CN116974009A - 一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关 - Google Patents
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Abstract
一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,属于聚合物集成光学技术领域。由硅衬底、聚合物光波导下包层、条形聚合物光波导芯层、聚合物光波导上包层和调制电极组成;条形聚合物光波导芯层为基于AY、MZI和MMI的平面光波导结构,由输入非对称Y分支波导AY‑1、第一马赫‑曾德尔干涉仪MZI‑1、第二马赫‑曾德尔干涉仪MZI‑2、多模干涉耦合器MMI、第一弯曲波导、第二弯曲波导、第一输出非对称Y分支波导AY‑2、第二输出非对称Y分支波导AY‑3组成。本发明实现了E11、E21两种模式信号光灵活的复用和开关功能,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。
Description
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聚合物双模多路复用开关。
背景技术
低损耗光纤和半导体激光器飞速发展,光纤通信成为了数字通信的最主要手段。虽然光纤通信具有传输距离长、带宽大、传输损耗低、传输容量大等诸多优点,然而,由于光学非线性和光纤熔融现象,基于单模光纤的通信系统的传输容量已经接近极限。近年来随着大数据、人工智能等新型技术的发展,单模光纤系统的通信容量已经难以满足数据传输容量的需求。
为了解决这一问题,多种复用技术被相继提出,随着波分复用、时分复用和偏振复用等新技术的广泛应用,光通信系统能够传输的信息容量也得到了提高。如果为了提高传输容量,继续提高复用的密集程度和调制格式的阶数,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和新型复用方式,从而从根本上解决带宽需求矛盾。
模分复用是利用相互正交的多个模式的信号光同时传输多路信息,从而成倍地提升了单根光纤的传输容量,大大提高了光频谱的利用率,是大幅增加光纤通信信道容量的有效方法之一,目前已经成为了光通信领域的前沿与热点研究课题。正如波分复用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再一次大大提升。
模式复用器和模式开关都是模分复用系统中的重要器件,而多模复用开关既可以实现模式复用功能,又可以实现模式开关功能,能够通过控制调制电极将输入的信号光发送到任意的输出端口,进而实现灵活的复用和开关功能。多模复用开关不仅简化了系统的复杂度,还减小了器件的尺寸,是光通信系统中重要的器件。其中,基于平面光波导型的光学器件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。然而,目前能够应用于模分复用系统的多模复用开关还比较缺乏,仍有很大的研究空间。
发明内容
为了实现模分复用系统灵活的复用和开关功能,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E11、E21两种模式的聚合物双模多路复用开关。本发明实现了E11、E21两种模式信号光灵活的复用和开关功能,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。
本发明所述的聚合物双模多路复用开关,从下至上依次由硅衬底61、聚合物光波导下包层62、条形聚合物光波导芯层63、聚合物光波导上包层64和调制电极65组成;条形聚合物光波导芯层63和聚合物光波导上包层64制备在聚合物光波导下包层62之上,且条形聚合物光波导芯层63被包覆在聚合物光波导上包层64之中,调制电极65制备在聚合物光波导上包层65之上;硅衬底61的厚度为0.5~2mm,聚合物光波导下包层62的厚度为3~10μm,条形聚合物光波导芯层63的厚度为5~12μm,聚合物光波导上包层64的厚度为3~10μm(位于聚合物光波导芯层62之上的厚度),调制电极65的厚度为100~400nm。
本发明采用传统的非对称Y分支(AY)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和多模干涉耦合器(MMI)平面光波导结构,这三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模式复用器和模式开关以及光通信领域。
如附图2所示,为条形聚合物光波导芯层63和调制电极65结构示意图;条形聚合物光波导芯层63为基于AY、MZI和MMI的平面光波导结构,沿光的传输方向依次由输入非对称Y分支波导AY-1、第一马赫-曾德尔干涉仪MZI-1、第二马赫-曾德尔干涉仪MZI-2、多模干涉耦合器MMI、第一弯曲波导21、第二弯曲波导22、第一输出非对称Y分支波导AY-2、第二输出非对称Y分支波导AY-3组成;
AY-1、AY-2、AY-3结构相同,如附图3(a)所示,AY-1沿光的传输方向依次由AY-1输入少模直波导31、AY-1宽弯曲波导32、AY-1窄弯曲波导33、AY-1第一锥形波导34、AY-1第二锥形波导35、AY-1第一弯曲波导36、AY-1第二弯曲波导37、AY-1第一输出直波导38、AY-1第二输出直波导39组成;如附图3(b)所示,AY-2沿光的传输方向依次由AY-2第一输入直波导38’、AY-2第二输入直波导39’、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-2第一锥形波导34’、AY-2第二锥形波导35’、AY-2宽弯曲波导32’、AY-2窄弯曲波导33’、AY-2输出少模直波导31’组成;如附图3(c)所示,AY-3沿光的传输方向依次由AY-3第一输入直波导38”、AY-3第二输入直波导39”、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第二弯曲波导37”、AY-3第一锥形波导34”、AY-3第二锥形波导35”、AY-3宽弯曲波导32”、AY-3窄弯曲波导33”、AY-3输出少模直波导31”组成;
MZI-1、MZI-2波导结构相同,如附图4(a)所示,MZI-1沿光的传输方向依次由MZI-1输入直波导41、MZI-1第一锥形波导42、MZI-1第一多模波导43、MZI-1第二锥形波导44、MZI-1第三锥形波导45、MZI-1第一直波导46、MZI-1第二直波导47、MZI-1第一弯曲波导48、MZI-1第二弯曲波导49、MZI-1第一调制臂波导410、MZI-1第二调制臂波导411、MZI-1第三弯曲波导412、MZI-1第四弯曲波导413、MZI-1第三直波导414、MZI-1第四直波导415、MZI-1第四锥形波导416、MZI-1第五锥形波导417、MZI-1第二多模波导418、MZI-1第六锥形波导419、MZI-1第七锥形波导420、MZI-1第一输出直波导421、MZI-1第二输出直波导422、第一调制电极423组成;如附图4(b)所示,MZI-2沿光的传输方向依次由MZI-2输入直波导41’、MZI-2第一锥形波导42’、MZI-2第一多模波导43’、MZI-2第二锥形波导44’、MZI-2第三锥形波导45’、MZI-2第一直波导46’、MZI-2第二直波导47’、MZI-2第一弯曲波导48’、MZI-2第二弯曲波导49’、MZI-2第一调制臂波导410’、MZI-2第二调制臂波导411’、MZI-2第三弯曲波导412’、MZI-2第四弯曲波导413’、MZI-2第三直波导414’、MZI-2第四直波导415’、MZI-2第四锥形波导416’、MZI-2第五锥形波导417’、MZI-2第二多模波导418’、MZI-2第六锥形波导419’、MZI-2第七锥形波导420’、MZI-2第一输出直波导421’、MZI-2第二输出直波导422’、第二调制电极423’组成;MZI-1第一调制臂波导410和MZI-1第二调制臂波导411相互平行,第一调制电极423制备在MZI-1第一调制臂波导410对应位置的聚合物上包层之上;MZI-2第一调制臂波导410’和MZI-2第二调制臂波导411’相互平行,第二调制电极423’制备在MZI-2第二调制臂波导411’对应位置的聚合物上包层之上;
