CN115755270A - 一种基于mzi-mmi结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

一种基于MZI‑MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，属于聚合物集成光学技术领域，该可变光衰减器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组成，器件基于MZI光波导结构，MZI光波导结构的两个调制臂采用1×1的MMI结构。对加热电极进行调制，信号光进入聚合物波导芯层的多模波导后光的多模干涉效果发生变化，在多模波导输出端不仅产生与输入信号模式相同的信号光，还产生其他更高阶模式的信号光，更高阶模式的信号光在聚合物波导芯层的输出弯曲波导中被衰减掉，输出信号光功率等于输入信号光功率减去被衰减掉的更高阶模式信号光功率，从而实现输入信号光的衰减。

Description

一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器

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基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器。

背景技术

光纤通信迅速发展，根据预测，2025年，将会出现容量危机。带宽的需求已经成为光通信未来发展的首要研究问题。目前，随着波分复用、时分复用和偏振复用等各个新技术的广泛应用，光能够传输信息的容量也得到了进一步的提高。如果为了提高传输容量，继续提高复用的密集程度和提高调制格式的阶数，会带来很大的信号损伤。因此，为了提供更大的信息容量，人们迫切需要寻找新的解决方案，以找到从根本上解决带宽需求矛盾的新的复用方式。

从物理上讲，增加并充分利用空间维度是进一步提高光纤通信容量的有效手段。空间维度，包括模式、多芯光纤等光纤传输中尚待开发的参数。模分复用是在同一根光纤中利用不同的光学模式传输不同的信息，这些模式相互正交，彼此互不影响，可以在多模光纤中同时进行传输。模分复用技术为光传输增加了一个新的自由度，从而成倍地提升了单根光纤的传输容量，大大提高光频谱的利用率，是大幅增加光纤通信信道容量的有效方法之一，在国际上己成为当前光通信领域的前沿与热点研究课题。正如波分复用系统曾成倍地提升光纤通信系统的容量一样，模分复用系统使带宽供需匹配成为可能，使光纤通信的信息容量和频率效率再一次大大提升。

可变光衰减器是光通信系统中重要的器件，可以用于光网络中多信道间的功率均衡，而且还可以对光放大器进行增益控制和增益展平。可变光衰减器可以分为传统机械型、熔融光纤型和集成型等。目前的可变光衰减器大多是传统机械型，虽然光学性能还算良好，但是这种类型的可变光衰减器体积大、不易集成、能耗高、机械可靠性差、成本高。而平面光波导型可变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，但是应用于模分复用系统的对模式不敏感的可变光衰减器目前还比较缺乏，模式不敏感的可变光衰减器仍有很大的研究空间。

用于制备平面光波导型可变光衰减器的材料有很多种，其中聚合物材料热光系数大较高，非常适用于可调谐的平面光波导器件。而且基于聚合物材料的光波导的制备只需要简单的半导体工艺，制备工艺简单、成本低廉。

发明内容

为了克服传统的可变光衰减器的不足，本发明的目的在于提供一种可以应用于模分复用系统的支持LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式的基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，本发明实现了这四种模式信号光的不敏感的衰减。本发明有效的扩展了聚合物基集成光电子器件在模分复用系统当中的应用，具有重要的实际应用价值。

本发明所述的一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，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和聚合物下包层之中，如附图1所示。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。本发明采用传统的Mach-Zehnder interferometer(MZI)和Multimode interference(MMI结构)平面光波导结构，这两种结构都是光波导器件中最基本的结构，被广泛的应用于平面光波导型可变光衰减器和光通信领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

