CN116027486A - 一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的多模干涉器级联光开关及其制备方法，属于二氧化硅/聚合物混合波导光集成芯片技术领域。由Si衬底、SiO₂下包层、聚合物芯层、聚合物上包层和金属电极组成，聚合物芯层被包覆在聚合物上包层之中；沿光的传输方向，聚合物芯层由输入直波导、1×4多模干涉器、4个输入S弯曲波导、2个输入移相器、4个调制臂波导、2个输出移相器、4个输出S弯曲波导、4×4多模干涉器、4个输出直波导组成；当对金属电极施加调制电压时，可以使信号光从四个输出直波导分别输出，实现四个通道的开关功能。本发明的1×4热光开关实现了4个通道的自由切换，相比传统的1×2和2×2开关端口更加灵活、结构更加紧凑。

Description

一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关及其制备方法

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，具体涉及一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的多模干涉器级联光开关及其制备方法。

背景技术

光开关是用于光交换的重要器件。随着信息社会对信息量的需求量迅猛增长，用于光交换的交互端口数量迅速增加。此时对光开关的功耗提出了更高的需求。现在市场上常见的二氧化硅平板波导(Plannar Lightwave Circuit,PLC)器件具有低损耗、稳定性好、耦合效率高等有点。但是由于二氧化硅材料的热光系数低的特点(1.19×10^-5K^-1)，制备有源器件时，往往需要较高的功耗，常常为几十毫瓦。同时由于二氧化硅波导采用掺杂的形式来制备芯层，其芯包层折射率差较小Δn＝0.75％，导致制备的器件尺寸较大，难以实现大规模集成。聚合物材料具有着高于二氧化硅一个数量级的热光系数(-1.86×10^-4K^-1)，适合制作热光开关、可调谐滤波器等有源光子芯片。同时，聚合物做芯层往往具有更高的折射率，以二氧化硅为下包层，折射率差可以达到Δn＝2.5％～10％，使得器件尺寸、弯曲半径都远小于二氧化硅基平板光波导器件，易于实现大规模光子集成器件的制备。

在现在常用的光开关中，主流的1×2、2×2低端口切换系统，只能实现两个端口之间的切换，集成度和芯片的利用率不高。

发明内容

为了解决背景技术所述的问题，本发明提出了一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关及其制备方法。

如图1和图4所示，本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，从下至上由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；聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)位于SiO₂下包层(2)之上，且聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中；沿光的传输方向，聚合物芯层由输入直波导(101)、1×4多模干涉器(300)、第一输入S弯曲波导(102)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)、第一输入移相器(104)、第二输入移相器(104’)、第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)、第一输出移相器(109)，第二输出移相器(109’)、第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)、4×4多模干涉器(400)、第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)组成。

根据干涉是否具有一般性，可以将多模干涉器的自映像规律分为一般干涉以及受限干涉两大类，其中，一般干涉是指多模波导中所有的模式都被激励，也就是对激励的模式没有限制；受限干涉则是指的在多模波导中的一些模式不被激励，从而得到的另外一些自映像规律，从这个意义上来说，受限干涉只是一般干涉的一个特殊的类型。而根据受限制激励的模式不同，还可以将受限干涉分为两类，即：成对干涉和对称干涉。对称干涉激励奇数阶模式，而成对干涉激励偶数阶模式。对称干涉的多模干涉器只能在位于平行于多模干涉器长边的对称轴上的输入位置输入，其会在产生第一个N重像点，其中n_eff是波导的有效折射率，W_MMI是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；成对干涉的多模干涉器有两个关于平行于多模干涉器长边的对称轴有两个对称的输入位置，分别位于对称轴左右两侧的位置，其会在第一次产生N重像点；除了上述三个位置，在其他任意位置输入，都能产生一般干涉的多模干涉器，其会在第一次产生N重像点。在本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关中，1×4的多模干涉器(300)采用了对称干涉的干涉类型，4×4的多模干涉器(400)采用了一般干涉的干涉类型。

