CN115308836B - 一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于聚合物/金属混合波导的滤模器及其制备方法，属于平面光波导器件及其制备技术领域。由硅片衬底，位于硅片衬底之上的聚合物波导包层、聚合物直波导芯层和金属直波导芯层组成，金属直波导芯层被包覆在聚合物直波导芯层之中，聚合物直波导芯层被包覆在聚合物波导包层之中；金属直波导芯层位于聚合物直波导芯层的中心位置。本发明利用金属的吸收特性实现了器件对光的偏振不敏感的功能，且对基模的吸收损耗较大，而对于高阶模式则吸收损耗微乎其微。本发明器件采用的直波导结构，结构简单，器件制作工艺比较简单，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滤模器。

Description

一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器及其制备方法
技术领域
本发明属于平面光波导器件及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以聚合物作为波导芯层和包层、利用金属对光的吸收特性作为实现模式滤除功能部分直波导结构的基于聚合物和金属混合波导的滤模器及其制备方法。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，不断增长的信息需求给信息的传输提出了巨大的挑战，包括传输速度、传输带宽等方面的要求越来越高。为了应对以上需求，光网络尤其是全光网的发展显得尤为迫切。随着光纤技术的引入，采用光纤作为传输媒介的光通信技术日渐成为满足当前飞速增长的通讯和数据传输的重要手段。相比于传统通信系统，光纤通信系统具有传输容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强和误码率低等优势。近年来，随着信息传输容量需求的进一步增大，模分复用作为一种解决光学系统基本容量限制的可行方案引起了人们的广泛关注。通过增加系统中传输的模式数，可以显著提高光纤系统的传输容量。
滤模器在模分复用传输系统中起着重要作用。在解复用不同模式后，使用滤模器过滤掉不需要的模式，降低器件中不同模式间的串扰，从而提升器件的性能。由于高阶模式具有弱光学约束，并且可以使用具有所需截止宽度的锥形波导结构将其过滤掉，因此实现高阶模式的过滤较为简单；但是低阶模式可以很好地限制在波导芯层中，因此很难过滤掉它们，并且在平面波导结构中实现低阶模式滤波器的研究很少，且对偏振具有一定的敏感特性。为解决以上问题，本发明利用低阶模式的光场分布特性及金属对光场的吸收特性的原理，在特定的位置放置金属以实现对低阶模式的滤除，从而实现滤除低阶模式、通过高阶模式的器件功能。
与级联马赫-曾德尔干涉仪、光子晶体和长周期光栅等其他滤模器结构相比，基于聚合物和金属混合波导的滤模器具有结构简单紧凑、超宽带、偏振不敏感和滤模效率高等显著优势。并且有机聚合物材料具有种类繁多、价格低廉、制备工艺简单且与半导体工艺兼容、抗电磁干扰能力强等显著优势，科学界和工业界已经逐渐认识到其重要性。另外，有机聚合物材料柔韧性好，根据器件性能需要，易于化学和物理改性，合成相应的聚合物材料。随着材料性能不断提升，相关制作工艺不断优化，聚合物材料使用寿命不断延长，并能稳定地应用于科研及工业环境中，聚合物材料光学集成器件研究已成为目前研究热点。最重要的是聚合物材料的制作工艺简单、灵活，很容易将金属掩埋到聚合物波导的内部，并且利用其制备的波导器件与光纤的耦合效率高，易于封装和大规模生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单的，可以滤除基模（TE11和TM11），只通过高阶模式的基于聚合物和金属混合波导的滤模器及其制备方法。
本发明采用直波导结构，是平面光波导器件设计中最简单的结构。其滤模原理是利用金属对光的吸收特性以及金属所在的中心位置使金属位置与基模光场分布位置充分重合，因而实现吸收基模而通过高阶模式的功能。
本发明以硅片作为衬底，以有机聚合物作为波导的芯层和包层，利用金属对光的吸收特性作为实现模式滤除功能部分的直波导结构，充分利用有机聚合物材料种类多样、加工性强，以及金属对光的偏振不敏感的吸收特性。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。
如附图1和图2所示，一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器，其特征在于：由硅片衬底21，位于硅片衬底21之上的聚合物波导包层22、聚合物直波导芯层23和金属直波导芯层24组成，金属直波导芯层24被包覆在聚合物直波导芯层23之中，聚合物直波导芯层23被包覆在聚合物波导包层22之中；沿光的传输方向，聚合物直波导芯层23的截面为矩形，宽度w为3~14 μm，厚度h为6~16 μm；金属直波导芯层24的截面为正方形，其位于聚合物直波导芯层23的中心位置，边长m为100~200 nm；聚合物直波导芯层23之上和之下的聚合物波导包层的厚度相等，为10~20 μm；器件整体长度为1~20cm。可以根据不同金属对光的吸收能力不同，以及不同聚合物直波导芯层、聚合物波导包层材料的折射率不同，适当调整金属直波导芯层24的边长和聚合物直波导芯层23的尺寸。
本发明所述的一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器的制备方法，其工艺流程如附图3所示，具体步骤如下：
