CN115291322B - 一种基于mmi结构的模式不敏感的可变光衰减器 - Google Patents

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Abstract

一种用于模分复用系统的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，属于集成光学技术领域。从下至上依次由硅衬底、聚合物下包层、聚合物波导芯层、聚合物上包层和调制电极组成；沿光的传播方向，聚合物波导芯层依次由输入少模直波导、输入锥形波导、多模波导、输出锥形波导和输出少模直波导组成；加热电极位于多模波导侧上方的聚合物上包层之上或位于多模波导3的侧方的聚合物上包层之中。当对加热电极进行调制时，光在多模波导中的干涉效果发生变化，在多模波导的输出端为基模和高阶模的混合光，由于高阶模无法通过输出少模波导输出，从而使得输出光功率发生衰减。该衰减器模式不敏感，在相同调制温度和波长下对两种模式的衰减相同。

Description

一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种用于模分复用系统的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器。
背景技术
光纤通信具有制作成本较低、带宽大以及传输损耗小等诸多优点，因此得到了非常快速的发展，尤其是在远距离传输的部分。研制全光学的信息传输及处理系统已经成为未来光纤通信技术发展的一个大方向。然而，随着大数据、5G通信等技术的发展，需要传输的数据量呈指数增长，于是，光通信的多种自由度被开发出来，例如波分复用、偏分复用等，这虽然很大程度的增加了信道传输容量，但是，与日益增长的数据传输的需求相比，单模光纤的通信容量仍有不足。因此，便需要开发新的自由度，于是模分复用应运而生。
模分复用技术是利用少模光纤(Few-Mode Fiber,FMF)或者是多模光纤(Multi-Mode Fiber,MMF)中互不相同的模式来传递信息，这些模式彼此正交，彼此互不影响，可以在少模光纤或者多模光纤中同时传输，不同的模式可以传递不同的信息，这样便使得数据传输容量成倍增加，达到了为通信系统扩容的目的。模分复用系统涵盖了多种光学器件，模分复用器、模式调制器、滤模器、弯曲波导、交叉波导、可变光衰减器等，其中可变光衰减器可以对光信号进行处理和控制，是模分复用系统中非常重要的器件之一。
随着光通信技术的发展，性能更好、成本更低、集成度更高的可变光衰减器的研制成为了一个研究热点。已经实现的可变光衰减器，主要基于可调谐衍射光栅技术、基于液晶技术、基于磁光技术、基于全光纤技术以及基于平面光波导技术。其中，基于平面光波导技术的可变光衰减器具有设计灵活的优点，且成本较低、插入损耗小、模式相关损耗小；但是，目前能够应用于模分复用系统，对模式不敏感的可变光衰减器的研究还比较缺乏。
通过热光效应实现可调谐的光集成器件，主要选用热光系数较大的材料作为聚合物波导芯层。聚合物波导芯层的折射率随着器件温度的变化而变化，从而实现器件的可调谐。通过热光效应实现可调谐的光集成器件是一种较为常见的方式，且其制作工艺相对简单。由于聚合物材料的热光系数往往比二氧化硅或者硅材料的热光系数大几个数量级，所以使用聚合物材料来实现基于热光效应的可调谐光集成器件往往可以得到更大的可调谐范围和较低的功耗。而且，聚合物波导的制作工艺简单，制作成本低廉，这也为器件今后的实际应用创造了有利条件。
Multimode Interfrence(MMI)结构是平面光波导器件中最基本的器件结构之一，在平面光波导型可变光衰减器领域应用广泛，具有重要的应用价值。多模干涉现象是一种经典的光学现象，在干涉极大值处模场的宽度会显著变小，横向波面对光的抑制能力加强，形成自成像。基于MMI结构的可变光衰减器的工作原理为通过热光效应，改变波导的有效折射率，进而改变多模波导内光的干涉效果，实现输出光的衰减。基于MMI结构的平面光波导型可变光衰减器同时具备低工艺要求、低价格、低损耗、低串扰、结构紧凑等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，用于实现LP01、LP11b两种模式信号光的不敏感的衰减。与无机材料相比，聚合物材料具有较大的热光系数，这有效减小了器件的驱动功率。而且，聚合物材料的制备工艺与半导体工艺相兼容，这有利于器件的功能化集成和批量生产，而且成本低廉，因而本发明具有重要的实际应用价值。
如附图1所示，本发明所述的一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，从下至上依次由硅衬底、聚合物下包层、聚合物波导芯层、聚合物上包层和加热电极组成；聚合物波导芯层和聚合物上包层位于聚合物下包层之上，聚合物波导芯层被包覆在聚合物上包层之中；聚合物上、下包层均为聚合物材料EpoClad，折射率为1.560；聚合物波导芯层为聚合物材料EpoCore，折射率为1.572；加热电极为铝电极。