如图2所示，本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其中1×4多模干涉器(300)由一个第一输入Taper波导(310)、一个第一多模干涉区(320)和4个第一输出Taper波导(330)组成，第一输入Taper波导(310)与第一输出Taper波导(330)结构相同、对称设置在个第一多模干涉区(320)的输入端和输出端，均由两个正弦形状的Taper波导和一个矩形形状的3段Taper波导级联而成(311、312和313，331、332和333)；光纤中传输的信号光耦合进入到输入直波导(101)，通过第一输入Taper波导(310)后传输到第一多模干涉区(320)中发生自映像效应，当信号光在多模干涉区中的传输长度时，基于对称干涉的多模干涉器会第一次产生四重像，其中n_eff是波导的有效折射率，W_MMI是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；从第一次产生四重像的位置生成四束光强相同的信号光后分别输出到4个第一输出Taper波导(330)中，再经第一输入S弯曲波导(102)及第一输入移相器(104)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)及第二输入移相器(104’)分别传输到第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)和第四调制臂波导(108)中；通过设计第一输入Taper波导(310)和第一输出Taper波导(330)的尺寸参数，可以使多模干涉区自映像点的模式输出与Taper中的模式传输更加匹配，减小多模干涉器引入的插入损耗；通过将Taper波导级联的形式，可以实现更加均匀的分光比，从而提高开关的消光比。

如图5所示，本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其中4×4多模干涉器(400)由4个第二输入Taper波导(410)、一个第二多模干涉区(420)和4个第二输出Taper波导(430)组成，第二输入Taper波导(410)与第二输出Taper波导(430)结构相同、对称设置在第二多模干涉区(420)的输入端和输出端，均由两个正弦形状的Taper波导和一个矩形形状的3段Taper波导级联而成(411、412和413，431、432和433)；经过第一调制臂波导(105)及第一输出移相器(109)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)及第二输出移相器(109’)的输出信号光分别经第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)后输入到4个第二输入Taper波导(410)中，再输入到第二多模干涉区(420)中发生自映像效应，当信号光在多模干涉区中的传输长度时，基于一般干涉的多模干涉器会第一次产生四重像，其中n_eff是波导的有效折射率，W_MMI是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；从第一次产生四重像的位置生成四束光强相同(相位的详细情况可见4×4多模干涉器传输矩阵的虚部)的信号光后分别输出到4个输出Taper波导(430)中(一个信号光生成1个4重像，四个通道同时输入，每个输出通道有四个波函数的叠加)，再分别从第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)输出；通过设计第二输入Taper波导(410)与第二输出Taper波导(430)的尺寸参数，可以使多模干涉区自映像点的模式输出与Taper中的模式传输更加匹配，减小多模干涉器引入的插入损耗。通过将Taper级联的形式，可以实现更加均匀的分光比，从而提高开关的消光比。信号光从输入直波导(101)输入，当经过1×4的多模干涉器(300)后，输入光会分束成四束振幅相同的信号光，其1×4的多模干涉器的传输矩阵为

四束输入光经过中间的连接部分和调制部分与4×4多模干涉器相连接，4×4多模干涉器的传输矩阵为：

而其连接部分的传输矩阵为：

其中是第n条连接部分的相位变化。

由传输矩阵法可得，整个开关的传输矩阵为：

T＝T_4×4T_MT_1×4  (4)