A：基片表面的清洁处理
用沾有丙酮的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底21表面，再用沾有乙醇的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底表面，然后用去离子水冲洗干净；最后用氮气吹干，再在90~120 ℃条件下烘烤1~2小时去除水气；
B：聚合物下波导包层制备
采用旋涂工艺将聚合物波导包层材料（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、EpoClad、聚碳酸酯（PC）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21的一侧表面上，旋涂转速为2000~6000 转/分钟，然后在120~150 ℃条件下加热30~60分钟，加热完毕后静置1~2小时降至室温，制得厚度为10~20 µm的聚合物下波导包层；
C：制备下半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将聚合物直波导芯层材料（SU-8 2002、SU-8 2005、交联的苯环丁烷（BCB）、OrmoCore、OrmoClad、EpoCore、EpoClad在内的一系列可干法刻蚀的有机聚合物材料，聚合物直波导芯层材料的折射率高于聚合物上/下波导包层折射率）旋涂在聚合物下波导包层上，旋涂转速为2000~6000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60~100 ℃条件下处理5~30分钟进行前烘，再在紫外灯下曝光5~20秒，最后在75~100 ℃条件下处理10~30分钟，加热完毕后静置1~2小时降温至室温，得到厚度为3~8 µm的下半部分聚合物直波导芯层；
D：制备金属直波导芯层24
在下半部分聚合物直波导芯层上，采用蒸镀工艺蒸镀上一层厚度为100~200 nm的金属（包括金、铝、铜、银等）薄膜，然后旋涂一层正性光刻胶，在100~200 ℃条件下前烘1~3分钟；将器件放入电子束光刻设备舱中，并移动到预先设置的扫描位置，然后导入设计好的版图文件对器件进行扫描，在器件表面的特定位置形成与需要制备的金属直波导芯层24结构相同的波导图形，对金属直波导芯层24结构之外的光刻胶进行电子束光刻，电子束的加速电压为10~20 kV，束流为50~150 pA；电子束光刻完成后，将器件从电子束光刻设备舱中取出，使用光刻胶专用显影液进行浸泡去除电子束光刻后的光刻胶，时长为5~10分钟，用去离子水清洗并吹干，再使用金属溶解溶液对去除光刻胶后的金属薄膜进行溶解；最后，将器件放紫外灯下进行整体曝光，取出后用光刻胶专用显影液清洗掉剩余的光刻胶，得到金属直波导芯层24；沿光的传输方向，截面为边长100~200 nm的正方形；
E：制备上半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将与步骤C相同的聚合物直波导芯层材料旋涂在步骤C制备的下半部分聚合物直波导芯层和步骤D制备的金属直波导芯层24上，旋涂速度为2000~6000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60℃~100℃条件下处理5~30分钟进行前烘，然后再在紫外灯下曝光5~20秒，最后在75~100 ℃条件下处理10~30分钟，加热完毕后静置1~2小时降温至室温，得到厚度为3~8 µm的上半部分聚合物直波导芯层；
F：制备聚合物直波导芯层23
在步骤E的上半部分聚合物直波导芯层上蒸镀一层厚度为100~200 nm的Al掩膜，采用旋涂工艺在Al掩膜上旋涂一层正性光刻胶，在80~100 ℃条件下前烘15~30分钟；然后，在光刻机上，将其与波导掩膜版紧密接触进行对版光刻，波导掩膜版上具有与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的波导图形，曝光时间为5~10秒；除去波导掩膜版，经过专用显影液显影去除未曝光的光刻胶，再在80~120 ℃条件下烘烤10~20分钟，从而在Al掩膜上得到与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的光刻胶图形；再次，将其放在浓度为3~10‰的NaOH溶液中进行溶解，以去除未被光刻胶掩盖的Al掩膜；然后将器件放在感应耦合等离子体刻蚀机中对无Al掩膜覆盖的下半部分和上半部分聚合物直波导芯层进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300~500mW，偏置功率为20~80 W，氧气流量为20~60 sccm，刻蚀时间为50~250 s；最后，将刻蚀完成的器件放在光刻机下充分曝光，使剩余的Al掩膜之上的正性光刻胶全部曝光，并用浓度为5‰的NaOH溶液去除光刻胶及由其覆盖的Al掩膜，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，制得聚合物直波导芯层23；
G：制备聚合物上波导包层
