一种基于全内反射结构的少模波导光开关及其制备方法技术

一种基于全内反射结构的少模波导光开关及其制备方法，属于平面光波导器件技术领域。由硅片衬底、聚合物下包层、条形结构的聚合物光波导芯层和聚合物上包层和加热电极组成，芯层由输入少模直波导、输入弯曲波导、输入锥形波导、输入多模直波导、第一输出多模直波导、第二输出多模直波导、第一输出锥形波导、第二输出锥形波导、第一输出弯曲波导、第二输出弯曲波导、第一输出少模直波导和第二输出少模直波导组成；第二输出少模直波导在输入少模直波导的延长线上，第一输出少模直波导和第二输出少模直波导平行设置；对加热电极进行加热前后，信号光从第一输出少模直波导或从第二输出少模直波导输出，从而实现基于全内反射结构的少模波导光开关功能。模波导光开关功能。模波导光开关功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全内反射结构的少模波导光开关及其制备方法


[0001]本专利技术属于平面光波导器件
，具体涉及一种基于全内反射结构的少模波导光开关及其制备方法。

技术介绍

[0002]光是目前通信系统中最理想的载体，光通信技术不仅具有传输速度快、传输容量大、保密性好等优点，而且通过波分复用、偏分复用、时分复用等技术可以有效地提高光通信的通信容量。然而，由于香浓极限的影响，传统的单模光纤依然具有局限性。为了克服单模光纤通信的瓶颈，研究人员提出了模分复用技术，采用多个相互正交的空间模式同时传输信息，进而可以使通信系统的传输容量成倍增加。为了满足大容量的通信系统的需求，目前的光子器件正朝着器件制备工艺简单、成本低廉、器件尺寸小、支持光学模式多、驱动功耗低以及响应速度快的方向快速发展。
[0003]光开关作为光通信系统的核心部件，是实现光交换的基本单元，可用于实现光信号在各个信道之间的动态路由，除此以外，光开关还能够实现光网络中的自动保护倒换和网络监视功能，在光通信网络中具有不可替代的作用。其中，基于平面光波导结构的光开关具有尺寸小、易于集成和插入损耗小等优点，可以通过电光效应或热光效应等对信号光进行调制，从而实现光信号在不同输出端口的切换功能。而用于制备波导型光开关的材料种类繁多，其中聚合物材料由于具有大的热光系数受到了广泛关注，且聚合物材料的光波导芯层和包层折射率差较小，使得器件尺寸可以与光纤系统很好的兼容，基于聚合物材料的光波导制作工艺简单、成本低廉。
[0004]但是，传统的波导型光开关多数只能实现单模信号的调控，或者实现基模和高阶模之间的转换，对不同的传输模式具有一定的敏感性，这严重限制了光通信传输容量的进一步提高。全内反射是一种基本的器件结构，也是比较易于实现的光开关方案，在光通信领域和片上光互连领域具有重要的应用价值。其调制原理是通过热光效应或电光效应等改变加热电极下方的波导的折射率，当不调制时，信号光直接通过，当对开关进行调制时，信号光在波导交叉处发生全反射，从另一端口输出，这样便实现了多种光学模式的输出端口的切换功能。