如附图5所示为MMI的整体结构图,沿光的传输方向依次由MMI第一输入弯曲波导51、MMI第二输入弯曲波导52、MMI第一输入锥形波导53、MMI第二输入锥形波导54、MMI多模波导55、MMI第一输出锥形波导56、MMI第二输出锥形波导57、MMI第一输出弯曲波导58、MMI第二输出弯曲波导59组成;
AY-1第一输出直波导38和AY-1第二输出直波导39分别连接MZI-1输入直波导41和MZI-2输入直波导41’,MZI-1第一输出直波导421、MZI-1第二输出直波导422、MZI-2第一输出直波导421’、MZI-2第二输出直波导422’的输出端分别标记为端口A4、A3、A2、A1;端口A1通过第二弯曲波导22、AY-3第二输入直波导39”、AY-3第二弯曲波导37”、AY-3第二锥形波导35”连接AY-3窄弯曲波导33”;端口A2和端口A3分别连接MMI第二输入弯曲波导52和MMI第一输入弯曲波导51,MMI第二输出弯曲波导59和MMI第一输出弯曲波导58的输出端分别标记为端口B1和B2;端口B1通过AY-3第一输入直波导38”、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第一锥形波导34”连接AY-3宽弯曲波导32”;端口B2通过AY-2第二输入直波导39’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-2第二锥形波导35’连接AY-2窄弯曲波导33’;端口A4通过第一弯曲波导21、AY-2第一输入直波导38’、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第一锥形波导34’连接AY-2宽弯曲波导32’;AY-2输出少模直波导31’和AY-3输出少模直波导31”的输出端分别标记为端口Port1和Port2。
如附图2所示,第一弯曲波导21、第二弯曲波导22的长度相等为L21=5000~8000μm,宽度相等为W21=3~12μm;
如附图3所示,AY-1输入少模直波导31、AY-2输入少模直波导31’、AY-3输入少模直波导31”的长度相等为L31=300~1200μm,宽度相等为W31=3~15μm;AY-1宽弯曲波导32、AY-2宽弯曲波导32’、AY-3宽弯曲波导32”的长度相等为L32=500~3000μm,宽度相等为W32=3~12μm;AY-1窄弯曲波导33、AY-2窄弯曲波导33’、AY-3窄弯曲波导33”的长度相等为L32=500~3000μm,宽度相等为W33=2~10μm,且W32>W33;AY-1宽弯曲波导32与AY-1窄弯曲波导33的最大间距、AY-2宽弯曲波导32’与AY-2窄弯曲波导33’的最大间距、AY-3宽弯曲波导32”与AY-3窄弯曲波导33”的最大间距相等为W34=3~30μm;AY-1第一锥形波导34、AY-1第二锥形波导35、AY-2第一锥形波导34’、AY-2第二锥形波导35’、AY-3第一锥形波导34”、AY-3第二锥形波导35”的长度相等为L33=50~500μm,输出端宽度相等为W35=3~15μm;AY-1第一弯曲波导36、AY-1第二弯曲波导37、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第二弯曲波导37”的长度相等为L34=500~3000μm,宽度相等为W35=3~15μm;AY-1第一弯曲波导36、AY-1第二弯曲波导37、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第二弯曲波导37”的弯曲距离相等为W36=10~40μm;AY-1第一输出直波导38、AY-1第二输出直波导39、AY-2第一输出直波导38’、AY-2第二输出直波导39’、AY-3第一输出直波导38”、AY-3第二输出直波导39”的长度相等为L35=30~500μm,宽度相等为W35=3~15μm;
如附图4所示,MZI-1输入直波导41、MZI-1第一直波导46、MZI-1第二直波导47、MZI-1第三直波导414、MZI-1第四直波导415、MZI-1第一输出直波导421、MZI-1第二输出直波导422、MZI-2输入直波导41’、MZI-2第一直波导46’、MZI-2第二直波导47’、MZI-2第三直波导414’、MZI-2第四直波导415’、MZI-2第一输出直波导421’、MZI-2第二输出直波导422’的长度相等为L41=100~500μm,宽度相等为W41=3~15μm;MZI-1第一锥形波导42、MZI-1第二锥形波导44、MZI-1第三锥形波导45、MZI-1第四锥形波导416、MZI-1第五锥形波导417、MZI-1第六锥形波导419、MZI-1第七锥形波导420、MZI-2第一锥形波导42’、MZI-2第二锥形波导44’、MZI-2第三锥形波导45’、MZI-2第四锥形波导416’、MZI-2第五锥形波导417’、MZI-2第六锥形波导419’、MZI-2第七锥形波导420’的长度相等为L42=200~500μm,最小宽度相等为W41=3~15μm,最大宽度(最大宽度为MZI-1中相应波导与MZI-1第一多模波导43或与MZI-1第二多模波导418连接处的宽度,或MZI-2中相应波导与MZI-2第一多模波导43’或与MZI-2第二多模波导418’连接处的宽度)相等为W42=5~20μm;MZI-1第一多模波导43、MZI-1第二多模波导418、MZI-2第一多模波导43’、MZI-2第二多模波导418’的长度相等为L34=1000~5000μm,宽度相等为W34=10~60μm;MZI-1第一弯曲波导48、MZI-1第二弯曲波导49、MZI-1第三弯曲波导412、MZI-1第四弯曲波导413、MZI-2第一弯曲波导48’、MZI-2第二弯曲波导49’、MZI-2第三弯曲波导412’、MZI-2第四弯曲波导413’的长度相等为L44=500~3000μm,宽度相等为W41=3~15μm,弯曲距离相等为W44=5~30μm;MZI-1第一调制臂波导410、MZI-1第二调制臂波导411、MZI-2第一调制臂波导410’、MZI-2第二调制臂波导411’的长度相等为L45=1000~4000μm,宽度相等为W41=3~15μm;第一调制电极423、第二调制电极423’的长度相等为L46=1000~4000μm,宽度相等为W45=3~20μm;
如附图5所示,MMI第一输入弯曲波导51、MMI第二输入弯曲波导52的长度相等为L51=300~1500μm,宽度相等为W51=3~15μm,弯曲距离相等为W52=3~20μm;MMI第一输入锥形波导53、MMI第二输入锥形波导54、MMI第一输出锥形波导56、MMI第二输出锥形波导57的长度相等为L52=100~700μm,最大宽度(最大宽度为相应波导与MMI多模波导55连接处的宽度)相等为W53=5~30μm,最小宽度相等为W51=3~15μm;MMI多模波导55的长度为L53=3000~7000μm,宽度为W54=10~70μm;MMI第一输出弯曲波导58、MMI第二输出弯曲波导59的长度相等为L54=300~2000μm,宽度相等为W51=3~15μm,弯曲距离相等为W55=3~20μm。
本发明所述的聚合物双模多路复用开关的制备方法,其制备工艺流程见附图6,具体叙述为:
A:硅片衬底的清洁处理
用沾有丙酮的棉球和沾有乙醇的棉球分别擦拭硅片衬底,再用去离子水冲洗干净,然后用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封。
B:聚合物光波导下包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物下包层材料(该聚合物下包层材料是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad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上,旋涂转速为2000~4000转/分钟,然后在110℃~140℃条件下加热5~20分钟,在波长为350~400nm的紫外光下进行整体曝光,曝光时间为5~20秒,再在110℃~140℃条件下加热20~50分钟,制得的聚合物下包层厚度为3~10μm;
C:聚合物光波导芯层的制备
