CN114355508A - 一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器，属于平面光波导器件技术领域。整个器件基于定向耦合型光波导结构，从左到右依次由平行输入直波导、S弯曲波导、平行直波导耦合臂，S弯曲波导，平行输出直波导构成；从下到上依次由硅片衬底、在硅片衬底上制备的聚合物下包层、在聚合物下包层上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层、在聚合物下包层和光波导芯层上制备的聚合物上包层(16)组成，光波导芯层被包埋在聚合物上包层之中；光波导芯层的折射率大于聚合物下包层和聚合物上包层的折射率。相比于传统的单模传输的功率分配器，本发明功率分配器扩展了传输信息容量，且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。
Description
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、以聚合物材料作为芯层和包层的基于定向耦合结构的少模波导功率分配器及其制备方法，该器件在光学信息处理、光通信等领域具有重要的应用价值和发展前景。
背景技术
几十年来，光通信技术已经取得了长足的进步，单根光纤的容量正逐渐接近香农极限。幸运的是，模分复用(MDM)技术为光通信系统提供了一个新的维度，并且近年来，它被认为是利用少模波导的高阶模式来扩展片上带宽的潜在选择。MDM技术使用不同的模式作为独立的信号载体来传输信号，从而提供新的维度来扩展单个波长信道中的容量。包括模式(解)复用器、模式光开关以及少模光栅耦合器等在内的许多关键元件都已经被证实可以实现片上MDM系统。与单模光通信系统一样，在未来的MDM光网络中，光功率分配器也是一个十分重要的元件，它可以减轻处理庞大且种类繁多的信息时的复杂性和网络负担，因此研究用于少模信号的功率分配器是十分有意义的。然而，目前的光功率分配器只能实现对基模信号的功率分配，当高阶模式存在时，由于各个模式的有效折射率不同，高阶模式的耦合比较复杂，很难同时操纵所有的传输模式。因此，亟需开发出一种可以对多个模式同时实现功率分配的光功率分配器。
与光纤型光功率分配器相比，平面光波导光功率分配器具有波长依赖性小、分光均匀、器件尺寸小、易于集成、稳定性较好等优点。目前，用于制备平面光波导器件的材料主要有无机材料和有机聚合物材料两种，与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单、抗电磁干扰能力强等优点，而且具有和光纤接近的低折射率，与光纤耦合效率高；在器件制备方面，与半导体工艺相兼容，只需要一些常用的半导体设备和常规制备工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率高，适合批量生产可实际应用的平面光波导功率分配器。
在平面光波导器件的结构中，定向耦合器是一种最基本的器件结构，且结构设计和实现工艺简单，也是最易于实现的波导耦合方案，在光通信领域具有重要的应用价值。其工作原理是对于两个波导相邻较近时，且波导间传输模式的有效折射率较为接近，则模式间发生耦合。然而，目前的定向耦合器多数用于基模信号之间或者基于与高阶模之间的耦合，对模式具有一定的敏感性。
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、以聚合物材料作为芯层和包层的基于定向耦合结构的少模波导功率分配器及其制备方法。
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、加工性强和价格低廉的优势。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，一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器，其特征在于：整个器件基于定向耦合型光波导结构，从左到右，依次由结构与尺寸相同的平行输入直波导1和2，结构与尺寸相同的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，且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-cosπx/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＝(a3-a4)/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；L＝1～30mm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)，结构与尺寸相同的平行直波导耦合臂5和6(平行直波导耦合臂5和6共同构成定向耦合器的两条耦合臂，即耦合区)，结构与尺寸相同的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，余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影h'＝(a3-a4)/2；余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影L'＝1～30mm)，结构与尺寸相同的平行输出直波导9和10构成，输入直波导1、2和输出直波导9、10的长度a1和a1’(考虑器件的实际解理情况，a1和a1’可以相等，也可以不相等)为0.5～1.5cm，平行直波导耦合臂5和6的长度a2相等为0.1～1.5cm，平行输入直波导1和2之间以及平行输出直波导9和10之间的间距a3为50～200μm，平行直波导耦合臂5和6之间的耦合间距a4为0.5～10μm；
如附图2所示(为图1中A-A’位置的截面图)，一种基于定向耦合器结构的少模波导功率分配器，其特征在于：从下到上，输入直波导1和2、输出直波导9和10、S弯曲波导3和4及7和8、平行直波导耦合臂5和6，依次由硅片衬底11、在硅片衬底11上制备的聚合物下包层12、在聚合物下包层12上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层15、在聚合物下包层12和光波导芯层15上制备的聚合物上包层16组成，光波导芯层15被包埋在聚合物上包层16之中，光波导芯层15的折射率大于聚合物下包层12和聚合物上包层16的折射率。
硅片衬底11的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层12的厚度为5～15μm，光波导芯层15的厚度为2～8μm，单个波导宽度为2～15μm，光波导芯层15之上的聚合物上包层16的厚度为5～15μm；