如附图2所示，为本发明所述的基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的聚合物波导芯层和加热电极结构示意图，本发明的功能是对波导中LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式的光信号进行不敏感的衰减，整个器件基于MZI光波导结构，MZI光波导结构的调制臂采用MMI结构，从左至右沿光的传输方向，聚合物波导芯层依次由输入少模直波导1(可传输LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式)、第一输入弯曲波导2(可传输LP₀₁、LP_11b两种模式)、第二输入弯曲波导3(可传输LP₀₁、LP_11b两种模式)、第一输入锥形波导4、第二输入锥形波导5、第一多模波导6、第二多模波导7、第一输出锥形波导8、第二输出锥形波导9、第一输出弯曲波导10(可传输LP₀₁、LP_11b两种模式)、第二输出弯曲波导11(可传输LP₀₁、LP_11b两种模式)、输出少模直波导12(可传输LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式)组成，在第一多模波导6和第二多模波导7对称中心的聚合物上包层之上设置有与多模波导平行的加热电极13；第一输入锥形波导4、第一多模波导6和第一输出锥形波导8共同构成1×1的第一MMI结构，第二输入锥形波导5、第二多模波导7和第二输出锥形波导9共同构成1×1的第二MMI结构；光从输入少模直波导1输入，经第一输入弯曲波导2和第二输入弯曲波导3分成功率相等(功率为输入信号光功率的一半)的两束光后分别输入到完全相同的1×1的第一MMI结构和第二MMI结构当中，然后从第一MMI结构和第二MMI结构输出的信号光再分别经第一输出弯曲波导10和第二输出弯曲波导11耦合到输出少模直波导12当中，从输出少模直波导12输出。

聚合物波导芯层各部分的厚度均相等为h，加热电极与第一多模波导6和第二多模波导7在聚合物下包层上表面投影的距离相等为x；输入少模直波导1、输出少模直波导12的长度相等为L₁，宽度相等为W₁；第一输入弯曲波导2、第二输入弯曲波导3、第一输出弯曲波导10、第二输出弯曲波导11的长度相等为L₂，宽度相等为W₂；第一输入锥形波导4、第二输入锥形波导5、第一输出锥形波导8、第二输出锥形波导9为宽度渐变的波导，其长度相等为L₃，其与输入弯曲波导和输出弯曲波导相接处的宽度相等为W₂，其与多模波导相接处的宽度相等为W₃；第一多模波导6、第二多模波导7的长度相等为L₄，宽度相等为W₄；加热电极13的长度为L₅，宽度为W₅。

该基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的工作原理如下：

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。根据所述聚合物材料的折射率，在给定波导芯层高度h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)计算波导中LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式的有效折射率随波导宽度变化的曲线关系(如图3)，根据有效折射率匹配法和光束传播法，确定波导芯层的宽度W₁和W₂，使得波导宽度为W₁时能够传输LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式，波导宽度为W₂时能够传输LP₀₁和LP_11b两种模式，且W₁＝2*W₂；然后对MMI结构的尺寸参数进行确定，首先，在给定多模波导宽度W₄的条件下确定多模波导长度L₄，使得输入四种模式时在未进行调制的状态下不发生衰减，然后在给定锥形波导长度的情况下(给定的长度较长以使得可以忽略锥形波导产生的模式失配损耗)对锥形波导与多模波导相接处的宽度W₃进行优化，优化完成后再对锥形波导的长度L₃进行优化，使器件的尺寸和损耗都尽可能小；完成单个MMI结构的优化后对电极结构参数进行优化，将加热电极长度L₅设置成与多模波导长度L₄相同，将加热电极与多模波导的间距x设为0，对加热电极的宽度W₅进行优化，在减小功耗的同时尽量使得到的最大衰减尽可能大；最后对弯曲波导的长度L₂进行优化，使损耗和器件尺寸都尽可能小。

本发明中的MZI结构用于对光信号进行分束和耦合。我们通过设计使得MMI结构对LP₀₁模式和LP_11b模式的衰减不敏感，加热电极与第一MMI结构和第二MMI结构的相对位置相同，对加热电极进行调制，则加热电极周围区域多模波导的有效折射率减小，信号光进入多模波导后光的多模干涉效果发生变化，在输出端不仅产生了与输入信号模式相同的信号光，还产生了其他更高阶模式的信号光，由于输出弯曲波导只支持LP₀₁和LP_11b模式，因此更高阶模式的信号光在此处被衰减掉。由于两MMI波导结构完全相同，与加热电极的相对位置相同，因此对两MMI波导结构进行相同的调制，使得两输出弯曲波导中的信号光功率相同，相位差与输入弯曲波导中的信号光相位差相同，因此在输出少模直波导12处两信号光耦合为与输入信号光相同的模式，输出信号光功率等于输入信号光功率减去被衰减掉的更高阶模式信号光功率，从而实现输入信号光的衰减。锥形波导的作用是减小少模波导和多模波导之间的模式失配损耗。

