CN113050222A - 一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器 - Google Patents
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Abstract
一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,属于聚合物集成光学技术领域。从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成,所述上包层和下包层均为聚合物材料EPOclad,折射率为1.56;芯层为聚合物材料EPOcore,折射率为1.572。调制电极为金属铝,基底层为硅片。沿光传输方向,该模式转换器的芯层由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器3部分依次级联而成。复用/解复用器由干波导和三根分支臂波导组成,光开关由3根核心波导组成,在相邻的核心波导间设置有两根缝隙波导,在缝隙波导上设置有调制电极。本发明能够实现E00、E10、E20三种模式间任意两种模式的转换。
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***的可重构聚合物模式转换器。
背景技术
光纤通信因具有独特的优势(例如,高速和低延迟等)在通信***中具有至关重要的作用。然而,由于融合现象和光学非线性,基于单模光纤的通信***的传输能力,越来越难以适应光通信***中日益增长的信息传输容量需求。为了解决这一问题,多种复用技术被相继提出,例如波分复用技术、偏分复用技术和模式分复用技术。波分复用技术已经在光通信***中广泛应用,但由于光纤放大器带宽的限制以及光纤固有的非线性效应,其传输容量已达到其物理极限,难以进一步拓展。同时,偏分复用技术涉及到的信道数也是有限的(TE偏振和TM偏振)。近年来,模分复用技术成为提升光纤数据传输容量的关键性技术,其利用空间维度来传输更多的信息。
模分复用***以少模光纤为传输媒介,相互独立的本征模承载不同的信息数据,从一个新的维度来提高光通信***传输能力。其中,模式转换器是模分复用***的一种关键器件,其功能是实现不同模式间的转换,在模分复用***中有着至关重要的作用。目前常见的模式转换器的结构有马赫-曾德尔调制器、多模干涉器、Y分支、非对称定向耦合器、光栅耦合器等。
模式转换器的性能,如***损耗、模间串扰、工作带宽、功耗等,影响着模式***的整体性能。对于可重构模式转换器,功耗是衡量其性能的重要标准。聚合物材料由于其具有较大的热光系数,可以非常有效的降低器件的驱动功率。此外,聚合物材料还有较低的介电系数、简单的制作工艺、吸收损耗低、成本低等诸多优点,在光波导集成光路的研究领域中有着不可替代的地位。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,用于实现E00、E10、E20三种模式间的任意转换。聚合物材料由于其具有较大的热光系数,可以非常有效的降低器件的驱动功率。此外,聚合物材料还有较低的介电系数、简单的制作工艺、吸收损耗低、成本低等诸多优点。
本发明所述的一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成,如图1所示。所述上包层和下包层均为聚合物材料EPOclad,折射率为1.56;芯层为聚合物材料EPOcore,折射率为1.572。所述调制电极为金属铝,基底层为硅片。
沿光传输方向,该模式转换器的芯层由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器3部分依次级联而成,解复用器、光开关及复用器间通过长度为L4、宽度线性变化的弯曲波导(该波导仅用于连接相邻结构,不影响器件功能)连接,如图2d所示。其中,所有部分的芯层均具有相同的高度h,但其各部分宽度不同。非对称1×3Y分支复用/解复用器由干波导和三根分支臂波导组成,非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导(即图2a中的SW)支持E00、E10、E20三种模式,其宽度为w0;三根分支臂波导(即图2a中Arm 1、Arm 2、Arm 3)仅支持E00模式,其宽度分别为w1、w2、w3;Arm 1和Arm 2端口处距离为wa,Arm 2和Arm3端口处距离为wb。3×3定向耦合结构光开关由3根核心波导组成(即图2c中W1、W 2、W 3波导),3根核心波导相互平行且宽度相同(均为w);在相邻的核心波导间设置有两根缝隙波导(即图2c中GW1和GW3,GW2和GW4),缝隙波导GW1和GW3(GW2和GW4)间距离为L2。缝隙波导与核心波导的距离为wg,缝隙波导与核心波导具有相同的高度h和宽度w,且在每根缝隙波导上设置有调制电极(即图2c中ME1、ME2、ME3、ME4),核心波导W1、W 2、W 3上无电极。调制电极的宽度为w,长度与缝隙波导一致,均为L1。3×3定向耦合结构光开关的整体长度为L3。