采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物光波导芯层材料(该光波导芯层是包括EpoCore、SU8-2002、SU8-2005在内的一系列可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料,光波导芯层材料的折射率高于聚合物上、下包层折射率)旋涂在制备完聚合物光波导下包层的硅片上形成薄膜,转速为600~2000转/分钟,聚合物光波导芯层薄膜厚度为5~12μm;然后对旋涂的聚合物光波导芯层薄膜进行前烘,即采用阶梯升温的方法在50℃~90℃加热2~20分钟,然后在70℃~100℃温度下加热2~20分钟;对聚合物光波导芯层薄膜进行光刻,在波长为350~400nm的紫外光下进行对版光刻,波导掩膜版与需要制备的聚合物光波导芯层结构互补(如图2所示),曝光时间为5~20秒,使需要制备的器件的AY区、MZI区、MMI区以及弯曲波导区域的光波导芯层材料被紫外曝光;光刻完成后从光刻机上取下进行中烘,即在50℃~70℃加热2~20分钟,然后在80℃~120℃温度下加热2~20分钟,加热完毕后在室温下降温处理1~2小时;降温完毕后进行显影,先在聚合物光波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀15~80秒,将未被曝光的非聚合物光波导芯层结构去除,然后放入异丙醇溶液中洗去硅片表面残留的光波导芯层材料和显影液,再用去离子水反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗,防止波导被破坏),去除异丙醇,然后用氮气吹干;最后进行后烘坚膜,即在120℃~150℃加热20~60分钟,加热完毕后在室温下降温处理1~2小时,这样就在聚合物光波导下包层上制得了条形结构的聚合物光波导芯层;
D:聚合物光波导上包层的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(该聚合物上包层材料是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料,在同一器件中,使用相同的聚合物上包层材料和聚合物下包层材料)旋涂在制备完聚合物光波导芯层的样片上,旋涂转速为600~2000转/分钟,然后在110℃~140℃条件下加热5~20分钟,在波长为350~400nm的紫外光下进行整体曝光,曝光时间为5~20秒,再在110℃~140℃条件下加热20~50分钟,制得的聚合物上包层厚度为3~10μm(聚合物光波导芯层上面的上包层的厚度);
E:Al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100~400nm的Al膜,然后利用旋涂工艺在Al膜上制备正性光刻胶BP212薄膜,转速为1000~3000转/分钟;对旋涂的光刻胶BP212薄膜进行前烘,即在60℃~100℃温度下加热10~30分钟,得到厚度为0.5~2.0μm的BP212薄膜;将制得的光刻胶BP212薄膜在波长为350~400nm的紫外光下进行对版光刻,掩膜版为需要制备的调制电极的结构,曝光时间为1~5秒,使除调制电极以外区域的光刻胶BP212薄膜被曝光;将曝光后的样片放入质量浓度为2~6‰的NaOH溶液中10~60秒,去除未曝光的光刻胶,然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干;对曝光的光刻胶BP212薄膜进行坚膜,即在60~120℃加热10~30分钟,加热完毕后在室温下降温处理1~2小时;对Al电极进行显影,即将坚膜后的样片放入质量浓度为2~6‰的NaOH溶液中2~20分钟,将调制电极以外区域的Al膜去除,用去离子水冲洗干净并用氮气吹干,最后放入乙醇中2~10秒,去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜,然后用去离子水冲洗干净,最后用氮气吹干,从而得到本发明所述的聚合物双模多路复用开关。
与现有器件结构和制备技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的波导型聚合物双模多路复用开关结合了MZI光波导结构的干涉效应强和有机聚合物材料热光系数大的优势,采用AY、MZI、MMI结构实现对两个光学模式进行灵活的开关和复用的目的;另外,采用聚合物材料使得器件的制备工艺比较简单,只需要旋涂、光刻等常规工艺,不需要难度较高的工艺,而且生产成本低、效率高、能够大规模批量生产,而且能够应用到实际当中的聚合物双模多路复用开关。
附图说明
图1:本发明所述的聚合物双模多路复用开关的调制区域的横截面示意图;
图2:本发明所述的聚合物双模多路复用开关的结构示意图;
图3(a):本发明所述的聚合物双模多路复用开关的非对称Y分支AY-1的结构示意图;
图3(b):本发明所述的聚合物双模多路复用开关的非对称Y分支AY-2的结构示意图;
图3(c):本发明所述的聚合物双模多路复用开关的非对称Y分支AY-3的结构示意图;
图4(a):本发明所述的聚合物双模多路复用开关的MZI-1的结构示意图;
图4(b):本发明所述的聚合物双模多路复用开关的MZI-2的结构示意图;
图5:本发明所述的聚合物双模多路复用开关的MMI的结构示意图;
图6:本发明所述的聚合物双模多路复用开关的制备工艺流程图;
图7(a):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,无调制时的光场传输模拟图;
图7(b):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第二调制电极423’进行调制时的光场传输模拟图;
图7(c):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423进行调制时的光场传输模拟图;
图7(d):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423和第二调制电极423’同时进行调制时的光场传输模拟图;
图8(a):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,无调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出功率随波长变化曲线;
图8(b):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第二调制电极423’进行调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出功率随波长变化曲线;
图8(c):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423进行调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出功率随波长变化曲线;
图8(d):本发明所述的聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423和第二调制电极423’同时进行调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出功率随波长变化曲线;
如图1所示,聚合物双模多路复用开关的调制区域的横截面示意图,各部件的名称为:硅衬底61、聚合物光波导下包层62、条形聚合物光波导芯层63、聚合物光波导上包层64和调制电极65;
如图2所示,聚合物双模多路复用开关的结构示意图,各部件的名称为:输入非对称Y分支AY-1、第一马赫-曾德尔干涉仪MZI-1、第二马赫-曾德尔干涉仪MZI-2、多模干涉耦合器MMI、第一弯曲波导21、第二弯曲波导22、第一输出非对称Y分支AY-2、第二输出非对称Y分支AY-3;
如图3(a)所示,聚合物双模多路复用开关的AY-1的结构示意图,各部件的名称为:AY-1输入少模直波导31、AY-1宽弯曲波导32、AY-1窄弯曲波导33、AY-1第一锥形波导34、AY-1第二锥形波导35、AY-1第一弯曲波导36、AY-1第二弯曲波导37、AY-1第一输出直波导38、AY-1第二输出直波导39;
如图3(b)所示,聚合物双模多路复用开关的AY-2的结构示意图,各部件的名称为:AY-2第一输入直波导38’、AY-2第二输入直波导39’、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-2第一锥形波导34’、AY-2第二锥形波导35’、AY-2宽弯曲波导32’、AY-2窄弯曲波导33’、AY-2输出少模直波导31’;