由公式(1)～(4)可得：

通过对S弯曲波导和移相器的优化设计(每个S弯曲波导是由两端水平偏移量和半径相同、但是旋转方向不同的圆弧构成，它的输入与输出位置是水平的。其目的是增加调制臂之间间距的目的，来降低热串扰的影响。大小S弯的半径为2500μm，水平偏移量分别为30μm和70μm)，可以使在1550nm波长下，中心两个连接部分即无移相器的传输路径到达4×4多模干涉器时的相位比有移相器的传输路径到达4×4多模干涉器时的相位领先(其中移相器的作用是抵消大S弯带来的相位随波长剧烈变化，从而避免波长偏离中心波长较短范围就带来高串扰的影响)；光纤中的光耦合进入输入直波导(101)，传输进入1×4的多模干涉器(300)中，光被平均的分成四路功率相等的光信号，分别通过第一输入S弯曲波导(102)及第一输入移相器(104)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)及第二输入移相器(104’)传输至四条调制臂波导(105、106、107和108)中(在1550nm波长下，无移相器的传输路径相位比有移相器的传输路径领先)；四条调制臂波导与4×4多模干涉器(400)分别通过第一输出移相器(109)及第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第二输出移相器(109’)及第四输出S弯曲波导(110’)连接，当金属电极未施加调制电压时，四个输出直波导(112、113、114、115)等功率输出。

当对第二金属电极(202)和第三金属电极(203)同时施加电压，改变加载到它们上面的电功率，来对第二调制臂波导(106)和第三调制臂波导(107)进行加热。由于热光效应，聚合物调制臂波导的折射率随着温度的升高而发生变化，从而使得光的相位发生变化。将调制前后的相位差记作其中n是第n调制臂。当时，光会从输出端口①输出；而当时，光会从端口④输出；对第一金属电极(201)和第四金属电极(204)同时施加电压，改变加载到它们上面的电功率，来对第一调制臂波导(105)和第四调制臂波导(108)进行加热。当时，光会从端口②输出；而当 时，光会从端口③输出。通过以上四种调制方式，实现了四个通道的开关功能。

移相器与直波导的有效折射率差随着波长的变化，与大S弯曲和小S弯曲的有效折射率差随波长变化的是相反的趋势，因此移相器可以抵消一部分路径上由于不同半径的S弯曲引入相位差随波长的变化，从而扩大开关的工作带宽。同时移相器相比较于直波导，它会带来一个相位变化，从而调制所需要改变的相位差也会不同。

所述的聚合物上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad中的一种，在本专利中采用PMMA，在1550nm波长下，其折射率为1.476。

所述的聚合物芯层材料为具有负的热光系数的聚合物材料SU-8 2002、SU-82005、EpoCore中的一种，在本专利中采用SU-8 2002，在1550nm波长下，其折射率为1.5802。

所述的金属电极材料可以是金、银、铜、铝中的一种或者多种材料构成的合金材料。

本发明所述的基于聚合物/二氧化硅混合波导的1×4光开关的制备方法，其步骤如下：

1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层结构致密的厚度为10～20μm的二氧化硅作为下包层(2)；

2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)上旋涂聚合物芯层材料，将其进行前烘，除去芯层中多余的溶剂，再将其自然降温，得到聚合物芯层薄膜(31)；

3)使用紫外曝光、显影、后烘，将掩模版I上设计好的与聚合物芯层结构相同或互补的图形转移到聚合物芯层薄膜(31)上，从而在二氧化硅下包层(2)上得到聚合物芯层(3)，除多模干涉器外，聚合物芯层其余部分的厚度和宽度相同，分别为2～5μm；

4)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)和聚合物芯层(3)上旋涂聚合物上包层材料，经过烘烤处理后自然降温，得到聚合物上包层(4)，厚度为3～6μm；

5)使用镀膜机在聚合物上包层(4)上蒸镀一层金属薄膜(51)，厚度为80～120nm；

6)使用真空匀胶机在金属表面旋涂光刻胶层(61)，前烘出去光刻胶溶剂后自然降温固化；

7)通过紫外曝光、显影、后烘，将掩模版II的与金属电极结构相同的图形转移到光刻胶层(61)，显影后坚膜，自然降温，得到与金属电极结构相同的光刻胶图形(62)；

8)使用金属对应的金属腐蚀液将无光刻胶图形(62)覆盖的金属腐蚀，得到金属电极(5)，然后除去覆盖在金属电极(5)之上的光刻胶层(61)；金属电极(5)位于第一调制臂波导、第二调制臂波导、第三调制臂波导和第四调制臂波导正上方位置的聚合物上包层(4)之上，金属电极沿宽度和长度方向的对称中心与调制臂波导沿宽度和长度方向的对称中心对齐，金属电极(5)的长度与调制臂波导的长度相等，金属电极(5)的宽度大于调制臂波导的宽度，从而制备得到基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4光开关。