该模式转换器的工作原理如下:
由于所述聚合物材料的芯层和包层折射率差很小(仅为0.012),因此可以忽略模式偏振的影响。根据所述聚合物材料的折射率,在给定波导高度的条件下,利用矩形波导的亥姆霍兹方程(马春生,光波导器件设计与模拟,高等教育出版社)计算波导中E00、E10、E20模式的有效折射率随波导宽度变化的曲线关系(如图3),确定1×3Y分支复用/解复用器干波导宽度(w0),分支波导(w1、w2、w3)宽度范围,以及3×3定向耦合结构光开关的核心波导宽度(w)。再根据有效折射率匹配法和光束传播法(Applied Optics,2012,51(15))确定w1、w2、w3的取值和3×3定向耦合结构光开关中的波导间距wg,使非对称1×3Y分支复用/解复用器的***损耗和模间串扰尽可能小,3×3定向耦合结构光开关的***损耗尽可能小,消光比尽可能大。
3×3定向耦合结构光开关可以等效为四个2×2定向耦合结构光开关(即图2d中的①、②、③、④)级联而成。对于一个独立的2×2定向耦合结构光开关(如附图4a中所示),根据有效折射率匹配原则,通过光束传播法优化定向耦合结构的波导间隙宽度wg和缝隙波导的长度L1,可以实现E00模式从2×2定向耦合结构光开关核心波导的其中一个输入端口输入时,当缝隙波导上方的调制电极不工作时,E00模式可以通过缝隙波导耦合到相邻核心波导中;当缝隙波导电极工作时,由于热光效应,缝隙波导折射率发生改变,E00模式将不发生耦合,停留在原核心波导中,如附图4b所示。模拟计算得到2×2定向耦合结构光开关其中一个端口(附图4a中IP A端口)输入E00模式,两个输出端口(附图4a中OP A和OP B端口)的能量随驱动功率的变化情况如附图4c,使信道串扰小于-20dB所需的驱动功率约为97.5mW。相似地,对于3×3定向耦合结构光开关,如附图2c,通过控制ME1、ME2、ME3、ME4的工作情况可以控制从核心波导某个输入端口输入的E00模式,从核心波导任意输出端口输出,从而实现信道开关的功能。
进一步地,本器件将非对称1×3Y分支解复用器的输入端(即附图2d中的Port A)作为模式转换器的输入端,将非对称1×3Y分支复用器的输出端(即附图2d中的Port B)作为模式转换器的输出端。当E00模式从Port A输入时,经过非对称Y分支模式解复用器,E00模式从Y分支中最宽的分支波导(即Arm 1)中输出,经过宽度线性变化的弯曲波导输入后方3×3定向耦合结构光开关。此时3×3定向耦合结构光开关的信道开关功能实现如图5所示。E00模式从IP1端口输入并在波导W1传输,当调制电极ME1不工作、ME2工作时,E00模式经过定向耦合结构①的缝隙波导,耦合至W 2中;当调制电极ME1工作时,E00模式停留在Arm 1中不发生耦合,ME2的工作状态不影响结果。随后,前述停留在Arm 1中的E00模式传播至定向耦合结构③处,当ME3工作时,E00模式依旧停留在Arm 1中并从输出端口OP1输出,ME4的工作状态不影响结果;前述中耦合至Arm 2中的E00模式传播至定向耦合结构④处,当调制电极ME3和ME4同时工作时,E00模式停留在Arm 2中并从输出端口OP2输出;当调制电极ME3工作、ME4不工作时,E00模式耦合至Arm 3从输出端口OP3输出。当E00模式从3×3定向耦合结构光开关的输出端口OP1/OP2/OP3输出进入非对称1×3Y分支复用器中时,根据有效折射率匹配原则,在Y分支的干波导处复用为E00/E10/E20模式并从端口Port B输出,从而实现了E00模式到E00/E10/E20模式的转换,模式转换器中的光场分布图如附图6a所示。
记调制电极工作时的状态为“1”,不工作时状态为“0”,工作状态不影响器件功能时状态为“X”。用矩阵[ME1,ME2,ME3,ME4]来表示四个电极的工作状态,则不同的模式转换均可用特定的矩阵来表示。则前述与E00-E00模式转换对应的电极工作状态矩阵为[1,X,1,X],与E00-E10模式转换对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,1],与E00-E20模式转换对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,0]。根据类似的原理,也可以实现从E10/E20模式到E00/E10/E20模式的转换,即E00、E10、E20三种模式间任意两种模式的转换。E10模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,X],[1,1,1,1],[1,0,X,1],模式转换器中的光场分布图如附图6b所示;E20模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[1,0,0,1],[1,0,1,1],[X,1,X,1],模式转换器中的光场分布图如附图6c所示。