如附图3(c)所示,聚合物双模多路复用开关的AY-3的结构示意图,各部件的名称为:AY-3第一输入直波导38”、AY-3第二输入直波导39”、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第二弯曲波导37”、AY-3第一锥形波导34”、AY-3第二锥形波导35”、AY-3宽弯曲波导32”、AY-3窄弯曲波导33”、AY-3输出少模直波导31”;
如图4(a)所示,聚合物双模多路复用开关的MZI-1的结构示意图,各部件的名称为:MZI-1输入直波导41、MZI-1第一锥形波导42、MZI-1第一多模波导43、MZI-1第一输出锥形波导44、MZI-1第二输出锥形波导45、MZI-1第一直波导46、MZI-1第二直波导47、MZI-1第一输入弯曲波导48、MZI-1第二输入弯曲波导49、MZI-1第一调制臂波导410、MZI-1第二调制臂波导411、MZI-1第一输出弯曲波导412、MZI-1第二输出弯曲波导413、MZI-1第三直波导414、MZI-1第四直波导415、MZI-1第二锥形波导416、MZI-1第三锥形波导417、MZI-1第二多模波导418、MZI-1第三输出锥形波导419、MZI-1第四输出锥形波导420、MZI-1第一输出直波导421、MZI-1第二输出直波导422、第一调制电极423;
如图4(b)所示,聚合物双模多路复用开关的MZI-2的结构示意图,各部件的名称为:MZI-2输入直波导41’、MZI-2第一锥形波导42’、MZI-2第一多模波导43’、MZI-2第二锥形波导44’、MZI-2第三锥形波导45’、MZI-2第一直波导46’、MZI-2第二直波导47’、MZI-2第一弯曲波导48’、MZI-2第二弯曲波导49’、MZI-2第一调制臂波导410’、MZI-2第二调制臂波导411’、MZI-2第三弯曲波导412’、MZI-2第四弯曲波导413’、MZI-2第三直波导414’、MZI-2第四直波导415’、MZI-2第四锥形波导416’、MZI-2第五锥形波导417’、MZI-2第二多模波导418’、MZI-2第六锥形波导419’、MZI-2第七锥形波导420’、MZI-2第一输出直波导421’、MZI-2第二输出直波导422’、第二调制电极423’;
如图5所示,聚合物双模多路复用开关的MMI的结构示意图,各部件的名称为:MMI第一输入弯曲波导51、MMI第二输入弯曲波导52、MMI第一输入锥形波导53、MMI第二输入锥形波导54、MMI多模波导55、MMI第一输出锥形波导56、MMI第二输出锥形波导57、MMI第一输出弯曲波导58、MMI第二输出弯曲波导59;
如图6所示,为硅片衬底61,在硅片衬底61上采用旋涂工艺制备的聚合物光波导下包层62、在聚合物光波导下包层62上采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的条形聚合物光波导芯层63、在聚合物光波导下包层62和条形聚合物光波导芯层63上采用旋涂工艺制备的聚合物光波导上包层64,在聚合物光波导上包层64上采用蒸镀、旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的调制电极65(包括第一调制电极423和第二调制电极423’);
如图7(a)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,无调制时的光场传输模拟图,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,在未加调制情况下,E11模式和E21模式都从Port1输出;
如图7(b)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第二调制电极423’进行调制时的光场传输模拟图,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,在对第二调制电极423’进行调制的情况下,E11模式从Port1输出,E21模式从Port2输出;
如图7(c)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423进行调制时的光场传输模拟图,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,在对第一调制电极423进行调制的情况下,E11模式从Port2输出,E21模式从Port1输出;
如图7(d)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423和第二调制电极423’同时进行调制时的光场传输模拟图,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,在第一调制电极423和第二调制电极423’同时进行调制的情况下,E11模式和E21模式都从Port2输出;
如图8(a)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,无调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出随波长变化曲线,可以看出E11模式和E21模式都从端口Port1输出,且输出随波长变化不敏感;
如图8(b)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第二调制电极423’进行调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出随波长变化曲线,可以看出E11模式从端口Port1输出,E21模式从端口Port2输出,且输出随波长变化不敏感;
如图8(c)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423进行调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出随波长变化曲线,可以看出E11模式从端口Port2输出,E21模式从端口Port1输出,且输出随波长变化不敏感;
如图8(d)所示,聚合物双模多路复用开关同时输入E11模式和E21模式,对第一调制电极423和第二调制电极423’同时进行调制时两输出端口的E11、E21模式的信号光的输出随波长变化曲线,以看出E11模式和E21模式都从端口Port2输出,且输出随波长变化不敏感。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例横截面结构如图1所示,聚合物双模多路复用开关的输入非对称Y分支AY-1、第一马赫-曾德尔干涉仪MZI-1、第二马赫-曾德尔干涉仪MZI-2、多模干涉耦合器MMI、第一弯曲波导21、第二弯曲波导22、第一输出非对称Y分支AY-2、第二输出非对称Y分支AY-3,从下至上依次由为硅片衬底61,聚合物光波导下包层62、条形聚合物光波导芯层63、聚合物光波导上包层64,调制电极65组成。
硅片衬底61的厚度为1mm,聚合物光波导下包层62的厚度为5μm,条形聚合物光波导芯层63的厚度为5μm,聚合物光波导上包层64的厚度为5μm(条形聚合物光波导芯层63之上的上包层厚度),调制电极65的厚度为200nm。
实施例整体结构如附图2所示,第一弯曲波导21、第二弯曲波导22的长度相等为6640μm,宽度相等为5μm;
