦合长度L随着耦合间距l2(l2’)的变化而逐渐接近。当耦合间距l2(l2’)的值在3.34μm时，两个模式均能实现输出功率在两个输出端口的平均分配，计算得耦合长度L为1554.3μm。
如图7所示，为不同相移器波导宽度下，两个模式传输的归一化输出功率随着电极温度的变化曲线；经过理论计算发现通过增加相移器波导的宽度，对于LP01和LP11a两种不同的模式，在波导宽度增加至10.5μm时，有效折射率相对于温度的变化率(d neff/dT)收敛于几乎相同的值，因此理论计算了在波导宽度为10.5μm及左右不同宽度下，即相移器波导宽度分别10.4μm、10.5μm以及10.6μm时，两个模式分别传输时，输出端口1的归一化输出功率随着施加到电极的温度T的变化曲线。从曲线图中可以看到当相移器波导宽度为10.5μm时，此时两种模式的输出功率曲线在T＝1.26K时同时达到了峰值，此时我们认为通过增加不敏感相移器的波导宽度实现了模式的不敏感传输。
如图8所示，为两种模式传输下，器件两个输出端口的归一化输出功率随着施加到电极上的驱动功率的变化关系曲线，其中，1代表波导1的输出端口，2代表波导2的输出端口；在模拟过程中，波导1和波导2输出端口的归一化输出功率随着驱动功率的增加逐渐实现了功率的切换，并且实现了模式不敏感的传输；在P＝5.5mW时同时实现了两种模式的功率切换，实现了开关的功能。
如图9所示，为电极分别在关断(P＝0mW)以及工作状态(P＝5.5mW)下，两种模式的光场传输图；仿真计算是采用Rsoft软件中三维有限差分光束传播法进行的。(a)图为LP01模式在驱动功率P为0mW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，当电极未工作时，发射到Core 1中的LP01模式的功率被第一个3-dB功率分配器均分，然后在第二个3-dB功率分配器中，两束LP01模式的光合并后从波导2输出端口输出。(b)图为LP11a模式在驱动功率P为0mW时的光场分布模拟图，当电极未工作时，发射到波导1中的LP11a模式的功率被第一个3-dB功率分配器均分，然后在第二个3-dB功率分配器中，两束LP11a模式的光合并后从波导2输出端口输出。(c)图为LP01模式在驱动功率P为5.5mW时的光场分布模拟图，当电极在工作状态下，发射到波导1中的LP01模式的功率被第一个3-dB功率分配器均分，然后在第二个3-dB功率分配器中，两束LP01模式的光合并后从波导1输出端口输出，实现了功率的切换。(d)图为LP11a模式在驱动功率P为5.5mW时的光场分布模拟图，当电极在工作状态下，发射到波导1中的LP11a模式的功率被第一个3-dB功率分配器均分，然后在第二个3-dB功率分配器中，两束LP11a模式的光合并并从波导1输出端口输出，实现了功率的切换。
如图10所示，计算了该基于MZI结构的双模波导热光开关分别在LP01模式以及LP11a模式传输下的透射率与波长的变化关系。(a)图为电极在关断状态(P＝0mW)以及工作状态(P＝5.5mW)下，LP01模式传输的归一化输出功率随波长(1530nm～1565nm)的变化关系曲线，其中，1代表波导1的输出端口，2代表波导2的输出端口；能够看到当电极在关断状态下，即施加到电极的驱动功率P为0mW时，LP01模式的光基本均从波导2输出端口输出，LP01模式在1530nm到1565nm的波长范围从波导2输出端口输出的透射率能够实现在99％以上，且基本不随波长变化。当电极在工作状态下，即施加到电极的驱动功率P为5.5mW时，LP01模式的光基本均从波导1输出端口输出，LP01模式在1530nm到1565nm的波长范围从波导1输出端口输出的透射率能够实现在99％以上以上，且基本不随波长变化。
(b)图为电极在关断状态(P＝0mW)以及工作状态(P＝5.5mW)下，LP11a模式传输的归一化输出功率随波长(1530nm～1565nm)的变化关系曲线，其中，1代表波导1的输出端口，2代表波导2的输出端口；能够看到当电极在关断状态下，即施加到电极的驱动功率P为0mW时，LP11a模式的光基本均从波导2输出端口输出，LP01模式在1530nm到1565nm的波长范围内从波导2输出端口的透射率能够实现90％以上，体现了较弱的波长依赖性。当电极在工作状态下，即施加到电极的驱动功率P为5.5mW时，LP11a模式的光基本均从波导1输出端口输出，LP11a模式在1530nm到1565nm的波长范围内从波导1输出端口的透射率能够实现90％以上，体现了较弱的波长依赖性。
