CN114578478A - 一种带有功率均衡作用的波分复用系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有功率均衡作用的波分复用系统及其制备方法，属于二氧化硅/聚合物混合波导光集成芯片技术领域。由集成在同一个芯片之上的多通道波分复用器和可变光衰减器阵列组成，宽谱光源耦合进入波分复用器，通过波分复用器的分波作用，将不同波长的光分入不同的通道，再进入不同的可变光衰减器当中；由于波分复用器通道间功率不平衡，通过调谐可变光衰减器，进而能够实现输出信道的功率均衡。本发明所述的带有功率均衡作用的波分复用系统采用二氧化硅/聚合物混合波导PLC技术，利用二氧化硅下包层散热好、损耗低和聚合物芯层与聚合物上包层的热光系数大的优点，降低系统功耗。本发明非常适用于光通信、光计算等领域，具有很强的应用前景。

Description

一种带有功率均衡作用的波分复用系统及其制备方法
技术领域
本发明属于二氧化硅/聚合物混合波导光集成芯片技术领域，具体涉及一种带有功率均衡作用的波分复用系统及其制备方法。
背景技术
平板光波导器件(Planar Lightwave Circuit,PLC)因为其工艺与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容，易于实现小型化、集成化的多功能光子集成芯片，得到了科研单位、高校的广泛研究，并占据了一定的市场。使用聚合物材料制备的聚合物PLC器件，具有制备工艺简单、成本低、损耗低、与光纤耦合效率高的优点，特别是聚合物材料的热光系数比二氧化硅高出一个数量级，非常适合制备低功耗的热光器件，在光通信、集成光学等领域有着的巨大的应用潜力。
在光网络中，通过波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)的方式可以极大的提高通信容量，在系统应用时，由于器件性能、连接方式等诸多原因，会导致系统信道功率不平衡的问题，最终可能会导致下面三方面的问题：
1.接收能量不平衡，最终会导致能量波动超过接受器所允许的动态范围；
2.累积的信噪比(Signal Noise Rate,SNR)的不平衡会导致对于一定波长的误码率(Bite Error Rate,BER)的增加；
3.由于增益的不足，最小信道的信号强度可能会低于接收器的灵敏度，导致接收器无法探测到信号。
可变光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)是用来均衡控制节点中各个波长信道的光功率值的首选方案。而随着WDM系统通道数增加，连接的VOA个数也会增加，覆盖的波长会变得更多，信道见的功率不均衡也会随之变大，为了降低设计、制造成本，具有功率均衡功能的WDM系统亟待开发。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种带有功率均衡作用的波分复用系统及其制备方法。本发明所述的带有功率均衡作用的波分复用系统由集成在同一个芯片之上的多通道波分复用器和可变光衰减器阵列组成，宽谱光源耦合进入波分复用器，通过波分复用器的分波作用，将不同波长的光(波长1、波长2、……波长n)分入不同的通道，再进入不同的可变光衰减器当中；波分复用器通道间功率不平衡，通过调谐可变光衰减器，能够实现输出信道的功率均衡。本发明所述的带有功率均衡作用的波分复用系统采用二氧化硅/聚合物混合波导PLC技术，利用二氧化硅下包层散热好、损耗低和聚合物芯层与聚合物上包层的热光系数大的优点，降低系统功耗。本发明所述系统具有集成度高、制备工艺简单、成本极低、功耗低、响应速度快等优点，非常适用于光通信、光计算等领域，具有广阔的应用前景。
本发明所述的带有功率均衡作用的波分复用系统，由多通道波分复用器和可变光衰减器阵列两部分组成；多通道波分复用器采用易于实现片上集成的阵列波导光栅(ArrayWaveguide Grating,AWG)结构，信道数在4～512个之间可调，信道间波长间隔也可以根据需求调整，常见的波长间隔包括0.8nm、1.6nm、20nm等。可变光衰减器阵列的单元结构为马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)结构；如图3所示，MZI结构由3dB分束器(100)、第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)、第一调制臂波导(300)、第二调制臂波导(301)和3dB合束器(400)组成；第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)为结构和尺寸相同的S型弯曲波导，第一调制臂波导(300)和第二调制臂波导(301)的结构及尺寸相同；3dB分束器(100)和3dB