CN115291323B - 一种基于mzi结构的多模光衰减器 - Google Patents

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Abstract

一种基于MZI结构的模式不敏感的多模光衰减器，属于聚合物集成光学技术领域，可用于模分复用系统。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层组成；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、第一输入弯曲波导、第二输入弯曲波导、第一调制臂波导、第二调制臂波导、第一输出弯曲波导、第二输出弯曲波导、输出锥形波导和输出少模直波导组成，在第一调制臂波导和第二调制臂波导上分别设置有第一加热电极和第二加热电极。该多模光衰减器利用干涉原理，通过调制使信号光干涉时产生更高阶的模式，再通过控制输出波导的尺寸使其无法传输更高阶的模式，以此实现光信号的衰减。

Description

一种基于MZI结构的多模光衰减器
技术领域
本发明属于聚合物集成光学技术领域，具体涉及一种用于模分复用系统的模式不敏感的基于MZI结构的多模光衰减器。
背景技术
随着互联网业的蓬勃发展，信息技术对人类社会的进步产生了非常大的影响，很久之前，信息的传递主要依赖于电缆通信和无线电通信，1996年，华裔科学家高锟博士提出了采用光纤进行长距离通信的设想，并介绍了光纤通信的诸多优势。与电缆通信和无线电通信相比，光纤通信在传输速度和传输容量上有非常大的提升，自此以后光通信技术迅速发展。
光纤通信发展迅速，可由于香农极限的影响，传统的单模光纤的传输容量已经逐渐达到了极限，如何进一步提高通信容量成为了亟待解决的重要问题，以模分复用技术为代表的空分复用技术成为了解决这一问题的关键。模分复用技术是在少模光纤中同时传输多个空间模式的光信号，这些信号彼此正交，互不干扰，该技术使得单个光纤的数据传输量成倍增加。在光学系统中，不仅要对光信号进行传输，对光信号的处理、控制也是非常重要的，而光衰减器是模分复用系统中控制光信号的关键器件。
光衰减器可以在光网络中进行多信道间的功率均衡，并且可以对光放大器进行增益控制和增益展平。光衰减器按实现技术分为传统机械型、熔融光纤型和集成型等。国内光衰减器产品主要是传统机械型，虽然具有优良的光学性能，但它们无法完全满足当今日益增长的对设备体积、能量消耗、机械可靠性和成本的要求，且不易于集成。平面光波导型光衰减器克服了这些缺点，能够实现灵活的波导结构设计，且成本较低、插入损耗小、模式相关损耗小、能够大规模生产，但目前能够应用于模分复用系统的多模光衰减器还比较缺乏。
用于制备平面光波导型光衰减器的材料种类繁多，主要包括无机材料和有机聚合物材料，有机聚合物材料具有高的热光系数，非常适用于制备可调谐的平面光波导型光学器件。而且聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单、能够大批量生产等优点，有非常好的应用前景。
Mach-Zehnder interferometer(MZI)是平面光波导器件中最基本的器件结构之一，在平面光波导型光衰减器领域应用广泛，具有重要的应用价值。其原理是对其中一条调制臂进行调制，通过热光效应或电光效应改变调制臂的温度进而改变有效折射率，因而这条调制臂中信号光的相位将发生变化，使得两调制臂中的输出光产生一个相位差且光的干涉发生变化，通过对波导尺寸的设计使干涉产生的高阶模无法传输发生衰减。利用该原理，已经成功制备出了基于MZI光波导结构的光衰减器。然而，传统的MZI型波导光衰减器只能实现对基模的衰减，这样便限制了其在模分复用系统中的应用。
发明内容
为了克服传统的光衰减器的不足，本发明的目的在于提供一种用于模分复用系统的基于MZI结构的多模光衰减器，用于实现LP01和LP11b两种模式信号光的不敏感的衰减。与无机材料相比，聚合物材料的热光系数相对较大，这使得器件的驱动功率较小。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，因而本发明具有重要的实际应用价值。
本发明采用传统的MZI光波导结构。在平面光波导器件的结构设计中，MZI是一种非常基本的器件结构，也是一种非常容易实现的对器件进行调谐的方式，在光通信领域和平面光波导光衰减器领域都有着非常广泛的应用。
如图1所示，本发明所述的一种基于MZI结构的多模光衰减器，从下至上依次由硅衬底101、聚合物下包层102、聚合物波导芯层103、聚合物上包层104和加热电极层105组成，聚合物波导芯层103和聚合物上包层104位于聚合物下包层102之上，聚合物波导芯层103被包覆在聚合物上包层104之中，所述聚合物上、下包层均为聚合物材料EpoClad，折射率为1.56；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；聚合物波导芯层103各部分的厚度相等为h1，加热电极层105的厚度为h2。
