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一種三維垂直耦合光模式轉換?隔離復合器件的制作方法

文檔序號:12659703閱讀:385來源:國知局
一種三維垂直耦合光模式轉換?隔離復合器件的制作方法與工藝

本發(fā)明屬于光通信技術領域,具體涉及一種三維垂直耦合光模式轉換-隔離復合器件。



背景技術:

采用光纖或波導作為傳輸媒介的光通信技術是滿足當前飛速增長的通訊和數據傳輸的必要手段。與傳統通信系統相比,光纖以及波導通信系統具有頻帶寬、傳輸容量大、傳輸損耗小、誤碼率低和抗電磁干擾能力強等優(yōu)勢。特別是波分復用技術(WDM)在光網絡中的應用,有效地實現了光傳輸網絡的擴容。

光放大器與波分復用技術相結合的方式結構簡單,具有良好的傳輸性能,為寬帶和超長距離傳輸提供了基礎?,F有長距離傳輸系統大部分是基于單模光纖進行的,但預測單模光纖傳輸系統在2020年左右將會出現容量危機。隨著信息流量爆炸式增長,利用這種方法的傳輸容量已經接近極限。由于時間、頻率、偏振利用率已接近極限,因此,需采用新技術才有可能進一步提高光纖的傳輸容量。在一個空間正交的模式中增加一個自由度的方法,即模分復用技術,可有效增加帶寬。模分復用技術是利用不同的光模式來傳輸更多的信息,目前為止,模分復用技術是在有線傳輸中唯一沒有被有效利用的方法,己經成為了光纖與波導通信的發(fā)展方向之一,并被大量的相關文獻報道。

光隔離器又稱光單向器,是一種非互易傳輸的光纖或波導無源器件。在光纖通訊系統中總是存在很多原因產生的反向光,例如光發(fā)射機中光源所發(fā)出的信號光,通常是以活動連接器的形式耦合到光纖線路中去,接頭中光纖端面間隙會使約4%的反射光向著光源傳輸。這類反向光的存在,導致光路系統間產生自耦合效應,使激光器的工作變得不穩(wěn)定和產生反射噪聲,光放大器增益發(fā)生變化和產生自激,造成整個光纖通信系統無法正常工作。若在激光器輸出端和光放大器輸入或輸出端連接上光隔離器,就可以使問題得到解決。因此,光隔離器的基本功能就是實現光信號的正向傳輸,同時抑制反向傳輸,即具有不可逆性。通常情況下,光在各向同性和各向異性介質中的光路是可逆的,因此,光隔離器的設計必須考慮如何打破其可逆性。

目前所采用的光隔離器是利用磁光材料對光偏振態(tài)調整的非互易性實現光的不可逆?zhèn)鬏?。但其結構復雜,對磁光材料性能要求較高,工藝制作困難;由于大多采用永磁體,尺寸較大;并且僅能實現光隔離作用。目前,可同時實現光隔離和不同模式之間轉換的器件還未被提出。隨著信息技術的發(fā)展,結合模分復用技術與光隔離技術于一體,且制作工藝簡單的器件具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>



技術實現要素:

本發(fā)明要解決的問題是設計緊湊的器件結構,利用低成本材料和簡單工藝,制備可同時實現光隔離,以及光在不同模式之間轉換的復合器件,在實現光隔離效果的同時拓展傳輸信息的容量。類似與電路中的二極管功能,并且由于模式的轉化增加了光通信的傳輸容量。

本發(fā)明通過如下技術方案實現:

一種三維垂直耦合光模式轉換-隔離復合器件,包括包層、上芯層波導及下芯層波導,包層覆蓋上、下兩芯層波導,波導上方包層覆蓋的厚度為0.5—1μm;包層、上芯層波導及下芯層波導的折射率分別為n、n1、n2,其中n1>n2>n;上、下芯層波導的截面尺寸相同;上、下芯層波導呈X節(jié)垂直耦合結構,兩芯層波導之間的垂直距離為0.5—0.8μm,兩芯層波導之間的角度為0.8—1.0°。