合束器(400)的结构和尺寸相同，使用方式相反；第一连接波导(200)、第一调制臂波导(300)和第三连接波导(202)顺次连接，并接入在3dB分束器(100)和3dB合束器(400)之间；第二连接波导(201)、第二调制臂波导(301)和第四连接波导(203)顺次连接，并接入在3dB分束器(100)和3dB合束器(400)之间；3dB分束器(100)将来自AWG型波分复用器的一束输入光分为功率均等的两路光，分别进入第一连接波导(200)和第二连接波导(201)，然后分别进入第一调制臂波导(300)和第二调制臂波导(301)中，再分别经过第三连接波导(202)和第四连接波导(203)进入3dB合束器(400)，进而将两束光合束；在第一调制臂波导(300)的正上方设置有金属电极(5)，通过改变加载在金属电极(5)上的电功率对第一调制臂波导(300)进行加热，由于聚合物的热光效应，折射率随温度升高发生变化，经过第一调制臂波导(300)的光会引入附加相位，在经过3dB合束器(400)合束后输出光的光强也会发生变化，实现对该路光的光衰减的功能，进而实现整个波分复用系统输出信道的功率均衡。
本发明所述的第一调制臂波导(300)，从下至上依次由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成；其余部分的各个波导，从下至上依次由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)组成；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，光在聚合物芯层(3)中传输。
所述的聚合物芯层(3)材料为具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-82002、SU-82005、EpoCore等；聚合物上包层(4)材料可以选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等；聚合物上包层(4)的折射率低于聚合物芯层(3)。所述的金属电极(5)的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。
本发明所述的一种带有功率均衡作用的波分复用系统的制备方法，其步骤如下：
1)在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的SiO2下包层(2)；
2)使用真空匀胶机在SiO2下包层(2)上旋涂聚合物芯层薄膜，前烘处理后自然降温固化；
3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版Ⅰ上与需要制备的功率均衡作用的波分复用系统聚合物芯层(3)结构相同(聚合物芯层为正性光刻胶)或互补(聚合物芯层为负性光刻胶)的图形转移到聚合物芯层薄膜上，制备得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)的厚度为2～5μm，宽度为2～5μm；
4)使用真空匀胶机在聚合物芯层(3)上旋涂厚度为5～10μm的聚合物上包层(4)，其中聚合物芯层(3)上方的聚合物上包层(4)的厚度为2～7μm，烘烤处理后自然降温固化；
5)在聚合物上包层(4)上蒸镀一层厚度为50～400nm的金属薄膜；
6)使用真空匀胶机在金属薄膜上旋涂一层光刻胶层，前烘处理后自然降温固化；
7)通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的与金属电极结构相同(光刻胶层为正性光刻胶)或互补(光刻胶层为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层上，显影后坚膜，自然降温；
8)用与金属对应的腐蚀液腐蚀金属电极结构之外的金属薄膜，得到金属电极(5)，最后除去金属电极上剩余的光刻胶层；金属电极(5)位于第一调制臂波导(300)的正上方，金属电极中心与聚合物芯层(3)中心对齐，金属电极长度和第一调制臂波导(300)的长度相等，其宽度大于第一调制臂波导(300)的宽度，制备得到本发明所述的带有功率均衡作用的波分复用系统。
与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
1.带有功率均衡作用的波分复用系统，将波分复用器和可变光衰减器阵列集成在同一片芯片之上，提高了器件的集成度，提高了制备效率，降低了制备成本，提高了系统稳定性；
2.带有功率均衡作用的波分复用系统为有机无机复合波导结构，以二氧化硅为下包层，降低了器件损耗，提高了器件的响应速度；以聚合物材料为芯层，热光系数大，芯包折射率差大，可以实现更紧凑的端面尺寸、弯曲半径，满足制备大规模、低功耗、快速的集成光子芯片的条件；