如图11所示，(a)图为基于MZI结构的双模波导热光开关的器件整体照片，在实际制备过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，器件的总长度l为2.71cm(l＝2×a1(a1')+4×a2(a2')+2×L(L')+2×a3(a3')+2×a4(a4')+a5)，耦合区长度(耦合臂5、6、21、22的长度)L和L'为1554.3μm，其中，输入直波导1、2和输出直波导25、26的长度a1和a1’为0.1cm；S弯曲波导3、4、7、8、19、20、23和24在光刻板表面平行于直波导方向上的投影a2和a2’为0.35cm，在垂直于直波导方向上的投影h为30μm；平行直波导9、10、17和18的长度a3和a3’为0.1cm；锥形波导11、12、15和16的水平长度a4和a4’为0.2cm；平行相移器直波导13、14的长度a5为0.2cm，宽度为10.5μm；两段金属电极27和28的长度a6为0.6cm，宽度w1为11μm；输入直波导1、2之间，输出直波导25、26之间的间距l1和l1’为63.3μm；(b)图为基于MZI结构的双模波导热光开关的电极放大的显微镜照片；(c)图为基于MZI结构的双模波导热光开关的波导的扫描电子显微镜(SEM)照片，波导芯层的宽度为8μm，波导的高度为4.5μm，且波导的形貌良好；(d)图为基于MZI结构的双模波导热光开关的耦合区的平面SEM照片，插图为耦合区截面的显微镜照片，两条平行耦合臂之间的耦合间距值l2(l2’)为3.34μm；
如图12所示，为基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式和LP11a模式传输时，在不同驱动功率下两个输出端口的近场输出光斑，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸实际制备了器件，可以看到，当施加给电极的驱动功率为0mW时，发射到波导1中的LP01模式和LP11a模式完全耦合到波导2中，并从波导2的输出端口输出。随着驱动功率的增加，LP01模式和LP11a模式从波导2输出端口输出的功率逐渐减少并过渡到波导1的输出端口。对于LP01模式，实现光斑完全从波导2输出端口到波导1输出端口切换的驱动功率为9.0mW，对于LP11a模式，实现光斑完全从波导2输出端口到波导1输出端口切换的驱动功率为9.0mW，因此认为实现两种模式同时切换的驱动功率为9.0mW。
如图13所示，(a)图为基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式和LP11a模式传输时，波导1端口的归一化输出功率随着驱动功率的变化曲线，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸实际制备了器件，可以看到，对于LP01和LP11a两种模式实现了不敏感的传输；(b)图为基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式和LP11a模式传输时在C波段的消光比曲线，可以看到，在驱动功率的作用下，两种模式传输时在整个C波段的消光比均分别高于17.2dB和16.2dB，在1550nm波长处，两种模式传输的消光比分别达到了17.5dB和17.4dB。
如图14所示，(a)图为基于MZI结构的双模波导热光开关在LP01模式传输下的响应时间曲线，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸实际制备了器件，可以看到，器件的上升时间为1.20ms，下降时间为1.42ms；(b)图为基于MZI结构的双模波导热光开关在LP11a模式传输下的响应时间曲线，可以看到，器件的上升时间为1.34ms，下降时间为1.32ms。
具体实施方式
实施例1
硅衬底29的清洁处理：将硅衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗8分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，用氮气吹干，最后在110℃条件下烘烤1.5小时去除水气。
采用旋涂工艺制备聚合物波导下包层30：采用旋涂工艺将聚合物下包层材料EpoClad(EpoClad的折射率为1.560，EpoCore的折射率为1.572，参见文献：IEEE PhotonicsTechnology Letters,33(3),1-1,2021)，旋涂在清洗干净的硅片衬底29上，旋涂速度控制在2000转/分钟，旋涂的时间为30秒，然后将聚合物下包层薄膜在50℃条件下前烘5分钟，120℃条件下前烘10分钟，待温度自然降至室温以后，对旋涂好的下包层薄膜进行整体曝光(曝光时间为6秒，曝光波长为365nm，曝光强度为40mW/cm2)；然后在90℃条件下后烘15分钟，120℃条件下后烘30分钟，得到厚度为15μm的聚合物下包层30。
