一种三维垂直耦合光模式转换‑隔离复合器件的制作方法

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件。

背景技术：

采用光纤或波导作为传输媒介的光通信技术是满足当前飞速增长的通讯和数据传输的必要手段。与传统通信系统相比，光纤以及波导通信系统具有频带宽、传输容量大、传输损耗小、误码率低和抗电磁干扰能力强等优势。特别是波分复用技术(WDM)在光网络中的应用，有效地实现了光传输网络的扩容。

光放大器与波分复用技术相结合的方式结构简单，具有良好的传输性能，为宽带和超长距离传输提供了基础。现有长距离传输系统大部分是基于单模光纤进行的，但预测单模光纤传输系统在2020年左右将会出现容量危机。随着信息流量爆炸式增长，利用这种方法的传输容量已经接近极限。由于时间、频率、偏振利用率已接近极限，因此，需采用新技术才有可能进一步提高光纤的传输容量。在一个空间正交的模式中增加一个自由度的方法，即模分复用技术，可有效增加带宽。模分复用技术是利用不同的光模式来传输更多的信息，目前为止，模分复用技术是在有线传输中唯一没有被有效利用的方法，己经成为了光纤与波导通信的发展方向之一，并被大量的相关文献报道。

光隔离器又称光单向器，是一种非互易传输的光纤或波导无源器件。在光纤通讯系统中总是存在很多原因产生的反向光，例如光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去，接头中光纤端面间隙会使约4％的反射光向着光源传输。这类反向光的存在，导致光路系统间产生自耦合效应，使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声，光放大器增益发生变化和产生自激，造成整个光纤通信系统无法正常工作。若在激光器输出端和光放大器输入或输出端连接上光隔离器，就可以使问题得到解决。因此，光隔离器的基本功能就是实现光信号的正向传输，同时抑制反向传输，即具有不可逆性。通常情况下，光在各向同性和各向异性介质中的光路是可逆的，因此，光隔离器的设计必须考虑如何打破其可逆性。

目前所采用的光隔离器是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。但其结构复杂，对磁光材料性能要求较高，工艺制作困难；由于大多采用永磁体，尺寸较大；并且仅能实现光隔离作用。目前，可同时实现光隔离和不同模式之间转换的器件还未被提出。随着信息技术的发展，结合模分复用技术与光隔离技术于一体，且制作工艺简单的器件具有很大发展潜力。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是设计紧凑的器件结构，利用低成本材料和简单工艺，制备可同时实现光隔离，以及光在不同模式之间转换的复合器件，在实现光隔离效果的同时拓展传输信息的容量。类似与电路中的二极管功能，并且由于模式的转化增加了光通信的传输容量。

本发明通过如下技术方案实现：

一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件，包括包层、上芯层波导及下芯层波导，包层覆盖上、下两芯层波导，波导上方包层覆盖的厚度为0.5—1μm；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n₁、n₂，其中n₁>n₂>n；上、下芯层波导的截面尺寸相同；上、下芯层波导呈X节垂直耦合结构，两芯层波导之间的垂直距离为0.5—0.8μm，两芯层波导之间的角度为0.8—1.0°。

进一步地，所述的包层、上芯层波导、下芯层波导的材料均为聚合物材料。

进一步地，该复合器件的长度为1000μm-3000μm。

该复合器件的工作原理如下：

根据已选定材料确定的n₁，n₂和n，通过有效折射率法可以确定上下两芯层波导两种模式发生谐振时两波导截面的尺寸(即附图2中的谐振点下对应的波导尺寸)，达到模式转换的目的。通过光束传播法可以计算出最佳的芯层间距和两波导之间的角度，使器件达到最大的耦合效率。本器件将下芯层波导的前端(即附图1中的In Port A)作为输入端(同时可作为反向传输时的输出端)，将上芯层波导中的后端(即附图1中的Out Port B)作为输出端(同时可作为反向传输时的输入端)。当光从下芯层波导前端中被正对波导正向输入时，由于光被均匀的输入到波导中，下芯层波导中被激发出的光绝大部分为LP₀₁模式，由于在设计的器件尺寸下(即附图2中的谐振点对应的波导尺寸)下芯层波导中被激发出的LP₀₁模式的光的有效折射率与上芯层波导的LP_21a模式的光具有相同的有效折射率，两波导中的光将发生谐振耦合，当两波导具有确定的垂直间距和夹角时，LP_21a模式光信号从上层波导中输出，可实现模式转换；光由上层波导反向输入时，同样由于光被均匀的输入到上层波导中，上层波导中被激发出的光大部分为LP₀₁模式的光，由于下芯层波导中各个模式的有效折射率与上层波导中被激发出的LP₀₁模式有效折射率都不同，上下两层波导不发生耦合，光仍然从上芯层波导中输出，从而实现光的单向导通。