如图2所示，整个器件基于MMI光波导结构，从左至右沿光的传播方向，聚合物波导芯层依次由输入少模直波导1(可传输LP01、LP11b模式)、输入锥形波导2、多模波导3、输出锥形波导4和输出少模直波导5(可传输LP01、LP11b模式)组成；加热电极6位于多模波导3侧上方的聚合物上包层之上(本发明使用仿真软件对电极位置进行了仿真优化，发现放在多模波导侧上方的电极位置能够对信号光实现较大的衰减，所需功耗也相对较小)。
如附图1所示，聚合物波导芯层各组成部分的厚度相等为h，加热电极与多模波导3在聚合物下包层上表面投影的间距为X；如附图2所示，输入少模直波导1、输出少模直波导5的长度相等为L1、宽度相等为W1，输入锥形波导2、输出锥形波导4的长度相等为L2，多模波导3、加热电极6的长度相等为L3，输入锥形波导2、输出锥形波导4为宽度渐变的波导，其与输入少模直波导1和输出少模直波导5连接处的宽度相等为W1，其与多模波导3连接处的宽度相等为W2；多模波导3的宽度为W3，加热电极的宽度为W4。
该模式不敏感的可变光衰减器的工作原理如下：
根据选择的聚合物波导芯层和包层材料的折射率，给定聚合物波导芯层的输入少模直波导1和输出少模直波导5宽度为W1的条件下，利用矩形波导的亥姆霍兹方程(马春生，光波导器件设计与模拟，高等教育出版社)计算矩形波导中LP01模式和LP11b模式的有效折射率随聚合物波导芯层厚度h的变化曲线，最后确定聚合物波导芯层厚度h，使得输入少模直波导1和输出少模直波导5只能够传输LP01和LP11b两个模式；然后在给定多模波导宽度W3的条件下，通过优化多模波导的长度L3使得在无调制的情况下，输入LP01和LP11b两种模式时在输出少模直波导5输出端不产生衰减，然后通过优化锥形波导和多模波导3连接处宽度W2和长度L2使输出光损耗和器件尺寸都尽可能小。优化完聚合物波导芯层尺寸后再对电极尺寸及位置进行优化，在电极长度与多模波导长度相等的条件下，通过优化电极的位置X和电极的宽度W4以得到低损耗、低功耗、高最大光衰减、模式不敏感的可变光衰减器。由于本发明采用聚合物材料，聚合物包层和聚合物波导芯层的折射率差较小，因此可以忽略模式偏振的影响。
模式不敏感的可变光衰减器的器件结构为MMI结构，如附图2所示。该衰减器是利用了MMI结构的自成像效应，自成像效应是由于波导模式间的相长性干涉造成的。当光源进入到多模波导之中会立即激发出波导中的各阶导模，并且由于不同阶导模的传播常数不相同，光传播时会出现相位差，并发生相互干涉现象。自由光在输入聚合物波导芯层后在多模波导中的不同位置可以产生m阶横模，设Lπ为两个低阶模式之间的拍长：
Figure BDA0003822002950000031
nr是波导聚合物波导芯层的有效折射率，W为多模波导宽度，λ0为输入光的波长；β为基模的传播常数，β1为一阶模的传播常数；为了实现模式不敏感的可变光衰减器，我们要通过设计使得LP01和LP11b两种模式的拍长相同，即通过对波导的尺寸进行优化使得两种模式的有效折射率尽可能相等，这样才能使得该可变光衰减器对两种模式的衰减不敏感，本发明采用的是1×1的MMI波导结构，多模波导的长度为LMMI，信号光在多模波导中的自成像位置与拍长相关，由于本发明是1×1的MMI结构，因此LMMI与拍长的关系如下面公式，
Figure BDA0003822002950000032
通过以上公式在给定多模波导3的宽度W3的条件下，计算得到了多模波导3的宽度L3。当LP01或LP11b模式的光从输入少模直波导1输入时，输入光通过输入锥形波导2过渡，进入到多模波导3当中发生多模干涉，然后经输出锥形波导4过渡从输出少模直波导5输出。如图3(a)所示，一束信号光从输入端口输入，经锥形波导过渡进入到多模波导区域，从MMI结构的光场分布图中可以看到，进入多模波导后，输入的基模激发成高阶模，通过对多模波导的长度进行设计使得在多模波导区的输出端出现基模；当对加热电极未进行调制时，在多模波导3的输出端得到与输入光模式和功率相同的信号光，输出光不发生衰减；当对加热电极进行调制时，由于热光效应，聚合物波导芯层和包层的有效折射率发生变化，信号光在多模波导中的干涉效果发生变化，在多模波导3中的自成像位置也发生变化，多模波导3的输出端不再是基模的自成像位置，此时在多模波导3的输出端为基模和高阶模的混合光，高阶模无法通过输出少模波导5输出，从而使得输出光功率发生衰减；通过控制加热电极的调制温度便可以控制衰减的大小。