采用标准的光刻和湿法刻蚀工艺制备波导芯层33(33')：采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料EpoCore(EpoCore的热光系数为-1.18×10-4K-1，参见文献：Applied Optics,55(5),969-973,2016)旋涂在制备好的聚合物下包层30表面,旋涂速度控制在3500转/分钟，旋涂的时间为30秒，然后将薄膜在65℃条件下前烘10分钟，95℃条件下前烘20分钟，制得厚度为4.5μm的聚合物芯层薄膜31；待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板32紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板32上具有MZI光波导结构图形，且与需要制备的MZI芯层波导结构互补(曝光时间为6秒，曝光波长为365nm，曝光强度为40mW/cm2)；除去波导掩膜板32，在65℃条件下后烘10分钟，95℃条件下后烘20分钟；待温度自然降至室温以后，再在专用显影液中湿法刻蚀30秒，将未受到紫外曝光的聚合物芯层区域去除；然后将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和聚合物芯层材料，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120℃条件下处理30分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层30上制得器件的光波导芯层结构33(33')，波导芯层33的宽度为8μm，相移器波导33'的宽度为10.5μm，波导高度为4.5μm，两条平行耦合臂之间的耦合间距l2(l2’)的值为3.34μm，耦合长度L(耦合臂5、6、21、22的长度)为1554.3μm；
采用旋涂工艺制备聚合物上包层34：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料EpoClad旋涂在光波导芯层33(33')上形成薄膜，旋涂速度为2500转/分钟，旋涂的时间为30秒，然后在50℃条件下前烘5分钟，120℃条件下前烘10分钟；待温度自然降至室温以后，对旋涂好的上包层进行整体曝光(曝光时间为6秒，曝光波长为365nm，曝光强度为40mW/cm2)；然后在90℃条件下处理15分钟，120℃条件下处理30分钟进行后烘，制得厚度为8μm的聚合物上包层34。
采用蒸镀、旋涂、湿法刻蚀工艺制备电极27(28)：在聚合物上包层34上真空蒸镀厚度为100nm的金属薄膜35，再在金属薄膜35上旋涂光刻胶BP212，旋涂速度为3000转/分钟，旋涂的时间为20秒，然后在87℃条件下处理20分钟进行前烘，固化后得到厚度为2μm的光刻胶薄膜36；待温度自然降至室温以后，在光刻机上采用电极掩膜版37(有效加热区b的长度L1为0.6cm，宽度W1为11μm，金属加热电极引脚区的长度L2为1000μm，宽度W2为2000μm，对光刻胶薄膜36进行对版曝光(曝光时间为2秒，曝光波长为365nm，曝光强度为40mW/cm2)；使电极掩膜版37的有效加热区与相移器部分的波导臂对应，电极加热区位于该波导臂的正上方，有效加热区中心线与该波导臂的中心线重合。而后进行电极显影，在质量浓度为5‰的NaOH溶液中湿法刻蚀120秒，将受到紫外曝光的光刻胶区域以及未被光刻胶覆盖的金属区域去除，氮气吹干后在120℃条件下处理20分钟进行后烘；然后将带有光刻胶电极图案和金属电极图案的样片进行整体曝光(曝光时间为2秒，曝光波长为365nm，曝光强度为40mW/cm2)，然后将其放入去胶剂无水乙醇(CH3CH2OH)中去除金属电极图案上方的光刻胶电极图案，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在90℃条件下处理10分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物上包层34上制得器件的两个金属电极结构27和28。
这样便制备出了符合要求的基于MZI结构的双模波导热光开关器件。垂直于光的传输方向(光波导方向)，采用刀片切割解理，通过光传输测试系统对器件的性能进行了表征。利用可调谐激光器将输入光发射到波导1中，然后使用功率计通过10倍物镜测量波导1输出端口和波导2输出端口的输出光功率。同时利用偏振控制器控制输入光的偏振状态，通过红外摄像机获取器件的输出近场图像。当将LP01模式和LP11a模式分别发射到波导1中时，器件在不同驱动功率下输出的近场图像如图12所示。当施加给电极的驱动功率为0mW时，发射到波导1中的LP01模式和LP11a模式完全耦合到波导2中，并从波导2的输出端口输出。随着驱动功率的增加，LP01模式和LP11a模式从波导2输出端口输出的功率逐渐减少并过渡到波导1的输出端口。对于LP01模式，实现光斑完全从波导2输出端口到波导1输出端口切换的驱动功率为9.0mW，对于LP11a模式，实现光斑完全从波导2输出端口到波导1输出端口切换的驱动功率为9.0mW，因此认为实现两种模式同时切换的驱动功率为9.0mW。测试了器件在C波段(1530nm～1565nm)的消光比，如图13(b)所示，在驱动功率的作用下，两种模式传输时在整个C波段的消光比均高于～16.2dB，在1550nm波长处，两种模式传输的消光比分别达到了17.5dB和17.4dB。输入模式分别为LP01模式和LP11a模式时，器件的插损为8.7dB。最后测试了器件的响应时间曲线，对于LP01模式，器件的上升时间为1.20ms，下降时间为1.42ms；对于LP11a模式，器件的上升时间为1.34ms，下降时间为1.32ms。