与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

1.波导为有机无机混合集成复合波导结构，采用二氧化硅作为下包层，降低了器件损耗。

2.采用有机无机混合集成复合波导结构，以聚合物为芯层，芯包折射率差Δn＝2.5％～10％，可以实现更紧凑的端面尺寸、弯曲半径，制备大规模、低功耗、快速的平板光波导集成回路；

3.波导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.采用聚合物材料作为调制臂，实现开关功能需要的功耗较小；

5.在MMI上采用了正弦型的Taper结构，减小了器件的损耗；

6.采用多个Taper级联的Taper结构，可以使功率分配器功率更均匀，实现高的消光比；

7.在调制臂上采用了移相器的结构设计来补偿S弯曲波导带来的相位差随波长偏移，可以有效地拓宽工作带宽；

8.1×4热光开关实现了4个通道的自由切换，相比传统的1×2和2×2开关端口更加灵活、结构更加紧凑。

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1×4热光开关结构示意图；

图2：本发明所述1×4多模干涉器(300)结构示意图；

图3：本发明所述1×4多模干涉器(300)传输光谱图；

图4：本发明所述1×4热光开关调制臂波导位置的横截面示意图；

图5：本发明所述4×4多模干涉器(400)结构示意图；

图6：本发明所述4×4多模干涉器(400)传输光谱图；

图7：本发明所述1×4热光开关的制备流程；

图8：本发明所述1×4开关对第二调制臂波导(106)施加电压产生了3.7K，对第三调制臂波导(107)施加电压产生了1.5K温度变化时的光场仿真图(a)；对第一调制臂波导(105)施加电压产生了3.9K，对第四调制臂波导(108)施加电压产生了1.7K温度变化时的光场仿真图(b)；对第一调制臂波导(105)施加电压产生了1.7K，对第四调制臂波导(108)施加电压产生了3.9K温度变化时的光场仿真图(c)；对第二调制臂波导(106)施加电压产生了1.5K，对第三调制臂波导(107)施加电压产生了3.7K温度变化时的光场仿真图(d)；

图9：本发明所述1×4热光开关对第二调制臂波导(106)施加3.7K，对第三调制臂波导(107)施加1.5K温度变化时的传输光谱图；

图10：本发明所述1×4热光开关对第一调制臂波导(105)施加3.9K，对第四调制臂波导(108)施加1.7K温度变化时的传输光谱图；

图11：本发明所述1×4热光开关对第一调制臂波导(105)施加1.7K，对第四调制臂波导(108)施加3.9K温度变化时的传输光谱图；

图12：本发明所述1×4热光开关对第二调制臂波导(106)施加1.5K，对第三调制臂波导(107)施加3.7K温度变化时的传输光谱图；

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，为1×4热光开关的结构示意图。其由输入直波导(101)、1×4多模干涉器(300)、第一输入S弯曲波导(102)、第二输入S弯曲波导(102’)、第三输入S弯曲波导(103)、第四输入S弯曲波导(103’)、第一输入移相器(104)、第二输入移相器(104’)、第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)、第一输出移相器(109)、第二输出移相器(109’)、第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(110’)、第三输出S弯曲波导(111)、第四输出S弯曲波导(111’)、4×4多模干涉器(400)、第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)、第四输出直波导(115)组成。综合考虑到调制效率与尺寸的关系，将调制臂长度设置为2000μm，每个移相器为由窄变宽、再由宽变窄的波导组成，宽的部分宽度为6μm，窄的部分宽度为3μm，长度为820μm；大小S弯的半径为2500μm，水平偏移量分别为30μm和70μm。