如图2所示，本发明所述的一种基于MZI结构的多模光衰减器，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，聚合物波导芯层103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、第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4、第一调制臂波导5、第二调制臂波导6、第一输出弯曲波导7、第二输出弯曲波导8、输出锥形波导9、输出少模直波导10组成，第一调制臂波导5和第二调制臂波导6相互平行，在第一调制臂波导5和第二调制臂波导6上分别设置有第一加热电极11和第二加热电极12；输入锥形波导2和第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4构成具有Y分支结构的分束器；第一输出弯曲波导7、第二输出弯曲波导8和输出锥形波导9构成具有Y分支结构的耦合器；输入少模直波导1和输出少模直波导10的长度相等为L1，输入锥形波导2和输出锥形波导9的长度相等为L2，第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4、第一输出弯曲波导7和第二输出弯曲波导8的长度相等为L3，第一调制臂波导5和第二调制臂波导6的长度相等为L4，第一加热电极11和第二加热电极12的长度相等为L5、宽度相等为W1。
如图3所示，输入少模直波导1(可传输LP01、LP11b模式)、第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4、第一调制臂波导5、第二调制臂波导6、第一输出弯曲波导7、第二输出弯曲波导8和输出少模直波导10的宽度相等为W2，第一输入弯曲波导3与第二输入弯曲波导4之间的最小间隙、第一输出弯曲波导7和第二输出弯曲波导8之间的最小间隙相等为W3，第一调制臂波导5、第二调制臂波导6的中心间距为W4。输入锥形波导2和输出锥形波导9是宽度渐变的波导，其与输入少模直波导1和与输出少模直波导10连接处的宽度相等为W2，其与输入弯曲波导和输出弯曲波导连接处的宽度相等为2W2+W3。
该多模光衰减器的工作原理如下：
根据所给出的聚合物材料的折射率，在确定波导宽度的条件下，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)，在少模波导宽度W2确定的条件下，计算波导中LP01、LP11b模式的有效折射率随波导高度h1变化的曲线关系(如图4)，确定了少模波导高度h1的范围，然后在给定两调制臂间距的条件下，通过优化弯曲波导的长度L3使器件在减小尺寸的同时得到较小的弯曲损耗，然后再确定锥形波导的长度L2以及弯曲波导的最小间隙W3，使插入损耗和模间串扰尽可能小，能达到的最大衰减尽可能大。由于本发明采用聚合物材料，波导的包层和芯层的折射率差较小，因此可以忽略模式偏振的影响。
多模光衰减器的结构如图2所示，信号光从输入少模直波导1输入，经输入锥形波导2后进入到第一输入弯曲波导3和第二输入弯曲波导4中，分成功率和相位相等的两束光，再分别进入第一调制臂波导5和第二调制臂波导6，再经第一输出弯曲波导7和第二输出弯曲波导8进入到输出锥形波导9，最后从输出少模直波导10输出。若对加热电极进行调制(对任意一个电极外加电源，电极升温可对下方的调制臂波导进行加热，使聚合物折射率发生改变，因此两调制臂的有效折射率不同，在调制臂波导中传输的两信号光会产生相位差)，使两调制臂中的两信号光产生不为2π整数倍的相位差时(当不加调制时，调制臂中传输的两信号光相位差为0，在输出锥形波导9中发生干涉输出的信号光功率与输入信号功率相同，输出信号光没有被衰减；当外加调制使调制臂中传输的两信号光相位差为2π的整数倍时，在输出锥形波导9中发生干涉输出的信号光功率与输入信号功率相同，输出信号光同样没有被衰减)，两信号光在输出锥形波导9中发生干涉时不仅会产生与输入光相同模式的信号光，还会产生更高阶模式的信号光；由于输出少模直波导10无法传输更高阶模式的信号光，因而从输出少模直波导10输出的仅为干涉产生的与输入光相同模式的信号光，其功率为输入信号光的功率减去更高阶模式信号光的功率，从而实现信号光的衰减。