附图说明
图1是本发明所述的可重构模式转换器的剖面结构示意图;
图2是器件的结构俯视说明图;
其中,图2a是单个1×3非对称Y分支复用/解复用器的结构和各部位名称、尺寸示意图;图2b是2×2定向耦合结构光开关的结构和各部位名称、尺寸示意图;图2c是3×3定向耦合结构光开关是的结构和各部位名称、尺寸示意图;图2d是本发明所述的可重构模式转换器整体俯视图;
图3是当波导高度为4μm时,波导内各模式有效折射率随波导宽度变化的关系;
图4a是单个2×2定向耦合结构光开关的结构和原理示意图;
图4b是2×2定向耦合结构光开关其中一个端口输入E00模式,电极不同工作状态下,器件的光场分布图;
图4c是2×2定向耦合结构光开关其中一个端口输入E00模式,两个输出端口的能量随驱动功率的变化情况;
图5是当模式转换器输入模式为E00模式时,对应的3×3定向耦合结构光开关的工作原理;
图6是模式转换器实现E00、E10、E20三种模式间任意两种模式的转换的光场分布图;
其中图6a是当E00模式输入,图6b是当E10模式输入,图6c是当E20模式输入;
图7是本发明所述的聚合物模式转换器制作流程图;
图8是本发明制作过程中所使用的掩膜版结构示意图;
其中图8a是器件波导掩膜版结构示意图,图8b是调制电极掩膜版结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明
实施例1
参见附图1,模式转换器由下至上,由基底层、下包层、芯层、上包层和调制电极组成。芯层是由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器依次级联而成,相邻结构间通过锥形弯曲波导连接。其中,芯层具有相同的高度。非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导(即SW)支持E00,E10,E20三种模式,三根分支波导(即Arm 1,Arm 2和Arm 3)只支持E00模式。通过控制三根分支臂的宽度,使Y分支干波导中的E00/E10/E20模式的有效折射率与Arm 1/Arm 2/Arm 3波导中E00模式的有效折射率相等,以实现模式复用/解复用的功能。3×3定向耦合结构光开关的芯层区包含三根核心波导(即W1,W2和W 3)和四根缝隙波导(即GW1,GW2,GW3和GW4),每根缝隙波导的宽度只支持E00模式,通过优化核心波导与缝隙波导间的缝隙宽度以及缝隙波导的长度,可以实现邻近两根核心波导间E00模式的互相耦合。每根缝隙波导上均设置有调制电极(即ME1,ME2,ME3,ME4),核心波导(即W1,W 2,W 3)上无电极。
实施例2
本实施例是对实施例一更为详细的地进一步说明。
首先是确定芯层波导各部位的尺寸参数。当固定芯层波导的高度为4μm,芯层波导内E00,E10,E20三种模式的有效折射率随芯层波导宽度变化的关系如附图3所示。结合实施例1中所述,选取非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导和三个分支臂波导的宽度分别为w0=12μm和w3=3.24μm、w2=3.94μm、w1=4.82μm。相邻分支臂波导间距离wa=7.4μm、wb=10.2μm,单个Y分支总长度LY为4.3mm。3×3定向耦合结构光开关中的波导宽度w均为4μm,核心波导与缝隙波导间的缝隙宽度wg=5.5μm。根据光束传播法优化得到每根缝隙波导的长度L1=4.46mm,缝隙波导GW1和GW3(GW2和GW4)间距离L2=540μm。3×3定向耦合结构光开关的总长度L3=1.15cm。用于连接相邻结构的宽度线性变化的弯曲波导长度L4=800μm,可重构聚合物模式转换器的整体长度L=2.17cm。对于该模式转换器,上包层完全将芯层包覆。下包层的厚度为5μm,芯层的高度h为4μm,芯层以外上包层的厚度为5μm,芯层与调制电极间的上包层厚度为1μm。
实施例3
一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其工作原理如下:
