一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器

1.本发明属于功能性光子芯片技术领域，具体涉及一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器。


背景技术：

2.可变光衰减器是光通信应用中的一种关键光学元件，它是通过激励源对输入光信号的控制来调谐输出光信号的强度，可变光衰减器作为功率限制器可用于防止光学器件的功率过载，也可有效解决信道间出现功率非平衡的实际问题。掺铒光纤放大器对不同光信号波长存在增益不均匀的现象，这种现象若不进行有效控制，会影响光放大器的增益，引起信号饱和信道之间的串扰，而可变光衰减器易于与波分复用光通信系统集成，可有效抑制系统中这种现象的产生。但目前使用的可变光衰减器在成本、响应速度、可靠性、集成化等方面存在不足，难以满足快速发展的光通信网络的要求。在此情形下，光波导式的可变光衰减器由于具有尺寸小、功耗低、可调功率范围大等优点被人们广泛关注，所以光波导式的可变光衰减器具有很好的市场应用前景。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决目前现有可变光衰减器技术的不足，提出了一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器，在器件制备过程中通过控制紫外曝光量，掺杂聚合物薄膜中的生色团分子将被光致顺反异构化，并直接定义出了波导结构；在器件工作过程中通过激励光功率变化对波导芯层产生光热效应，以实现对信号光输出功率的调谐功能；在器件擦写过程中通过对制备的芯片进行退火处理，可以擦除已有波导结构，并可通过重新紫外写入形成新的波导器件，从而解决了现有可变光衰减器调控速率慢、制备流程繁琐的不足。
4.本发明所述一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器，为单输入单输出的多模干涉器件，如附图1(a)所示，从下至上由衬底层1、下包层2、芯层3和包层5组成；如附图1(b)所示，沿光传输方向芯层3由输入端直波导3-1、干涉平板波导3-2和输出端直波导3-3三部分组成。
5.本发明附图1(a)中所述a、c处截面如附图1(c)所示，本发明附图1(a)所述b处截面如附图1(d)所示，由附图1(c)和1(d)可知，本发明所述一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器，自下而上依次由衬底层1、下包层2、芯层3和芯层两侧的包层5组成，以空气作为芯层3的上包层，包层5和芯层3为同一种材料，包层5经紫外光曝光后得到，其折射率小于芯层3的折射率；干涉平板波导3-2的宽度大于输入端直波导3-1和输出端直波导3-3的宽度。
6.本发明所述的衬底层1材料为磷化铟、砷化镓、硅中的任意一种。
7.本发明所述的下包层2材料为su-8、pmma、p(mma-gma)、二氧化硅中的任意一种。
8.本发明所述的芯层3材料和包层5材料是将功能性化光敏型生色团掺杂在聚合物
材料中得到，所述的聚合物材料为su-8、pmma、p(mma-gma)中的任意一种，功能性化光敏型生色团粉末的质量为功能性化光敏型生色团粉末和聚合物材料总质量的5～20％。
9.如附图2所示，本发明所述一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器在实现衰减功能时，信号光λ1和激励光λ2一同由输入端直波导3-1输入并在芯层(3)内传输，芯层3对激励光λ2的吸收很大，而不吸收信号光λ1。当激励光λ2功率逐渐增大时，芯层3的温度增加，使得芯层3的折射率减小，改变了信号光λ1在干涉平板波导区3-2的光干涉位相，从而信号光λ1的输出光功率衰减；当激励光λ2功率逐渐减小，芯层3的温度降低，芯层3的折射率增大，同样改变了信号光λ1在干涉平板波导区3-2的光干涉位相，从而信号光λ1的输出光功率增强；通过在输出直波导区3-3的后端外接光滤波器a反射激励光λ2，仅接受和输出信号光λ1，从而实现对信号光λ1的功率调谐。
10.本发明所述一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器所用信号光λ1和激励光λ2均来自激光器，当实现衰减功能时，激励光λ2的波长小于信号光λ1的波长，激励光λ2的光功率强度大于信号光λ1的光功率强度。
11.特别需要说明的是：在将某一功率激励光λ2输入时，芯层3的温度将会迅速升高至饱和温度，达到饱和温度后，芯层3对激励光λ2的吸收达到饱和，即使激励光λ2输入时长增加，芯层3的温度也不会再增加，即此时芯层3的温度和折射率只与激励光λ2的光功率有关。
12.功能性光敏型生色团的作用有以下两点：
13.1.吸收紫外光发生顺反异构，即化合物分子中由于具有自由旋转的限制因素，各个基团在空间的排列方式不同而出现非对映异构现象，使得掺杂了功能性化光敏型生色团的聚合物材料吸收峰蓝移，最大吸收峰波长向短波移动，折射率也将随之逐渐降低，从而得到所需的包层5，这种变化改变了包层5的材料性质。