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，并可以利用不同波导材料，如氮化硅、铌酸锂、硅、电光聚合物等其他波导材料。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意义得到的，都属于本专利所要保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于MZI结构的双模波导热光开关，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由结构和尺寸相同的平行输入直波导(1、2)、结构和尺寸相同的S弯曲波导(3、4)、结构和尺寸相同的平行耦合臂波导(5、6)、结构和尺寸相同的S弯曲波导(7、8)、结构和尺寸相同的平行直波导(9、10)、结构和尺寸相同的锥形波导(11、12)、结构和尺寸相同的宽度大于输入直波导的平行相移器直波导(13、14)、结构和尺寸相同的两个锥形波导(15、16)、结构和尺寸相同的平行直波导(17、18)、结构和尺寸相同的S弯曲波导(19、20)、结构和尺寸相同的平行耦合臂波导(21、22)、结构和尺寸相同的S弯曲波导(23、24)、结构和尺寸相同的平行输出直波导(25和26)、结构和尺寸相同的在相移器直波导(13、14)正上方的金属电极(27、28)构成；锥形波导(11、12、15、16)和平行相移器直波导(13、14)共同构成MZI模式不敏感热光开关的相移器；
从下到上，相移器依次由硅片衬底(29)、在硅片衬底(29)上制备的聚合物下包层(30)、在聚合物下包层(30)上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层(33)、在聚合物下包层(30)和光波导芯层(33)上制备的聚合物上包层(34)、在聚合物上包层(34)上制备的两个金属电极(27、28)组成，光波导芯层(33)被包埋在聚合物上包层(34)之中；金属电极(27、28)位于矩型波导结构的光波导芯层(33)的正上方；输入直波导(1、2)、S弯曲波导(3、4、7、8、19、20、23、24)、平行耦合臂波导(5、6、21、22)、锥形波导(11、12、15、16)、平行相移器直波导(13、14)、平行直波导(9、10、17、18)、输出直波导(25、26)依次由硅片衬底(29)、在硅片衬底(29)上制备的聚合物下包层(30)、在聚合物下包层(30)上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层(33')、在聚合物下包层(30)和光波导芯层(33')上制备的聚合物上包层(34)组成，光波导芯层(33')被包埋在聚合物上包层(34)之中。
2.如权利要求1所述的一种基于MZI结构的双模波导热光开关，其特征在于：输入直波导(1、2)和输出直波导(25、26)的长度a1和a1’为0.1～1.5cm；S弯曲波导(3、4、7、8、19、20、23和24)的偏折角度θ为0.5～1.5°，水平长度a2和a2’为0.2～1.0cm；平行耦合臂波导(5、6、21、22)的长度L和L’为0.1～1.5cm，平行直波导(9、10)和平行直波导(17、18)的长度a3和a3’为0.05～0.15cm；锥形波导(11、12、15、16)的水平长度a4和a4’为0.1～0.5cm，平行相移器直波导(13、14)的长度a5为0.2～1cm，宽度为8～20μm；金属电极(27、28)的长度a6为0.2～1cm，宽度w1为10～15μm；输入直波导(1、2)之间、输出直波导(25、26)之间的间距l1和l1’为50～200μm，平行耦合臂波导(5、6)之间、平行耦合臂波导(21、22)之间的耦合间距l2和l2’为0.5～10μm；硅片衬底(29)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(30)的厚度为5～15μm，光波导芯层(33、33')的厚度为2～8μm；平行相移器直波导(13、14)的宽度为8～20μm，其余波导的宽度为2～15μm；位于光波导芯层(33、33')上方的聚合物上包层(34)的厚度为5～15μm，金属电极(27、28)的厚度为20～200nm。
3.如权利要求2所述的一种基于MZI结构的双模波导热光开关，其特征在于：S弯曲波导(7、8)、S弯曲波导(19、20)和S弯曲波导(23、24)的结构与尺寸相同，为相同的余弦型函数曲线波导，曲线方程为y＝(1-cosπa2/L)·h，其中x为余弦型函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦型函数曲线沿垂直波导方向的坐标，h＝[l1(l1')-l2(l2')]/2为余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影；a2＝0.2～1.0cm为余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影。