输入为LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式的各个调制温度下的衰减状态分别如附图4、附图5、附图6和附图7所示，在工作波长为1.55μm波长下，各个模式的衰减随加热电极温度的变化情况如附图8，可以看到四种模式的衰减随温度的变化曲线几乎完全重合，表明四种模式的衰减不敏感，加热电极温度为27K时，衰减最大，LP₀₁模式的衰减为12.6dB，LP_11a模式的衰减为12.6dB，LP_11b模式的衰减为11.2dB，LP₂₁模式的衰减为11.1dB。该多模可变光衰减器利用多模干涉原理，通过调制使信号光在多模波导中的干涉状态发生改变，在MMI结构的输出波导处产生更高阶的模式，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。

我们模拟了工作波长对器件的影响，如附图9所示，在1.52μm到1.62μm工作波长范围内，在ΔT＝0K时，四种模式的衰减几乎为0，在ΔT＝27K时，四种模式的衰减都大于10.5dB，器件在电极加热温度为0K和27K时的衰减随波长变化不明显，且不同工作波长下，每种模式的衰减也几乎相等。

进一步的，我们对提出的基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器进行了进一步的优化，优化后的结构如附图11，为基于MZI-蝴蝶型MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器。首先，我们在第一多模波导6和第二多模波导7输出端的两侧分别增加了一个直角三角形结构波导B1、B2、B3和B4，直角三角形波导的斜边面朝向输出锥形波导设置；这些直角三角形结构波导有效的减小了光在输出端的反射，减小了信号光的串扰。然后，我们不再将电极与多模波导的间距x固定为0，我们仿真了x分别为0μm、1μm、2μm和3μm时LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式随温度的变化曲线，如附图12，为使得最大衰减温度尽可能小，最大衰减尽可能大，我们选择了x的值为2μm。在工作波长为1.55μm下，各个模式的衰减随加热电极温度的变化情况如附图13，四种模式的衰减对温度不敏感，加热电极温度为31K时，衰减最大，LP₀₁模式的衰减为35.1dB，LP_11a模式的衰减为33.8dB，LP_11b模式的衰减为32.1dB，LP₂₁模式的衰减为32.9dB。然后我们对该器件的波长敏感特性进行了仿真，如附图14所示，在1.52μm到1.62μm工作波长范围内，ΔT＝0K时，四种模式的衰减几乎为0，ΔT＝31K时，四种模式的衰减都大于20dB，器件在电极加热温度为0K和31K时的衰减随波长变化不明显，且不同工作波长下，每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-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的横截面示意图；

图2：本发明所述的基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的结构示意图；

图3：本发明所述的基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的波导芯层高度h为9μm时，波导内各模式有效折射率随波导宽度变化的关系曲线；

图4(a)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K(无调制)时输入LP₀₁模式的光场传输模拟图；

图4(b)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP₀₁模式的输出端光场分布模拟图；

图4(c)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP₀₁模式的光场传输模拟图；

图4(d)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP₀₁模式的输出端光场分布模拟图；

图4(e)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP₀₁模式的光场传输模拟图；

图4(f)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP₀₁模式的输出端光场分布模拟图；

图5(a)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP_11a模式的光场传输模拟图；

图5(b)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP_11a模式的输出端光场分布模拟图；

图5(c)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP_11a模式的光场传输模拟图；

图5(d)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP_11a模式的输出端光场分布模拟图；

图5(e)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP_11a模式的光场传输模拟图；

图5(f)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP_11a模式的输出端光场分布模拟图；

图6(a)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP_11b模式的光场传输模拟图；

图6(b)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP_11b模式的输出端光场分布模拟图；

图6(c)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP_11b模式的光场传输模拟图；

图6(d)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP_11b模式的输出端光场分布模拟图；

图6(e)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP_11b模式的光场传输模拟图；

图6(f)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP_11b模式的输出端光场分布模拟图；

图7(a)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP₂₁模式的光场传输模拟图；

图7(b)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K时输入LP₂₁模式的输出端光场分布模拟图；

图7(c)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP₂₁模式的光场传输模拟图；

图7(d)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝13K时输入LP₂₁模式的输出端光场分布模拟图；

图7(e)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP₂₁模式的光场传输模拟图；

图7(f)：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝27K时输入LP₂₁模式的输出端光场分布模拟图；

图8：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器分别输入LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式时的衰减随加热电极温度的变化曲线；