进一步的，计算了模式不敏感的可变光衰减器的插入损耗、调制温度、最大衰减等性能。当输入为LP01或LP11b模式时，计算得到输出端口的衰减随加热电极相对温度ΔT(ΔT是指调制后与调制前加热电极的温度变化量)的变化情况如附图5所示，当温度变化量为0K时，LP01模式对应的插入损耗为0.09dB，LP11b模式对应的插入损耗为0.13dB；当温度变化量为32K时，两种模式的衰减最大，LP01模式此时的光衰减为-23.4dB，LP11b模式此时的光衰减为-28.7dB。从光衰减随相对温度变化曲线可以看出，两种模式的衰减随温度的变化曲线几乎完全重合，表明该可变光衰减器对模式不敏感。输入为LP01和LP11b两种模式的各个衰减的状态的光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图分别如附图3和附图4所示。附图5为两种模式的衰减随温度变化曲线，可以看出两种模式的衰减随温度的变化曲线几乎完全重合，表明两种模式的衰减对温度变化不敏感(两种模式的衰减随温度变化趋势不敏感，即相同的温度两种模式的衰减基本相同)。然后计算了在ΔT＝0K和ΔT＝32K时两种模式的功率衰减随波长的变化曲线如附图6所示，可以看出在1.50～1.60μm波长范围内，两种模式都对波长不敏感。该模式不敏感的可变光衰减器利用多模干涉结构的自成像原理，通过热光效应改变多模波导的折射率分布，进而改变多模波导中光的干涉状态实现衰减。根据图5可以看出两种模式的衰减对温度不敏感，图6可以看出衰减对波长不敏感，即该衰减器在相同调制温度和波长下对两种模式的衰减相同，因此该器件模式不敏感。
进一步的，为了进一步减小可变光衰减器的功耗，对该衰减器的电极的位置进行了调整优化，优化后的可变光衰减器沿光的传输方向的截面图如附图8所示，波导结构不变，仅改变电极位置，使电极包覆于聚合物上包层之中，电极与多模波导在厚度方向的对称中心面位于同一平面内，其与多模波导的距离为X，这样做是为了减小加热电极和多模波导的距离，利用热光效应对加热电极进行调制，最后得到的衰减随调制温度的变化曲线如附图9所示，最大光衰减对应的调制温度为22K，可以看出，优化之后的可变光衰减器的功耗得到了有效的减小，此时两种模式的衰减都能达到-27dB以上，且两种模式的衰减曲线的重合度更好。
附图说明
图1：本发明所述的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器沿光的传输方向的剖面结构示意图；
图2：本发明所述的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的结构示意图；
图3(a)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP01模式的光场传输模拟图；
图3(b)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP01模式的输出端光场分布模拟图；
图3(c)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝15K时输入LP01模式的光场传输模拟图；
图3(d)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝15K时输入LP01模式的输出端光场分布模拟图；
图3(e)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝32K时输入LP01模式的光场传输模拟图；
图3(f)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝32K时输入LP01模式的输出端光场分布模拟图；
图4(a)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP11b模式的光场传输模拟图；
图4(b)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP11b模式的输出端光场分布模拟图；
图4(c)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝15K时输入LP11b模式的光场传输模拟图；
图4(d)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝15K时输入LP11b模式的输出端光场分布模拟图；
图4(e)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝32K时输入LP11b模式的光场传输模拟图
图4(f)：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝32K时输入LP11b模式的输出端光场分布模拟图；