進一步地,所述的包層、上芯層波導、下芯層波導的材料均為聚合物材料。

進一步地,該復合器件的長度為1000μm-3000μm。

該復合器件的工作原理如下:

根據已選定材料確定的n1,n2和n,通過有效折射率法可以確定上下兩芯層波導兩種模式發(fā)生諧振時兩波導截面的尺寸(即附圖2中的諧振點下對應的波導尺寸),達到模式轉換的目的。通過光束傳播法可以計算出最佳的芯層間距和兩波導之間的角度,使器件達到最大的耦合效率。本器件將下芯層波導的前端(即附圖1中的In Port A)作為輸入端(同時可作為反向傳輸時的輸出端),將上芯層波導中的后端(即附圖1中的Out Port B)作為輸出端(同時可作為反向傳輸時的輸入端)。當光從下芯層波導前端中被正對波導正向輸入時,由于光被均勻的輸入到波導中,下芯層波導中被激發(fā)出的光絕大部分為LP01模式,由于在設計的器件尺寸下(即附圖2中的諧振點對應的波導尺寸)下芯層波導中被激發(fā)出的LP01模式的光的有效折射率與上芯層波導的LP21a模式的光具有相同的有效折射率,兩波導中的光將發(fā)生諧振耦合,當兩波導具有確定的垂直間距和夾角時,LP21a模式光信號從上層波導中輸出,可實現模式轉換;光由上層波導反向輸入時,同樣由于光被均勻的輸入到上層波導中,上層波導中被激發(fā)出的光大部分為LP01模式的光,由于下芯層波導中各個模式的有效折射率與上層波導中被激發(fā)出的LP01模式有效折射率都不同,上下兩層波導不發(fā)生耦合,光仍然從上芯層波導中輸出,從而實現光的單向導通。

與現有技術相比,本發(fā)明所提出的光模式轉換-隔離復合器件工藝簡單,采用聚合物材料通過濕法顯影和刻蝕技術制作,不需要現有隔離器件所采用的復雜磁化材料;采用垂直耦合結構制作,便于三維集成。器件尺寸小,長度僅為2000μm,寬度20μm;可以實現從LP01模式到LP21a模式之間的轉換,拓展了光通信的容量,同時反向光隔離度大于50dB。本發(fā)明適合于大批量生產,可應用于集成光子芯片,或作為分立元件使用。

附圖說明

圖1:本發(fā)明的三維垂直耦合光模式轉換-隔離復合器件的結構示意圖;

其中,圖1a為俯視圖,圖1b為三維立體圖,圖1c為芯層波導的底端剖面圖;

圖2:光模式轉換-隔離復合器件的工作原理;

圖3:光從In PortA輸入時兩波導光場分布圖;

從圖中可以看出,此時光可以完全從下層波導耦合到上層波導并轉換為LP21a模式的光。

圖4:光從Out Port B輸入時兩波導的光場分布圖;

從圖中可以看出,此時上芯層波導中被激發(fā)出的LP01模式的光不被耦合到下芯層波導中。下芯層波導中的In Port A中沒有光能量輸出。

圖5:光模式轉換-隔離復合器件制作流程圖;

圖6:光模式轉換-隔離復合器件測試裝置圖;

從可調諧激光器輸出的特定波長信號光,經過光纖輸入至下層波導中,耦合到上層波導后,接收端通過CCD相機可以檢測光正向傳輸和反向傳輸過程中光的模式。通過光纖輸入光功率計可以檢測正向傳輸的插入損耗;調節(jié)激光器輸出光的波長范圍,測試插入損耗隨波長變化;測試完成后,將光纖適配器器件兩端的光纖拔出,并轉換方向,將輸入端的光纖接入到輸出端,用來檢測反向傳輸的插入損耗變化;調節(jié)激光器輸出波長,測量±10nm范圍內反向傳輸時器件的插入損耗。