采用旋涂工艺将与步骤B相同的聚合物波导包层材料旋涂在聚合物下波导包层和聚合物直波导芯层23上，使聚合物直波导芯层23被完全包覆，旋涂转速为2000~5000转/分钟，然后在120℃~150℃条件下加热30~60分钟，聚合物直波导芯层23之上的聚合物上波导包层的厚度为10~20 µm，聚合物下波导包层和聚合物上波导包层合称为聚合物波导包层；从而制备得到本发明所述的基于聚合物和金属混合波导的滤模器。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用金属的吸收特性实现了器件对光的偏振不敏感的功能，且对基模的吸收损耗较大，而对于高阶模式则吸收损耗微乎其微。并且，器件采用的直波导结构，结构简单，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滤模器。
附图说明
图1：本发明所述的基于金属/聚合物混合波导的滤模器的三维结构示意图；
图2：本发明所述的基于金属/聚合物混合波导的滤模器的横截面结构示意图；
图3：基于金属/聚合物混合波导的滤模器的制备工艺流程图；
图4（a）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE11模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（b）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM11模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（c）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE12模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（d）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM12模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（e）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE21模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（f）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM21模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（g）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE22模式时，输出的光场分布模拟图；
图4（h）：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM22模式时，输出的光场分布模拟图；
图5：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器对各模式的吸收损耗随金宽度变化的曲线图；
图6：基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器对各模式的吸收损耗随光波长变化的曲线图；
图7（a）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE11模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（b）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM11模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（c）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE12模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（d）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM12模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（e）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE21模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（f）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM21模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（g）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE22模式时，输出的光场分布模拟图；
图7（h）：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM22模式时，输出的光场分布模拟图；
图8：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器对各模式的吸收损耗随金宽度变化的曲线图；
图9：基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器对各模式的吸收损耗随光波长变化的曲线图。
如图1和图2所示，本发明所述的基于直波导的滤模器的结构示意图，各部件名称为：硅片衬底21，聚合物波导包层22，聚合物直波导芯层23，金属直波导芯层24；
