一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关及其制备方法

本发明属于二氧化硅/聚合物混合波导光集成芯片，具体涉及一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的多模干涉器级联光开关及其制备方法。

背景技术：

1、光开关是用于光交换的重要器件。随着信息社会对信息量的需求量迅猛增长，用于光交换的交互端口数量迅速增加。此时对光开关的功耗提出了更高的需求。现在市场上常见的二氧化硅平板波导(plannar lightwave circuit,plc)器件具有低损耗、稳定性好、耦合效率高等有点。但是由于二氧化硅材料的热光系数低的特点(1.19×10-5k-1)，制备有源器件时，往往需要较高的功耗，常常为几十毫瓦。同时由于二氧化硅波导采用掺杂的形式来制备芯层，其芯包层折射率差较小δn＝0.75％，导致制备的器件尺寸较大，难以实现大规模集成。聚合物材料具有着高于二氧化硅一个数量级的热光系数(-1.86×10-4k-1)，适合制作热光开关、可调谐滤波器等有源光子芯片。同时，聚合物做芯层往往具有更高的折射率，以二氧化硅为下包层，折射率差可以达到δn＝2.5％～10％，使得器件尺寸、弯曲半径都远小于二氧化硅基平板光波导器件，易于实现大规模光子集成器件的制备。

2、在现在常用的光开关中，主流的1×2、2×2低端口切换系统，只能实现两个端口之间的切换，集成度和芯片的利用率不高。

技术实现思路

1、为了解决背景技术所述的问题，本发明提出了一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关及其制备方法。

2、如图1和图4所示，本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，从下至上由si衬底(1)、sio2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成；聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)位于sio2下包层(2)之上，且聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中；沿光的传输方向，聚合物芯层由输入直波导(101)、1×4多模干涉器(300)、第一输入s弯曲波导(102)、第二输入s弯曲波导(103)、第三输入s弯曲波导(103’)、第四输入s弯曲波导(102’)、第一输入移相器(104)、第二输入移相器(104’)、第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)、第一输出移相器(109)，第二输出移相器(109’)、第一输出s弯曲波导(110)、第二输出s弯曲波导(111)、第三输出s弯曲波导(111’)、第四输出s弯曲波导(110’)、4×4多模干涉器(400)、第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)组成。

3、根据干涉是否具有一般性，可以将多模干涉器的自映像规律分为一般干涉以及受限干涉两大类，其中，一般干涉是指多模波导中所有的模式都被激励，也就是对激励的模式没有限制；受限干涉则是指的在多模波导中的一些模式不被激励，从而得到的另外一些自映像规律，从这个意义上来说，受限干涉只是一般干涉的一个特殊的类型。而根据受限制激励的模式不同，还可以将受限干涉分为两类，即：成对干涉和对称干涉。对称干涉激励奇数阶模式，而成对干涉激励偶数阶模式。对称干涉的多模干涉器只能在位于平行于多模干涉器长边的对称轴上的输入位置输入，其会在产生第一个n重像点，其中neff是波导的有效折射率，wmmi是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；成对干涉的多模干涉器有两个关于平行于多模干涉器长边的对称轴有两个对称的输入位置，分别位于对称轴左右两侧的位置，其会在第一次产生n重像点；除了上述三个位置，在其他任意位置输入，都能产生一般干涉的多模干涉器，其会在第一次产生n重像点。在本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关中，1×4的多模干涉器(300)采用了对称干涉的干涉类型，4×4的多模干涉器(400)采用了一般干涉的干涉类型。

4、如图2所示，本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其中1×4多模干涉器(300)由一个第一输入taper波导(310)、一个第一多模干涉区(320)和4个第一输出taper波导(330)组成，第一输入taper波导(310)与第一输出taper波导(330)结构相同、对称设置在个第一多模干涉区(320)的输入端和输出端，均由两个正弦形状的taper波导和一个矩形形状的3段taper波导级联而成(311、312和313，331、332和333)；光纤中传输的信号光耦合进入到输入直波导(101)，通过第一输入taper波导(310)后传输到第一多模干涉区(320)中发生自映像效应，当信号光在多模干涉区中的传输长度时，基于对称干涉的多模干涉器会第一次产生四重像，其中neff是波导的有效折射率，wmmi是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；从第一次产生四重像的位置生成四束光强相同的信号光后分别输出到4个第一输出taper波导(330)中，再经第一输入s弯曲波导(102)及第一输入移相器(104)、第二输入s弯曲波导(103)、第三输入s弯曲波导(103’)、第四输入s弯曲波导(102’)及第二输入移相器(104’)分别传输到第一调制臂波导(105)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)和第四调制臂波导(108)中；通过设计第一输入taper波导(310)和第一输出taper波导(330)的尺寸参数，可以使多模干涉区自映像点的模式输出与taper中的模式传输更加匹配，减小多模干涉器引入的插入损耗；通过将taper波导级联的形式，可以实现更加均匀的分光比，从而提高开关的消光比。