圖7:光正向和反向傳播時輸出光功率對比圖(1550nm);

對比了信號光分別為從端口In Port A輸入、端口Out Port B輸出,以及信號光從端口Out Port B反向輸入、端口In Port A輸出時,在波長范圍1540nm≤λ≤1560nm內,用光束傳播法計算獲得的輸出光能量,隔離度為58dB。

圖8:光正向和反向傳播時輸出光功率對比圖(650nm);

對比了信號光分別為從端口In Port A輸入、端口Out Port B輸出,以及信號光從端口Out Port B反向輸入、端口In Port A輸出時,在波長范圍640nm≤λ≤660nm時輸出光的能量,隔離度為50dB。

具體的實施方式

實施例1

本發(fā)明涉及的光模式轉換-隔離復合器件及其制作過程如圖5所示,具體步驟如下:

1)選用硅作為襯底,首先用丙酮溶液清洗硅片,去除硅片表面有機物雜質,乙醇溶液清洗,去除上一步清洗殘留的丙酮,用去離子水反復沖洗,去除在硅片表面殘留的乙醇。在清洗干凈的硅襯底上均勻旋涂厚4μm的PMMA-GMA包層(轉速3000r/min,折射率1.49),120℃加熱固化120min。

2)旋涂芯層PMMA-GMA芯層材料:在已旋涂的PMMA-GMA包層上勻旋涂厚3.4μm的PMMA-GMA芯層(轉速3500r/min,折射率1.51),120℃加熱固化120min。

3)蒸鍍鋁掩膜并旋涂BP212光刻膠:在PMMA-GMA芯層材料表面蒸鍍一層約200nm厚鋁膜;旋涂光刻膠BP212,60℃加熱固化10min,90℃加熱固化20min;

4)光刻、顯影:紫外光刻后用5‰的NaOH溶液顯影,去除曝光部分的BP-212光刻膠及其下方的鋁掩膜,獲得波導圖形;

5)制備PMMA-GMA芯層波導:采用ICP刻蝕方法,將無鋁膜覆蓋的PMMA-GMA芯層去除,得到清晰的波導圖形;紫外曝光15s,并采用5‰的NaOH溶液去除波導上的鋁及光刻膠。

6)制備包層:均勻旋涂厚2μm的PMMA-GMA包層(折射率1.49),芯層上方(0.7μm)(轉速5000r/min),120℃加熱固化120min;

7)制備上芯層:旋涂3.4μm厚的SU-8光刻膠,60℃固化10min,90℃固化20min,自然降溫;

8)對上述器件利用掩膜版進行對版、紫外光刻;然后采用SU-8顯影液顯影約8s,之后在異丙醇清洗掉殘留的SU-8顯影液,之后用去離子水清洗掉殘留的異丙醇;

9)制備上包層,在該樣品上均勻旋涂厚4μm的PMMA-GMA包層(轉速3000r/min),120℃加熱固化120min。

所說的蒸發(fā)Al掩膜是在3.4μm厚的PMMA-GMA芯層材料3上用蒸發(fā)的方法蒸鍍一層約200nm厚的鋁膜4。

所說的旋涂BP-212是指將紫外正性光刻膠5(北京化學試劑廠,BP212型)滴在蒸發(fā)完畢的鋁膜4上,將樣片置于旋轉涂覆機上,在3000rpm的轉速下旋轉襯底進行涂膜,旋涂的時間為20-40s,使光刻膠5均勻涂在鋁膜4上。

所說的光刻1和顯影1是將帶有熱光開關波導圖形的掩膜板放置在光刻膠5上,再將此樣品置于光刻機上,用365nm紫外光進行照射,通過掩膜板的透光區(qū)將光刻膠曝光,曝光時間為3s,通過曝光把熱光開關的波導圖形轉移到光刻膠5上。將曝光后的樣品用5‰的NaOH顯影液進行顯影,顯影時間是20-40s,再用去離子水輕輕地反復沖洗樣片表面。