技术实现思路

[0005]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可以处理多个光学模式的基于全内反射结构的少模波导光开关及其制备方法。
[0006]本专利技术引入全内反射结构实现对多个模式的不敏感调控，通过热光效应，改变特定区域的材料的折射率，从而实现多个模式信号光在波导传输过程中的全内反射，改变光信号的传播路径，该器件结构具有偏振不敏感、工艺容差大、波长不敏感、体积小等优点。同时本专利技术提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率高，适合于批量生产可实际应
用的少模波导光开关。本专利技术充分利用了聚合物材料种类多、热光系数大、成本低廉的优点。本专利技术所采用的制备工艺简单，易于集成并且能够大规模生产，因此具有重要的实际应用价值。
[0007]本专利技术以硅片为衬底，以聚合物材料为光波导的下包层和上包层，以折射率相对较大的聚合物材料作为光波导的芯层，其中用于制作光波导芯层的聚合物材料具有较大的热光系数。
[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(a)和1(b)所示，一种基于全内反射结构的少模波导光开关，从左至右沿光的传播方向，依次由输入少模直波导1(可传输E
11
、E
12
、E
21
模式)、输入弯曲波导2、输入锥形波导3、输入多模直波导4(多模波导的作用是增大模场以减小波导交叉处的串扰)、第一输出多模直波导5、第二输出多模直波导6、第一输出锥形波导7、第二输出锥形波导8、第一输出弯曲波导9、第二输出弯曲波导10、第一输出少模直波导11、第二输出少模直波导12和带有电极引脚和电极引线的加热电极13组成；输入少模直波导1、第一输出少模直波导11和第二输出少模直波导12形状和尺寸相同，其长度a1相等为0.5～5mm；输入弯曲波导2、第一输出弯曲波导9和第二输出弯曲波导10形状和尺寸相同，其长度a2相等为0.5～4mm；输入锥形波导3、第一输出锥形波导7和第二输出锥形波导8形状和尺寸相同，其长度a3相等为1～5mm；输入多模直波导4、第一输出多模直波导5和第二输出多模直波导6形状和尺寸相同，其长度a4相等为0.2～3mm；
[0010]第二输出少模直波导12在输入少模直波导1的延长线上，第一输出少模直波导11和第二输出少模直波导12平行设置，输入多模直波导4与第一输出多模直波导5在同一直线上；输入多模直波导4的终止位置、第一输出多模直波导5的起始位置、第二输出多模直波导6的起始位置连接在一起；输入少模直波导1中轴线与输入锥形波导3中轴线的夹角、输入少模直波导1中轴线与输入多模直波导4中轴线的夹角、第一输出少模直波导11中轴线与第一输出多模直波导5中轴线的夹角、第一输出少模直波导11中轴线与第一输出锥形波导7中轴线的夹角、第二输出少模直波导12中轴线与第二输出多模直波导中轴线6的夹角、第二输出少模直波导12中轴线与第二输出锥形波导8中轴线的夹角θ相等为1～10
°
；输入弯曲波导2、第一输出弯曲波导9、第二输出弯曲波导10的弯曲角度θ相等为1～10
°
，第一输出多模直波导5与第二输出多模直波导6的夹角为2θ；
[0011]输入少模直波导1、输入弯曲波导2、第一输出弯曲波导9、第二输出弯曲波导10、第一输出少模直波导11和第二输出少模直波导12的宽度w1相等为5～15μm；输入锥形波导3的起始宽度、第一输出锥形波导7和第二输出锥形波导8的终止宽度w1相等为5～15μm；输入多模直波导4、第一输出多模直波导5、第二输出多模直波导6的宽度w2相等为7～50μm，输入锥形波导3的终止宽度、第一输出锥形波导7和第二输出锥形波导8的起始宽度w2相等为7～50μm；
[0012]如附图2所示(为图1中A
‑
A
’
位置的截面图)，为输入多模直波导4、第一输出多模直波导5、第二输出多模直波导6连接处位置的截面图(连接处的宽度就是输入多模直波导4、第一输出多模直波导5、第二输出多模直波导6的宽度w2)，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上制备的条形结构聚合物光波导芯层33、在光波导芯层33和聚合物下包层32上制备的聚合物上包层34组成，在第一输出多模直波导
5和第二输出多模直波导6连接处位置的聚合物上包层34之上制备有带有电极引脚和电极引线的加热电极13(材料选用Al、Au或者Cr)，加热电极13与输入少模直波导1相互平行，长度a5为0.5～5mm，宽度w3为5～20μm；加热电极13中轴线到第一输出多模直波导5和第二输出多模直波导6连接处的水平距离w4为1～30μm。