3.带有功率均衡作用的波分复用系统为有机无机复合波导结构，通过简单的接触式曝光即可完成器件的制备，所需要加工成本极低；
4.可变光衰减器阵列的单元采用了大工作带宽的结构，其结构紧凑，消光比大，工作带宽大，适合与多通道波分复用器级联，实现带有功率均衡作用的波分复用系统。
综上所述，本发明提出的带有功率均衡作用的波分复用系统具有工作带宽大、损耗低、结构紧凑、低功耗、响应速度快、消光比大、制备工艺简单、成本低等优点，在光通信、光计算、光子集成领域，具有着广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明所述波分复用系统的结构示意图；
图2：本发明所述波分复用系统波导结构的截面示意图；
图3：本发明所述波分复用系统中可变光衰减器阵列的单元结构示意图；
图4：本发明所述波分复用系统中可变光衰减器阵列的单元结构中3dB分束器/合束器的结构示意图；
图5：本发明所述波分复用系统的制备工艺流程图；
图6：本发明所述波分复用系统中可变光衰减器阵列的单元结构透射光强随施加电功率变化的关系曲线；
图7：本发明所述波分复用系统中可变光衰减器阵列的单元结构工作在0.00mW和8.72mW电功率下的整个O-Band光谱图；
图8：本发明所述波分复用系统中可变光衰减器阵列的单元结构的速度响应归一化曲线；(a)为施加的驱动电压曲线，(b)为探测得到的光电压曲线(0～8.72mW)。
图9：本发明所述波分复用系统的显微镜照片；
图10：本发明所述波分复用系统功率均衡前的输出光谱图；
图11：本发明所述波分复用系统功率均衡后的输出光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如附图1所示，波分复用器和可变光衰减器阵列集成在同一个芯片之上，多种波长输入进入波分复用器，通过波分复用器的分波作用，将不同的波长的光分入不同的通道，再进入不同的可变光衰减器当中，由于通道间功率不平衡，通过调谐可变光衰减器，实现输出信道的功率均衡。
如附图2所示，从下至上第一调制臂波导(300)由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成(其余波导的结构相同，只是没有金属电极(5)部分)。所述的SiO2下包层(2)可以采用热氧化法生长、PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)沉积法生长。本实施例中，采用热氧化法生长SiO2下包层，其折射率为1.4456。所述的聚合物芯层(3)可以采用具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-82002、SU-82005、EpoCore等，在本实施例中，采用SU-8 2002材料作为聚合物芯层(3)材料，折射率为1.573。所述的聚合物上包层(4)材料可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等，在本实施例中，采用PMMA材料作为聚合物上包层，折射率为1.483。所述的金属电极(5)的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金，在本实施例中，采用铝作为金属电极。为了降低波导内模式串扰与偏振相关损耗，同时降低工艺难度，本实施例中，二氧化硅下包层(2)的厚度为15μm，聚合物芯层(3)的厚度为3μm，二氧化硅下包层(2)上方的聚合物上包层(4)的厚度为7μm，聚合物芯层(3)上方聚合物上包层(4)的厚度为4μm；除第一楔型波导(102)、多模干涉波导(103)、第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)外，其余波导中聚合物芯层(3)的宽度均为3μm。
如附图3所示，本发明所述波分复用系统中可变光衰减器阵列的MZI结构包括3dB分束器(100)、第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)、第一调制臂波导(300)、第二调制臂波导(301)和3dB合束器(400)组成；其中第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)均为曲率半径为1500μm的S型弯曲波导；其中第一调制臂波导(300)、第二调制臂波导(301)长度相同，均为2000μm，聚合物芯层(3)为3μm×3μm的方型结构；3dB分束器(100)将来自AWG型波分复用器的一束输入光分为功率均等的两路光，分别进入第一连接波导(200)和第二连接波导(201)，然后分别进入第一调制臂波导(300)和第二调制臂波导(301)中，再分别经过第三连接波导(202)和第四连接波导(203)进入3dB合束器(400)，进而将两束光合束。