14.2.吸收激励光λ2，激励光λ2功率的增加或减小，使芯层3材料温度上升或下降，进而芯层3的折射率减小或增加，使器件输出光功率衰减或增强，这种变化不改变芯层3的材料性质。
15.本发明所述掺杂了功能性化光敏型生色团的聚合物材料通过紫外曝光而折射率减小从而制备包层5，与芯层3随着激励光λ2功率增加而折射率减小为两种不同的机制。芯层3随着激励光λ2功率增加而折射率减小的效果很微弱，仅能使器件的输出光功率减小，并不能使芯层3的折射率达到或低于包层5的折射率，即不会使器件被“擦写”。在吸收激励光λ2使芯层3温度升高时，因为芯层3上方为空气层，热量可快速散发到空气中，热量几乎不会传递到包层5中，包层5温度不发生变化，因此包层5的折射率也不发生变化。
16.本发明所述一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器所用信号光λ1波长范围为1200～1700nm，功率范围为0.2～2.0mw，激励光λ2波长范围为900～1100nm，功率范围为0.01～2.0w。
17.本发明所述一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器的芯层3易擦写的原理：如附图3所示，所用光敏型生色团的顺反异构是可逆的，芯层3使用掩模版4(掩模版4的形状与需要制备的芯层3的形状相同)进行紫外曝光，曝光后的区域形成包层5，未曝光后的区域形成芯层3，实现附图3(a)、3(b)至3(c)的变化；随后将器件放在加热板上以90～120℃的温度加热10～20分钟，包层5的折射率会随加热时间而逐渐恢复至芯层3的折射率，实现附图3(c)至3(d)的变化；再次使用掩模版4进行紫外曝光，可再次制备得到易擦写式可变光
衰减器，实现附图3(e)至3(f)的变化。但这种可擦写的次数有限，在擦写15～20次后，擦写功能将失效。
18.与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
19.(1)与现有可变光衰减器相比，本发明制备方法简便，极大化简了工艺流程，通过紫外写入方式即可形成波导，无需干法刻蚀等工艺过程。
20.(2)与现有可变光衰减器相比，本发明采用光控光的调谐方法，相比于电控方式器件响应速率变快。
21.(3)与现有可调光衰减器相比，本发明所制器件是可重复擦写的，加热后包层可恢复原折射率，使原有器件消失，进而可以实现对所制器件结构的保护，可用于保密性器件的制备，并且恢复后的芯片还可通过上述紫外曝光方法制备其他器件，制备器件所用芯片可重复利用。
附图说明
22.图1为本发明所述的一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器的结构示意图；其中图(a)为基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器的立体结构示意图；图(b)为基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器的俯视图；图(c)为图(a)中a与c位置处的截面示意图；图(d)为图(a)中b位置处的截面示意图。
23.图2为本发明所述的一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器的工作原理图。
24.图3为本发明所述的一种基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器易擦写功能的原理示意图。
25.图4为本发明所述的实施例1的器件结构示意图；图(a)对应附图1中a与c位置处的截面示意图；图(b)对应附图1中b位置处的截面示意图；图(c)为实施例1器件的俯视图。
26.图5为本发明实施例1中λ2＝980nm波长激励光功率(0～2.0w)与芯层吸收激励光升温产生温度变化的关系曲线图。
27.图6为本发明实施例1中单输入单输出的多模干涉器件输出光功率强度百分比与芯层温度变化的关系曲线图。
28.图7为本发明实施例1在附图1(a)的a与c位置处的波导截面热场分布图。
29.图8为本发明实施例1器件的制备工艺流程图。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明进行更加清晰、完善的介绍，本领域人员将在本描述下对本发明的优点及功能有更深入的了解，但所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1：
32.本实施例中选用的衬底层1为厚度730μm的硅衬底。
33.本实施例中选用的下包层2为厚度3μm的二氧化硅。
34.本实施例中所用功能化光敏型偶氮类生色团粉末，生色团结构式如下式所示，其