光纤的信号光耦合进入输入直波导(101)中，传输至1×4的多模干涉器(300)中，通过1×4的多模干涉器(300)将输入光信号均分成功率相等的四路光信号，通过与之相连的第一输入S弯曲波导(102)及第一输入移相器(104)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)及第二输入移相器(104’))将信号光传输到四根相互平行的调制臂波导(105、106、107和108)中，再分别通过第一输出S弯曲波导(110)及第一输出移相器(109)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)及及第二输入移相器(109’)将信号光传输至4×4多模干涉器(400)中，最后从四根输出直波导(112、113、114和115)中输出。当对四根调制臂上的金属电极均不施加调制电压时，光从四根输出直波导(112、113、114和115)中接近等功率的输出。当对第二调制臂波导(106)和第三调制臂波导(107)上的第二金属电极(202)和第三金属电极(203)同时施加电压时，会改变加载到第二金属电极(202)和第三金属电极(203)的电功率，从而对波导进行加热，由于热光效应，当外界环境温度变化的时候，材料的折射率会发生变化，从而导致光在其中传播的相位发生变化，记加热后与加热前的相位差为其中n是第n调制臂。当对第二调制臂波导(106)和第三调制臂波导(107)进行加热，使时，光会从输出通道①输出。而当使时，光会从输出通道④输出。同样利用热光效应，对第一调制臂波导(105)和第四调制臂波导(108)上的第一金属电极(201)和第四金属电极(204)同时施加电压，对这两根调制臂加热，当加热使时，光会从输出通道②输出。而当时，光会从输出通道③输出。通过以上的调制方式，实现了四个通道的开关功能。

如附图2所示，为1×4多模干涉器(300)的结构示意图。从左到右依次为1个第一输入Taper波导(310)、1个第一多模干涉区(320)和4个第二输出Taper波导(330)。在本实例中，综合考虑器件尺寸与实际制备难度，1×4多模干涉器的1个第一输入Taper波导(310)和4个第二输出Taper波导(330)均采用了2个等长度正弦形状的Taper波导和1个矩形形状的3段Taper波导级联的形式，该级联的Taper波导的总长度为132.2μm，从远离到靠近第一多模干涉区(320)级联的Taper波导(311、312和313，331、332和333)的起始宽度分别为3μm、6.8μm和7μm，第三段级联Taper波导(313或333)的终止宽度为7μm。第一多模干涉区(320)的宽度为40μm、长度为410μm，4个第二输出Taper波导(330)的中心间距从上往下依次为10.18μm、10.24μm和10.18μm。其中正弦Taper是以宽边宽度的一半与窄边宽度的一半的差作为正弦的幅度，经历前1/4个正弦周期，Taper宽度从窄边宽度变化到宽边宽度。

如附图3所示，为1×4多模干涉器(300)的传输光谱图。从1500nm到1630nm波长下，四个输出通道的输出均具有较好均匀性。在1550nm处，损耗均为-6.05dB。

如附图4所述，为无机/聚合物有机材料混合波导的截面图。从下到上依次为硅衬底(1)、二氧化硅下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)、金属电极(5)。在本实例中采用热氧化的方式生长出一层致密的二氧化硅，其折射率为1.4448。所采用的聚合物芯层材料(3)为SU-8 2002的负光刻胶，在1550nm波长下的折射率为1.5802。所采用的聚合物上包材料为聚甲基丙烯酸(PMMA)，在1550nm波长下的折射率为1.47606。在本实例中，为了降低模式间的串扰，同时为了降低工艺制造难度，我们将将输入直波导(101)、第一输入S弯曲波导(102)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)、第一输入移相器(104)、第二输入移相器(104’)、第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)、第一输出移相器(109)、第二输出移相器(109’)、第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)、第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)的宽度和厚度尺寸设计为3μm×3μm。