如图4（a）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE11模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（b）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM11模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（c）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE12模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（d）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM12模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（e）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE21模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（f）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TM21模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（g）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE22模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图4（h）所示，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器输入TE22模式时，输出的光场分布模拟图，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，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图5所示，随金宽度的增加，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器对基模的吸收损耗逐渐增加的趋势较为明显，而对于其他模式光场的吸收损耗则无明显变化且吸收损耗较低；
如图6所示，随波长的增加，为基于掩埋金/聚合物混合波导的滤模器对基模的吸收损耗呈现降低的趋势，但是在1500~1600nm波段范围内保持较高的吸收损耗，而对于其他模式光场的吸收损耗则无明显变化且吸收损耗较低；
如图7（a）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE11模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（b）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM11模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（c）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE12模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（d）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM12模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（e）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE21模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（f）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM21模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（g）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TE22模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图7（h）所示，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器输入TM22模式时，输出的光场分布模拟图，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，可以看出，器件对基模的吸收效果较好，而对其他模式几乎没有影响；
如图8所示，随铝宽度的增加，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器对基模的吸收损耗逐渐增加的趋势较为明显，而对于其他模式光场的吸收损耗则无明显变化且吸收损耗较低；
如图9所示，随波长的增加，为基于掩埋铝/聚合物混合波导的滤模器对基模的吸收损耗呈现降低的趋势，并在1500~1600nm波段范围内保持较高的吸收损耗，而对于其他模式光场的吸收损耗则无明显变化且吸收损耗较低。