本发明所述的基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的制备方法，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
将厚度为0.5～1mm的硅片衬底11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11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(当选取包层材料为紫外负性光刻胶时需要进行整体曝光，当选取紫外正性光刻胶时则不需要整体曝光这一步骤)，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，制得厚度为5～15μm的聚合物下包层12；
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，其中，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)旋涂在制备好的聚合物下包层12表面，旋涂速度为1500～5000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的聚合物芯层薄膜13；待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板14紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的芯层结构互补，曝光时间为4～50秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；除去波导掩膜板14，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，再在与光刻胶相对应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将未曝光的芯层结构之外区域的聚合物芯层薄膜13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120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，从而在聚合物下包层12上制得两个矩型波导结构的光波导芯层15，光波导芯层15的截面尺寸为(2～15)μm×(2～8)μm；
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15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(当选取包层材料为紫外负性光刻胶时需要进行整体曝光，当选取紫外正性光刻胶时则不需要整体曝光这一步骤)，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，制得厚度为5～15μm的聚合物上包层16，聚合物上包层16完全覆盖光波导芯层，从而制备得到本发明所述的一种基于定向耦合器结构的少模波导功率分配器。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于定向耦合器结构的少模波导功率分配器，相比于传统的单模传输的功率分配器，扩展了传输信息容量，且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，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功率分配器，并且通过优化设计波导的尺寸、耦合区的耦合长度以及水平耦合间距，可以实现基于不同波导材料、不同结构的少模波导功率分配器，以及可轻松拓展到更多种模式的功率分配器。
附图说明
图1：本发明所述的基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的结构示意图；
图2：图1中A-A’位置的横截面示意图；
图3：基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的制备工艺流程图；
图4(a)：双模波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图；
图4(b)：双模波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图；
图5(a)：三模波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图；
图5(b)：三模波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图；
图5(c)：三模波导中支持的LP11b模式的光场分布模拟图；
图6：基于定向耦合结构的双模波导功率分配器在不同耦合间距下输出端口的归一化输出功率随着耦合长度a2的变化关系曲线；图6(a)的耦合间距为3μm，图6(b)的耦合间距为4μm，图6(c)的耦合间距为3.5μm，图6(d)的耦合间距为3.34μm；
图7：基于定向耦合结构的三模波导功率分配器在不同耦合间距下输出端口的归一化输出功率随着耦合长度a2的变化关系曲线；图7(a)的耦合间距为2μm，图7(b)的耦合间距为2.5μm，图7(c)的耦合间距为2.1μm，图7(d)的耦合间距为2.06μm；
图8：基于定向耦合结构的双模波导功率分配器中支持的LP01模式和LP11a模式的光场传输模拟图；
图9：基于定向耦合结构的三模波导功率分配器中支持的LP01模式、LP11a模式和LP11b模式的光场传输模拟图；
图10：基于定向耦合结构的双模波导功率分配器中在LP01模式和LP11a模式分别传输时，两个输出端口的输出功率随波长(1530nm～1565nm)变化的理论关系曲线；
图11：基于定向耦合结构的三模波导功率分配器中在LP01模式、LP11a模式和LP11b模式分别传输时，两个输出端口的输出功率随波长(1530nm～1565nm)变化的理论关系曲线；
图12(a)：基于定向耦合结构的聚合物双模波导功率分配器的耦合区横截面显微镜照片；
图12(b)：基于定向耦合结构的聚合物双模波导功率分配器的耦合区波导显微镜照片；
图13(a)：基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器的耦合区横截面显微镜照片；
图13(b)：基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器的耦合区波导显微镜照片；