图5：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器分别输入LP01模式和LP11b模式时的衰减随加热温度的变化曲线；
图6：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器在ΔT＝0K和ΔT＝32K时分别输入LP01模式和LP11b模式时的衰减随波长的变化曲线；
图7：基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的工艺制备流程图；
图8：本发明所述的对电极位置进行优化后的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的剖面结构示意图；
图9：对电极位置进行优化后的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器分别输入LP01模式和LP11b模式时的衰减随加热温度的变化曲线；
图10：对电极位置进行优化后的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的工艺制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如附图1所示，模式不敏感的可变光衰减器由下至上，由硅衬底、聚合物下包层、聚合物波导芯层、聚合物上包层和加热电极组成。如图2所示，聚合物波导芯层由输入少模直波导1(可传输LP01、LP11b模式)、输入锥形波导2、多模波导3、输出锥形波导4、输出少模波导5(可传输LP01、LP11b模式)组成；其中，聚合物波导芯层各部分的厚度相等为h，加热电极与多模波导在聚合物下包层上表面投影的间距为X，输入少模直波导1和输出少模波导5的长度相等为L1；输入锥形波导2和输出锥形波导4的长度相等为L2；加热电极和多模波导3的长度相等为L3；输入少模直波导1和输出少模波导5的宽度相等为W1，输入锥形波导2和输出锥形波导4为宽度渐变的波导，其与输入少模直波导1和输出少模直波导5连接处的宽度相等为W1，其与多模波导3连接处的宽度相等为W2；多模波导3的宽度为W3，加热电极的宽度为W4。
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。
首先时确定聚合物波导芯层各个波导的尺寸参数。对于该模式不敏感的可变光衰减器，聚合物上包层将聚合物波导芯层完全包覆。聚合物下包层的厚度为7μm，聚合物波导芯层的厚度h为9μm，聚合物波导芯层正上方聚合物上包层的厚度为7μm，加热电极的厚度为100nm，加热电极与多模波导在聚合物下包层上表面投影的间距X为2μm，结合实施例1中所述，波导需支持LP01和LP11b两种模式，选取输入少模直波导1、输出少模直波导5的宽度W1为4.5μm，长度L1为100μm。输入锥形波导2、输出锥形波导4的长度L2为150μm，多模波导3的长度L3为797μm，输入锥形波导2、输出锥形波导4为宽度渐变的波导，其与输入少模直波导1和输出少模直波导5连接处的宽度W1为4.5μm，其与多模波导3连接处的宽度相等为W2为8μm，多模波导3的宽度W3为30μm，加热电极的宽度W4为10μm。
实施例3
一种用于模分复用系统的多模可变光衰减器，其工作原理如下：
若输入的信号光为LP01模式，当ΔT＝0K时，LP01模式的信号光从输入少模直波导1，经输入锥形波导2进入到多模波导3当中，在多模波导中发生多模干涉，经过输出锥形波导4从输出少模波导5输出，通过对聚合物波导芯层结构和尺寸的计算优化使得在多模波导3的输出端为LP01模式的自成像位置，输出光与输入光模式相同为LP01模式且几乎没有衰减，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如附图3(a)和3(b)所示；当ΔT＝15K时，LP01模式的信号光从输入少模直波导1，经输入锥形波导2进入到多模波导3当中，在多模波导中发生多模干涉，由于对加热电极进行调制，根据热光效应，聚合物波导芯层和包层的折射率发生变化，这使得多模波导中的光场传输情况也发生变化，LP01模式的自成像位置不再位于多模波导3的输出端，此时在多模波导3的输出端为基模和高阶模的混合光，高阶模无法通过输出少模波导5输出，从而使得输出光功率发生衰减；光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如附图3(c)和3(d)所示；当ΔT＝32K时，LP01模式的信号光从输入少模直波导1，经输入锥形波导2进入到多模波导3当中，在多模波导中发生多模干涉，由于对加热电极进行调制，根据热光效应，聚合物波导芯层和包层的折射率发生变化，这使得多模波导中的光场传输情况也发生变化，几乎没有LP01模式的信号光从输出少模直波导5输出，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如附图3(e)和3(f)所示。