具体实施案例
实施例1
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例结构如图1和图2所示，其中掩埋的金属直波导芯层24材料为金，聚合物直波导芯层23材料为EpoCore，宽度为9.5 μm，高度为8.5 μm；聚合物波导包层材料为EpoClad，聚合物直波导芯层23之上和之下的聚合物波导包层22的厚度均为13 μm。
当金直波导的正方形截面边长m等于150 nm时，输入TE11模式时，如附图4（a）所示，滤模器对光场的吸收损耗为46.03 dB/cm；输入TM11模式时，如附图4（b）所示，滤模器对光场的吸收损耗为45.93dB/cm；输入TE12模式时，如附图4（c）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.85 dB/cm；输入TM12模式时，如附图4（d）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.02dB/cm；输入TE21模式时，如附图4（e）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.27 dB/cm；输入TM21模式时，如附图4（f）所示，滤模器对光场的吸收损耗为1.34dB/cm；输入TE22模式时，如附图4（g）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.05 dB/cm；输入TM22模式时，如附图4（h）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.01dB/cm。
如附图5所示，为当聚合物直波导芯层截面的长×宽为9.5 μm×8.5 μm时，器件对不同模式光场的吸收损耗随进宽度的变化情况。当金宽度在130~150 nm范围内时，器件对TE11模式的吸收损耗范围为28.39~46.03dB/cm，对TM11模式的吸收损耗范围为28.12~45.93 dB/cm，对TE12模式的吸收损耗范围为0.76~0.85dB/cm，对TM21模式的吸收损耗范围为1.14~1.34 dB/cm，其他模式均小于0.4dB/cm。综上所述，金属直波导芯层尺寸选择边长在0.13~0.15μm范围内，器件可以实现较好的性能。
如附图6所示，为当聚合物直波导芯层截面的长×宽为9.5 μm×8.5 μm时，器件对不同模式光场的吸收损耗随波长的变化情况。基模的损耗随波长的增加呈现逐渐下降的趋势，随波长由1500 nm增加至1600 nm，器件对TE11模式的吸收损耗从38.76 dB/cm下降至33.03 dB/cm，相差大约5 dB/cm；器件对TM11模式的吸收损耗从39.43 dB/cm下降至33.53dB/cm，相差大约6 dB/cm，而波长对其他模式的吸收损耗的影响均不超过0.1 dB/cm，综上所述，器件对光波长的依赖性较弱，即器件对波长变化不敏感。
实施例2
实施例结构如图1和图2所示，其中掩埋的金属直波导芯层24材料为铝，聚合物直波导芯层23材料为EpoCore，宽度为12 μm，高度为11 μm；聚合物波导包层24材料为EpoClad，聚合物直波导芯层23之上和之下的聚合物波导包层22的厚度均为16 μm。
当铝金属直波导的正方形截面边长为130 nm时，输入TE11模式时，如附图7（a）所示，滤模器对光场的吸收损耗为21.62 dB/cm；输入TM11模式时，如附图7（b）所示，滤模器对光场的吸收损耗为21.46 dB/cm；输入TE12模式时，如附图7（c）所示，滤模器对光场的吸收损耗为1.12dB/cm；输入TM12模式时，如附图7（d）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.02dB/cm；输入TE21模式时，如附图7（e）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.02dB/cm；输入TM21模式时，如附图7（f）所示，滤模器对光场的吸收损耗为1.83 dB/cm；输入TE22模式时，如附图7（g）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.002dB/cm；输入TM22模式时，如附图7（h）所示，滤模器对光场的吸收损耗为0.0003 dB/cm。
如附图8所示，为当聚合物直波导芯层截面的长×宽为12 μm×11 μm时，器件对不同模式光场的吸收损耗随进宽度的变化情况。当铝宽度在0.13~0.16 μm范围内时，器件对TE11模式的吸收损耗范围为28.12~35.10 dB/cm，对TM11模式的吸收损耗范围为21.46~34.89 dB/cm，对TE12模式的吸收损耗范围为1.12~1.36 dB/cm，对TM21模式的吸收损耗范围为1.83~2.47 dB/cm，其他模式均小于0.2dB/cm。综上所述，器件掩埋的器件金属直波导芯层尺寸选择边长在0.13~0.16 μm范围内，器件可以实现较好的性能。
如附图9所示，为当聚合物直波导芯层截面的长×宽为12 μm×11 μm时，器件对不同模式光场的吸收损耗随波长的变化情况。基模的损耗随波长的增加呈现逐渐下降的趋势，随波长由1500 nm增加至1600 nm，器件对TE11模式的吸收损耗从22.46 dB/cm下降至20.84dB/cm，相差大约1.5 dB/cm；器件对TM11模式的吸收损耗从22.28 dB/cm下降至20.69dB/cm，相差大约1.5 dB/cm，而波长对其他模式的吸收损耗的影响均不超过0.2dB/cm，综上所述，器件对光波长的依赖性较弱，即器件对波长变化不敏感。