[0013]输入信号光从输入少模直波导1输入，经输入弯曲波导2输入到输入锥形波导3当中，经输入锥形波导3过渡进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全内反射结构的少模波导光开关，其特征在于：由下至上，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)上制备的条形结构聚合物光波导芯层(33)、在聚合物光波导芯层(33)和聚合物下包层(32)上制备的聚合物上包层(34)、在聚合物上包层(34)上制备的带有电极引脚和电极引线的加热电极(13)组成；沿光的传播方向，聚合物光波导芯层(33)依次由输入少模直波导(1)、输入弯曲波导(2)、输入锥形波导(3)、输入多模直波导(4)、第一输出多模直波导(5)、第二输出多模直波导(6)、第一输出锥形波导(7)、第二输出锥形波导(8)、第一输出弯曲波导(9)、第二输出弯曲波导(10)、第一输出少模直波导(11)和第二输出少模直波导(12)组成；输入少模直波导(1)、第一输出少模直波导(11)和第二输出少模直波导(12)形状和尺寸相同，输入弯曲波导(2)、第一输出弯曲波导(9)和第二输出弯曲波导(10)形状和尺寸相同，输入锥形波导(3)、第一输出锥形波导(7)和第二输出锥形波导(8)形状和尺寸相同，输入多模直波导(4)、第一输出多模直波导(5)和第二输出多模直波导(6)形状和尺寸相同；第二输出少模直波导(12)在输入少模直波导(1)的延长线上，第一输出少模直波导(11)和第二输出少模直波导(12)平行设置，输入多模直波导(4)与第一输出多模直波导(5)在同一直线上；输入多模直波导(4)的终止位置、第一输出多模直波导(5)的起始位置、第二输出多模直波导(6)的起始位置连接在一起；加热电极(13)制备在第一输出多模直波导(5)和第二输出多模直波导(6)连接处位置的聚合物上包层(34)之上，且加热电极(13)与输入少模直波导(1)相互平行；输入少模直波导(1)中轴线与输入锥形波导(3)中轴线的夹角、输入少模直波导(1)中轴线与输入多模直波导(4)中轴线的夹角、第一输出少模直波导(11)中轴线与第一输出多模直波导(5)中轴线的夹角、第一输出少模直波导(11)中轴线与第一输出锥形波导(7)中轴线的夹角、第二输出少模直波导(12)中轴线与第二输出多模直波导中轴线(6)的夹角、第二输出少模直波导(12)中轴线与第二输出锥形波导(8)中轴线的夹角θ相等；输入弯曲波导(2)、第一输出弯曲波导(9)、第二输出弯曲波导(10)的弯曲角度θ相等，第一输出多模直波导(5)与第二输出多模直波导(6)的夹角为2θ。2.如权利要求1所述的一种基于全内反射结构的少模波导光开关，其特征在于：输入少模直波导(1)、第一输出少模直波导(11)和第二输出少模直波导(12)的长度a1相等为0.5～5mm；输入弯曲波导(2)、第一输出弯曲波导(9)和第二输出弯曲波导(10)的长度a2相等为0.5～4mm；输入锥形波导(3)、第一输出锥形波导(7)和第二输出锥形波导(8)的长度a3相等为1～5mm；输入多模直波导(4)、第一输出多模直波导(5)和第二输出多模直波导(6)的长度a4相等为0.2～3mm；输入少模直波导(1)、输入弯曲波导(2)、第一输出弯曲波导(9)、第二输出弯曲波导(10)、第一输出少模直波导(11)和第二输出少模直波导(12)的宽度w1相等为5～15μm；输入锥形波导(3)的起始宽度、第一输出锥形波导(7)和第二输出锥形波导(8)的终止宽度w1相等为5～15μm；输入多模直波导(4)、第一输出多模直波导(5)、第二输出多模直波导(6)的宽度w2相等为7～50μm；输入锥形波导(3)的终止宽度、第一输出锥形波导(7)和第二输出锥形波导(8)的起始宽度w2相等为7～50μm；加热电极(13)的长度a5为0.5～5mm，宽度w3为5～20μm，加热电极(13)中轴线到第一输出多模直波导(5)和第二输出多模直波导(6)连接处的水平距离w4为1～30μm；θ为1～10
°
。3.如权利要求1所述的一种基于全内反射结构的少模波导光开关，其特征在于：聚合物上、下包层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad，聚
合物光波导芯层的材料为EpoCore、SU
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8 2002或SU
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82005，其折射率高于聚合物包层材料的折射率；加热电极(13)的材料为Al、Au或Cr。4.如权利要求3所述的一种基于全内反射结构的少模波导光开关，其特征在于：输入信号光从输入少模直波导(1)输入，经输...

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