如附图4所示，所述的3dB分束器(100)和3dB合束器(400)为结构和尺寸相同的器件，使用的方式相反，为1×2的多模干涉器结构。在本实施例中，3dB分束器(100)和3dB合束器(400)采用MMI结构，由第一直波导(101)、第一楔型波导(102)、多模干涉波导(103)、第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)组成；第一直波导(101)中聚合物芯层(3)的宽度为3μm，长度为100μm；第一楔型波导(102)、第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)的结构和尺寸相同，其聚合物芯层(3)的长度为Ltaper＝6μm、宽度由W1＝3μm线性变化拓宽到W2＝4.5μm；沿光的输入方向，第一楔形波导(102)中聚合物芯层(3)的宽度由小线性变大，第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)中聚合物芯层(3)的宽度由大线性变小；在与多模干涉波导(103)聚合物芯层(3)连接处的位置，第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)中聚合物芯层(3)间的距离W3＝6μm；多模干涉波导(103)的长度Lmmi＝250μm，其聚合物芯层(3)的宽度Wmmi＝20μm(所有聚合物芯层(3)的厚度仍为3μm)；3dB分束器(100)的工作方式是当光沿着聚合物芯层(3)传播时，通过第一直波导(101)进入第一楔形波导(102)，光斑尺寸会逐渐变大，然后进入多模干涉波导(103)当中，由于多模干涉波导(103)中聚合物芯层(3)的宽度较大，在传输的过程中会激发高阶模的光，多个模式之间相互干涉，在多模干涉波导(103)的输出位置，会形成两个功率相等的光斑，通过第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)输出。3dB合束器(400)的工作方式与3dB分束器(100)的工作原理相同，但是方向相反，将原本功率相同的两束光合并成为一束光。
所述波分复用系统中可变光衰减器阵列单元，在第一调制臂波导(300)的正上方设置有金属电极(5)，长度2000μm，宽20μm。通过改变加载在金属电极(5)上的电功率对第一调制臂波导(300)进行加热调制，由于聚合物的热光效应，第一调制臂波导(300)的折射率随温度升高发生变化，经过此处的光会引入附加相位，再经过3dB合束器(400)合束后，光强也会发生变化，实现对该路光的光衰减，进而实现整个波分复用系统输出信道的功率均衡。
如附图5所示，本发明所述波分复用系统其制备步骤如下：
1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的15μm厚的二氧化硅下包层(2)；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2002光刻胶，首先需要在60℃、10分钟，90℃、20分钟前烘处理并自然降温固化，通过控制转速600转/分，旋涂时间20s，形成3μm厚的SU-8光刻胶层(31)；
3)将步骤2)的器件放置在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm2，对版光刻，所用掩模版Ⅰ的结构、形状与需要制备的SU-8芯层的结构、形状互补，曝光时间3.5s，之后再进行65℃、10分钟，95℃、20分钟的后烘，冷却至室温；放入PGMEA(Propyleneglygol-monomethylether-acetate)显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液；然后在120℃下坚膜30分钟，形成矩形结构的SU-8 2002芯层(3)，为了偏振不敏感，矩形结构的SU-8芯层波导(3)的宽度和高度相同，均为3μm；
4)使用真空匀胶机在芯片上旋涂厚度为7μm的PMMA聚合物上包层(4)，其中SU-8芯层波导(3)上的PMMA聚合物上包层(4)厚度为4μm，之后进行120℃、30分钟的固化，冷却至室温；
5)在PMMA聚合物上包层(4)上蒸镀厚度为100nm的金属Al膜(51)；
6)采用旋涂工艺，在金属Al膜(51)上旋涂厚度为1.5μm的正性光刻胶BP212(61)，在87℃温度下烘烤20分钟；
7)将样片放置在紫外光刻机下，将其与掩膜板Ⅱ紧密接触进行对版光刻，所用掩模版Ⅱ的结构、形状与需要制备的金属电极的结构、形状相同，掩膜板Ⅱ的尺寸大于第一调制臂波导(300)芯层的尺寸，曝光2s，除去掩膜板Ⅱ，经过质量浓度5wt‰的NaOH溶液显影之后(去除电极结构之外的光刻胶)，在90℃下烘烤20分钟，将掩膜板Ⅱ上与需要制备的金属电极结构相同的图形转移到BP212光刻胶层(62)上；