实施例3：基于聚合物/金混合波导的滤模器的制备
A：基片表面的清洁处理
用沾有丙酮的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底21表面，再用沾有乙醇的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底表面，然后用去离子水冲洗干净；最后用氮气吹干，再在100 ℃条件下烘烤1小时去除水气；
B：聚合物下波导包层制备
采用旋涂工艺将聚合物波导包层材料EpoClad旋涂在清洗干净的硅片衬底21的一侧表面上，旋涂转速为2000转/分钟，然后在120℃条件下加热30分钟，加热完毕后静置2小时降至室温，制得厚度为10µm的聚合物下波导包层；
C：制备下半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将聚合物直波导芯层材料EpoCore旋涂在聚合物下波导包层上，旋涂转速为4000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60 ℃条件下处理20分钟进行前烘，再在紫外灯下曝光10秒钟，最后在90 ℃条件下处理10分钟，加热完毕后静置2小时降温至室温，得到厚度4μm的下半部分聚合物直波导芯层；
D：制备金属直波导芯层24
在下半部分聚合物直波导芯层上，采用金属蒸镀工艺蒸镀上一层厚度为150 nm的金薄膜，然后旋涂一层正性光刻胶ARP6200.13，在150 ℃条件下前烘2分钟；将器件放入电子束光刻设备舱中，并移动到预先设置的扫描位置，然后导入设计好的版图文件对器件进行扫描，在器件表面的特定位置形成与需要制备的金属直波导芯层24结构相同的波导图形，对金属直波导芯层24结构之外的光刻胶进行电子束光刻，电子束的加速电压为15 kV，束流为100 pA；电子束光刻完成后，将器件从电子束光刻设备舱中取出，使用光刻胶专用显影液进行浸泡去除电子束光刻后的光刻胶，时长为8分钟，用去离子水清洗并吹干，再使用碘化钾和碘溶液对去除光刻胶后的金薄膜进行溶解；最后，将器件放紫外灯下进行整体曝光，取出后用光刻胶专用显影液清洗掉剩余的光刻胶，得到金属直波导芯层24；沿光的传输方向，截面为边长150 nm的正方形；
E：制备上半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将聚合物直波导芯层材料EpoCore旋涂在步骤C制备的下半部分聚合物直波导芯层和步骤D制备的金属直波导芯层24上，旋涂速度为4000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60℃条件下处理20分钟进行前烘，然后再在紫外灯下曝光10秒钟，最后在90℃ 条件下处理10分钟，加热完毕后静置2小时降温至室温，得到厚度为4 µm的上半部分聚合物直波导芯层；
F：制备聚合物直波导芯层23
在步骤E的上半部分聚合物直波导芯层上蒸镀一层厚度为150 nm的Al掩膜，采用旋涂工艺在Al掩膜上旋涂一层正性光刻胶，在85 ℃条件下前烘20分钟；然后，在光刻机上，将其与波导掩膜版紧密接触进行对版光刻，波导掩膜版上具有与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的波导图形，曝光时间为7秒；除去波导掩膜版，经过专用显影液显影去除未曝光的光刻胶，再在100 ℃条件下烘烤10分钟，从而在Al掩膜上得到与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的光刻胶图形；再次，将其放在浓度为5‰的NaOH溶液中进行溶解，以去除未被光刻胶掩盖的Al掩膜；然后将器件放在感应耦合等离子体刻蚀机中对无Al掩膜覆盖的下半部分和上半部分聚合物直波导芯层进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400mW，偏置功率为50 W，氧气流量为40 sccm，刻蚀时间为100 s；最后，将刻蚀完成的器件放在光刻机下充分曝光，使剩余的Al掩膜之上的正性光刻胶全部曝光，并用浓度为5‰的NaOH溶液去除光刻胶及由其覆盖的Al掩膜，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，制得聚合物直波导芯层23；
G：制备聚合物上波导包层
采用旋涂工艺将与聚合物波导包层材料EpoClad旋涂在聚合物下波导包层和聚合物直波导芯层23上，使聚合物直波导芯层23被完全包覆，旋涂转速为2000转/分钟，然后在120℃条件下加热30分钟，聚合物直波导芯层23之上的聚合物上波导包层的厚度为10 µm，聚合物下波导包层和聚合物上波导包层合称为聚合物波导包层；从而制备得到本发明所述的基于聚合物/金混合波导的滤模器。
实施例4：基于聚合物/铝混合波导的滤模器的制备
A：基片表面的清洁处理
用沾有丙酮的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底21表面，再用沾有乙醇的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底表面，然后用去离子水冲洗干净；最后用氮气吹干，再在100 ℃条件下烘烤1小时去除水气；
B：聚合物下波导包层制备