图9：基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K和ΔT＝27K时，输入为LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式的光信号的衰减随波长变化曲线；

图10：本发明所述的基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的制备流程图；

图11：本发明所述的基于MZI-蝴蝶型MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器的结构示意图；

图12：基于MZI-蝴蝶型MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器不同多模波导与加热电极间距x下，分别输入LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式时的衰减随温度变化曲线；

图13：基于MZI-蝴蝶型MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器分别输入四个模式时的衰减随加热温度的变化曲线；

图14：基于MZI-蝴蝶型MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器在ΔT＝0K和ΔT＝31K时，输入四种模式的信号光的衰减随波长变化曲线；

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，本发明所述的一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，从下至上，依次采用硅材料作为衬底，采用有机聚合物材料作为下包层、波导芯层和上包层，采用金属电极作为加热电极，条形结构的聚合物波导芯层的厚度相等为h，加热电极与两多模波导的水平距离均为x；如附图2所示，输入少模直波导1(支持LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式)、输出少模直波导12的长度相等为L₁，宽度相等为W₁；第一输入弯曲波导2、第二输入弯曲波导3、第一输出弯曲波导10、第二输出弯曲波导11的长度相等为L₂，宽度相等为W₂；第一输入锥形波导4、第二输入锥形波导5、第一输出锥形波导8、第二输出锥形波导9的长度相等为L₃，与多模波导相接处的宽度相等为W₃；第一多模波导6、第二多模波导7的长度相等为L₄，宽度相等为W₄；加热电极13的长度为L₅，宽度为W₅。

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。

首先时确定芯层各个波导的尺寸参数。固定波导的厚度h为9μm，结合实施例1中所述，波导需支持LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式，选取输入少模直波导1、输出少模直波导12的宽度W₁为10μm，加热电极与多模波导间距x为0；输入少模直波导1、输出少模直波导12的长度L₁为1000μm；第一输入弯曲波导2、第二输入弯曲波导3、第一输出弯曲波导10、第二输出弯曲波导11的长度L₂为2000μm，宽度W₂为W₁的一半，为5μm(支持LP₀₁和LP_11b两种模式)；第一输入锥形波导4、第二输入锥形波导5、第一输出锥形波导8、第二输出锥形波导9的长度L₃为500μm，与多模波导相接处的宽度W₃为10μm；第一多模波导6、第二多模波导7的长度L₄为730μm，宽度W₄为25μm；加热电极13的长度L₅为730μm，宽度W₅为10μm，器件整体长度约为7.7mm。对于该多模可变光衰减器，上包层将芯层完全包覆，下包层的厚度为6μm，芯层的厚度h为9μm，芯层正上方上包层的厚度为6μm，加热电极的厚度为100nm。

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：

输入信号光为LP₀₁模式时，当ΔT＝0K时，输入两输入弯曲波导中的为两个功率相同、相位相同的LP₀₁模式的信号光，弯曲波导中的信号光经锥形波导进入到多模波导中并发生多模干涉，通过对多模波导的长度进行设计使得无调制时在输出端口处干涉成LP₀₁模式的信号光并从锥形波导输出，由于在输出端口处只干涉成LP₀₁模式而没有更高阶的模式所以不发生衰减，由于两MMI波导结构完全相同，因此输入两输出弯曲波导的信号光功率相同，相位差与输入两MMI波导结构的信号光的相位差相同，因此，两输出弯曲波导中的信号光将在输出少模直波导中耦合成与输入信号相同的LP₀₁模式，功率与输入的LP₀₁模式的信号光功率相同，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图4(a)和4(b)；当ΔT＝13K时，多模波导中光的干涉状态发生变化，在输出端不仅产生了LP₀₁模式的信号光，还产生了其他更高阶模式的信号光，由于输出弯曲波导只支持LP₀₁和LP_11b两种模式，因此干涉产生的更高阶模式的信号光无法从输出弯曲波导输出，会被衰减掉；由于两MMI结构的尺寸相同且与加热电极的相对位置相同，因此从两输出弯曲波导输出的信号光的衰减相同，相位变化也相同，进入输出少模直波导将被耦合成LP₀₁模式，功率小于输入的LP₀₁模式的信号光功率，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图4(c)和4(d)；当对加热电极进行调制使多模波导中的信号光在输出波导处尽可能多的干涉成高阶模时，对应的衰减也就越大，当ΔT＝27K时，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图4(e)和4(f)，此时衰减最大。