如附图5所示，为4×4多模干涉器(400)的结构示意图。从左到右依次为4个第二输入Taper波导(410)、1个第二多模干涉区(420)和4个第二输出Taper波导(430)。在本实例中，综合考虑器件尺寸与实际制备难度，4×4多模干涉器的4个第一输入Taper波导(410)和4个第二输出Taper波导(430)均采用了2个等长度正弦形状的Taper波导和1个矩形形状的3段Taper波导级联的形式，该级联的Taper波导的总长度为132.2μm，从远离到靠近第二多模干涉区(420)级联的Taper波导(411、412和413，431、432和433)的起始宽度分别为3μm、6.8μm和7μm，第三段级联Taper波导(413或433)的终止宽度为7μm；第二多模干涉区(420)的宽度为40μm、长度为1690μm，4个第二输入Taper波导(410)和4个第二输出Taper波导(430)的中心间距从上往下依次为10.18μm、10.24μm和10.18μm。

如附图6所示，为4×4多模干涉器(400)的传输光谱图。从1535nm到1565nm整个C波段，四个输出通道的输出均具有较好均匀性。在1550nm处，四个输出端口的损耗均小于-6.1dB。

如附图7所示，本发明所述基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关的制备方法，其步骤如下：

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表面旋涂SU-8 2002光刻胶，首先需要在60℃下10分钟、90℃下20分钟前烘处理并自然降温固化，然后通过控制转速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芯层波导的结构、形状互补，曝光时间3.5s，之后再进行65℃下10分钟、95℃下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SU-8 2002芯层，为了偏振不敏感，条形结构的SU-8芯层(3)的宽度和厚度相同，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芯层波导上的PMMA聚合物上包层(4)厚度为4μm，之后进行120℃下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，曝光2s，除去掩膜板Ⅱ，经过质量浓度为5wt‰的NaOH溶液显影之后，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)用质量浓度为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，从而制备得到基于聚合物/二氧化硅混合波导的1×4热光开关。每个金属调制电极(201、202、203、204)的宽度均为21μm，第一金属调制电极(201)和第二金属调制电极(202)之间的间距为29μm，第二金属调制电极(202)和第三金属调制电极(203)之间的间距为49μm，第三金属调制电极(203)和第四金属调制电极(204)之间的间距为29μm。

如附图8(a)所示，当对第二调制臂波导(106)施加电压产生了3.7K、第三调制臂波导(107)施加电压产生了1.5K的温度变化时，光信号会从输出通道①中输出；如附图8(b)所示，当对第一调制臂波导(105)施加电压产生了1.7K、第四调制臂波导(108)施加电压产生了3.9K温度变化时，光信号会从输出通道②中输出；如附图8(c)所示，当对第一调制臂波导(105)施加3.9K、第四调制臂波导(108)施加了电压产生1.7K温度变化时，光信号会从输出通道③中输出；如附图8(d)所示，第二调制臂波导(106)施加电压产生了1.5K、第三调制臂波导(107)施加电压产生了3.7K的温度变化时，光信号会从输出通道④中输出。

如附图9所示，本发明所述1×4热光开关对第二调制臂波导(106)施加电压产生了3.7K、第三调制臂波导(107)施加电压产生了1.5K的温度变化时的传输光谱图。我们可以发现在1535nm到1565nm的波长下，输出通道①的损耗均小于0.5dB，串扰小于-15dB。

如附图10所示，本发明所述1×4热光开关对第一调制臂波导(105)施加电压产生了1.7K、第四调制臂波导(108)施加电压产生了3.9K温度变化时的传输光谱图。我们可以发现在1535nm到1565nm的波长下，输出通道②的损耗均小于0.4dB，串扰小于-21dB。

如附图11所示，本发明所述1×4热光开关对第一调制臂波导(105)施加电压产生了3.9K、第四调制臂波导(108)施加电压产生了1.7K温度变化时的传输光谱图。我们可以发现在1535nm到1565nm的波长下，输出通道③的损耗均小于0.4dB，串扰小于-21dB。