从输入少模直波导1输入LP01和LP11b两种模式信号光(可以一起输入，也可以分别输入)的衰减状态分别如图5和图6所示，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)的变化情况如图7，两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)，加热电极相对温度为5.2K时，衰减最大(这时调制臂中传输的两信号光的相位差是π。当两信号光的相位差是(2n+1)π时，完全干涉成LP11a模式，全部被衰减，n为整数)，LP01模式的衰减为43dB，LP11b模式的衰减为65dB。该多模光衰减器利用干涉原理，通过调制使信号光干涉时产生更高阶的模式，再通过控制输出波导的尺寸使其无法传输更高阶的模式，以此实现光信号的衰减。
进一步的，我们模拟了工作波长对本器件的影响，如图8所示，可以看出，在1500nm到1630nm工作波长范围内，在ΔT＝0K时，两种模式的衰减几乎为0，在ΔT＝5.2K时，两种模式的衰减都大于-20dB，器件在电极加热温度为0K和5.2K时的衰减随波长变化不明显，且不同工作波长下，两种模式的衰减也几乎相等。
附图说明
图1：本发明所述的基于MZI结构的多模光衰减器沿光传输方向的剖面结构示意图；
图2：本发明所述的基于MZI结构的多模光衰减器的结构示意图；
图3：本发明所述的基于MZI结构的多模光衰减器的分支部分的结构示意图；
图4：波导宽度固定为4.5μm时，波导内各模式有效折射率随波导芯层高度h1的变化曲线；
图5(a)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP01模式的光场传输模拟图；
图5(b)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝0K时输入LP01模式的输出端光场分布模拟图；
图5(c)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝2K(对加热电极进行调制，使两调制臂中的光产生相位差(相位差不为π的整数倍))时输入LP01模式的光场传输模拟图；
图5(d)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝2K时输入LP01模式的输出端光场分布模拟图；
图5(e)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝5.2K(对加热电极进行调制，使两调制臂中的光相位相差为π)时输入LP01模式的光场传输模拟图；
图5(f)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝5.2K时输入LP01模式的输出端光场分布模拟图；
图6(a)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP11b模式的光场传输模拟图；
图6(b)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝0K时输入LP11b模式的输出端光场分布模拟图；
图6(c)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝2K(对加热电极进行调制，使两调制臂中的光产生相位差(相位差不为π的整数倍))时输入LP11b模式的光场传输模拟图；
图6(d)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝2K时输入LP11b模式的输出端光场分布模拟图；
图6(e)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝5.2K(对加热电极进行调制，使两调制臂中的光相位相差为π)时输入LP11b模式的光场传输模拟图；
图6(f)：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝5.2K时输入LP11b模式的输出端光场分布模拟图；
图7：基于MZI结构的多模光衰减器分别输入LP01模式和LP11b模式时的衰减随加热温度的变化曲线；
图8：基于MZI结构的多模光衰减器在ΔT＝0K和ΔT＝5.2K时，输入LP01模式和LP11b模式的光谱图；
图9：本发明所述的基于MZI结构的多模光衰减器的制作流程图；
具体实施方式