输入信号光为LP_11a模式时，当ΔT＝0K时，输入两输入弯曲波导中的为两个功率相同，相位相反的LP₀₁模式的信号光，弯曲波导中的信号光经锥形波导进入到多模波导中并发生多模干涉，通过对多模波导的长度进行设计使得无调制时在输出端口处干涉成LP₀₁模式的信号光并从锥形波导输出，由于在输出端口处只干涉成LP₀₁模式而没有更高阶的模式所以不发生衰减；由于两MMI波导结构完全相同，输入两输出弯曲波导的信号光功率相同，相位差与输入两MMI波导结构的信号光的相位差相同，因此，两输出弯曲波导中的信号光将在输出少模直波导中耦合成与输入信号相同的LP_11b模式，功率与输入的LP_11b模式的信号光功率相同，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图5(a)和5(b)；当ΔT＝13K时，多模波导中光的干涉状态发生变化，在输出端不仅产生了LP₀₁模式的信号光，还产生了其他更高阶模式的信号光，由于输出弯曲波导只支持LP₀₁和LP_11b两种模式，因此干涉产生的更高阶模式的信号光无法从输出弯曲波导输出，会被衰减；由于两MMI结构的尺寸相同且与加热电极的相对位置相同，因此从两输出弯曲波导输出的信号光的衰减相同，相位变化也相同，进入输出少模直波导将被耦合成LP_11a模式，功率小于输入的LP_11a模式的信号光功率，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图5(c)和5(d)；当对加热电极进行调制使多模波导中的信号光在输出波导处尽可能多的干涉成高阶模时，对应的衰减也就越大，当ΔT＝27K时，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图5(e)和5(f)，此时衰减最大。

输入信号光为LP_11b模式时，当ΔT＝0K时，输入两输入弯曲波导中的为两个功率相同，相位相同的LP_11b模式的信号光，弯曲波导中的信号光经锥形波导进入到多模波导中并发生多模干涉，通过对多模波导的长度进行设计使得无调制时在输出端口处干涉成LP_11b模式的信号光并从锥形波导输出，由于在输出端口处只干涉成LP_11b模式而没有更高阶的模式所以不发生衰减，由于两MMI波导结构完全相同，因此输入两输出弯曲波导的信号光功率相同，相位差与输入两MMI波导结构的信号光的相位差相同，因此，两输出弯曲波导中的信号光将在输出少模直波导中耦合成与输入信号相同的LP_11b模式，功率与输入的LP_11b模式的信号光功率相同，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图6(a)和6(b)；当ΔT＝13K时，多模波导中光的干涉状态发生变化，在输出端不仅产生了LP_11b模式的信号光，还产生了其他更高阶模式的信号光，由于输出弯曲波导只支持LP₀₁和LP_11b两种模式，因此干涉产生的更高阶模式的信号光无法从输出弯曲波导输出，会被衰减；由于两MMI结构的尺寸相同且与加热电极的相对位置相同，因此从两输出弯曲波导输出的信号光的衰减相同，相位变化也相同，进入输出少模直波导将被耦合成LP_11b模式，功率小于输入的LP_11b模式的信号光功率，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图6(c)和6(d)；当对加热电极进行调制使多模波导中的信号光在输出波导处尽可能多的干涉成高阶模时，对应的衰减也就越大，当ΔT＝27K时，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图6(e)和6(f)，此时衰减最大。