4.如权利要求1所述的一种基于MZI结构的双模波导热光开关，其特征在于：聚合物下包层材料和聚合物上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad，聚合物芯层为SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore或EpoClad，聚合物芯层材料的折射率高于聚合物上、下包层材料的折射率。
5.权利要求1～4任何一项所述的一种基于MZI结构的双模波导热光开关的制备方法，其步骤如下：
A：硅片衬底的清洁处理
将硅片衬底(29)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，再在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；
B：聚合物下包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底(29)上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，旋涂的时间为10-100秒，然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟、90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行前烘；待温度自然降至室温以后，对旋涂好的下包层进行整体曝光，曝光时间为4～300秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；再在50℃～100℃条件下处理5～30分钟、90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行后烘，制备得到聚合物下包层(30)；
C：器件光波导芯层的制备
采用旋涂工艺将聚合物芯层材料旋涂在制备好的聚合物下包层(30)表面，旋涂速度为3000～5000转/分钟，旋涂的时间为10-100秒；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行前烘，制得聚合物芯层(31)；待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板(32)紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，曝光时间为4～50秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；曝光完成后除去波导掩膜板(32)，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温以后，再在与光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将未曝光的MZI芯层结构以外区域的光刻胶去除；然后放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和聚合物芯层材料，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，从而在聚合物下包层(30)上制得矩型波导结构的光波导芯层(33、33')；
D：聚合物上包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在光波导芯层(33、33')上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，旋涂的时间为10-100秒，然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟、90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行前烘；待温度自然降至室温以后，对旋涂好的上包层进行整体曝光，曝光时间为4～300秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟，90℃～150℃条件下处理10～30分钟进行后烘，从而在光波导芯层上制备得到厚度为5～15μm的聚合物上包层(34)，聚合物上包层(34)完全覆盖光波导芯层(33、33')；
D：金属电极的制备