下面结合图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，基于MZI结构的多模光衰减器由下至上，由硅衬底101、聚合物下包层102、聚合物波导芯层103、聚合物上包层104和加热电极105组成。整个器件基于MZI光波导结构，分支处采用Y分支结构进行分束和耦合，其中，聚合物波导芯层103具有相同的厚度。直波导和弯曲波导(即输入少模直波导1、第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4、第一调制臂波导5、第二调制臂波导6、第一输出弯曲波导7、第二输出弯曲波导8、输出少模直波导10)支持LP01和LP11b两种模式，通过调整锥形波导的长度(即L2)、弯曲波导长度(即L3)、以及弯曲波导的最小间隙(即W3)优化器件的性能。两调制臂(即第一调制臂波导5和第二调制臂波导6)正上方设置调制电极(即第一加热电极11和第二加热电极12)。
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，确定芯层各个波导的尺寸参数。固定聚合物波导芯层的宽度W2为4.5μm，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、第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4、第一调制臂波导5、第二调制臂波导6、第一输出弯曲波导7、第二输出弯曲波导8、输出少模直波导10的厚度h1为9μm，输入少模直波导1、输出少模直波导10的长度L1＝1000μm；输入锥形波导2、输出锥形波导9的长度L2＝635μm；第一输入弯曲波导3、第二输入弯曲波导4、第一输出弯曲波导7、第二输出弯曲波导8的长度L3＝2000μm；第一调制臂波导5、第二调制臂波导6的长度L4＝2000μm；第一加热电极11、第二加热电极12的长度L5＝2000μm，宽度W1＝12μm；弯曲波导间的最小间隙W3＝0.18μm；第一调制臂波导5、第二调制臂波导6的中心间距W4＝50μm，多模光衰减器的整体长度为8.8mm。对于该多模光衰减器，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6μm，聚合物波导芯层的厚度h1为9μm，聚合物波导芯层正上方的聚合物上包层的厚度为6μm，加热电极层的厚度h2为100nm。
实施例3
一种用于模分复用系统的多模光衰减器，其工作原理如下：
若输入为LP01模式的信号光，信号光从输入少模直波导1输入，经输入锥形波导2后进入到第一输入弯曲波导3和第二输入弯曲波导4中，再分别进入第一调制臂波导5和第二调制臂波导6，第一调制臂波导5和第二调制臂波导6中为相位相同的LP01模式的信号光，且功率为输入信号光功率的一半；未对任一加热电极进行加热时，两调制臂中信号光的相位不发生变化，在输出端发生干涉，干涉产生的信号光的模式与输入的LP01模式的信号光相同，从输出端口输出不产生衰减，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如图5(a)和5(b)所示；若对任一加热电极进行调制使得两调制臂中的信号光产生相位差且相位差不为2π的整数倍，两臂中的信号光在输出端发生干涉，产生LP01和LP11a两种模式的混合光，由于输出波导不支持LP11a模式，因此LP11a模式的光被衰减，输出为LP01模式的信号光，功率为输入的LP01模式的光功率减去干涉产生的LP11a模式的光功率，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如图5(c)和5(d)所示；特别的，当对加热电极进行调制使得两调制臂中的信号光产生的相位差为((2n+1)π)(n为整数)时，两臂中的信号光在输出端发生干涉且全部转换为LP11a模式，此时实现的衰减最大，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如图5(e)和5(f)所示。
若输入为LP11b模式的信号光，信号光从输入少模直波导1输入，经输入锥形波导2后进入到第一输入弯曲波导3和第二输入弯曲波导4中，再分别进入第一调制臂波导5和第二调制臂波导6，第一调制臂波导5和第二调制臂波导6中为相位相同的LP11b模式的信号光，且功率为输入信号光功率的一半；未对任一加热电极进行加热时，两调制臂中信号光的相位不发生变化，在输出端发生干涉，干涉产生的信号光模式与输入的LP11b模式的信号光相同，从输出端口输出不产生衰减，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如图6(a)和6(b)所示；若对任一加热电极进行调制使得两调制臂中的信号光产生相位差且相位差不为2π的整数倍，两臂中的信号光在输出端发生干涉，产生LP11b和LP21两种模式的光，由于输出波导不支持LP21模式，因此LP21模式的光被衰减，输出为LP11b模式的信号光，功率为输入的LP11b模式的光功率减去干涉产生的LP21模式的光功率，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如图6(c)和6(d)所示；特别的，当对加热电极进行调制使得两调制臂中的信号光产生的相位差为((2n+1)π)(n为整数)时，两臂中的信号光在输出端发生干涉且全部转换为LP21模式，此时实现的衰减最大，光场传输模拟图及输出端光场分布模拟图分别如图6(e)和6(f)所示。