输入信号光为LP₂₁模式时，当ΔT＝0K时，输入两输入弯曲波导中的为两个功率相同，相位相反的LP_11b模式的信号光，弯曲波导中的信号光经锥形波导进入到多模波导中并发生多模干涉，通过对多模波导的长度进行设计使得无调制时在输出端口处干涉成LP_11b模式的信号光并从锥形波导输出，由于在输出端口处只干涉成LP_11b模式而没有更高阶的模式所以不发生衰减，由于两MMI波导结构完全相同，因此输入两输出弯曲波导的信号光功率相同，相位差与输入两MMI波导结构的信号光的相位差相同，因此，两输出弯曲波导中的信号光将在输出少模直波导中耦合成与输入信号相同的LP₂₁模式，功率与输入的LP₂₁模式的信号光功率相同，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图7(a)和7(b)；当ΔT＝13K时，多模波导中光的干涉状态发生变化，在输出端不仅产生了LP_11b模式的信号光，还产生了其他更高阶模式的信号光，由于输出弯曲波导只支持LP₀₁和LP_11b两种模式，因此干涉产生的更高阶模式的信号光无法从输出弯曲波导输出，会被衰减；由于两MMI结构的尺寸相同且与加热电极的相对位置相同，因此从两输出弯曲波导输出的信号光的衰减相同，相位变化也相同，进入输出少模直波导将被耦合成LP₂₁模式，功率小于输入的LP₂₁模式的信号光功率，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图7(c)和7(d)；当对加热电极进行调制使多模波导中的信号光在输出波导处尽可能多的干涉成高阶模时，对应的衰减也就越大，当ΔT＝27K时，光场传输模拟图和输出端光场分布模拟图如附图7(e)和7(f)，此时衰减最大。

四种模式的衰减随加热电极加热温度的变化曲线如附图8所示，可以看出在相同温度变化条件下，四种模式的衰减几乎相同，在ΔT＝27K时达到最大衰减。图9为该可变光衰减器在无衰减和最大衰减时，输入LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁模式的衰减随波长变化曲线，可以看出在1.52μm-1.62μm波长范围内，该可变光衰减器随波长变化不敏感。

实施例4

下面结合附图10对本发明的制备流程详细说明，具体步骤如下：

1、清洗硅衬底：将硅衬底切成合适的尺寸，放入装有丙酮的烧杯中超声清洗10分钟，再放入装有乙醇的烧杯中超声清洗10分钟，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干，吹干后放入干净的培养皿中密封；

2、旋涂聚合物下包层：采用旋涂工艺，转速为2500转/分钟，将聚合物材料EpoClad旋涂在清洗干净的硅衬底上，120℃加热5分钟，整体曝光20s，120℃加热3分钟，这样便完成了厚度为6μm的聚合物下包层的制备；

3、旋涂聚合物芯层：采用旋涂工艺，转速为1400转/分钟，将聚合物材料EpoCore旋涂在聚合物下包层上形成聚合物芯层薄膜，90℃加热5分钟，然后降至室温；

4、光刻：对聚合物芯层薄膜进行对板光刻，紫外光波长为365nm，光波导掩膜版结构与需要制备的可变光衰减器聚合物波导芯层的结构互补，将掩膜版与聚合物芯层薄膜贴紧并曝光26秒，使聚合物波导芯层的少模直波导、弯曲波导、MMI结构的芯层薄膜被紫外曝光，85℃加热5分钟，然后自然冷却至室温；

5、显影：对光刻完的光波导芯层结构进行湿法刻蚀，先用EpoCore材料对应的显影液湿法刻蚀70秒，除去未曝光的芯层材料，然后在异丙醇溶液中湿法刻蚀20秒，洗去显影液和残留的芯层薄膜，再用去离子水冲洗干净并用氮气吹干，然后130℃加热30分钟，这样便完成了条形结构的聚合物波导芯层的制备，聚合物波导芯层的厚度h为9μm；

6、旋涂聚合物上包层：采用旋涂工艺，转速为1100转/分钟，将聚合物材料EpoClad旋涂在聚合物波导芯层和聚合物下包层之上，120℃加热5分钟，整体曝光34s，120℃加热3分钟，这样便完成了厚度为6μm的上包层的制备(聚合物波导芯层之上的聚合物上包层的厚度)；

7、蒸铝：采用蒸镀工艺在聚合物上包层上蒸镀一层厚度为100nm的金属Al薄膜；

8、旋涂BP212光刻胶：采用旋涂工艺，转速为2500转/分钟制备正性光刻胶BP212薄膜，95℃加热20分钟，得到厚度为2μm的BP212薄膜；

9、光刻：对BP212薄膜进行对版光刻，掩膜版为需要制备的加热电极结构(加热电极位置如附图2所示)，曝光2秒，除加热电极结构以外区域的光刻胶被曝光；

10、显影：将样品置于质量浓度为5‰的NaOH溶液中20秒，洗去被曝光的光刻胶BP212，然后用去离子水反复冲洗干净并用氮气吹干，85℃加热20分钟，自然降至室温后进行Al电极的显影，置于质量浓度为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，最后用去离子水反复冲洗干净并用氮气吹干；

