一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法技术

一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法，属于平面光波导光开关及制备技术领域。本发明专利技术采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为波导的下包层和上包层、以热光系数较大的有机聚合物材料作为波导的芯层，制备得到了模式不敏感的光波导型光开关。本发明专利技术充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势，通过改变调制臂的温度来改变调制臂的折射率，进而改变调制臂中光的相位，达到改变光的输出端口的目的；通过反应离子刻蚀来调整调制臂的厚度，使得不同模式的有效折射率几乎相同，进而使得不同的光学模式所需的调制温度相同，以达到模式不敏感的目的。本发明专利技术成本低廉、制备效率高，适合于批量生产实际应用的平面光波导光开关。的平面光波导光开关。的平面光波导光开关。

【技术实现步骤摘要】
一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法


[0001]本专利技术属于平面光波导光开关及其制备
，具体涉及一种以硅片作为衬底、以折射率不同的有机聚合物材料分别作为光波导结构的下包层、上包层、芯层的模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的高速发展，发送信息、获取信息的方式更加便捷，速度也更快。但巨大的通信数据量对信息传输系统的传输容量造成了非常大的挑战。如何提高数据传输速度和传输容量成为了亟待解决的重要难题，光通信的出现成为了解决这一问题的关键。光通信是现代通信系统的一个重要组成部分，在国民经济的各个领域都具有十分重要的地位。近年来，由于标准单模光纤的传输容量逐渐接近香农极限，以模分复用为代表的空分复用技术成为了突破这一瓶颈的新方法。模分复用技术能够与现有的系统较为容易的进行结合，不但成倍的提高了通信系统的容量，而且有效的提升了系统的性能。在模分复用系统中，不仅需要对光信号进行传输，对光信号的处理、控制也是非常必要的，而光开关是模分复用系统中控制光信号的关键器件。
[0003]光开关可以对信号进行逻辑转换，还可以用于光路的切换，在模分复用系统的构造、保护、以及故障恢复等方面都发挥着重要作用。制造具有高速度、高可靠性、低功耗、高集成度的光开关一直是一个重要的研究课题。平面光波导型光开关作为光开关的一个重要分支，近年来发展迅猛，它不仅具有光纤型光开关的优点，而且具有更高的稳定性和可靠性，能够工作在更加复杂和恶劣的环境当中，而且，用于制备平面光波导型光开关的材料种类丰富，主要包括无机材料和有机聚合物材料两种，与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单、与半导体工艺兼容、抗干扰能力强、制备工艺与半导体工艺相兼容、有利于器件的功能化集成和批量生产，。而且，有机聚合物材料具有非常高的热光系数，能够用于制备低功耗的热光开关。正是具有这诸多优点，有机聚合物材料已经成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础材料，在光通信和航空航天等领域都得到了广泛的应用。
[0004]根据调制原理的不同，光开关可以分为电光开关、热光开关、声光开关、磁光开关等等，其中热光开关是利用材料的热光效应实现开关功能，当外部温度变化时，固体介质内部的折射率也会发生变化，因此，可以通过波导结构的设计，将温度的变化转换成折射率的变化，进而转变成光强的变化。热光开关具有器件尺寸小、功耗低的优点，在光集成领域有非常大的发展空间。
[0005]在平面光波导器件的结构设计中，Mach
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Zehnder interferometer(MZI)是一种最基本的器件结构之一，在平面光波导型光开关领域具有重要的应用价值。其原理是将其中一条干涉臂作为参考臂，另一条干涉臂作为调制臂，通过热光效应改变调制臂的温度进而改变折射率，因此调制臂中的光的相位也发生变化，从而使得输出光的相位发生变化。利用该原理，已经成功制备出了基于MZI光波导结构的光开关。然而，传统的MZI型波导光开关对
模式比较敏感，只能实现对基模的开关，这样便限制了其在模分复用系统中的应用。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种采用不同折射率的有机聚合物材料作为光波导包层材料和芯层材料的模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法。
[0007]本专利技术采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为波导的下包层和上包层、以热光系数较大的有机聚合物材料作为波导的芯层，充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势。同时，本专利技术所采用的制备工艺简单、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。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0009]如附图1所示，一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右依次由输入直波导1，输入锥形波导2，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4(输入直波导1，输入锥形波导2，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4共同构成光开关的Y分支3
