一种有机无机混合集成热光调制型光栅的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及波导光栅的技术领域，具体地说涉及一种有机无机混合集成热光调制型光栅。
【背景技术】
[0002]目前，光栅器件的制作主要是在采用二氧化硅等无机光学材料，例如，在单晶硅衬底上沉积一层二氧化硅材料作为下包层，经过高温致密化处理后再在下包层上沉积一层掺杂二氧化硅作为芯层，再次经过高温致密化处理后在芯层上刻蚀出光栅图案，最后沉积一层二氧化硅作为上包层，第三次经过高温致密化处理后完成光栅的制备。
[0003]这种光栅器件全采用二氧化硅无机光学材料，且制备过程中需经过三次高温致密化处理，由于衬底硅材料和波导二氧化硅材料的热膨胀系数相差很大，高温处理后在室温时会在二者之间形成较大的应力，从而很容易造成波导薄膜的龟裂，同时，全二氧化硅光栅制造工艺复杂、材料选择单一、制作过程中对波导芯层的厚度及掺杂成分不易控制，且其结构设计不灵活、热光调制效应不明显，导致波长调制所需的功耗较高、可调范围也较小。
【实用新型内容】
[0004]为此，本实用新型所要解决的技术问题在于至少部分地克服现有技术中全二氧化硅光栅热光调制效应不明显等上述缺点，从而提出一种可实现低功耗、大范围的波长调制的有机无机混合集成热光调制型光栅。
[0005]本实用新型的一种有机无机混合集成热光调制型光栅，包括:
[0006]基底层，其上表面上具有多个等间距排列的凹槽部，所述基底层采用无机光学材料；
[0007]芯层，形成于所述基底层上，所述芯层的材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料，所述凹槽部内填充有所述芯层的材料；
[0008]上包层，形成于所述芯层四周，所述上包层采用聚合物材料；
[0009]加热电极层，形成于所述上包层上且位于所述凹槽部上方。
[0010]优选地，所述上包层采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷树脂。
[0011 ] 优选地，所述紫外聚合式氟化聚合物材料包括氟化丙烯酸酯。
[0012]优选地，所述基底层材料包括二氧化硅。
[0013]本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
[0014]本实用新型中通过直接将芯层形成于基底层上，通过基底层上表面上直接设置多个等间距排列的凹槽部，形成光栅形貌，即利用基底层直接作为下包层，而无需另外再生长出下包层，既简化了光栅结构，又由于无需另外生长下包层，简化了制作工艺并且减少了制作成本。通过采用紫外聚合式氟化聚合物材料作为芯层材料，由于紫外聚合式氟化聚合物材料这类材料具有极高的化学、物理稳定性以及良好的光学特性，并且其具有极高的热光系数，因而可以较大地改变光栅的有效折射率，从而使其反射中心波长发生漂移，实现光栅的低功耗、大范围热光调制功能。
[0015]本实用新型中通过设置上包层采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷树脂，由于这种聚合物材料价格低、透明度优良、有突出的耐老化性、良好的绝缘性和机械强度等优点，通过旋涂可形成良好的薄膜，从而可以降低所制作光栅的成本和提高产品质量。
[0016]本实用新型中通过设置基底层材料和芯层材料为二氧化硅，由于目前二氧化硅是主流的平面光波导材料，所以有利于与主流平面光波导实现无缝对接，不用额外增加研发投入而减少研发成本。并且还能使得所获得的光栅具有二氧化硅光波导损耗低、可靠性高、后续封装工艺成熟等的优点。
【附图说明】
[0017]为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
[0018]图1是本实用新型一种实施例的一种有机无机混合集成热光调制型光栅的结构图不意图；
[0019]图2是图1中光栅的横截面结构示意图；
[0020]图3是一种【具体实施方式】的光栅反射率与入射光波长之间关系的matlab模拟计算曲线；
[0021]图4是另一种实施例的一种制备有机无机混合集成热光调制型光栅的方法的流程图；
[0022]图5是一种优选实施方式的制备有机无机混合集成热光调制型光栅的生长过程图。
[0023]图中附图标记表示为:1_基底层，2-芯层，3-上包层，4-加热电极层，5-布拉格光栅中的凹槽部。
【具体实施方式】