从Port A输入的E00/E10/E20模式经过非对称1×3Y分支解复用器,解复用为E00模式并从Arm 1/Arm 2/Arm 1×3臂输出,经过相应的锥形弯曲波导进入3×3定向耦合结构光开关。以输入模式E00模式为例,E00模式经过非对称Y分支模式解复用器,从Arm 1分支臂输出,经过锥形弯曲波导,从IP1端口输入3×3定向耦合结构光开关。3×3定向耦合结构光开关的信道开关功能实现如附图5所示。从IP1端口输入的E00模式在核心波导Arm 1传输,首先经过定向耦合结构①,当调制电极ME1不工作,ME2工作时,E00模式经过定向耦合结构①的缝隙波导,耦合至Arm 2中;当调制电极ME1工作时,E00模式停留在Arm 1中不发生耦合,ME2的工作状态不影响结果。随后,E00模式传播至定向耦合结构③和④处。前述中停留在Arm 1中的E00模式,传播至定向耦合结构③处,当ME3工作时,E00模式依旧停留在Arm 1中并从输出端口OP1输出,ME4的工作状态不影响结果;前述中耦合至Arm 2中的E00模式,传播至定向耦合结构③和④处,当调制电极ME3和ME4同时工作时,E00模式停留在Arm 2中并从输出端口OP2输出;当调制电极ME3工作,ME4不工作时,E00模式经过定向耦合结构④的缝隙波导,耦合至Arm3从输出端口OP3输出。E00模式从3×3定向耦合结构光开关的输出端口OP1/OP2/OP3输出进入非对称1×3Y分支复用器中,根据有效折射率匹配原则,在Y分支的干波导处复用为E00/E10/E20模式并从端口Port B输出,从而实现了E00模式到E00/E10/E20模式的转换,模式转换器中的光场分布图如附图6a所示。根据类似的原理,也可以实现从E10/E20模式到E00/E10/E20模式的转换,即E00、E10、E20三种模式间任意两种模式的转换。E10模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,X],[1,1,1,1],[1,0,X,1],模式转换器中的光场分布图如附图6b所示;E20模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[1,0,0,1],[1,0,1,1],[X,1,X,1],模式转换器中的光场分布图如附图6c所示。
实施例4
下面结合附图7详细说明本发明的具体制备方式,具体步骤如下:
1.清洗硅衬底:选用硅片作为基底层,首先用丙酮有机溶剂清洗硅片,去除硅片表面油污等有机物杂质;接着用无水乙醇溶液清洗硅片,去除上一步清洗残留的丙酮;最后用去离子水反复冲洗,去除在硅片表面残留的乙醇并吹干硅片。
2.旋涂EPOclad下包层:在清洗干净的硅基底层上旋涂5μm厚的EPOclad聚合物材料(德国Micro Resist Technology,负性光刻胶)作为器件的下包层(转速2600r/min,折射率1.56)。之后进行前烘,紫外曝光100mW和后烘以增强聚合物的交联程度。其中,前/后烘的温度为65℃固化10min,再95℃固化20min。
3.旋涂EPOcore芯层:在下包层上旋涂4μm厚的EPOcore聚合物材料(德国MicroResist Technology,负性光刻胶)作为器件的芯层(转速3500r/min,折射率1.572)。之后进行前烘,前烘的温度为65℃固化10min,再95℃固化20min。
4.光刻,显影:利用紫外光刻和湿法显影方法制备器件波导,利用如图8a所示的与模式转换器芯层波导结构互补的掩膜版进行掩膜,在紫外曝光100mW后进行后烘,后烘的温度为65℃固化10min,再95℃固化20min。之后采用EPO显影液去除未被曝光的EPOcore得到模式转换器的芯层以及核心波导间的缝隙波导;接着用异丙醇清洗掉残留的EPO显影液;最后用去离子水清洗掉残留的异丙醇,120℃加热固化30min。
5.旋涂EPOclad上包层:在模式转换器的芯层及下包层上旋涂5μm厚的EPOclad聚合物材料作器件上包层(转速2600r/min,折射率1.56)。之后进行前烘,紫外固化和后烘以增强聚合物的交联程度,实验参数与步骤2中一致。
6.蒸镀铝金属薄膜:采用蒸发的方法在EPOclad上包层上蒸镀一层约为200nm厚的金属铝膜。
7.旋涂BP212光刻胶:在铝膜上,在3000r/min的转速下,旋涂一层BP212正性光刻胶。之后进行前烘,前烘的温度为65℃(10min),95℃(20min)。
8.光刻,显影:对上一步骤得到的样品利用如图8b所示与调制电极结构相同的掩膜版进行对版(调制电极位于缝隙波导之上的位置),紫外光刻;后烘后使用质量浓度5‰的NaOH溶液去除被曝光的铝及BP212光刻胶。
9.去除残留的BP212:将样品浸泡于无水乙醇溶液中,去除铝电极上的BP212光刻胶,再用去离子水清洗掉残留的无水乙醇,从而得到本发明所述的模式转换器。
Claims (6)
1.一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其特征在于:
从上至下,依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成,包层和下包层均为聚合物材料EPOclad,折射率为1.56;芯层为聚合物材料EPOcore,折射率为1.572;所述调制电极为金属铝,基底层为硅片;
沿光传输方向,该模式转换器的芯层由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器3部分依次级联而成,解复用器、光开关及复用器间通过宽度线性变化的弯曲波导连接;所有部分的芯层均具有相同的高度h;