如附图12所示，本发明所述1×4热光开关对第二调制臂波导(106)施加电压产生了1.5K、第三调制臂波导(107)施加电压产生了3.7K的温度变化时的传输光谱图。我们可以发现在1535nm到1565nm的波长下，输出通道④的损耗均小于0.5dB，串扰小于-15dB。

Claims (7)

1.一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其特征在于：从下至上由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；聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)位于SiO₂下包层(2)之上，且聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中；沿光的传输方向，聚合物芯层由输入直波导(101)、1×4多模干涉器(300)、第一输入S弯曲波导(102)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)、第一输入移相器(104)、第二输入移相器(104’)、第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)、第一输出移相器(109)，第二输出移相器(109’)、第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)、4×4多模干涉器(400)、第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)组成；

其中，1×4多模干涉器(300)由一个第一输入Taper波导(310)、一个第一多模干涉区(320)和4个第一输出Taper波导(330)组成，第一输入Taper波导(310)与第一输出Taper波导(330)结构相同、对称设置在第一多模干涉区(320)的输入端和输出端，均由两个正弦形状的Taper波导和一个矩形形状的3段Taper波导级联而成(311、312和313，331、332和333)；光纤中传输的信号光耦合进入到输入直波导(101)，通过第一输入Taper波导(310)后传输到第一多模干涉区(320)中发生自映像效应，当信号光在多模干涉区中的传输长度

时，基于对称干涉的多模干涉器会第一次产生四重像，其中n_eff是波导的有效折射率，W_MMI是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；从第一次产生四重像的位置生成四束光强相同的信号光后分别输出到4个第一输出Taper波导(330)中，再经第一输入S弯曲波导(102)及第一输入移相器(104)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)及第二输入移相器(104’)分别传输到第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)和第四调制臂波导(108)中；

4×4多模干涉器(400)由4个第二输入Taper波导(410)、一个第二多模干涉区(420)和4个第二输出Taper波导(430)组成，第二输入Taper波导(410)与第二输出Taper波导(430)结构相同、对称设置在第二多模干涉区(420)的输入端和输出端，均由两个正弦形状的Taper波导和一个矩形形状的3段Taper波导级联而成(411、412和413，431、432和433)；经过第一调制臂波导(105)及第一输出移相器(109)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)及第二输出移相器(109’)的输出信号光分别经第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)后输入到4个第二输入Taper波导(410)中，再输入到第二多模干涉区(420)中发生自映像效应，当信号光在多模干涉区中的传输长度

时，基于一般干涉的多模干涉器会第一次产生四重像，其中n_eff是波导的有效折射率，W_MMI是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；从第一次产生四重像的位置生成四束光强相同的信号光后分别输出到4个输出Taper波导(430)中，再分别从第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)输出；当金属电极未施加调制电压时，四个输出直波导(112、113、114、115)等功率输出；当对金属电极施加调制电压时，可以使信号光从四个输出直波导(112、113、114、115)分别输出，从而实现四个通道的开关功能。

2.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其特征在于：通过对S弯曲波导和移相器的优化设计，使在1550nm波长下，通过无移相器传输路径到达4×4多模干涉器信号光的相位比有移相器的传输路径到达4×4多模干涉器信号光的相位领先

当对第二金属电极(202)和第三金属电极(203)同时施加电压，使得光的相位发生变化，当

时，光从第一输出直波导(112)输出；而当

时，光从第四输出直波导(115)输出；当对第一金属电极(201)和第四金属电极(204)同时施加电压，使得光的相位发生变化，当

时，光从第二输出直波导(113)输出；当

时，光从第三输出直波导(114)输出。

3.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其特征在于：聚合物上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、EpoClad中的一种。

4.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其特征在于：聚合物芯层材料为SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore中的一种。

5.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其特征在于：金属电极材料是金、银、铜、铝中的一种或者多种材料构成的合金。

