一種基于微流控技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成光子學技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導功能器件，具體指一種基于微流控 技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光波導器件因其結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點而受到國內(nèi)外研 究人員的廣泛關(guān)注和重視，且近年來發(fā)展十分迅速。光波導器件是集成光子系統(tǒng)中的基本 單元器件，可通過采用不同方式進行集成(包括單片集成和混合集成)，從而實現(xiàn)具有特定 光信息處理功能的集成光子系統(tǒng)，它們在光通信、光信號處理、光學傳感等領(lǐng)域有廣泛應 用。
[0003] 光功率分束器的實現(xiàn)方案有多種，按其實現(xiàn)形式主要分為體元件型、光柵型和波 導型結(jié)構(gòu)。對于體元件型和光柵型結(jié)構(gòu)，它們主要應用于全息、干涉光刻以及空間光通信系 統(tǒng)中，但都不適合用于集成光子系統(tǒng)。波導型光功率分束器是集成光子系統(tǒng)中不可或缺的 關(guān)鍵功能器件，其結(jié)構(gòu)形式主要有方向耦合型波導結(jié)構(gòu)、Y分支型波導結(jié)構(gòu)、光子晶體型波 導結(jié)構(gòu)、表面等離子型波導結(jié)構(gòu)以及多模干涉型波導結(jié)構(gòu)等多種設計方案。但是，這些結(jié) 構(gòu)形式的光功率分束器的光功率分束比不能動態(tài)調(diào)控，使得其應用領(lǐng)域和范圍受到較大限 制?；诖?，波導型可調(diào)光功率分束器的研究開始引起了人們的廣泛關(guān)注，它是利用電光、 磁光或熱光等物理效應來改變其各個分支中光功率輸出，實現(xiàn)其動態(tài)調(diào)控。近年來，有關(guān)波 導型可調(diào)光功率分束器的設計方案較少，且存在諸多缺點，如動態(tài)范圍小、損耗高、偏振依 賴性高、波長依賴性強、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響敏感、工藝制作難度大等，這離實際應用還有較大距 離。需要特別指出的是，這些方案均不能用于微流控光子系統(tǒng)。
[0004] 與上述傳統(tǒng)可調(diào)光分束器相比，基于微流控技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器是一 類新型基礎關(guān)鍵器件，不僅可在集成光子系統(tǒng)中用于實現(xiàn)新的光分束調(diào)控方法和技術(shù)，也 可在微流控光子系統(tǒng)中用于實現(xiàn)新的生物光子傳感和化學分析與診斷等重要功能，其應用 前景十分廣闊。目前，有關(guān)微流控可調(diào)光功率分束器的研究才剛剛開始，仍處于初步探索階 段，其有關(guān)報道還很少，且在調(diào)控性能、穩(wěn)定性、與其它器件集成等某些或多個方面存在明 顯缺點，使其潛在應用大大受到限制。因而，探索新型波導型可調(diào)光功率分束器對于集成光 子學領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于微流控技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器，該分束器 由非對稱Y分支波導和和微流體通道構(gòu)成，波導內(nèi)光束在Y分支處發(fā)生分束，其分束比與微 流體通道中的液體折射率密切相關(guān)。通過改變液體的折射率，從而實現(xiàn)兩分支波導輸出光 功率的動態(tài)調(diào)控。該器件具有結(jié)構(gòu)簡單、易于設計和制作、波長依賴性低、測試簡便等諸多 優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)方案如下： 一種基于微流控技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器，如圖1、圖2和圖3所示，其中圖I 為器件俯視平面圖，圖2和圖3分別為器件在圖1中A1Ap B1B2連線進行剖分的波導截面 示意圖。該分束器包括采用上包層材料15、芯層材料16和下包層材料17構(gòu)成的一個非 對稱Y型分支波導結(jié)構(gòu)、微流體通道8 (其流體輸入端口為11和12,流體輸出端口為13)、 上基片14、下基片18組成；所述Y型分支波導結(jié)構(gòu)包括光輸入直波導2、第一偏向波導3、 第二偏向波導4、第三偏向波導5、光輸出直波導7和光輸出直波導9。所述光輸入直波導 2與光輸出直波導7之間由第一偏向波導3、第二偏向波導4和第三偏向波導5順序連接， 使得光輸入直波導2與光輸出直波導7相互平行；光輸入直波導2與光輸出直波導9在 同一直線上。微流體通道8位于光輸出直波導9之上，且與第一偏向波導3的側(cè)面相鄰。 第一偏向波導3、第二偏向波導4和第三偏向波導5與光輸入直波導2之間的夾角分別為 和在，所述夾角由上包層材料15、芯層材料16和下包層材料17的折射率決定。
[0007] 兩種不同濃度的液體由輸入端口 11和輸入端口 12分別注入，然后混合，其混合液 體19再流經(jīng)微流體通道8,最后經(jīng)由輸出端口 13輸出。光信號通過錐形光纖由端口 1輸 入，耦合進直波導2后，然后傳輸?shù)結(jié)型分支處而分成兩束光，其中一束光經(jīng)由第一偏向波 導3、第二偏向波導4和第三偏向波導5傳播，最后從直波導7的輸出端口 6輸出，而另一束 光經(jīng)由直波導9的輸出端口 10輸出，從而實現(xiàn)光功率分束過程。
[0008] 本發(fā)明提供的基于微流控技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器由有機聚合物材料構(gòu) 成，器件為Y分支波導結(jié)構(gòu)和微流體通道結(jié)構(gòu)構(gòu)成，采用光學光刻方法可容易制作，這里不 再詳細介紹其制作過程。
[0009] 本發(fā)明的工作原理是： 本發(fā)明提供的基于微流控技術(shù)的波導型可調(diào)光功率分束器的波導橫切面分別如圖2 和圖3所示，設上包層材料15和下包層材料17折射率分別為％和，、芯層材料16折射率為 %，包層材料和芯層材料均為有機聚合物材料；其波導芯層厚度、脊高以及寬度分別為4、 :&、以及_。而在微通道內(nèi)混合液體19折射率為^，其折射率大小由輸入端口 11和輸入 端口 12分別注入的液體濃度和流速來決定。對于所設計的可調(diào)光功率分束器，圖1中所示 的夾角冷需滿足如下條件：
其中其中％和^分別表示TE波在非波導位置處和波導位置處的等效折射率。
[0010] 光信號輸入到直波導2后，在Y型分支處發(fā)生分束，其中一束光依次經(jīng)由第一偏向 波導3、第二偏向波導4、第三偏向波導5和直波導7傳播，最后從端口 6輸出，而另一束光 經(jīng)由直波導9傳播，從端口 10輸出。通過改變輸入端口 11和輸入端口 12所注入的液體濃 度和流速，則微流體通道中混合液體19的折射率將發(fā)生變化，從而引起直波導9在Y型分 支處的等效折射率發(fā)生相應改變。根據(jù)光波導理論，兩分支波導內(nèi)光束功率將相應發(fā)生改 變，從而最終實現(xiàn)光功率分束器的動態(tài)調(diào)控輸出。
[0011] 本發(fā)明提出的波導型可調(diào)光功率分束器，是一種基于微流控技術(shù)的新型功能器 件。其原理是