图14(a)：基于定向耦合结构的聚合物双模波导功率分配器在LP01模式传输的近场输出光斑；
图14(b)：基于定向耦合结构的聚合物双模波导功率分配器在LP11a模式传输的近场输出光斑；
图15(a)：基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器在LP01模式传输的近场输出光斑；
图15(b)：基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器在LP11a模式传输的近场输出光斑；
图15(c)：基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器在LP11b模式传输的近场输出光斑；
如图1所示，基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的结构示意图，各部件的名称为：平行输入直波导1和2，S弯曲波导3和4，两条平行的直波导耦合臂5和6，S弯曲波导7、8和平行输出直波导9和10。
如图2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11，聚合物下包层12，矩形波导结构的光波导芯层15，聚合物上包层16。
如图3所示，为定向耦合结构的少模波导功率分配器的制备工艺流程图，图中的11为硅衬底，12为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导下包层，13为通过旋涂工艺制备的聚合物芯层薄膜，14为进行对版光刻制备光波导芯层的波导掩膜板，15为基于有机聚合物材料的光波导芯层，16为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导上包层。
如图4所示，(a)图为双模功率分配器的波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图，(b)图为双模功率分配器的波导中支持的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，且实施例1中所选择的波导尺寸中只存在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5所示，(a)图为三模功率分配器的波导中支持的LP01模式的光场分布模拟图，(b)图为三模功率分配器的波导中支持的LP11a模式的光场分布模拟图，(c)图为三模功率分配器的波导中支持的LP11b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2中所选用的材料和波导尺寸，从三幅模拟图中可以明显看出，三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2中所选择的波导尺寸中只存在LP01、LP11a和LP11b三种模式，不存在其他高阶模式，进而可以保证光信号在波导中有效进行传输。
如图6所示，为基于定向耦合结构的双模波导功率分配器在两种模式分别发射到输入波导1中时，不同耦合间距值下输出波导的归一化输出功率随着耦合长度a2的变化关系曲线，其中，1代表输入波导1的输出端口，2代表输入波导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a2随着耦合间距的值a4的变化而逐渐接近。当耦合间距a4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a2为1554.3μm。
如图7所示，为基于定向耦合结构的三模波导功率分配器在三种模式分别发射到输入波导1中时，不同耦合间距下输出波导的归一化输出功率随着耦合长度a2的变化关系曲线，其中，1代表输入波导1的输出端口，2代表输入波导2的输出端口。在采取了同样的仿真计算方法，经过大量密集的数值模拟过程后，对于LP01模式、LP11a模式和LP11b模式的传输，实现两个输出端口功率均等的耦合长度a2随着耦合间距值a4的变化而逐渐接近。当耦合间距a4值在2.06μm时，三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a2为9331μm。
如图8所示，为基于定向耦合结构的双模波导功率分配器在LP01模式和LP11a模式分别发射到输入波导1中的光场传输图。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。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，当耦合长度a2为1554.3μm时，输入的LP01模式，在两个输出端口实现了0.5：0.5的功率分配比；输入的LP11a模式，在两个输出端口实现了0.5：0.5的功率分配比；
如图9所示，为基于定向耦合结构的三模波导功率分配器在LP01模式、LP11a模式和LP11b模式分别发射到输入波导1中的光场传输图。仿真计算同样是采用Rsoft软件中三维有限差分光束传播法进行的。在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，当耦合长度a2为9331μm时，输入的LP01模式，在两个输出端口实现了0.5：0.5的功率分配比；输入的LP11a模式，在两个输出端口实现了0.49：0.51的功率分配比；输入的LP11b模式，在两个输出端口实现了0.5：0.5的功率分配比；
如图10所示，为基于定向耦合结构的双模波导功率分配器在LP01模式和LP11a模式分别传输时，两个输出端口的输出功率随波长(1530nm～1565nm)变化的理论关系曲线，其中，1代表输入波导1的输出端口，2代表输入波导2的输出端口；能够看到在波长为1550nm时，LP01模式和LP11a模式的光实现了从波导1和波导2的输出端口等功率输出；
如图11所示，为基于定向耦合结构的三模波导功率分配器在LP01模式、LP11a模式和LP11b模式分别传输时，两个输出端口的输出功率随波长(1530nm～1565nm)变化的理论关系曲线，其中，1代表输入波导1的输出端口，2代表输入波导2的输出端口；能够看到在波长为1550nm时，LP01模式、LP11a模式和LP11b模式的光实现了从波导1和波导2的输出端口等功率输出；
如图12所示，(a)图为基于定向耦合结构的双模波导功率分配器的波导的显微镜照片，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，波导的宽度为8μm，高度为4.5μm；(b)图为基于定向耦合结构的双模波导功率分配器的耦合区的显微镜照片，两条平行耦合臂之间的耦合间距值为3.34μm；