所說的ICP刻蝕是首先將熱光開關的波導圖形轉移到鋁膜4上,利用氧氣感應耦合等離子體刻蝕將無鋁膜4覆蓋的3.4μm厚PMMA-GMA芯層刻蝕掉,露出PMMA-GMA下包層2。鋁膜4在氧等離子體刻蝕時,鋁會與氧氣反應,在表面形成一層氧化鋁,阻擋住氧氣與其下面的下芯層聚合物3反應,沒有鋁膜4的部分繼續(xù)被氧反應而刻蝕掉,因此鋁膜4對包層聚合物3起到很好的掩膜作用。感應耦合等離子體刻蝕的源功率400W,偏置功率為30W,刻蝕204s。

所說的去除BP-212是將經過顯影1后的器件在365nm紫外光下曝光8-10s,采用質量濃度為5‰的NaOH溶液顯影30-60s,將PMMA-GMA表面覆蓋的光刻膠5以及鋁掩膜4去除。

所說的光刻2和顯影2是將上芯層圖形利用紫外光刻轉移到芯層光刻膠SU-8(6),將曝光后的樣品用SU-8顯影溶液顯影,時間8s,之后用環(huán)戊酮溶液去除殘留的SU-8顯影液,之后用去離子水去除殘留的SU-8顯影液。

所說的蒸發(fā)Al掩膜是在3.4μm厚的PMMA-GMA芯層材料3上用蒸發(fā)的方法蒸鍍一層約200nm厚的鋁膜4。

將制備的樣品放置于感應耦合等離子體刻蝕機(ULVAC,CE-300I型)中,在氧氣條件下進行感應耦合等離子體刻蝕,此時,以鋁膜4為掩膜,將沒有鋁膜4覆蓋的包層刻蝕掉,露出PMMA-GMA包層2。鋁膜4在氧氣氣氛中進行感應耦合等離子體刻蝕時,鋁會與氧氣反應,在表面形成一層氧化鋁,阻擋住氧氣與其下面的芯層聚合物3反應,沒有鋁膜4的部分繼續(xù)被氧反應而刻蝕掉,因此鋁膜4對芯層聚合物4起到很好的掩膜作用。感應耦合等離子體刻蝕的源功率400W,偏置功率為30W,刻蝕204s。這樣就制備出符合設計要求的光模式轉換-隔離復合器件。

光模式轉換-隔離復合器件,包層覆蓋上、下兩芯層波導,上層波導上方包層覆蓋的厚度為1μm;包層、上芯層波導及下芯層波導的折射率分別為n、n1、n2,其中n為1.49,n1為1.574,n2為1.51。上、下芯層波導的截面尺寸相同,均為3.4μm;上、下芯層波導呈X節(jié)垂直耦合結構,兩芯層波導之間的垂直距離為0.67μm,兩芯層波導之間的角度為0.92°;

其中包層材料為PMMA-GMA材料、下芯層波導材料為摻雜了雙酚A材料的PMMA-GMA材料、上芯層波導材料為紫外光刻膠材料SU-8。

該復合器件的長度為2300μm。

之后將制作的器件用刀片對端面進行切割解理,再固定在測試平臺上,將光纖頭正對下芯層波導中心,從可調諧激光器輸出的特定波長信號光,光纖中的光被均勻的端面耦合到下芯層波導中,之后經過下芯層波導,被耦合到上芯層波導后,接收端通過CCD相機可以檢測光正向傳輸最終輸出的光的模式(即近場光斑)。通過光纖輸入光功率計可以檢測正向傳輸的插入損耗;調節(jié)激光器輸出光的波長范圍,測試插入損耗隨波長變化;測試完成后,將光纖適配器器件兩端的光纖拔出,并轉換方向,將輸入端的光纖接入到輸出端,用來檢測反向傳輸的插入損耗變化;調節(jié)激光器輸出波長,測量±10nm范圍內反向傳輸時器件的插入損耗。

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