采用旋涂工艺将聚合物波导包层材料EpoClad旋涂在清洗干净的硅片衬底21的一侧表面上，旋涂转速为2000转/分钟，然后在120℃条件下加热30分钟，加热完毕后静置2小时降至室温，制得厚度为10µm的聚合物下波导包层；
C：制备下半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将聚合物直波导芯层材料EpoCore旋涂在聚合物下波导包层上，旋涂转速为4000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60 ℃条件下处理20分钟进行前烘，再在紫外灯下曝光10秒钟，最后在90 ℃条件下处理10分钟，加热完毕后静置2小时降温至室温，得到厚度4μm的下半部分聚合物直波导芯层；
D：制备金属直波导芯层24
在下半部分聚合物直波导芯层上，采用金属蒸镀工艺蒸镀上一层厚度为130 nm的铝薄膜，然后旋涂一层正性光刻胶ARP6200.13，在150 ℃条件下前烘2分钟；将器件放入电子束光刻设备舱中，并移动到预先设置的扫描位置，然后导入设计好的版图文件对器件进行扫描，在器件表面的特定位置形成与需要制备的金属直波导芯层24结构相同的波导图形，对金属直波导芯层24结构之外的光刻胶进行电子束光刻，电子束的加速电压为15 kV，束流为100 pA；电子束光刻完成后，将器件从电子束光刻设备舱中取出，使用光刻胶专用显影液进行浸泡去除电子束光刻后的光刻胶，时长为8分钟，用去离子水清洗并吹干，再使用质量浓度为5‰的NaOH溶液对去除光刻胶后的铝薄膜进行溶解；最后，将器件放紫外灯下进行整体曝光，取出后用光刻胶专用显影液清洗掉剩余的光刻胶，得到金属直波导芯层24；沿光的传输方向，截面为边长130 nm的正方形；
E：制备上半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将聚合物直波导芯层材料EpoCore旋涂在步骤C制备的下半部分聚合物直波导芯层和步骤D制备的金属直波导芯层24上，旋涂速度为4000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60℃条件下处理20分钟进行前烘，然后再在紫外灯下曝光10秒种，最后在90℃ 条件下处理10分钟，加热完毕后静置2小时降温至室温，得到厚度为4 µm的上半部分聚合物直波导芯层；
F：制备聚合物直波导芯层23
在步骤E的上半部分聚合物直波导芯层上蒸镀一层厚度为150 nm的Al掩膜，采用旋涂工艺在Al掩膜上旋涂一层正性光刻胶，在85 ℃条件下前烘20分钟；然后，在光刻机上，将其与波导掩膜版紧密接触进行对版光刻，波导掩膜版上具有与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的波导图形，曝光时间为7秒；除去波导掩膜版，经过专用显影液显影去除未曝光的光刻胶，再在100 ℃条件下烘烤10分钟，从而在Al掩膜上得到与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的光刻胶图形；再次，将其放在浓度为5‰的NaOH溶液中进行溶解，以去除未被光刻胶掩盖的Al掩膜；然后将器件放在感应耦合等离子体刻蚀机中对无Al掩膜覆盖的下半部分和上半部分聚合物直波导芯层进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400mW，偏置功率为50 W，氧气流量为40 sccm，刻蚀时间为100 s；最后，将刻蚀完成的器件放在光刻机下充分曝光，使剩余的Al掩膜之上的正性光刻胶全部曝光，并用浓度为5‰的NaOH溶液去除光刻胶及由其覆盖的Al掩膜，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，制得聚合物直波导芯层23；
G：制备聚合物上波导包层
采用旋涂工艺将与聚合物波导包层材料EpoClad旋涂在聚合物下波导包层和聚合物直波导芯层23上，使聚合物直波导芯层23被完全包覆，旋涂转速为2000转/分钟，然后在120℃条件下加热30分钟，聚合物直波导芯层23之上的聚合物上波导包层的厚度为10 µm，聚合物下波导包层和聚合物上波导包层合称为聚合物波导包层；从而制备得到本发明所述的基于聚合物/铝混合波导的滤模器。

Claims (5)

1.一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器，其特征在于：由硅片衬底（21），位于硅片衬底（21）之上的聚合物波导包层（22）、聚合物直波导芯层（23）和金属直波导芯层（24）组成，金属直波导芯层（24）被包覆在聚合物直波导芯层（23）之中，聚合物直波导芯层（23）被包覆在聚合物波导包层（22）之中；沿光的传输方向，聚合物直波导芯层（23）的截面为矩形，宽度w为3~14 μm，厚度h为6~16 μm；金属直波导芯层（24）的截面为正方形，其位于聚合物直波导芯层（23）的中心位置，边长m为100~200 nm；聚合物直波导芯层（23）之上和之下的聚合物波导包层的厚度相等，为10~20 μm；聚合物直波导芯层材料的折射率高于聚合物波导包层材料的折射率。
2.如权利要求1所述的一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器，其特征在于：聚合物波导包层（22）材料为聚甲基丙烯酸甲酯、EpoClad或聚碳酸酯。