实施例的AY-1、AY-2、AY-3的结构如附图3(a)、3(b)、3(c)所示,AY-1输入少模直波导31、AY-2输出少模直波导31’、AY-3输出少模直波导31”的长度相等为L31=1000μm,宽度相等为W31=10μm;AY-1宽弯曲波导32、AY-2宽弯曲波导32’、AY-3宽弯曲波导32”的长度相等为L32=1600μm,宽度相等为W32=10*2/3μm;AY-1窄弯曲波导33、AY-2窄弯曲波导33’、AY-3窄弯曲波导33”的长度相等为L32=1600μm,宽度相等为W33=10/3μm;AY-1宽弯曲波导32与AY-1窄弯曲波导33的最大间距、AY-2宽弯曲波导32’与AY-2窄弯曲波导33’的最大间距、AY-3宽弯曲波导32”与AY-3窄弯曲波导33”的最大间距相等为W34=15μm;AY-1第一锥形波导34、AY-1第二锥形波导35、AY-2第一锥形波导34’、AY-2第二锥形波导35’、AY-3第一锥形波导34”、AY-3第二锥形波导35”的长度相等为L33=150μm,输出端宽度相等为W35=5μm;AY-1第一弯曲波导36、AY-1第二弯曲波导37、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第二弯曲波导37”的长度相等为L34=1100μm,宽度相等为W35=5μm;AY-1第一弯曲波导36、AY-1第二弯曲波导37、AY-2第一弯曲波导36’、AY-2第二弯曲波导37’、AY-3第一弯曲波导36”、AY-3第二弯曲波导37”的弯曲距离相等为W36=20μm;AY-1第一输出直波导38、AY-1第二输出直波导39、AY-2第一输入直波导38’、AY-2第二输入直波导39’、AY-3第一输入直波导38”、AY-3第二输入直波导39”的长度相等为L35=200μm,宽度相等为W35=5μm;
实施例的MZI-1、MZI-2的结构分别如附图4(a)、4(b)所示,MZI-1输入直波导41、MZI-1第一直波导46、MZI-1第二直波导47、MZI-1第三直波导414、MZI-1第四直波导415、MZI-1第一输出直波导421、MZI-1第二输出直波导422、MZI-2输入直波导41’、MZI-2第一直波导46’、MZI-2第二直波导47’、MZI-2第三直波导414’、MZI-2第四直波导415’、MZI-2第一输出直波导421’、MZI-2第二输出直波导422’的长度相等为L41=200μm,宽度相等为W41=5μm;MZI-1第一锥形波导42、MZI-1第三锥形波导44、MZI-1第三锥形波导45、MZI-1第四锥形波导416、MZI-1第五锥形波导417、MZI-1第六锥形波导419、MZI-1第七锥形波导420、MZI-2第一锥形波导42’、MZI-2第二锥形波导44’、MZI-2第三锥形波导45’、MZI-2第四锥形波导416’、MZI-2第五锥形波导417’、MZI-2第六锥形波导419’、MZI-2第七锥形波导420’的长度相等为L42=350μm,最小宽度相等为W41=5μm,最大宽度(最大宽度为MZI-1中相应波导与MZI-1第一多模波导43或与MZI-1第二多模波导418连接处的宽度,或MZI-2中相应波导与MZI-2第一多模波导43’或与MZI-2第二多模波导418’连接处的宽度)相等为W42=10.5μm;MZI-1第一多模波导43、MZI-1第二多模波导418、MZI-2第一多模波导43’、MZI-2第二多模波导418’的长度相等为L34=2190μm,宽度相等为W34=30μm;MZI-1第一弯曲波导48、MZI-1第二弯曲波导49、MZI-1第三弯曲波导412、MZI-1第四弯曲波导413、MZI-2第一弯曲波导48’、MZI-2第二弯曲波导49’、MZI-2第三弯曲波导412’、MZI-2第四弯曲波导413’的长度相等为L44=900μm,宽度相等为W41=5μm,弯曲距离相等为W44=10μm;MZI-1第一调制臂波导410、MZI-1第二调制臂波导411、MZI-2第一调制臂波导410’、MZI-2第二调制臂波导411’的长度相等为L45=2000μm,宽度相等为W41=5μm;第一调制电极423、第二调制电极423’的长度相等为L46=2000μm,宽度相等为W45=10μm;
实施例的MMI结构如附图5所示,MMI第一输入弯曲波导51、MMI第二输入弯曲波导52的长度相等为L51=800μm,宽度相等为W51=5μm,弯曲距离相等为W52=9.5μm;MMI第一输入锥形波导53、MMI第二输入锥形波导54、MMI第一输出锥形波导56、MMI第二输出锥形波导57的长度相等为L52=260μm,最大宽度相等为W53=14μm,最小宽度相等为W51=5μm;MMI多模波导55的长度为L53=4320μm,宽度为W54=30μm;MMI第一输出弯曲波导58、MMI第二输出弯曲波导59的长度相等为L54=900μm,宽度相等为W51=5μm,弯曲距离相等为W55=15μm;
如附图6所示,为硅片衬底61,在硅片衬底61上采用旋涂工艺制备的聚合物光波导下包层62、在聚合物光波导下包层62上采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的条形聚合物光波导芯层63、在聚合物光波导下包层62和条形聚合物光波导芯层63上采用旋涂工艺制备的聚合物光波导上包层64,在聚合物光波导上包层64上采用蒸镀、旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的Al电极65。
AY-1为非对称Y分支结构,用于实现E11模式和E21模式信号光的解复用,当E11模式和E21模式同时输入到AY-1当中,E11模式耦合到AY-1宽弯曲波导32中且模式保持不变仍为E11模式,E21模式耦合到AY-1窄弯曲波导33中并转换成E11模式。AY-2和AY-3相同,也为非对称Y分支结构,用于实现E11模式和E21模式的复用;当E11模式的信号光从AY-2(AY-3)宽弯曲波导32’(32”)输入时,从AY-2(AY-3)输出少模直波导31’(31”)输出E11模式;当E11模式的信号光从AY-2(AY-3)窄弯曲波导33’(33”)输入时,从AY2(AY-3)输出少模直波导31’(31”)输出E21模式;
输入MZI-1的E11模式的信号光经输入端的1×2的MMI结构(MZI-1输入直波导41、MZI-1第一锥形波导42、MZI-1第一多模波导43、MZI-1第二锥形波导44、MZI-1第三锥形波导45、MZI-1第一直波导46、MZI-1第二直波导47、MZI-1第一弯曲波导48、MZI-1第二弯曲波导49)分成两束功率相同的E11模式的信号光并输入到两个调制臂当中;当无调制时,两调制臂中的两束E11模式的信号光输入到MZI输出端的2×2的MMI(MZI-1第三弯曲波导412、MZI-1第四弯曲波导413、MZI-1第三直波导414、MZI-1第四直波导415、MZI-1第四锥形波导416、MZI-1第五锥形波导417、MZI-1第二多模波导418、MZI-1第六锥形波导419、MZI-1第七锥形波导420、MZI-1第一输出直波导421、MZI-1第二输出直波导422)中进行耦合,设计MZI-1第二多模波导418的结构参数使耦合后的信号光从端口A4输出;当对第一调制电极423进行加热时,两调制臂中的信号光相位差发生改变,因此相位差发生变化的两束E11模式的信号光输入到MZI输出端的2×2的MMI中,在MMI中的耦合发生变化,耦合后的信号光从端口A3输出。MZI-2与MZI-1结构相同为1×2的MZI结构,输入MZI-2的E11模式的信号光经输入端的1×2的MMI结构分成两束功率相同的E11模式的信号光并输入到两个调制臂当中;当无调制时,两束E11模式的信号光输入到MZI输出端的2×2的MMI中,并从端口A2输出;当对第二调制电极423’进行加热时,两调制臂中的信号光相位差发生改变,因此相位差发生变化的E11模式的信号光输入到MZI输出端的2×2的MMI中,在MMI中的耦合发生变化,耦合后的信号光从端口A1输出;
MMI结构用于实现波导交叉的功能,从端口A2输入的信号光从B2端口输出,从端口A3输入的信号光从B1端口输出;
如附图7(a)所示,当无调制时,E11模式和E21模式的信号光同时从AY-1输入少模直波导31输入,经AY-1将输入的信号光进行分离,其中E11模式的信号光耦合到AY-1宽弯曲波导32中且模式保持不变,E21模式的信号光耦合到AY-1窄弯曲波导33中并转换成E11模式,两信号光分别沿AY-1宽弯曲波导32、AY-1第一锥形波导34、AY-1第一弯曲波导36、AY-1第一输出直波导38和AY-1窄弯曲波导33、AY-1第二锥形波导35、AY-1第二弯曲波导37、AY-1第二输出直波导39传输到MZI-1和MZI-2当中;在无调制的情况下,MZI-1和MZI-2两调制臂中的信号光的相位不发生变化,因此两信号光分别从MZI-1和MZI-2的端口A4和端口A2输出,从端口A4输出的信号光输入到第一弯曲波导21中,然后输入到AY-2宽弯曲波导32’当中,再由AY-2宽弯曲波导32’耦合到AY-2输出少模直波导31’中且模式保持不变仍为E11模式;从端口A2输出的信号光(为E11模式)由MMI第二输入弯曲波导52、MMI第二输入锥形波导54输入到MMI多模波导55中,然后传输到MMI第一输出锥形波导56、MMI第一输出弯曲波导58中并从B2端口输出,输入到AY-2窄弯曲波导33’中,并从AY-2窄弯曲波导33’耦合到AY-2输出少模直波导31’中且耦合后的模式由E11转换为E21;最后,E11模式和E21模式的信号光从端口Port1输出;