如图13所示，(a)图为基于定向耦合结构的三模波导功率分配器的波导的显微镜照片，在实际制备过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，波导的宽度为9μm，高度为7μm；(b)图为基于定向耦合结构的三模波导功率分配器的耦合区的显微镜照片，两条平行耦合臂之间的耦合间距值为2.06μm；
如图14所示，(a)图为基于定向耦合结构的聚合物双模波导功率分配器在LP01模式传输的近场输出光斑，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制备了双模波导功率分配器。可以看到，从波导1输入的LP01模式，在两个输出端口实现了几乎等功率的输出；(b)图为基于定向耦合结构的聚合物双模波导功率分配器在LP11a模式传输的近场输出光斑。可以看到，从波导1输入的LP11a模式，在两个输出端口实现了几乎等功率的输出；
如图15所示，(a)图为基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器在LP01模式传输的近场输出光斑，在实际制备过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸制备了三模波导功率分配器。可以看到，从波导1输入的LP01模式，在两个输出端口实现了几乎等功率的输出；(b)图为基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器在LP11a模式传输的近场输出光斑，可以看到，从波导1输入的LP11a模式，在两个输出端口实现了几乎等功率的输出；(c)图为基于定向耦合结构的聚合物三模波导功率分配器在LP11b模式传输的近场输出光斑，可以看到，从波导1输入的LP11b模式，在两个输出端口实现了几乎等功率的输出；
具体实施方式
实施例1
硅衬底11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12：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11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12。
采用标准的光刻和湿法刻蚀工艺制备波导芯层15：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：AppliedOptics,55(5),969-973,2016)旋涂在制备好的聚合物下包层12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，待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板14紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板14上具有定向耦合结构的光波导图形，且与需要制备的基于定向耦合结构的芯层波导互补(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14，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12上制得器件的光波导芯层结构15，波导芯层15的宽度为8μm，高度为4.5μm；
采用旋涂工艺制备聚合物上包层16：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料EpoClad旋涂在光波导芯层15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16。
这样便制备出了符合要求的基于定向耦合结构的双模波导功率分配器。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1550nm的输入光发射到波导1中，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，捕获到的近场输出光斑如图14所示，可以看到，从波导1输入的LP01模式和LP11a模式，在两个输出端口均实现了良好的分光效果，实现了功率分配的目的。
实施例2
硅衬底11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12：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11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12。
采用标准的光刻和湿法刻蚀工艺制备波导芯层15：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：AppliedOptics,55(5),969-973,2016)旋涂在制备好的聚合物下包层12表面,旋涂速度控制在2000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，待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板14紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板14上具有定向耦合结构的光波导图形，且与需要制备的基于定向耦合结构的芯层波导互补(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14，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12上制得器件的光波导芯层结构15，波导芯层15的宽度为9μm，高度为7μm；
采用旋涂工艺制备聚合物上包层16：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料EpoClad旋涂在光波导芯层15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16。
这样便制备出了符合要求的基于定向耦合结构的三模波导功率分配器。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1550nm的输入光发射到波导1中，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、LP11a模式和LP11b模式分别发射到波导1中时，捕获到的近场输出光斑如图15所示，可以看到，从波导1输入的LP01模式、LP11a模式和LP11b模式，在两个输出端口均实现了良好的分光效果，实现了功率分配的目的。