两种模式的衰减随加热电极加热温度的变化曲线如图7所示，可以看出，在同一温度下，两种模式的衰减几乎相同。
实施例4
下面结合图9详细说明本发明的制备方式，具体步骤如下：
1、清洗硅衬底：将硅衬底放入丙酮溶液中超声清洗15分钟，然后再放入乙醇溶液中超声清洗15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2100转/分钟，然后置于120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光34s并再次置于120℃条件下烘烤3分钟，制得的聚合物下包层的厚度为6μm；
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，置于90条件下烘烤5分钟，然后降温10分钟；
4、光刻：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多模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、弯曲波导、调制臂结构的芯层薄膜被紫外曝光；然后进行中烘，置于85℃条件下烘烤5分钟，烘烤结束后自然冷却室温；
5、显影：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70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20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；最后置于130℃条件下烘烤30分钟进行后烘坚膜，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1100转/分钟，然后置于120℃条件下烘烤5分钟，然后进行整体曝光34s并再次置于120℃条件下烘烤3分钟，制得的聚合物上包层的厚度为6μm(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薄膜置于95℃条件下烘烤20分钟，得到厚度为2μm的BP212薄膜；
9、光刻：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，加热电极在调制臂的正上方)，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：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，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，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MZI结构的多模光衰减器。

Claims (4)

1.一种基于MZI结构的多模光衰减器，其特征在于：从下至上依次由硅衬底（101）、聚合物下包层（102）、聚合物波导芯层（103）、聚合物上包层（104）和加热电极层（105）组成，聚合物波导芯层（103）和聚合物上包层（104）位于聚合物下包层（102）之上，聚合物波导芯层（103）被包覆在聚合物上包层（104）之中；整个器件基于MZI光波导结构，沿光的传播方向，聚合物波导芯层（103）依次由输入少模直波导（1）、输入锥形波导（2）、第一输入弯曲波导（3）、第二输入弯曲波导（4）、第一调制臂波导（5）、第二调制臂波导（6）、第一输出弯曲波导（7）、第二输出弯曲波导（8）、输出锥形波导（9）、输出少模直波导（10）组成，在第一调制臂波导（5）和第二调制臂波导（6）上分别设置有第一加热电极（11）和第二加热电极（12）；输入锥形波导（2）和第一输入弯曲波导（3）、第二输入弯曲波导（4）构成具有Y分支结构的分束器；第一输出弯曲波导（7）、第二输出弯曲波导（8）和输出锥形波导（9）构成具有Y分支结构的耦合器；