11、清除BP212光刻胶：将样品曝光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-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器。

Claims (6)

1.一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，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MZI光波导结构，MZI光波导结构中的两个调制臂采用1×1的MMI结构；沿光的传输方向，聚合物波导芯层依次由输入少模直波导(1)、第一输入弯曲波导(2)、第二输入弯曲波导(3)、第一输入锥形波导(4)、第二输入锥形波导(5)、第一多模波导(6)、第二多模波导(7)、第一输出锥形波导(8)、第二输出锥形波导(9)、第一输出弯曲波导(10)、第二输出弯曲波导(11)、输出少模直波导(12)组成，在第一多模波导(6)和第二多模波导(7)对称中心的聚合物上包层之上设置有与多模波导平行的加热电极(13)；第一输入锥形波导(4)、第一多模波导(6)和第一输出锥形波导(8)共同构成1×1的第一MMI结构，第二输入锥形波导(5)、第二多模波导(7)和第二输出锥形波导(9)共同构成1×1的第二MMI结构；光从输入少模直波导(1)输入，经第一输入弯曲波导(2)和第二输入弯曲波导(3)后分成功率相等的两束光后分别输入到第一MMI结构和第二MMI结构当中，然后从第一MMI结构和第二MMI结构输出的信号光再分别经第一输出弯曲波导(10)和第二输出弯曲波导(11)耦合到输出少模直波导(12)当中，再从输出少模直波导(12)输出；对加热电极进行调制，信号光进入多模波导后光的多模干涉效果发生变化，在输出端不仅产生与输入信号模式相同的信号光，还产生其他更高阶模式的信号光，更高阶模式的信号光在输出弯曲波导中被衰减掉，输出信号光功率等于输入信号光功率减去被衰减掉的更高阶模式信号光功率，从而实现输入信号光的衰减。

2.如权利要求1所述的一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，其特征在于：聚合物上、下包层均为聚合物材料EpoClad，折射率为1.56；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-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，其特征在于：输入少模直波导(1)和输出少模直波导(12)可传输LP₀₁、LP_11a、LP_11b和LP₂₁四种模式；第一输入弯曲波导(2)、第二输入弯曲波导(3)、第一输出弯曲波导(10)和第二输出弯曲波导(11)可传输LP₀₁和LP_11b两种模式。

4.如权利要求1所述的一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，其特征在于：聚合物波导芯层各部分的厚度均相等为h，加热电极与第一多模波导(6)和第二多模波导(7)在聚合物下包层上表面投影的距离相等为x；输入少模直波导(1)、输出少模直波导(12)的长度相等为L₁，宽度相等为W₁；第一输入弯曲波导(2)、第二输入弯曲波导(3)、第一输出弯曲波导(10)、第二输出弯曲波导(11)的长度相等为L₂，宽度相等为W₂；第一输入锥形波导(4)、第二输入锥形波导(5)、第一输出锥形波导(8)、第二输出锥形波导(9)为宽度渐变的波导，其长度相等为L₃，其与输入弯曲波导和输出弯曲波导相接处的宽度相等为W₂，其与多模波导相接处的宽度相等为W₃；第一多模波导(6)、第二多模波导(7)的长度相等为L₄，宽度相等为W₄；加热电极(13)的长度为L₅，宽度为W₅。

5.如权利要求4所述的一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，其特征在于：W₁为10μm，x为0，L₁为1000μm，L₂为2000μm，W₂为5μm，L₃为500μm，W₃为10μm，W₄为25μm，L₅为730μm，W₅为10μm；聚合物下包层的厚度为6μm，聚合物波导芯层的厚度h为9μm，聚合物波导芯层正上方的聚合物上包层的厚度为6μm，加热电极的厚度为100nm。

6.如权利要求4所述的一种基于MZI-MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，为基于MZI-蝴蝶型MMI结构的模式不敏感的聚合物可变光衰减器，其特征在于：在第一多模波导(6)和第二多模波导(7)输出端的两侧分别增加了一个直角三角形结构波导B1、B2、B3和B4，直角三角形波导的斜边面朝向输出锥形波导设置；加热电极与第一多模波导6和第二多模波导7在聚合物下包层上表面投影的距离相等为x＝2μm。

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