若输入的信号光为LP11b模式，当ΔT＝0K时，LP11b模式的信号光从输入少模直波导1，经输入锥形波导2进入到多模波导3当中，在多模波导中发生多模干涉，经过输出锥形波导4从输出少模波导5输出，通过对聚合物波导芯层结构和尺寸的计算优化使得在多模波导3的输出端为LP11b模式的自成像位置，输出光与输入光模式相同为LP11b模式且几乎没有衰减，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如附图4(a)和4(b)所示；当ΔT＝15K时，LP11b模式的信号光从输入少模直波导1，经输入锥形波导2进入到多模波导3当中，在多模波导中发生多模干涉，由于对加热电极进行调制，根据热光效应，聚合物波导芯层和包层的折射率发生变化，这使得多模波导中的光场传输情况也发生变化，LP11b模式的自成像位置不再位于多模波导3的输出端，此时在多模波导3的输出端为LP11b模式和高阶模的混合光，高阶模无法通过输出少模波导5输出，从而使得输出光功率发生衰减；光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如附图4(c)和4(d)所示；当ΔT＝32K时，LP11b模式的信号光从输入少模直波导1，经输入锥形波导2进入到多模波导3当中，在多模波导中发生多模干涉，由于对加热电极进行调制，根据热光效应，聚合物波导芯层和包层的折射率发生变化，这使得多模波导中的光场传输情况也发生变化，几乎没有LP11b模式的信号光从输出少模直波导5输出，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如附图4(e)和4(f)所示。
实施例4
加热电极位于多模波导侧上方的聚合物上包层之上的器件的制备，如图7所示。
1、清洗硅衬底：将硅衬底放入丙酮溶液和乙醇溶液中分别超声清洗10分钟，然后用去离子水反复冲洗并用氮气吹干，洗干净后放入干净的培养皿中并密封；
2、旋涂下包层：采用旋涂工艺将聚合物材料EpoClad旋涂在干净的硅衬底上，转速为2500转/分钟，然后120℃烘烤5分钟，整体曝光20s并再次120℃烘烤30分钟，制得的聚合物下包层的厚度为7μm；
3、旋涂芯层：采用旋涂工艺将聚合物材料EpoCore旋涂在制备完的聚合物下包层上形成聚合物波导芯层薄膜，旋涂的转速为1400转/分钟，制得的薄膜厚度为9μm；对制得的聚合物波导芯层薄膜进行前烘，90℃烘烤5分钟，然后降温10分钟；
4、光刻1：对制备完的聚合物波导芯层薄膜进行对板光刻，光刻机发出的紫外光波长为365nm，光波导掩膜版与需要制备的可变光衰减器的结构互补(如图2所示)，当掩膜版与聚合物波导芯层薄膜贴紧时进行曝光，曝光时间为26秒，使需要制备器件的少模直波导、锥形波导、多模波导的芯层薄膜被紫外曝光；然后进行中烘，85℃烘烤5分钟，烘烤结束后自然冷却室温；
5、显影1：对聚合物波导芯层结构进行湿法刻蚀，先在聚合物波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀60秒，除去未曝光部分的非聚合物波导芯层结构，只留下掩膜版对应的聚合物波导芯层结构，然后在异丙醇溶液中湿法刻蚀30秒，洗去显影液和残留的聚合物波导芯层材料，随后用去离子水将表面残留的异丙醇冲洗干净并用氮气吹干；最后130℃烘烤30分钟，这样就完成了聚合物波导芯层的制备；
6、旋涂上包层：采用旋涂工艺将聚合物材料EpoClad旋涂在波导芯层及聚合物下包层上，旋涂转速为1000转/分钟，120℃烘烤5分钟，然后进行整体曝光40s并再次120℃烘烤3分钟，制得的聚合物上包层的厚度为7μm(聚合物波导芯层上面的聚合物上包层的厚度)；
7、蒸铝：在制备完的聚合物上包层上采用蒸镀工艺制备一层厚度为100nm的Al薄膜；
8、旋涂BP212光刻胶：在Al膜上采用旋涂工艺制备正性光刻胶BP212薄膜，转速为2500转/分钟；将光刻胶BP212薄膜95℃烘烤20分钟，得到厚度为2μm的BP212薄膜；
9、光刻2：对制备完的光刻胶BP212薄膜进行对版光刻，掩膜版为需要制备的加热电极结构(如图2所示，加热电极与多模波导平行，与多模波导在聚合物下包层上表面投影的间距为2μm)，曝光时间为2秒，除加热电极结构以外区域的光刻胶被曝光；
10、显影2：将样品放入到质量浓度为5‰的NaOH溶液中20秒，将被曝光的光刻胶BP212去除，然后用去离子水冲洗并用氮气吹干；对光刻胶BP212薄膜进行坚膜，85℃烘烤20分钟，加热完毕后自然降至室温；然后进行Al电极的显影，放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中15分钟，洗去除加热电极以外区域的Al膜部分，用去离子水冲洗并用氮气吹干；