如附图7(b)所示,当对MZI-2进行调制时,E11模式和E21模式的信号光同时从AY-1输入少模直波导31输入,经AY-1将输入的信号光进行分离,其中E11模式的信号光耦合到AY-1宽弯曲波导32中且模式保持不变,E21模式的信号光耦合到AY-1窄弯曲波导33中并转换成E11模式,两信号光分别沿AY-1宽弯曲波导32、AY-1第一锥形波导34、AY-1第一弯曲波导36、AY-1第一输出直波导38和AY-1窄弯曲波导33、AY-1第二锥形波导35、AY-1第二弯曲波导37、AY-1第二输出直波导39传输到MZI-1和MZI-2当中。由于对MZI-2进行调制时MZI-1两调制臂中的信号光的相位不发生变化,因此输入到MZI-1中的信号光从MZI-1的端口A4输出,模式为E11;而MZI-2两调制臂相位差发生变化,输入到MZI-2中的信号光则从MZI-2的端口A1输出;从端口A4输出的信号光输入到第一弯曲波导21中,然后输入到AY-2宽弯曲波导32’当中,并从AY-2宽弯曲波导耦合到AY-2输出少模直波导31’中且耦合后仍为E11模式,然后从端口Port1输出;从端口A1输出的信号光输入到第二弯曲波导22中,然后输入到AY-3窄弯曲波导33”当中,并从AY-3窄弯曲波导33”耦合到AY-3输出少模直波导31”中且耦合后的模式由E11转换为E21,然后从端口Port2输出;
如附图7(c)所示,当对MZI-1进行调制时,E11模式和E21模式的信号光同时从AY-1输入少模直波导31输入,经AY-1将输入的信号光进行分离,其中E11模式的信号光耦合到AY-1宽弯曲波导32中且模式保持不变,E21模式的信号光耦合到AY-1窄弯曲波导33中并转换成E11模式,两信号光分别沿AY-1宽弯曲波导32、AY-1第一锥形波导34、AY-1第一弯曲波导36、AY-1第一输出直波导38和AY-1窄弯曲波导33、AY-1第二锥形波导35、AY-1第二弯曲波导37、AY-1第二输出直波导39传输到MZI-1和MZI-2当中,由于对MZI-1进行调制,MZI-1两调制臂中的信号光的相位差发生变化,因此输入MZI-1中的信号光从MZI-1的端口A3输出;而对MZI-2未进行调制,MZI-2的两调制臂相位不发生变化,输入MZI-2中的信号光从MZI-2的端口A2输出。从端口A3输出的信号光由MMI第一输入弯曲波导51、MMI第一输入锥形波导53输入到MMI多模波导55中,再输入到MMI第二输出锥形波导57和MMI第二输出弯曲波导59中,然后从B1端口输出,并输入到AY-3宽弯曲波导32”中,并从AY-3宽弯曲波导32”耦合到AY-3输出少模直波导31”中且耦合后的模式仍为E11模式,然后从端口Port2输出;从端口A2输出的信号光由MMI第二输入弯曲波导52、MMI第二输入锥形波导54输入到MMI多模波导55中,再输入到MMI第一输出锥形波导56、MMI第一输出弯曲波导58中并从B2端口输出,然后输入到AY-2窄弯曲波导33’中,并从AY-2窄弯曲波导33’耦合到AY-2输出少模直波导31’中且耦合后的模式由E11转换为E21,然后从端口Port1输出;
如附图7(d)所示,当对MZI-1和MZI-2同时进行调制时,E11模式和E21模式的信号光同时从AY-1输入少模直波导31输入,经AY-1将输入的信号光进行分离,其中E11模式的信号光耦合到AY-1宽弯曲波导32中且模式保持不变,E21模式的信号光耦合到AY-1窄弯曲波导33中并转换成E11模式,两信号光分别沿AY-1宽弯曲波导32、AY-1第一锥形波导34、AY-1第一弯曲波导36、AY-1第一输出直波导38和AY-1窄弯曲波导33、AY-1第二锥形波导35、AY-1第二弯曲波导37、AY-1第二输出直波导39传输到MZI-1和MZI-2当中,由于对MZI-1和MZI-2同时进行调制,MZI-1和MZI-2两调制臂中的信号光的相位差发生变化,因此输入MZI-1中的信号光从MZI-1的端口A3输出,输入MZI-2中的信号光从MZI-2的端口A1输出。从端口A3输出的信号光由MMI第一输入弯曲波导51、MMI第一输入锥形波导53输入到MMI多模波导55中,再输入到MMI第二输出锥形波导57、MMI第二输出弯曲波导59中,然后从B1端口输出,并输入到AY-3宽弯曲波导32”中,并从AY-3宽弯曲波导32”耦合到AY-3输出少模直波导31”中且耦合后的模式仍为E11模式;从端口A1输出的信号光输入到第二弯曲波导22中,然后输入到AY-3窄弯曲波导33”中,并从AY-3窄弯曲波导33”耦合到AY-3输出少模直波导31”中且耦合后的模式由E11转换为E21;E11模式和E21模式的信号光从端口Port2输出;如图7(a)~7(d)所示,本发明实现了双模多路复用开关功能。
附图8为该聚合物双模多路复用开关在无调制、只调制MZI-2、只调制MZI-1、同时调制MZI-1和MZI-2四种条件下的波长特性曲线,可以看到在1500-1600nm范围内,该器件对波长不敏感。
实施例2
硅片衬底的清洁处理:用沾有丙酮的棉球和沾有乙醇的棉球分别擦拭硅片衬底,用去离子水冲洗干净,然后用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封。
采用旋涂工艺制备聚合物光波导下包层62:采用旋涂工艺将聚合物下包层材料EpoClad旋涂在清洗干净的硅片衬底上,旋涂转速为2500转/分钟,在120℃条件下加热5分钟,然后将样片在波长为365nm的紫外光下进行整体曝光,曝光时间为10秒,然后在120℃条件下加热30分钟,聚合物下包层厚度为5μm;
采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备器件包括AY区、MZI区、MMI区、弯曲波导在内的条形聚合物光波导芯层63:采用旋涂工艺将聚合物芯层材料SU8-2005旋涂在制备完聚合物光波导下包层的样片上形成薄膜,转速为2500转/分钟,聚合物芯层薄膜厚度为5μm;然后对旋涂的聚合物薄膜进行前烘,采用阶梯升温的方法,在50℃加热2分钟,然后在90℃温度下加热4分钟;对聚合物薄膜进行光刻,在波长为365nm的紫外光下进行对版光刻,波导掩膜版与需要制备的聚合物双模多路复用开关的结构互补(如图2所示),曝光时间为8秒,使需要制备的器件AY区、MZI区、MMI区以及弯曲波导区域的光波导芯层材料被紫外曝光;光刻完成后从光刻机上取下进行中烘,在50℃加热2分钟,然后在90℃温度下加热4分钟,加热完毕后在室温下降温处理2小时;降温完毕后进行显影,先在光波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀50秒,将未被曝光的非光波导芯层结构去除,然后放入异丙醇溶液中洗去样片表面残留的光波导芯层材料和显影液,再用去离子水反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗,防止波导被破坏),去除异丙醇,然后用氮气吹干;最后进行后烘坚膜,在120℃加热30分钟,加热完毕后在室温下降温处理2小时,这样就在聚合物光波导下包层上制得了条形结构的聚合物光波导芯层;
采用旋涂工艺制备聚合物光波导上包层64:采用旋涂工艺将聚合物上包层材料EpoClad旋涂在制备完聚合物光波导芯层的样片上,旋涂转速为1500转/分钟,在120℃条件下加热5分钟,将样片在波长为365nm的紫外光下进行整体曝光,曝光时间为10秒,然后在120℃条件下加热30分钟,聚合物上包层厚度为5μm(光波导芯层上面的上包层的厚度);