‑
dB分束器)，第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6，相互平行的调制臂7和调制臂8，第三连接锥形波导9，第四连接锥形波导10，第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一MMI(多模干涉)输入锥形波导13，第二MMI输入锥形波导14，MMI多模波导15，第一MMI输出锥形波导16，第二MMI输出锥形波导17，第一输出直波导18，第二输出直波导19(第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一MMI输入锥形波导13，第二MMI输入锥形波导 14，MMI多模波导15，第一MMI输出锥形波导16，第二MMI输出锥形波导17，第一输出直波导18，第二输出直波导19共同构成MMI结构)，第一加热电极20，第二加热电极21构成；输入直波导1的长度a1为200～2500μm，输入锥形波导2 的长度a2为100～2000μm；第一弯曲波导3，第二弯曲波导4的长度a3相等为 1000～5000μm；第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6，第三连接锥形波导9，第四连接锥形波导10的长度a4相等为100～3000μm；调制臂7，调制臂8的长度 a5相等为1000～4000μm；第三弯曲波导11，第四弯曲波导12的长度a6相等为 1000～5000μm；第一MMI输入锥形波导13，第二MMI输入锥形波导14，第一 MMI输出锥形波导16，第二MMI输出锥形波导17的长度a7相等为100～2000μm； MMI多模波导15的长度a8为1000～10000μm；第一输出直波导18和第二输出直波导19的长度a9相等为100～2000μm；第一加热电极20，第二加热电极21 的长度a10相等为1000～4000μm；输入直波导1，输入锥形波导2与输入直波导 1连接处，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4，第一弯曲波导3与第一连接锥形波导 5连接处，第二弯曲波导4与第二连接锥形波导6连接处，第三连接锥形波导9与第三弯曲波导11连接处，第四连接锥形波导10与第四弯曲波导12连接处，第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一MMI输入锥形波导13与第三弯曲波导11连接处，第二MMI输入锥形波导14与第四弯曲波导12连接处，第一MMI输出锥形波导16与第一输出直波导18连接处，第二MMI输出锥形波导17与第一输出直波导19连接处，第一输出直波导18，第二输出直波导19的宽度w1相等为3～30μm；第一连接锥形波导5与调制臂7连接处，第二连接锥形波导6与调制臂8连接处，调制臂7，调制臂8，第三连接锥形波导9与调制臂7连接处，第四连接锥形波导 10与调制臂8连接处的宽度w2相等为4～30μm；第一MMI输入锥形波导13与 MMI多模波导15相接处，第二MMI输入锥形波导14与MMI多模波导15相接处，第一MMI输出锥形波导16与MMI多模波导15相接处，第二MMI输出锥形波导 17与MMI多模波导15相接处的宽度w3相等为5～14μm；MMI多模波导15的宽度w4为20...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右依次由输入直波导(1)、输入锥形波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)、第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)、相互平行的调制臂(7)和调制臂(8)、第三连接锥形波导(9)、第四连接锥形波导(10)、第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一MMI输入锥形波导(13)、第二MMI输入锥形波导(14)、MMI多模波导(15)、第一MMI输出锥形波导(16)、第二MMI输出锥形波导(17)、第一输出直波导(18)、第二输出直波导(19)、第一加热电极(20)和第二加热电极(21)构成；输入直波导(1)、输入锥形波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)共同构成光开关的Y分支3