11、清除BP212光刻胶：将样品整体曝光2秒，然后放入乙醇中5秒，去除Al电极上残留的光刻胶BP212，最后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干，这样便制备出了符合要求的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器。
实施例5
加热电极位于多模波导侧方的聚合物上包层之中的器件的制备，如图10所示。
1、硅片衬底的清洁处理及下包层的制备：用丙酮和乙醇溶液依次超声清洗衬底10分钟，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干，最后将硅片140℃温度烘烤1小时去除水气，待降至室温后采用旋涂工艺，将有机聚合物材料EpoClad作为下包层材料旋涂在硅片衬底上，转速为2500转/分钟，然后在120℃条件下烘烤5分钟，制得厚度为7μm的聚合物下包层，然后整体曝光20s并在120℃条件下烘烤30分钟；
2、电极下方聚合物上包层的制备：采用旋涂工艺，将有机聚合物材料EpoClad作为上包层材料旋涂在芯片上，转速为3200转/分钟，然后在120℃条件下烘烤5分钟，制得厚度为4.5μm的电极下方的聚合物上包层薄膜；对制备完的薄膜进行对版光刻，光刻的紫外光波长为365nm，紫外曝光时间为15秒，波导掩膜版结构与需要制备的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的光波导芯层结构相同(如附图2所示)，使除光波导芯层结构区域以外的聚合物上包层材料紫外曝光；光刻完进行中烘，120℃加热3分钟，然后自然降至室温；对中烘完的薄膜进行显影，先在上包层材料对应的显影液中湿法刻蚀50秒，去除未被曝光的光波导芯层结构区域，然后放入异丙醇溶液中洗去残留的光波导上包层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗，去除表面的异丙醇，然后用氮气吹干；进行后烘坚膜，在120℃条件下烘烤40分钟，加热完毕后自然降至室温；从而在聚合物上包层中得到与需要制备的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的光波导芯层结构相同凹槽，深度为4.5μm；
3、加热电极的制备：采用蒸镀工艺在聚合物上包层上蒸镀一层厚度为100nm的Al薄膜，然后采用旋涂工艺在Al膜上制备正性光刻胶BP212薄膜，转速为2500转/分钟；对光刻胶BP212薄膜进行前烘，在95℃条件下烘烤20分钟，加热完毕后自然降至室温，得到厚度为2μm的BP212薄膜；对制备完的薄膜进行对版光刻，掩膜版为需要制备的加热电极结构(如图2所示，加热电极在多模波导3的一侧，平行于多模波导，与多模波导3侧边在聚合物下包层表面的投影间距为2μm)，曝光时间为2秒，使除加热电极以外区域的光刻胶BP212薄膜被曝光；光刻完放入到质量浓度为5‰的NaOH溶液中20秒，除去曝光的光刻胶BP212，用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；对光刻胶BP212薄膜进行坚膜，在85℃条件下烘烤20分钟，加热完毕后自然降至室温；然后进行Al电极的显影，放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中15分钟，将加热电极以外区域的Al膜部分去除，用去离子水反复冲洗干净并用氮气吹干，然后将硅片放入乙醇中5秒，去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜，最后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
4、聚合物光波导芯层的制备：采用旋涂工艺，将有机聚合物芯层材料EpoCore旋涂在制备完的上述芯片上，转速为1400转/分钟，然后进行前烘，在120℃条件下烘烤5分钟，加热完毕后自然降至室温，制得厚度为9μm的聚合物芯层薄膜；对制备完的芯层薄膜进行对版光刻，将掩膜版置于电极下方的上包层制备出的光波导芯层区域的正上方，紫外曝光时间为20秒，波导掩膜版结构与需要制备的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器的光波导芯层结构互补(如附图2所示)，使光波导芯层区域的聚合物芯层材料紫外曝光；光刻完进行中烘，85℃加热5分钟，然后自然降温十分钟；对中烘完的聚合物芯层薄膜进行显影，先在芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀60秒，去除未被曝光的非光波导芯层结构，然后放入异丙醇溶液中洗去残留的光波导芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗，去除表面的异丙醇，然后用氮气吹干；进行后烘坚膜，在130℃加热30分钟，加热完毕后自然降至室温；