8)用质量浓度5wt‰的NaOH溶液除去未被光刻胶掩模的金属Al膜，再次曝光10s，使用乙醇溶液除去剩余的BP212，将Al金属电极(5)露出。
如附图6所示，从3dB分束器(100)输入1310nm的单波长激光，在3dB合束器(400)输出的透射光在第一调制臂波导(300)不施加电功率，即0mW时，光功率最高，为-18.80dB，随着施加电功率的增加，光功率逐渐降低，在8.72mW的电功率下，光功率最低，为-37.44dB，计算得到衰减量为(-18.80dB)-(-37.44dB)＝18.64dB。
如附图7所示，在整个O-Band光谱图中，从1260nm到1360nm的100nm的带宽中，均可以实现很好的衰减，最小衰减量发生在1262.385nm，衰减量为6.99dB，最大衰减量发生在1278.722nm，衰减量为23.65dB，
如附图8所示，金属电极(5)的电阻为1.745kΩ，在金属电极(5)上施加0～3.90V的方波信号，频率为1kHz(如图8(a)所示)，经过3dB合束器(400)后的输出光进入光电探测器，之后输出进入数字示波器，得到输出波形(如图8(b))，对得到的数据进行归一化处理，可变光衰减器输出波形的10％～90％为上升时间，90％～10％为下降时间，分别为180μs和184μs。
如附图9所示，图中所示为基于阵列波导光栅的5通道波分复用器(5-ChannelPolymer/Silica Hybrid Arrayed Waveguide Grating，polymers 2020,12,629)与5通道可变光衰减器阵列级联的显微镜图，根据工作波段和通道间隔，可以实现4～512通道的波分复用器。对该5通道具有功率均衡作用的波分复用系统进行测试，将1260～1360nm的宽谱光源耦合进入5通道AWG的输入信道(输入信道为第三个信道)中经过AWG的波分复用器的功能，可以将波长分配到5个信道中，不同波长的光进入不同的可变光衰减器，然后测量可变光衰减器阵列输出的各个通道的输出光谱。
如附图10所示，为本发明所述波分复用系统功率均衡前(未在第一调制臂波导(300)的金属电极(5)上施加电压)的输出光谱图。5个通道的插入损耗分别为18.04dB(1270nm)，18.43dB(1289nm)，14.85dB(1311nm)，16.59dB(1332nm)，20.96dB(1351nm)，插损最大相差6.11dB。
如附图11所示，为本发明所述波分复用系统功率均衡后的输出光谱图。通过对VOA阵列中的VOA单元施加不同的电压，最后5个通道的电压均降到了20.96dB的插损，通道间几乎不存在的非均匀性。每个通道的功率分别为4.0mW(1270nm)、3.5mW(1289nm)、5.7mW(1311nm)、5.0mW(1332nm)、0.0mW(1351nm)，总功率为18.2mW，功耗极低，使器件稳定性大幅提高。

Claims (6)

1.一种带有功率均衡作用的波分复用系统，其特征在于：由集成在同一个芯片之上的多通道波分复用器和可变光衰减器阵列组成，宽谱光源耦合进入波分复用器，通过波分复用器的分波作用，将不同波长的光分入不同的通道，再进入不同的可变光衰减器当中；可变光衰减器阵列的单元结构为马赫-曾德尔干涉仪结构，由3dB分束器(100)、第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)、第一调制臂波导(300)、第二调制臂波导(301)、3dB合束器(400)及金属电极(5)组成；第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)为结构和尺寸相同的S型弯曲波导，第一调制臂波导(300)和第二调制臂波导(301)的结构及尺寸相同；3dB分束器(100)和3dB合束器(400)的结构和尺寸相同，使用方式相反；第一连接波导(200)、第一调制臂波导(300)和第三连接波导(202)顺次连接，并接入在3dB分束器(100)和3dB合束器(400)之间；第二连接波导(201)、第二调制臂波导(301)和第四连接波导(203)顺次连接，并接入在3dB分束器(100)和3dB合束器(400)之间；3dB分束器(100)将来自波分复用器的一束输入光分为功率均等的两路光，分别进入第一连接波导(200)和第二连接波导(201)，然后分别进入第一调制臂波导(300)和第二调制臂波导(301)中，再分别经过第三连接波导(202)和第四连接波导(203)进入3dB合束器(400)，进而将两束光合束；金属电极(5)设置在第一调制臂波导(300)的正上方，通过改变加载在金属电极(5)上的电功率对第一调制臂波导(300)进行加热，由于聚合物的热光效应，折射率随温度升高发生变化，经过第一调制臂波导(300)的光会引入附加相位，在经过3dB合束器(400)合束后输出光的光强也会发生变化，实现对该路光的光衰减的功能，进而实现整个波分复用系统输出信道的功率均衡。