采用蒸镀、光刻、湿法刻蚀工艺制备Al电极65:采用蒸镀工艺在聚合物上包层上蒸镀一层厚度为200nm的Al膜,然后利用旋涂工艺在Al膜上制备正性光刻胶BP212薄膜,转速为2500转/分钟;对旋涂的光刻胶BP212薄膜进行前烘,即在87℃温度下加热20分钟,得到厚度为2μm的BP212薄膜;将制得的光刻胶BP212薄膜在波长为365nm的紫外光下进行对版光刻,掩膜版为需要制备的调制电极的结构,曝光时间为2秒,使除调制电极以外区域的光刻胶BP212薄膜被曝光;将曝光后的样片放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中30秒,去除未曝光的光刻胶,然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干;对曝光的光刻胶BP212薄膜进行坚膜,即在95℃加热10分钟,加热完毕后在室温下降温处理2小时;对Al电极进行显影,即将坚膜后的样片放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中10分钟,将调制电极以外区域的Al膜去除,用去离子水冲洗干净并用氮气吹干,最后将样片放入乙醇中5秒,去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜,然后用去离子水冲洗干净,最后用氮气吹干。
这样便制备出了符合要求的聚合物双模多路复用开关。应当指出的是,具体的实施方式只是本发明有代表性的例子,显然本发明的技术方案不限于上述实施例,还可以有很多变形。本领域的技术人员,以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议得到的,都属于本专利所要保护的范围。
Claims (6)
1.一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,其特征在于:从下至上依次由硅衬底(61)、聚合物光波导下包层(62)、条形聚合物光波导芯层(63)、聚合物光波导上包层(64)和调制电极(65)组成;条形聚合物光波导芯层(63)和聚合物光波导上包层(64)制备在聚合物光波导下包层(62)之上,且条形聚合物光波导芯层(63)被包覆在聚合物光波导上包层(64)之中,调制电极(65)制备在聚合物光波导上包层(65)之上;条形聚合物光波导芯层(63)为基于非对称Y分支、马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器的平面光波导结构,沿光的传输方向依次由输入非对称Y分支波导AY-1、第一马赫-曾德尔干涉仪MZI-1、第二马赫-曾德尔干涉仪MZI-2、多模干涉耦合器MMI、第一弯曲波导(21)、第二弯曲波导(22)、第一输出非对称Y分支波导AY-2、第二输出非对称Y分支波导AY-3顺次连接组成;
AY-1、AY-2、AY-3结构相同,AY-1沿光的传输方向依次由AY-1输入少模直波导(31)、AY-1宽弯曲波导(32)、AY-1窄弯曲波导(33)、AY-1第一锥形波导(34)、AY-1第二锥形波导(35)、AY-1第一弯曲波导(36)、AY-1第二弯曲波导(37)、AY-1第一输出直波导(38)、AY-1第二输出直波导(39)组成;AY-2沿光的传输方向依次由AY-2第一输入直波导(38’)、AY-2第二输入直波导(39’)、AY-2第一弯曲波导(36’)、AY-2第二弯曲波导(37’)、AY-2第一锥形波导(34’)、AY-2第二锥形波导(35’)、AY-2宽弯曲波导(32’)、AY-2窄弯曲波导(33’)、AY-2输出少模直波导(31’)组成;AY-3沿光的传输方向依次由AY-3第一输入直波导(38”)、AY-3第二输入直波导(39”)、AY-3第一弯曲波导(36”)、AY-3第二弯曲波导(37”)、AY-3第一锥形波导(34”)、AY-3第二锥形波导(35”)、AY-3宽弯曲波导(32”)、AY-3窄弯曲波导(33”)、AY-3输出少模直波导(31”)组成;
MZI-1、MZI-2波导结构相同,MZI-1沿光的传输方向依次由MZI-1输入直波导(41)、MZI-1第一锥形波导(42)、MZI-1第一多模波导(43)、MZI-1第二锥形波导(44)、MZI-1第三锥形波导(45)、MZI-1第一直波导(46)、MZI-1第二直波导(47)、MZI-1第一弯曲波导(48)、MZI-1第二弯曲波导(49)、MZI-1第一调制臂波导(410)、MZI-1第二调制臂波导(411)、MZI-1第三弯曲波导(412)、MZI-1第四弯曲波导(413)、MZI-1第三直波导(414)、MZI-1第四直波导(415)、MZI-1第四锥形波导(416)、MZI-1第五锥形波导(417)、MZI-1第二多模波导(418)、MZI-1第六锥形波导(419)、MZI-1第七锥形波导(420)、MZI-1第一输出直波导(421)、MZI-1第二输出直波导(422)、第一调制电极(423)组成;MZI-2沿光的传输方向依次由MZI-2输入直波导(41’)、MZI-2第一锥形波导(42’)、MZI-2第一多模波导(43’)、MZI-2第二锥形波导(44’)、MZI-2第三锥形波导(45’)、MZI-2第一直波导(46’)、MZI-2第二直波导(47’)、MZI-2第一弯曲波导(48’)、MZI-2第二弯曲波导(49’)、MZI-2第一调制臂波导(410’)、MZI-2第二调制臂波导(411’)、MZI-2第三弯曲波导(412’)、MZI-2第四弯曲波导(413’)、MZI-2第三直波导(414’)、MZI-2第四直波导(415’)、MZI-2第四锥形波导(416’)、MZI-2第五锥形波导(417’)、MZI-2第二多模波导(418’)、MZI-2第六锥形波导(419’)、MZI-2第七锥形波导(420’)、MZI-2第一输出直波导(421’)、MZI-2第二输出直波导(422’)、第二调制电极(423’)组成;MZI-1第一调制臂波导(410)和MZI-1第二调制臂波导(411)相互平行,第一调制电极(423)制备在MZI-1第一调制臂波导(410)对应位置的聚合物上包层之上;MZI-2第一调制臂波导(410’)和MZI-2第二调制臂波导(411’)相互平行,第二调制电极(423’)制备在MZI-2第二调制臂波导(411’)对应位置的聚合物上包层之上;
MMI波导结构沿光的传输方向依次由MMI第一输入弯曲波导(51)、MMI第二输入弯曲波导(52)、MMI第一输入锥形波导(53)、MMI第二输入锥形波导(54)、MMI多模波导(55)、MMI第一输出锥形波导(56)、MMI第二输出锥形波导(57)、MMI第一输出弯曲波导(58)、MMI第二输出弯曲波导(59)组成;
AY-1第一输出直波导(38)和AY-1第二输出直波导(39)分别连接MZI-1输入直波导(41)和MZI-2输入直波导(41’),MZI-1第一输出直波导(421)、MZI-1第二输出直波导(422)、MZI-2第一输出直波导(421’)、MZI-2第二输出直波导(422’)的输出端分别标记为端口A4、A3、A2、A1;端口A1通过第二弯曲波导(22)、AY-3第二输入直波导(39”)、AY-3第二弯曲波导(37”)、AY-3第二锥形波导(35”)连接AY-3窄弯曲波导(33”);端口(A2)和端口(A3)分别连接MMI第二输入弯曲波导(52)和MMI第一输入弯曲波导(51),MMI第二输出弯曲波导(59)和MMI第一输出弯曲波导(58)的输出端分别标记为端口B1和B2;端口B1通过AY-3第一输入直波导(38”)、AY-3第一弯曲波导(36”)、AY-3第一锥形波导(34”)连接AY-3宽弯曲波导(32”);端口B2通过AY-2第二输入直波导(39’)、AY-2第二弯曲波导(37’)、AY-2第二锥形波导(35’)连接AY-2窄弯曲波导(33’);端口A4通过第一弯曲波导(21)、AY-2第一输入直波导(38’)、AY-2第一弯曲波导(36’)、AY-2第一锥形波导(34’)连接AY-2宽弯曲波导(32’)。
2.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,其特征在于:聚合物光波导下包层(62)和聚合物光波导上包层(64)为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、EpoClad中的一种,条形聚合物光波导芯层(63)为EpoCore、SU8-2002、SU8-2005中的一种,调制电极为Al电极;硅衬底(61)的厚度为0.5~2mm,聚合物光波导下包层(62)的厚度为3~10μm,条形聚合物光波导芯层(63)的厚度为5~12μm,聚合物光波导上包层(64)位于聚合物光波导芯层(62)之上的厚度为3~10μm,调制电极(65)的厚度为100~400nm。
3.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,其特征在于:第一弯曲波导21、第二弯曲波导22的长度相等为L21=5000~8000μm,宽度相等为W21=3~12μm。