5、电极上方聚合物上包层的制备：将聚合物上包层材料旋涂在制备完的芯片上，旋涂转速为1000转/分钟，然后在120℃条件下加热5分钟，整体曝光30s后在120℃条件下加热40分钟，加热完毕后自然降至室温，制得的聚合物上包层厚度为7μm(多模波导3上面的上包层的厚度)；从而制备得到图8所示的可变光衰减器。

Claims (4)

1.一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，其特征在于：从下至上依次由硅衬底、聚合物下包层、聚合物波导芯层、聚合物上包层和加热电极组成；聚合物波导芯层和聚合物上包层位于聚合物下包层之上，聚合物波导芯层被包覆在聚合物上包层和聚合物下包层之中；整个器件基于MMI光波导结构，沿光的传播方向，聚合物波导芯层依次由输入少模直波导（1）、输入锥形波导（2）、多模波导（3）、输出锥形波导（4）和输出少模直波导（5）组成；加热电极（6）位于多模波导（3）侧上方的聚合物上包层之上；光从输入少模直波导（1）输入，经输入锥形波导（2）过渡后进入到多模波导（3）当中，然后经输出锥形波导（4）过渡后从输出少模直波导（5）输出；光进入多模波导（3）后，输入的基模激发成高阶模，通过对多模波导（3）的长度进行设计使得在多模波导（3）的输出端出现基模；当对调制电极（6）进行调制时，光在多模波导（3）中的干涉效果发生变化，在多模波导（3）的输出端为基模和高阶模的混合光，由于高阶模无法通过输出少模波导（5）输出，从而使得输出光功率发生衰减；
聚合物波导芯层各组成部分的厚度相等为h，加热电极与多模波导（3）在聚合物下包层上表面投影的间距为X；输入少模直波导（1）、输出少模直波导（5）的长度相等为L1、宽度相等为W1，输入锥形波导（2）、输出锥形波导（4）的长度相等为L2，多模波导（3）、调制电极（6）的长度相等为L3；输入锥形波导（2）、输出锥形波导（4）为宽度渐变的波导，其与输入少模直波导（1）和输出少模直波导（5）连接处的宽度相等为W1，其与多模波导（3）连接处的宽度相等为W2；多模波导（3）的宽度为W3，调制电极的宽度为W4；
该模式不敏感的可变光衰减器根据选择的聚合物波导芯层和包层材料的折射率，给定聚合物波导芯层的输入少模直波导（1）和输出少模直波导（5）宽度为W1的条件下，计算矩形波导中LP01模式和LP11b模式的有效折射率随聚合物波导芯层厚度h的变化曲线，最后确定聚合物波导芯层厚度h，使得输入少模直波导（1）和输出少模直波导（5）只能够传输LP01和LP11b两个模式；然后在给定多模波导宽度W3的条件下，通过优化多模波导的长度L3使得在无调制的情况下，输入LP01和LP11b两种模式时在输出少模直波导（5）输出端不产生衰减，然后通过优化锥形波导和多模波导（3）连接处宽度W2和长度L2使输出光损耗和器件尺寸都尽可能小；优化完聚合物波导芯层尺寸后再对电极尺寸及位置进行优化，在电极长度与多模波导长度相等的条件下，通过优化电极的位置X和电极的宽度W4以得到低损耗、低功耗、高最大光衰减、模式不敏感的可变光衰减器，从而实现衰减器在相同调制温度和波长下对两种模式的衰减量相同的模式不敏感性。
2.如权利要求1所述的一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，其特征在于：聚合物上、下包层均为聚合物材料EpoClad，折射率为1.560；聚合物波导芯层为聚合物材料EpoCore，折射率为1.572；调制电极为铝电极。
3.如权利要求1所述的一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，其特征在于：聚合物下包层的厚度为7 μm，聚合物波导芯层的厚度h为9 μm，聚合物波导芯层正上方聚合物上包层的厚度为7 μm，调制电极的厚度为100 nm；x为2 μm，W1为4.5 μm，L1为100 μm，L2为150 μm，L3为797 μm， W2为8 μm，W3为30 μm，W4为10 μm。
4.如权利要求1所述的一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，其特征在于：加热电极（6）包覆于聚合物上包层之中，加热电极（6）与多模波导（3）在厚度方向的对称中心面位于同一平面内。
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