2.如权利要求1所述的一种带有功率均衡作用的波分复用系统，其特征在于：第一调制臂波导(300)，从下至上依次由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成；其余部分的各个波导，从下至上依次由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)组成；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，光在聚合物芯层(3)中传输。
3.如权利要求1所述的一种带有功率均衡作用的波分复用系统，其特征在于：聚合物芯层(3)材料为SU-8 2002、SU-8 2005、或EpoCore；聚合物上包层(4)材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad；聚合物上包层(4)材料的折射率低于聚合物芯层(3)材料的折射率；金属电极(5)的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。
4.如权利要求1所述的一种带有功率均衡作用的波分复用系统，其特征在于：3dB分束器(100)和3dB合束器(400)为1×2的多模干涉器结构，由第一直波导(101)、第一楔型波导(102)、多模干涉波导(103)、第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)组成；沿光的输入方向，第一楔形波导(102)中聚合物芯层(3)的宽度由小线性变大，第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)中聚合物芯层(3)的宽度由大线性变小；光通过第一直波导(101)进入第一楔形波导(102)，然后进入多模干涉波导(103)当中，在传输的过程中会激发高阶模的光，多个模式之间相互干涉，在多模干涉波导(103)的输出位置，会形成两个功率相等的光斑，通过第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)输出。
5.如权利要求1所述的一种带有功率均衡作用的波分复用系统，其特征在于：二氧化硅下包层(2)的厚度为15μm，聚合物芯层(3)的厚度为3μm，二氧化硅下包层(2)上方聚合物上包层(4)的厚度为7μm，聚合物芯层(3)上方聚合物上包层(4)的厚度为4μm；除第一楔型波导(102)、多模干涉波导(103)、第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)外，其余波导中聚合物芯层(3)的宽度均为3μm；第一连接波导(200)、第二连接波导(201)、第三连接波导(202)、第四连接波导(203)均为曲率半径为1500μm的S型弯曲波导；第一调制臂波导(300)和第二调制臂波导(301)的长度为2000μm，第一直波导(101)中聚合物芯层(3)的长度为100μm；第一楔型波导(102)、第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)中聚合物芯层(3)的长度为Ltaper＝6μm，宽度由W1＝3μm线性变化拓宽到W2＝4.5μm；在与多模干涉波导(103)聚合物芯层(3)连接处的位置，第二楔形波导(104)和第三楔形波导(105)中聚合物芯层(3)间的距离W3＝6μm；多模干涉波导(103)的长度Lmmi＝250μm，其中聚合物芯层(3)的宽度Wmmi＝20μm；金属电极(5)的厚度为100nm，长度为2000μm，宽度为20μm。
6.权利要求1所述的一种带有功率均衡作用的波分复用系统的制备方法，其步骤如下：
1)在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的SiO2下包层(2)；
2)使用真空匀胶机在SiO2下包层(2)上旋涂聚合物芯层薄膜，前烘处理后自然降温固化；
3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版Ⅰ上与需要制备的带有功率均衡作用的波分复用系统聚合物芯层(3)结构相同(聚合物芯层为正性光刻胶)或互补(聚合物芯层为负性光刻胶)的图形转移到聚合物芯层薄膜上，制备得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)的厚度为2～5μm，宽度为2～5μm；