5、如图5所示，本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4热光开关，其中4×4多模干涉器(400)由4个第二输入taper波导(410)、一个第二多模干涉区(420)和4个第二输出taper波导(430)组成，第二输入taper波导(410)与第二输出taper波导(430)结构相同、对称设置在第二多模干涉区(420)的输入端和输出端，均由两个正弦形状的taper波导和一个矩形形状的3段taper波导级联而成(411、412和413，431、432和433)；经过第一调制臂波导(105)及第一输出移相器(109)、第二调制臂波导(106)、第三调制臂波导(107)、第四调制臂波导(108)及第二输出移相器(109’)的输出信号光分别经第一输出s弯曲波导(110)、第二输出s弯曲波导(111)、第三输出s弯曲波导(111’)、第四输出s弯曲波导(110’)后输入到4个第二输入taper波导(410)中，再输入到第二多模干涉区(420)中发生自映像效应，当信号光在多模干涉区中的传输长度时，基于一般干涉的多模干涉器会第一次产生四重像，其中neff是波导的有效折射率，wmmi是多模干涉器有效宽度，λ是信号光的波长；从第一次产生四重像的位置生成四束光强相同(相位的详细情况可见4×4多模干涉器传输矩阵的虚部)的信号光后分别输出到4个输出taper波导(430)中(一个信号光生成1个4重像，四个通道同时输入，每个输出通道有四个波函数的叠加)，再分别从第一输出直波导(112)、第二输出直波导(113)、第三输出直波导(114)和第四输出直波导(115)输出；通过设计第二输入taper波导(410)与第二输出taper波导(430)的尺寸参数，可以使多模干涉区自映像点的模式输出与taper中的模式传输更加匹配，减小多模干涉器引入的插入损耗。通过将taper级联的形式，可以实现更加均匀的分光比，从而提高开关的消光比。信号光从输入直波导(101)输入，当经过1×4的多模干涉器(300)后，输入光会分束成四束振幅相同的信号光，其1×4的多模干涉器的传输矩阵为

6、

7、四束输入光经过中间的连接部分和调制部分与4×4多模干涉器相连接，4×4多模干涉器的传输矩阵为：

8、

9、而其连接部分的传输矩阵为：

10、

11、其中是第n条连接部分的相位变化。

12、由传输矩阵法可得，整个开关的传输矩阵为：

13、t＝t4×4tmt1×4  (4)

14、由公式(1)～(4)可得：

15、

16、通过对s弯曲波导和移相器的优化设计(每个s弯曲波导是由两端水平偏移量和半径相同、但是旋转方向不同的圆弧构成，它的输入与输出位置是水平的。其目的是增加调制臂之间间距的目的，来降低热串扰的影响。大小s弯的半径为2500μm，水平偏移量分别为30μm和70μm)，可以使在1550nm波长下，中心两个连接部分即无移相器的传输路径到达4×4多模干涉器时的相位比有移相器的传输路径到达4×4多模干涉器时的相位领先(其中移相器的作用是抵消大s弯带来的相位随波长剧烈变化，从而避免波长偏离中心波长较短范围就带来高串扰的影响)；光纤中的光耦合进入输入直波导(101)，传输进入1×4的多模干涉器(300)中，光被平均的分成四路功率相等的光信号，分别通过第一输入s弯曲波导(102)及第一输入移相器(104)、第二输入s弯曲波导(103)、第三输入s弯曲波导(103’)、第四输入s弯曲波导(102’)及第二输入移相器(104’)传输至四条调制臂波导(105、106、107和108)中(在1550nm波长下，无移相器的传输路径相位比有移相器的传输路径领先)；四条调制臂波导与4×4多模干涉器(400)分别通过第一输出移相器(109)及第一输出s弯曲波导(110)、第二输出s弯曲波导(111)、第三输出s弯曲波导(111’)、第二输出移相器(109’)及第四输出s弯曲波导(110’)连接，当金属电极未施加调制电压时，四个输出直波导(112、113、114、115)等功率输出。