制备方法及实验谱图详见参考文献(qiu l,shen yq,hao jm,et al.study on novel second-order nlo azo-based chromophores containing strong electron-withdrawing groups and different conjugated bridges[j].journal of materials science,2004,39(7):2335-2340)。
[0035][0036]
本实施例中芯层3所用材料为自主合成的含功能化光敏型偶氮类生色团的su-8掺杂材料。
[0037]
本实施例的芯层3材料所用功能化光敏型偶氮类生色团粉末的质量用量为功能化光敏型偶氮类生色团和su-8 2005材料质量和的10％。
[0038]
本实施例中包层5为经紫外光曝光后的区域。
[0039]
如附图4所示，本实施例中芯层3和包层5的厚度相同为4μm，芯层3嵌入到包层5之中，输出、输入直波导区3-1、3-2宽度为5μm，长度为150μm，干涉平板波导区3-3宽度为24μm，长度为690μm。
[0040]
本实施例中所用掺杂光敏型偶氮类生色团的su-8芯层材料的基本合成方法如下：
[0041]
1、取用2.2g的光敏型偶氮类生色团粉末置于洗干净的称量瓶中，再加入20g的su-8 2005光刻胶。
[0042]
2、将称量瓶用锡纸包住在避光情况下放入超声波清洗机中，在45℃的温度下超声搅拌6小时(使光敏型偶氮类生色团粉末在su-8溶液中完全分散均匀)，可得到掺杂功能性化光敏型偶氮类生色团的su-8芯层材料。
[0043]
本实施例选取中心波长为1550nm。
[0044]
本实施例中所用芯层材料折射率在1550nm波长下为1.54。
[0045]
本实施例通过rsoft软件模拟了偶氮类生色团吸收980nm波长激励光时器件输出光功率的变化。对激励光功率与器件温度的变化关系进行仿真，由附图5可知，随着980nm激励光功率逐渐增大，波导芯层3的温度呈线性上升趋势；对器件温度与信号光功率的变化关系进行仿真，由附图6可知，随着芯层3温度上升，1550nm信号光输出功率逐渐变小，无980nm激励光输入时，室温下多模干涉器处于开状态，输出归一化功率强度约为100％；当芯层3材料吸收功率为0.98w的980nm激励光升温11k时，多模干涉器处于3db状态，即输出归一化功率强度为50％，当芯层3材料吸收功率为1.97w的980nm激励光升温22k时，多模干涉器处于
关状态，即输出归一化功率强度为0％。综上所述，随着980nm激励光输入功率的改变，可实现可变光衰减器的功能。
[0046]
本实施例通过comsol软件模拟了偶氮类生色团吸收980nm波长激励光时，波导截面的热场分布。由附图7可知，当波导芯层3吸收980nm波长激励光，导致芯层3温度上升时，大部分热量散发到空气中，仅少量热量传递到包层5，包层5的温度几乎不发生变化，包层5的折射率不发生变化。综上所述，当芯层3温度变化时，不会引起包层5折射率变化，不会影响本实施例1的衰减功能。
[0047]
本实施例中所制的基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器的制备方法，其步骤如附图8所示，具体描述如下：
[0048]
a.以单晶硅为衬底层1，以衬底层1上存在的二氧化硅层作为下包层2，首先对二氧化硅表面进行清洁，将硅片放在装有丙酮溶液的烧杯中，在超声机中超声清洗10分钟后取出，再放入装有异丙醇溶液的烧杯中，在超声机中超声清洗10分钟后取出，再放在装有去离子水的烧杯中，在超声机中超声清洗10分钟，取出后使用氮气枪将硅片表面去离子水吹干，最后将硅片放在玻璃器皿中放入烘箱烘干(150℃，30min)，即可去除表面水分及有机杂质；
[0049]
b.将掺杂功能性化光敏型偶氮类生色团的su-8芯层材料在超声机中超声30分钟，过2.2nm孔径的分子筛，然后旋涂(转速：3000转/分钟，时间：20秒)在清洁后的二氧化硅表面，旋涂后立即在加热板行热固化(前烘：65℃，10分钟；后烘：95℃，40分钟)，得到掺杂功能性化光敏型偶氮类生色团的su-8芯层材料涂层6；
[0050]
c.将涂好涂层6的器件放置在光刻机紫外曝光位置，使用单输入单输出的多模干涉器件的光刻掩模版4进行紫外光曝光(曝光时间20秒)，光刻掩模版4遮挡部分为芯层3结构，被紫外曝光部分为芯层两侧的包层5结构，紫外曝光使得包层5的折射率降低到1.52，从而低于芯层3的折射率1.54，从而制备得到基于光敏型生色团的易擦写式可变光衰减器。
[0051]
本实施例中所制备的基于光敏型生色团的易擦写式光控可变光衰减器，将制备好的多模干涉器件放在加热板上以100℃加热15分钟，即可恢复成上述步骤b的形貌，因包层5折射率恢复后，与芯层3的折射率仅相差
±
0.0002，可忽略不计；若需要再次制备可变光衰减器，重复步骤c即可。但如果涂层6紫外曝光时间超过60秒，芯层3和包层5将失去本实施例中所述的光敏性、易擦写等一切特性。