6.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其特征在于：调制臂波导(105、106、107和108)的长度为2000μm，每个移相器为由窄变宽、再由宽变窄的波导组成，宽的部分宽度为6μm，窄的部分宽度为3μm，长度为820μm；第一输入Taper波导(310)和4个第二输出Taper波导(330)的总长度分别为132.2μm，从远离到靠近第一多模干涉区(320)级联的Taper波导(311、312和313，331、332和333)的起始宽度分别为3μm、6.8μm和7μm，第三段级联Taper波导(313或333)的终止宽度为7μm；第一多模干涉区(320)的宽度为40μm、长度为410μm，4个第二输出Taper波导(330)的中心间距从上往下依次为10.18μm、10.24μm和10.18μm；其中正弦Taper波导是以宽边宽度的一半与窄边宽度的一半的差作为正弦的幅度，经历前1/4个正弦周期，Taper波导宽度从窄边宽度变化到宽边宽度；输入直波导(101)、第一输入S弯曲波导(102)、第二输入S弯曲波导(103)、第三输入S弯曲波导(103’)、第四输入S弯曲波导(102’)、第一输入移相器(104)、第二输入移相器(104’)、第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)、第一输出移相器(109)、第二输出移相器(109’)、第一输出S弯曲波导(110)、第二输出S弯曲波导(111)、第三输出S弯曲波导(111’)、第四输出S弯曲波导(110’)、第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)的宽度和厚度为3μm×3μm；

4个第一输入Taper波导(410)和4个第二输出Taper波导(430)的长度分别为132.2μm，从远离到靠近第二多模干涉区(420)级联的Taper波导(411、412和413，431、432和433)的起始宽度分别为3μm、6.8μm和7μm，第三段级联Taper波导(413或433)的终止宽度为7μm；第二多模干涉区(420)的宽度为40μm、长度为1690μm；4个第二输入Taper波导(410)和4个第二输出Taper波导(430)的中心间距从上往下依次为10.18μm、10.24μm和10.18μm。

7.一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关的制备方法，其步骤如下：

1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层结构致密的厚度为10～20μm的二氧化硅作为下包层(2)；

2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)上旋涂聚合物芯层材料，将其进行前烘，除去芯层中多余的溶剂，再将其自然降温，得到聚合物芯层薄膜(31)；

3)使用紫外曝光、显影、后烘，将掩模版I上设计好的与聚合物芯层结构相同或互补的图形转移到聚合物芯层薄膜(31)上，从而在二氧化硅下包层(2)上得到聚合物芯层(3)，除多模干涉器外，聚合物芯层其余部分的厚度和宽度相同，分别为2～5μm；

4)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)和聚合物芯层(3)上旋涂聚合物上包层材料，经过烘烤处理后自然降温，得到聚合物上包层(4)，厚度为3～6μm；

5)使用镀膜机在聚合物上包层(4)上蒸镀一层金属薄膜(51)，厚度为80～120nm；

6)使用真空匀胶机在金属表面旋涂光刻胶层(61)，前烘出去光刻胶溶剂后自然降温固化；

7)通过紫外曝光、显影、后烘，将掩模版II的与金属电极结构相同的图形转移到光刻胶层(61)，显影后坚膜，自然降温，得到与金属电极结构相同的光刻胶图形(62)；

8)使用金属对应的金属腐蚀液将无光刻胶图形(62)覆盖的金属腐蚀，得到金属电极(5)，然后除去覆盖在金属电极(5)之上的光刻胶层(61)；金属电极(5)位于第一调制臂波导、第二调制臂波导、第三调制臂波导和第四调制臂波导正上方位置的聚合物上包层(4)之上，金属电极沿宽度和长度方向的对称中心与调制臂波导沿宽度和长度方向的对称中心对齐，金属电极(5)的长度与调制臂波导的长度相等，金属电极(5)的宽度大于调制臂波导的宽度，从而制备得到基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4光开关。

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