[0024]参考图1，是一种实施例的一种有机无机混合集成热光调制型光栅的结构图示意图，该光栅可以称为波导布拉格光栅，具体包括:基底层1，其上表面上具有布拉格光栅结构，该布拉格光栅结构包括多个等间距排列的凹槽部5，所述基底层采用无机光学材料；芯层2，形成于所述基底层I上，该芯层2是作为波导布拉格光栅的波导芯层，所述芯层2的材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料，所述凹槽部5内填充有所述芯层的材料；上包层3，形成于所述芯层2四周，所述上包层3采用聚合物材料；以及加热电极层4，形成于所述上包层3上且位于所述凹槽部5上方，以实施对光栅的热光调制。
[0025]所述芯层2所采用的紫外聚合式氟化聚合物材料具有极高的化学、物理稳定性以及良好的光学特性，并且其具有极高的热光系数，一般可高达200-300ppm/°C (普通二氧化硅材质的热光系数为10ppm/°C )，而且其折射率和热光系数可根据具体要求在一定范围内任意调整，只需利用匀胶法即可均匀地被旋涂在芯片上，工艺十分简单且成本较低。优选地，所述紫外聚合式氟化聚合物材料包括氟化丙烯酸酯。
[0026]上述热光调制型光栅为折射率调整型光栅结构，折射率调整型光栅的工作原理为:光沿着光波导向前传播时，由于受到光栅结构的微扰动影响会发生反向模式耦合，这些反向耦合模会沿着光波导返回。决定折射率调整型光栅性能的主要有三个参数，分别是光栅高度、光栅周期个数、芯包层折射率对比度。光栅高度越大反射率越高，但传输损耗会增大；芯包层折射率对比度越大光栅反射率越高，光波导单模尺寸越小，但反射谱的单色性会变差，同时会增加光波导与光纤的端面耦合损耗；光栅周期个数越多反射率越高、反射谱的带宽越窄，但传输损耗会增大、器件长度会增加。因此，需要对上述热光调制型光栅的参数采取全局优化策略，一种【具体实施方式】的优化设计如下:光栅采用掩埋条形波导结构，利用Optiwave BPM软件设计光波导界面结构并对其进行仿真计算，设定占空比为1: 1，室温下反射中心波长λ = 1.565 μ m，通过调整紫外聚合式氟化聚合物材料的折射率，使室温下波导有效折射率Neff= 1.5048，由式λ = 2XNeffX Λ可得，一阶光栅周期Λ大约为0.52 μπι。选取光栅高度为0.5 μπι(凹槽部的槽深)，光栅长度为5.2mm(10000个光栅周期)，芯层的厚度和宽度均为6um，上包层的总厚度为Sum。利用matlab软件对其室温下反射谱进行了模拟计算，综合来看，其反射谱的反射率、带宽、边模抑制比、中心波长总体符合实际应用要求，计算结果如图3所示，图中横坐标是中心波长λ(单位为um)，纵坐标是反射率R。
[0027]上述热光调制型光栅利用上述加热电极层5通过改变电源电压来调节加热功率，进而改变聚合物材料的温度，使其折射率发生变化，由于选用的紫外聚合式氟化聚合物材料具有极高的热光系数，因而可以较大地改变波导光栅有效折射率，从而使其反射中心波长发生漂移，实现波导光栅的大范围热光调制功能。上述加热电极层5可以根据光场能量在上包层里的分布，进行一些优化设计，以降低器件的热功耗并增大器件的波长可调制范围。例如，可进行最小化上包层厚度和加热电极宽度的设计，以最小化热场纵向分布梯度和横向分布范围，实现电极的加热效率最大化。还可以通过实现金属电极电阻与电源内阻和导线电阻之和的功率传输阻抗匹配，使得电源对加热电极的功率传输效率达到最大。一种具体实施例的加热电极层5的长度为5.2mm，宽度为8 μπι，厚度为lOOnm。
[0028]本实施例中通过直接将芯层形成于基底层上，通过基底层上表面上直接设置多个等间距排列的凹槽部，形成光栅形貌，即利用基底层直接作为下包层，而无需另外再生长出下包层，既简化了光栅结构，又由于无需另外生长下包层，简化了制作工艺并且减少了制作成本。通过采用紫外聚合式氟化聚合物材料作为芯层材料，由于紫外聚合式氟化聚合物材料这类材料具有极高的化学、物理稳定性以及良好的光学特性，并且其具有极高的热光系数，因而可以较大地改变光栅的有效折射率，从而使其反射中心波长发生漂移，实现光栅的低功耗、大范围热光调制功能。
[0029]作为一种优选实施方式，所述上包层采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷树脂。
[0030]本实施例中通过设置上包层采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷树脂，由于这种聚合物材料价格低、透明度优良、有突出的耐老化性、良好的绝缘性和机械强度等优点，通过旋涂可形成良好的薄膜，从而可以降低所制作光栅的成本和提高产品质量。
[0031]作为一种优选实施方式，所述基底层材料包括二氧化硅。
[0032]本实施例中通过设置基底层材料和芯层材料为二氧化硅，由于目前二氧化硅是主流的平面光波导材料，所以有利于与主流平面光波导实现无缝对接，不用额外增加研发投入而减少研发成本。并且还能使得所获得的光栅具有二氧化硅光波导损