4)使用真空匀胶机在聚合物芯层(3)上旋涂厚度为5～10μm的聚合物上包层(4)，其中聚合物芯层(3)上方的聚合物上包层(4)的厚度为2～7μm，烘烤处理后自然降温固化；
5)在聚合物上包层(4)上蒸镀一层厚度为50～400nm的金属薄膜；
6)使用真空匀胶机在金属薄膜上旋涂一层光刻胶层，前烘处理后自然降温固化；
7)通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的与金属电极结构相同(光刻胶层为正性光刻胶)或互补(光刻胶层为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层上，显影后坚膜，自然降温；
8)用与金属对应的腐蚀液腐蚀金属电极结构之外的金属薄膜，得到金属电极(5)，最后除去金属电极上剩余的光刻胶层；金属电极(5)位于第一调制臂波导(300)的正上方，金属电极中心与聚合物芯层(3)中心对齐，金属电极长度和第一调制臂波导(300)的长度相等，其宽度大于第一调制臂波导(300)的宽度，制备得到带有功率均衡作用的波分复用系统。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117470806A (zh) * 2023-12-21 2024-01-30 天津工业大学 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006251563A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Seikoh Giken Co Ltd 導波路型可変光減衰器
KR20120079685A (ko) * 2011-01-05 2012-07-13 전남대학교산학협력단 열광학 효과를 이용한 평면 광도파로형 가변 광 감쇠기
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
CN113325518A (zh) * 2021-05-31 2021-08-31 吉林大学 一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器及其制备方法
CN113625393A (zh) * 2021-08-11 2021-11-09 吉林大学 一种可调谐型模式转换器及其制备方法
CN114089474A (zh) * 2021-11-30 2022-02-25 吉林大学 一种有机无机混合集成的可变光衰减器及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006251563A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Seikoh Giken Co Ltd 導波路型可変光減衰器
KR20120079685A (ko) * 2011-01-05 2012-07-13 전남대학교산학협력단 열광학 효과를 이용한 평면 광도파로형 가변 광 감쇠기
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
CN113325518A (zh) * 2021-05-31 2021-08-31 吉林大学 一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器及其制备方法
CN113625393A (zh) * 2021-08-11 2021-11-09 吉林大学 一种可调谐型模式转换器及其制备方法
CN114089474A (zh) * 2021-11-30 2022-02-25 吉林大学 一种有机无机混合集成的可变光衰减器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
代红庆;安俊明;王;张家顺;王亮亮;王红杰;李建光;吴远大;钟飞;查强;: "基于不同衬底的二氧化硅可调复用器/解复用器的单片集成芯片研究", 半导体光电, no. 01 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117470806A (zh) * 2023-12-21 2024-01-30 天津工业大学 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器
CN117470806B (zh) * 2023-12-21 2024-03-26 天津工业大学 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器

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