未来通过优化设计波导的尺寸、耦合区的耦合长度以及水平耦合间距，可以实现基于不同材料、不同结构的少模功率分配器，以及拓展到更多种模式的少模功率分配器。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，并可以利用不同波导材料，如氮化硅、铌酸锂、硅等其他波导材料。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)
1.一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器，其特征在于：整个器件基于定向耦合型光波导结构，从左到右依次由结构与尺寸相同的平行输入直波导(1和2)、结构与尺寸相同的S弯曲波导(3和4)、结构与尺寸相同的平行直波导耦合臂(5和6)，结构与尺寸相同的S弯曲波导(7和8)，结构与尺寸相同的平行输出直波导(9和10)构成；从下到上输入直波导(1和2)、输出直波导(9和10)、S弯曲波导(3、4、7和8)、平行直波导耦合臂(5和6)，依次由硅片衬底(11)、在硅片衬底(11)上制备的聚合物下包层(12)、在聚合物下包层(12)上制备的两个矩型波导结构的光波导芯层(15)、在聚合物下包层(12)和光波导芯层(15)上制备的聚合物上包层(16)组成，光波导芯层(15)被包埋在聚合物上包层16之中；光波导芯层(15)的折射率大于聚合物下包层(12)和聚合物上包层(16)的折射率。
2.如权利要求1所述的一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器，其特征在于：输入直波导(1和2)和输出直波导(9和10)的长度a1和a1’为0.5～1.5cm，平行直波导耦合臂(5和6)的长度a2相等为0.1～1.5cm，平行输入直波导(1和2)之间以及平行输出直波导(9和10)之间的间距a3为50～200μm，平行直波导耦合臂(5和6)之间的耦合间距a4为0.5～10μm；硅片衬底(11)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(12)的厚度为5～15μm，光波导芯层(15)的厚度为2～8μm，单个波导宽度为2～15μm，光波导芯层(15)之上的聚合物上包层(16)的厚度为5～15μm。
3.如权利要求1所述的一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器，其特征在于：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，为相同的余弦型函数曲线波导，曲线方程为y＝(1-cosπx/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＝(a3-a4)/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；L＝1～30mm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.权利要求1～3任何一项所述的一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的制备方法，其步骤为：
A：硅片衬底的清洁处理
将硅片衬底(11)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(11)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，如需要的话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；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，制得聚合物下包层(12)；
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旋涂在制备好的聚合物下包层(12)表面，旋涂速度为1500～5000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的聚合物芯层薄膜(13)；待温度自然降至室温以后，在光刻机上将其与波导掩膜板(14)紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的芯层结构互补，曝光时间为4～50秒，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；除去波导掩膜板(14)，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，再在与光刻胶相对应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将未曝光的芯层结构之外区域的聚合物芯层薄膜(13)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120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，从而在聚合物下包层(12)上制得两个矩型波导结构的光波导芯层(15)；
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15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，如需要的话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，制得聚合物上包层(16)，聚合物上包层(16)完全覆盖光波导芯层，从而制备得到基于定向耦合器结构的少模波导功率分配器。
5.如权利要求4所述的一种基于定向耦合结构的少模波导功率分配器的制备方法，其特征在于：聚合物下包层和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，聚合物芯层材料是SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore或EpoClad。
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| CN114355508B (zh) | 2023-12-05 |
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