其中，聚合物波导芯层（103）各部分的厚度相等为h1，加热电极层的厚度相等为h2；输入少模直波导（1）和输出少模直波导（10）的长度相等为L1，输入锥形波导（2）和输出锥形波导（9）的长度相等为L2，第一输入弯曲波导（3）、第二输入弯曲波导（4）、第一输出弯曲波导（7）和第二输出弯曲波导（8）的长度相等为L3，第一调制臂波导（5）和第二调制臂波导（6）的长度相等为L4，第一加热电极（11）和第二加热电极（12）的长度相等为L5、宽度相等为W1；输入少模直波导（1）、第一输入弯曲波导（3）、第二输入弯曲波导（4）、第一调制臂波导（5）、第二调制臂波导（6）、第一输出弯曲波导（7）、第二输出弯曲波导（8）和输出少模直波导（10）的宽度相等为W2，第一输入弯曲波导（3）与第二输入弯曲波导（4）之间的最小间隙、第一输出弯曲波导（7）和第二输出弯曲波导（8）之间的最小间隙相等为W3，第一调制臂波导（5）、第二调制臂波导（6）的中心间距为W4；输入锥形波导（2）和输出锥形波导（9）是宽度渐变的波导，其与少模直波导连接处的宽度相等为W2，其与弯曲波导连接处的宽度相等为2W2+W3；并且W2＝4.5 μm，L1=1000 μm，L2=635 μm，L3=2000 μm，L4=2000 μm，L5=2000 μm，W1=12 μm，W3=0.18 µm，W4=50 µm，聚合物下包层（102）的厚度为6 μm，聚合物波导芯层（103）的厚度h1为9μm，聚合物波导芯层正上方的聚合物上包层（104）的厚度为6 μm，加热电极层的厚度h2为100 nm。
2.如权利要求1所述的一种基于MZI结构的多模光衰减器，其特征在于：聚合物上、下包层均为聚合物材料EpoClad，折射率为1.56；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。
3.如权利要求1所述的一种基于MZI结构的多模光衰减器，其特征在于：输入少模直波导（1）、输入锥形波导（2）、第一输入弯曲波导（3）、第二输入弯曲波导（4）、第一调制臂波导（5）、第二调制臂波导（6）、第一输出弯曲波导（7）、第二输出弯曲波导（8）和输出锥形波导（9）和输出少模直波导（10）可以传输LP01和LP11b模式。
4.如权利要求1所述的一种基于MZI结构的多模光衰减器，其特征在于：信号光从输入少模直波导（1）输入，经输入锥形波导（2）后进入到第一输入弯曲波导（3）和第二输入弯曲波导（4）中，分成功率和相位相等的两束光，再分别进入第一调制臂波导（5）和第二调制臂波导（6），然后经第一输出弯曲波导（7）和第二输出弯曲波导（8）进入到输出锥形波导（9），最后从输出少模直波导（10）输出；当对任一加热电极进行调制，使两调制臂中的两信号光产生不为2π整数倍的相位差时，两信号光在输出锥形波导9中发生干涉时不仅会产生与输入光相同模式的信号光，还会产生更高阶模式的信号光；由于输出少模直波导（10）无法传输更高阶模式的信号光，因而从输出少模直波导（10）输出的仅为干涉产生的与输入光相同模式的信号光，其功率为输入信号光的功率减去更高阶模式信号光的功率，从而实现信号光的衰减。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN114153027A (zh) * 2022-01-24 2022-03-08 吉林大学 一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器及其制备方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3337629B2 (ja) * 1997-10-30 2002-10-21 エヌティティエレクトロニクス株式会社 導波路型光可変減衰器
CN1188740C (zh) * 2001-12-17 2005-02-09 中国科学院半导体研究所 多模干涉型光学衰减器
CN105388637B (zh) * 2015-12-17 2018-02-13 东南大学 一种基于介质沉积型表面等离子波导的soi基mzi型1×2热光开关
CN109343236B (zh) * 2018-11-28 2020-05-12 武汉光迅科技股份有限公司 一种光衰减器以及光衰减器的调节方法
CN114153026B (zh) * 2022-01-24 2023-09-05 吉林大学 一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器及其制备方法
CN114153025B (zh) * 2022-01-24 2024-03-08 吉林大学 一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN114153027A (zh) * 2022-01-24 2022-03-08 吉林大学 一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器及其制备方法

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