在聚合物上包层(34)上真空蒸镀厚度为20～200nm的金属薄膜(35)，再在金属薄膜(35)上旋涂光刻胶，旋涂速度为2000～6000转/分钟，旋涂的时间为10～100秒，然后在50℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，固化后得到厚度为1～10μm的光刻胶薄膜(36)；待温度自然降至室温以后，在光刻机上采用电极掩膜版(37)对光刻胶薄膜(36)进行对版曝光，曝光时间为2～20秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；电极掩膜版为三段式结构，由有效加热区(b)、输入和输出区(c)、金属加热电极引脚区(d)三部分组成，其中输入和输出区(c)、金属加热电极引脚区(d)均有二个，金属加热电极引脚区、输入区、有效加热区、输出区、金属加热电极引脚区依次连接；二个输入和输出区(c)在有效加热区(b)的同侧，有效加热区(b)的长度L1为0.2～5cm、宽度W1为10～50μm；金属加热电极引脚区(d)的长度L2为500～1500μm，宽度W2为2000～5000μm；使电极掩膜版(37)的有效加热区(b)与相移器波导的波导臂对应，电极加热区位于该波导臂的正上方，有效加热区中心线与该波导臂的中心线重合；而后进行电极显影，在光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～180秒，将受到紫外曝光的光刻胶区域以及未被光刻胶覆盖的金属区域去除，氮气吹干后在120～150℃条件下处理10～30分钟进行后烘；然后将带有光刻胶电极图案和金属电极图案的样片进行整体曝光，曝光时间为2～20秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2，然后将其放入去胶剂中去除金属电极图案上方的光刻胶电极图案，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在90～120℃条件下处理10～30分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物上包层(34)上制得器件的金属电极结构(27、28)，从而制备得到基于MZI结构的双模波导热光开关器件。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115308847A (zh) * 2022-07-11 2022-11-08 宁波大学 一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110082001A (zh) * 2019-06-12 2019-08-02 吉林大学 一种基于加载条形结构的非对称mzi光波导温度传感器及其制备方法
CN111175898A (zh) * 2020-01-30 2020-05-19 吉林大学 二氧化硅-聚合物三维mzi波导热光开关及其制备方法
CN112904470A (zh) * 2019-11-15 2021-06-04 吉林大学 石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的偏振器及其制备方法
CN113050222A (zh) * 2021-04-16 2021-06-29 吉林大学 一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器
CN113296292A (zh) * 2021-05-14 2021-08-24 吉林大学 一种有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110082001A (zh) * 2019-06-12 2019-08-02 吉林大学 一种基于加载条形结构的非对称mzi光波导温度传感器及其制备方法
CN112904470A (zh) * 2019-11-15 2021-06-04 吉林大学 石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的偏振器及其制备方法
CN111175898A (zh) * 2020-01-30 2020-05-19 吉林大学 二氧化硅-聚合物三维mzi波导热光开关及其制备方法
CN113050222A (zh) * 2021-04-16 2021-06-29 吉林大学 一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器
CN113296292A (zh) * 2021-05-14 2021-08-24 吉林大学 一种有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王力磊;张大明;廉天航;杨凯迪;王菲;王希斌;: "基于定向耦合结构的聚合物波导热光模式开关研究", 中国激光, no. 07 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115308847A (zh) * 2022-07-11 2022-11-08 宁波大学 一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关
CN115308847B (zh) * 2022-07-11 2023-10-24 宁波大学 一种基于相变材料的双模干涉2×2光波导开关

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