非对称1×3Y分支复用/解复用器由干波导和三根分支臂波导组成,非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导支持E00、E10、E20三种模式,其宽度为w0;三根分支臂波导Arm 1、Arm2、Arm 3仅支持E00模式,其宽度分别为w1、w2、w3;Arm 1和Arm 2端口处距离为wa,Arm 2和Arm3端口处距离为wb;3×3定向耦合结构光开关由3根核心波导W 1、W 2、W 3组成,3根核心波导相互平行且宽度相同为w;在相邻的核心波导间设置有两根缝隙波导GW1-GW3和GW2-GW4,缝隙波导GW1和GW3间的距离为L2;缝隙波导与核心波导的距离为wg,缝隙波导与核心波导具有相同的高度h和宽度w,且在每根缝隙波导上设置有调制电极ME1、ME2、ME3和ME4,调制电极的宽度为w,长度与缝隙波导一致,均为L1。
2.如权利要求1所述的一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其特征在于:干波导和三个分支臂波导的宽度分别为w0=12μm、w3=3.24μm、w2=3.94μm、w1=4.82μm;相邻分支臂波导间距离wa=7.4μm、wb=10.2μm,单个Y分支总长度LY为4.3mm;3×3定向耦合结构光开关中的波导宽度w均为4μm,核心波导与缝隙波导间的缝隙宽度wg=5.5μm;缝隙波导的长度L1=4.46mm,缝隙波导GW1和GW3间的距离L2=540μm;3×3定向耦合结构光开关的总长度L3=1.15cm。
3.如权利要求1所述的一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其特征在于:用于连接相邻结构的宽度线性变化的弯曲波导长度L4=800μm,可重构聚合物模式转换器的整体长度L=2.17cm。
4.如权利要求1所述的一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其特征在于:上包层完全将芯层包覆,下包层的厚度为5μm,芯层的高度h为4μm,芯层以外上包层的厚度为5μm,芯层与调制电极间的上包层厚度为1μm。
5.如权利要求1所述的一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其特征在于:3×3定向耦合结构光开关等效为四个2×2定向耦合结构光开关①、②、③和④级联而成,将非对称1×3Y分支解复用器的输入端Port A作为模式转换器的输入端,将非对称1×3Y分支复用器的输出端Port B作为模式转换器的输出端;当E00模式从Port A输入时,经过非对称Y分支模式解复用器,E00模式从Y分支中最宽的分支波导Arm 1中输出,经过宽度线性变化的弯曲波导输入后方3×3定向耦合结构光开关;E00模式从IP1端口输入并在波导W1传输,当调制电极ME1不工作、ME2工作时,E00模式经过定向耦合结构光开关①的缝隙波导,耦合至W 2中;当调制电极ME1工作时,E00模式停留在Arm 1中不发生耦合,ME2的工作状态不影响结果;随后,前述停留在Arm 1中的E00模式传播至定向耦合结构光开关③处,当ME3工作时,E00模式依旧停留在Arm 1中并从输出端口OP1输出,ME4的工作状态不影响结果;前述中耦合至Arm 2中的E00模式传播至定向耦合结构光开关④处,当调制电极ME3和ME4同时工作时,E00模式停留在Arm 2中并从输出端口OP2输出;当调制电极ME3工作、ME4不工作时,E00模式耦合至Arm 3从输出端口OP3输出;当E00模式从3×3定向耦合结构光开关的输出端口OP1、OP2、OP3输出进入非对称1×3Y分支复用器中时,根据有效折射率匹配原则,在Y分支的干波导处复用为E00/E10/E20模式并从端口Port B输出,从而实现了E00模式到E00/E10/E20模式的转换。
6.如权利要求5所述的一种用于模分复用***的可重构聚合物模式转换器,其特征在于:记调制电极工作时的状态为“1”,不工作时状态为“0”,工作状态不影响器件功能时状态为“X”;用矩阵[ME1,ME2,ME3,ME4]来表示四个电极的工作状态,E00模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[1,X,1,X],[0,1,1,1],[0,1,1,0];E10模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,X],[1,1,1,1],[1,0,X,1],E20模式转换为E00、E10、E20模式对应的电极工作状态矩阵为[1,0,0,1],[1,0,1,1],[X,1,X,1];从而实现E00、E10、E20三种模式间任意两种模式的转换。
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