17、当对第二金属电极(202)和第三金属电极(203)同时施加电压，改变加载到它们上面的电功率，来对第二调制臂波导(106)和第三调制臂波导(107)进行加热。由于热光效应，聚合物调制臂波导的折射率随着温度的升高而发生变化，从而使得光的相位发生变化。将调制前后的相位差记作其中n是第n调制臂。当时，光会从输出端口①输出；而当时，光会从端口④输出；对第一金属电极(201)和第四金属电极(204)同时施加电压，改变加载到它们上面的电功率，来对第一调制臂波导(105)和第四调制臂波导(108)进行加热。当时，光会从端口②输出；而当时，光会从端口③输出。通过以上四种调制方式，实现了四个通道的开关功能。

18、移相器与直波导的有效折射率差随着波长的变化，与大s弯曲和小s弯曲的有效折射率差随波长变化的是相反的趋势，因此移相器可以抵消一部分路径上由于不同半径的s弯曲引入相位差随波长的变化，从而扩大开关的工作带宽。同时移相器相比较于直波导，它会带来一个相位变化，从而调制所需要改变的相位差也会不同。

19、所述的聚合物上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)、epoclad中的一种，在本专利中采用pmma，在1550nm波长下，其折射率为1.476。

20、所述的聚合物芯层材料为具有负的热光系数的聚合物材料su-8 2002、su-82005、epocore中的一种，在本专利中采用su-8 2002，在1550nm波长下，其折射率为1.5802。

21、所述的金属电极材料可以是金、银、铜、铝中的一种或者多种材料构成的合金材料。

22、本发明所述的基于聚合物/二氧化硅混合波导的1×4光开关的制备方法，其步骤如下：

23、1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层结构致密的厚度为10～20μm的二氧化硅作为下包层(2)；

24、2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)上旋涂聚合物芯层材料，将其进行前烘，除去芯层中多余的溶剂，再将其自然降温，得到聚合物芯层薄膜(31)；

25、3)使用紫外曝光、显影、后烘，将掩模版i上设计好的与聚合物芯层结构相同或互补的图形转移到聚合物芯层薄膜(31)上，从而在二氧化硅下包层(2)上得到聚合物芯层(3)，除多模干涉器外，聚合物芯层其余部分的厚度和宽度相同，分别为2～5μm；

26、4)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)和聚合物芯层(3)上旋涂聚合物上包层材料，经过烘烤处理后自然降温，得到聚合物上包层(4)，厚度为3～6μm；

27、5)使用镀膜机在聚合物上包层(4)上蒸镀一层金属薄膜(51)，厚度为80～120nm；

28、6)使用真空匀胶机在金属表面旋涂光刻胶层(61)，前烘出去光刻胶溶剂后自然降温固化；

29、7)通过紫外曝光、显影、后烘，将掩模版ii的与金属电极结构相同的图形转移到光刻胶层(61)，显影后坚膜，自然降温，得到与金属电极结构相同的光刻胶图形(62)；

30、8)使用金属对应的金属腐蚀液将无光刻胶图形(62)覆盖的金属腐蚀，得到金属电极(5)，然后除去覆盖在金属电极(5)之上的光刻胶层(61)；金属电极(5)位于第一调制臂波导、第二调制臂波导、第三调制臂波导和第四调制臂波导正上方位置的聚合物上包层(4)之上，金属电极沿宽度和长度方向的对称中心与调制臂波导沿宽度和长度方向的对称中心对齐，金属电极(5)的长度与调制臂波导的长度相等，金属电极(5)的宽度大于调制臂波导的宽度，从而制备得到基于二氧化硅/聚合物混合波导的1×4光开关。

31、与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

32、1.波导为有机无机混合集成复合波导结构，采用二氧化硅作为下包层，降低了器件损耗。

33、2.采用有机无机混合集成复合波导结构，以聚合物为芯层，芯包折射率差δn＝2.5％～10％，可以实现更紧凑的端面尺寸、弯曲半径，制备大规模、低功耗、快速的平板光波导集成回路；

34、3.波导为有机无机复合波导结构，通过简单的接触式曝光即可完成器件的制备，所需要加工成本极低；

35、4.采用聚合物材料作为调制臂，实现开关功能需要的功耗较小；

36、5.在mmi上采用了正弦型的taper结构，减小了器件的损耗；

37、6.采用多个taper级联的taper结构，可以使功率分配器功率更均匀，实现高的消光比；

38、7.在调制臂上采用了移相器的结构设计来补偿s弯曲波导带来的相位差随波长偏移，可以有效地拓宽工作带宽；

39、8.1×4热光开关实现了4个通道的自由切换，相比传统的1×2和2×2开关端口更加灵活、结构更加紧凑。