3.如权利要求1所述的一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器，其特征在于：聚合物直波导芯层（23）材料为SU-8 2002、SU-8 2005、交联的苯环丁烷、OrmoCore、OrmoClad、EpoCore或EpoClad。
4.如权利要求1所述的一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器，其特征在于：金属直波导芯层（24）的材料为金、铝、铜或银。
5.权利要求1~4任何一项所述的一种基于聚合物和金属混合波导的滤模器的制备方法，其步骤如下：
A：基片表面的清洁处理
用沾有丙酮的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底（21）表面，再用沾有乙醇的棉球横向单向多次擦拭硅片衬底表面，然后用去离子水冲洗干净；最后用氮气吹干，再在90~120 ℃条件下烘烤1~2小时去除水气；
B：聚合物下波导包层制备
采用旋涂工艺将聚合物波导包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底（21）的一侧表面上，旋涂转速为2000~6000 转/分钟，然后在120~150 ℃条件下加热30~60分钟，加热完毕后静置1~2小时降至室温，制得厚度为10~20 µm的聚合物下波导包层；
C：制备下半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将聚合物直波导芯层材料旋涂在聚合物下波导包层上，旋涂转速为2000~6000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60~100 ℃条件下处理5~30分钟进行前烘，再在紫外灯下曝光5~20秒，最后在75~100 ℃条件下处理10~30分钟，加热完毕后静置1~2小时降温至室温，得到厚度为3~8 µm的下半部分聚合物直波导芯层；
D：制备金属直波导芯层（24）
在下半部分聚合物直波导芯层上，采用蒸镀工艺蒸镀上一层厚度为100~200 nm 的金属薄膜，然后旋涂一层正性光刻胶，在100~200 ℃条件下前烘1~3分钟；将器件放入电子束光刻设备舱中，并移动到预先设置的扫描位置，然后导入设计好的版图文件对器件进行扫描，在器件表面的特定位置形成与需要制备的金属直波导芯层（24）结构相同的波导图形，对金属直波导芯层（24）结构之外的光刻胶进行电子束光刻，电子束的加速电压为10~20kV，束流为50~150 pA；电子束光刻完成后，将器件从电子束光刻设备舱中取出，使用光刻胶专用显影液进行浸泡去除电子束光刻后的光刻胶，时长为5~10分钟，用去离子水清洗并吹干，再使用金属溶解溶液对去除光刻胶后的金属薄膜进行溶解；最后，将器件放紫外灯下进行整体曝光，取出后用光刻胶专用显影液清洗掉剩余的光刻胶，得到金属直波导芯层（24）；沿光的传输方向，截面为边长100~200 nm的正方形；
E：制备上半部分聚合物直波导芯层
采用旋涂工艺将与步骤C相同的聚合物直波导芯层材料旋涂在步骤C制备的下半部分聚合物直波导芯层和步骤D制备的金属直波导芯层（24）上，旋涂速度为2000~6000 转/分钟；然后采用阶梯升温的方法，在60℃~100℃条件下处理5~30分钟进行前烘，然后再在紫外灯下曝光5~20秒钟，最后在75~100 ℃条件下处理10~30分钟，加热完毕后静置1~2小时降温至室温，得到厚度为3~8 µm的上半部分聚合物直波导芯层；
F：制备聚合物直波导芯层（23）
在步骤E的上半部分聚合物直波导芯层上蒸镀一层厚度为100~200 nm的Al掩膜，采用旋涂工艺在Al掩膜上旋涂一层正性光刻胶，在80~100 ℃条件下前烘15~30分钟；然后，在光刻机上，将其与波导掩膜版紧密接触进行对版光刻，波导掩膜版上具有与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的波导图形，曝光时间为5~10秒；除去波导掩膜版，经过专用显影液显影去除未曝光的光刻胶，再在80~120 ℃条件下烘烤10~20分钟，从而在Al掩膜上得到与需要制备的聚合物直波导芯层结构相同的光刻胶图形；再次，将其放在浓度为3~10‰的NaOH溶液中进行溶解，以去除未被光刻胶掩盖的Al掩膜；然后将器件放在感应耦合等离子体刻蚀机中对无Al掩膜覆盖的下半部分和上半部分聚合物直波导芯层进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300~500 mW，偏置功率为20~80 W，氧气流量为20~60 sccm，刻蚀时间为50~250 s；最后，将刻蚀完成的器件放在光刻机下充分曝光，使剩余的Al掩膜之上的正性光刻胶全部曝光，并用浓度为5‰的NaOH溶液去除光刻胶及由其覆盖的Al掩膜，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，制得聚合物直波导芯层（23）；
G：制备聚合物上波导包层
采用旋涂工艺将与步骤B相同的聚合物波导包层材料旋涂在聚合物下波导包层和聚合物直波导芯层（23）上，使聚合物直波导芯层（23）被完全包覆，旋涂转速为2000~5000转/分钟，然后在120℃~150℃条件下加热30~60分钟，聚合物直波导芯层（23）之上的聚合物上波导包层的厚度为10~20 µm，聚合物下波导包层和聚合物上波导包层合称为聚合物波导包层（22）；从而制备得到所述的基于聚合物和金属混合波导的滤模器。
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