4.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,其特征在于:AY-1输入少模直波导(31)、AY-2输入少模直波导(31’)、AY-3输入少模直波导(31”)的长度相等为L31=300~1200μm,宽度相等为W31=3~15μm;AY-1宽弯曲波导(32)、AY-2宽弯曲波导(32’)、AY-3宽弯曲波导(32”)的长度相等为L32=500~3000μm,宽度相等为W32=3~12μm;AY-1窄弯曲波导(33)、AY-2窄弯曲波导(33’)、AY-3窄弯曲波导(33”)的长度相等为L32=500~3000μm,宽度相等为W33=2~10μm,且W32>W33;AY-1宽弯曲波导(32)与AY-1窄弯曲波导(33)的最大间距、AY-2宽弯曲波导(32’)与AY-2窄弯曲波导(33’)的最大间距、AY-3宽弯曲波导(32”)与AY-3窄弯曲波导(33”)的最大间距相等为W34=3~30μm;AY-1第一锥形波导(34)、AY-1第二锥形波导(35)、AY-2第一锥形波导(34’)、AY-2第二锥形波导(35’)、AY-3第一锥形波导(34”)、AY-3第二锥形波导(35”)的长度相等为L33=50~500μm,输出端宽度相等为W35=3~15μm;AY-1第一弯曲波导(36)、AY-1第二弯曲波导(37)、AY-2第一弯曲波导(36’)、AY-2第二弯曲波导(37’)、AY-3第一弯曲波导(36”)、AY-3第二弯曲波导(37”)的长度相等为L34=500~3000μm,宽度相等为W35=3~15μm;AY-1第一弯曲波导(36)、AY-1第二弯曲波导(37)、AY-2第一弯曲波导(36’)、AY-2第二弯曲波导(37’)、AY-3第一弯曲波导(36”)、AY-3第二弯曲波导(37”)的弯曲距离相等为W36=10~40μm;AY-1第一输出直波导(38)、AY-1第二输出直波导(39)、AY-2第一输出直波导(38’)、AY-2第二输出直波导(39’)、AY-3第一输出直波导(38”)、AY-3第二输出直波导(39”)的长度相等为L35=30~500μm,宽度相等为W35=3~15μm。
5.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,其特征在于:MZI-1输入直波导(41)、MZI-1第一直波导(46)、MZI-1第二直波导(47)、MZI-1第三直波导(414)、MZI-1第四直波导(415)、MZI-1第一输出直波导(421)、MZI-1第二输出直波导(422)、MZI-2输入直波导(41’)、MZI-2第一直波导(46’)、MZI-2第二直波导(47’)、MZI-2第三直波导(414’)、MZI-2第四直波导(415’)、MZI-2第一输出直波导(421’)、MZI-2第二输出直波导(422’)的长度相等为L41=100~500μm,宽度相等为W41=3~15μm;MZI-1第一锥形波导(42)、MZI-1第二锥形波导(44)、MZI-1第三锥形波导(45)、MZI-1第四锥形波导(416)、MZI-1第五锥形波导(417)、MZI-1第六锥形波导(419)、MZI-1第七锥形波导(420)、MZI-2第一锥形波导(42’)、MZI-2第二锥形波导(44’)、MZI-2第三锥形波导(45’)、MZI-2第四锥形波导(416’)、MZI-2第五锥形波导(417’)、MZI-2第六锥形波导(419’)、MZI-2第七锥形波导(420’)的长度相等为L42=200~500μm,最小宽度相等为W41=3~15μm,最大宽度相等为W42=5~20μm;MZI-1第一多模波导(43)、MZI-1第二多模波导(418)、MZI-2第一多模波导(43’)、MZI-2第二多模波导(418’)的长度相等为L34=1000~5000μm,宽度相等为W34=10~60μm;MZI-1第一弯曲波导(48)、MZI-1第二弯曲波导(49)、MZI-1第三弯曲波导(412)、MZI-1第四弯曲波导(413)、MZI-2第一弯曲波导(48’)、MZI-2第二弯曲波导(49’)、MZI-2第三弯曲波导(412’)、MZI-2第四弯曲波导(413’)的长度相等为L44=500~3000μm,宽度相等为W41=3~15μm,弯曲距离相等为W44=5~30μm;MZI-1第一调制臂波导(410)、MZI-1第二调制臂波导(411)、MZI-2第一调制臂波导(410’)、MZI-2第二调制臂波导(411’)的长度相等为L45=1000~4000μm,宽度相等为W41=3~15μm;第一调制电极(423)、第二调制电极(423’)的长度相等为L46=1000~4000μm,宽度相等为W45=3~20μm。
6.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关,其特征在于:MMI第一输入弯曲波导(51)、MMI第二输入弯曲波导(52)的长度相等为L51=300~1500μm,宽度相等为W51=3~15μm,弯曲距离相等为W52=3~20μm;MMI第一输入锥形波导(53)、MMI第二输入锥形波导(54)、MMI第一输出锥形波导(56)、MMI第二输出锥形波导(57)的长度相等为L52=100~700μm,最大宽度相等为W53=5~30μm,最小宽度相等为W51=3~15μm;MMI多模波导(55)的长度为L53=3000~7000μm,宽度为W52=10~70μm;MMI第一输出弯曲波导(58)、MMI第二输出弯曲波导(59)的长度相等为L54=300~2000μm,宽度相等为W54=3~15μm,弯曲距离相等为W55=3~20μm。
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CN202310969194.5A CN116974009A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关 |
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CN202310969194.5A CN116974009A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关 |
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CN202310969194.5A Pending CN116974009A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种用于模分复用系统的聚合物双模多路复用开关 |
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CN (1) | CN116974009A (zh) |
Cited By (1)
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CN117470806A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-30 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
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2023
- 2023-08-03 CN CN202310969194.5A patent/CN116974009A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117470806A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-01-30 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
CN117470806B (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-26 | 天津工业大学 | 一种基于马赫曾德尔结构的聚合物葡萄糖传感器 |
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