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dB分束器；第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一MMI输入锥形波导(13)、第二MMI输入锥形波导(14)、MMI多模波导(15)、第一MMI输出锥形波导(16)、第二MMI输出锥形波导(17)、第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)共同构成MMI结构；从下到上，输入直波导(1)、输入锥形波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)、第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)、第三连接锥形波导(9)、第四连接锥形波导(10)、第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一MMI输入锥形波导(13)、第二MMI输入锥形波导(14)、MMI多模波导(15)、第一MMI输出锥形波导(16)、第二MMI输出锥形波导(17)、第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底上制备的聚合物下包层(32)、在聚合物下包层(32)上制备的条形结构的光波导芯层(33)、在聚合物下包层(32)和光波导芯层(33)上制备的聚合物上包层(34)组成，光波导芯层(33)被包埋在聚合物上包层(34)之中；从下到上，相互平行的调制臂(7)和调制臂(8)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的聚合物下包层(32)、在聚合物下包层(32)上制备的两个条形结构的光波导芯层(33
’
)、在聚合物下包层(32)和两个光波导芯层(33
’
)上制备的聚合物上包层(34)、在聚合物上包层(34)之上在与两个光波导芯层(33
’
)对应位置制备的第一加热电极(20)和第二加热电极(21)组成；两个光波导芯层(33
’
)被包埋在聚合物上包层(34)之中；光从输入直波导(1)输入，经输入锥形波导(2)进入到第一弯曲波导(3)和第二弯曲波导(4)，被分成两束相同的光分别进入到第一连接锥形波导(5)和第二连接锥形波导(6)，然后分别进入到相互平行的调制臂(7)和调制臂(8)，再分别进入到第三连接锥形波导(9)和第四连接锥形波导(10)，然后分别经第三弯曲波导(11)和第四弯曲波导(12)进入到第一MMI输入锥形波导(13)和第二MMI输入锥形波导(14)，再分别进入到MMI多模波导(15)，在MMI多模波导(15)当中激发出多个模式并在传输过程中相互干涉，相互干涉的多个模式最后经第一MMI输出锥形波导(16)和第二MMI输出锥形波导(17)从第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)输出。2.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：输入直波导(1)的长度a1为200～2500μm，输入锥形波导(2)的长度a2为100～2000μm；第一弯曲波导(3)和第二弯曲波导(4)的长度a3相等为1000～5000μm；第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)、第三连接锥形波导(9)和第四连接锥形波导(10)的长度a4相等为100～3000μm；调制臂(7)和调制臂8的长度a5相等为1000～4000μm；第三弯曲波导(11)和第四弯曲波导(12)的长度a6相等为1000～5000μm；第一MMI输入锥形波导(13)、第二MMI输入锥形波导(14)、第一MMI输出锥形波导(16)和第二MMI输出锥形波导(17)的长度a7相等为100～2000μm；MMI多
模波导(15)的长度a8为1000～10000μm；第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)的长度a9相等为100～2000μm；第一加热电极(20)和第二加热电极(21)的长度a10相等为1000～4000μm；输入直波导(1)、输入锥形波导(2)与输入直波导(1)连接处、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)、第一弯曲波导(3)与第一连接锥形波导(5)连接处、第二弯曲波导(4)与第二连接锥形波导(6)连接处、第三连接锥形波导(9)与第三弯曲波导(11)连接处、第四连接锥形波导(10)与第四弯曲波导(12)连接处、第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一MMI输入锥形波导(13)与第三弯曲波导(11)连接处、第二MMI输入锥形波导(14)与第四弯曲波导(12)连接处、第一MMI输出锥形波导(16)与第一输出直波导(18)连接处、第二MMI输出锥形波导(17)与第一输出直波导(19)连接处、第一输出直波导(18)、第二输出直波导(19)的宽度w1相等为3～30μm。3.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：第一连接锥形波导(5)与调制臂(7)连接处、第二连接锥形波导(6)与调制臂(8)连接处、调制臂7、调制臂8、第三连接锥形波导(9)与调制臂(7)连接处、第四连接锥形波导(10)与调制臂(8)连接处的宽度w2相等为4～30μm；第一MMI输入锥形波导(13)与MMI多模波导(15)相接处、第二MMI输入锥形波导(14)与MMI多模波导(15)相接处、第一MMI输出锥形波导(16)与MMI多模波导(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，孙士杰，林柏竹，朱穆，廉天航，车远华，孙雪晴，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：