与现有技术相比，本发明所提出的光模式转换-隔离复合器件工艺简单，采用聚合物材料通过湿法显影和刻蚀技术制作，不需要现有隔离器件所采用的复杂磁化材料；采用垂直耦合结构制作，便于三维集成。器件尺寸小，长度仅为2000μm，宽度20μm；可以实现从LP₀₁模式到LP_21a模式之间的转换，拓展了光通信的容量，同时反向光隔离度大于50dB。本发明适合于大批量生产，可应用于集成光子芯片，或作为分立元件使用。

附图说明

图1：本发明的三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件的结构示意图；

其中，图1a为俯视图，图1b为三维立体图，图1c为芯层波导的底端剖面图；

图2：光模式转换-隔离复合器件的工作原理；

图3：光从In PortA输入时两波导光场分布图；

从图中可以看出，此时光可以完全从下层波导耦合到上层波导并转换为LP_21a模式的光。

图4：光从Out Port B输入时两波导的光场分布图；

从图中可以看出，此时上芯层波导中被激发出的LP₀₁模式的光不被耦合到下芯层波导中。下芯层波导中的In Port A中没有光能量输出。

图5：光模式转换-隔离复合器件制作流程图；

图6：光模式转换-隔离复合器件测试装置图；

从可调谐激光器输出的特定波长信号光，经过光纤输入至下层波导中，耦合到上层波导后，接收端通过CCD相机可以检测光正向传输和反向传输过程中光的模式。通过光纤输入光功率计可以检测正向传输的插入损耗；调节激光器输出光的波长范围，测试插入损耗随波长变化；测试完成后，将光纤适配器器件两端的光纤拔出，并转换方向，将输入端的光纤接入到输出端，用来检测反向传输的插入损耗变化；调节激光器输出波长，测量±10nm范围内反向传输时器件的插入损耗。

图7：光正向和反向传播时输出光功率对比图(1550nm)；

对比了信号光分别为从端口In Port A输入、端口Out Port B输出，以及信号光从端口Out Port B反向输入、端口In Port A输出时，在波长范围1540nm≤λ≤1560nm内，用光束传播法计算获得的输出光能量，隔离度为58dB。

图8：光正向和反向传播时输出光功率对比图(650nm)；

对比了信号光分别为从端口In Port A输入、端口Out Port B输出，以及信号光从端口Out Port B反向输入、端口In Port A输出时，在波长范围640nm≤λ≤660nm时输出光的能量，隔离度为50dB。

具体的实施方式

实施例1

本发明涉及的光模式转换-隔离复合器件及其制作过程如图5所示，具体步骤如下：

1)选用硅作为衬底，首先用丙酮溶液清洗硅片，去除硅片表面有机物杂质，乙醇溶液清洗，去除上一步清洗残留的丙酮，用去离子水反复冲洗，去除在硅片表面残留的乙醇。在清洗干净的硅衬底上均匀旋涂厚4μm的PMMA-GMA包层(转速3000r/min，折射率1.49)，120℃加热固化120min。

2)旋涂芯层PMMA-GMA芯层材料：在已旋涂的PMMA-GMA包层上匀旋涂厚3.4μm的PMMA-GMA芯层(转速3500r/min，折射率1.51)，120℃加热固化120min。

3)蒸镀铝掩膜并旋涂BP212光刻胶：在PMMA-GMA芯层材料表面蒸镀一层约200nm厚铝膜；旋涂光刻胶BP212，60℃加热固化10min，90℃加热固化20min；

4)光刻、显影：紫外光刻后用5‰的NaOH溶液显影，去除曝光部分的BP-212光刻胶及其下方的铝掩膜，获得波导图形；

5)制备PMMA-GMA芯层波导：采用ICP刻蚀方法，将无铝膜覆盖的PMMA-GMA芯层去除，得到清晰的波导图形；紫外曝光15s，并采用5‰的NaOH溶液去除波导上的铝及光刻胶。

6)制备包层：均匀旋涂厚2μm的PMMA-GMA包层(折射率1.49)，芯层上方(0.7μm)(转速5000r/min)，120℃加热固化120min；

7)制备上芯层：旋涂3.4μm厚的SU-8光刻胶，60℃固化10min，90℃固化20min，自然降温；

8)对上述器件利用掩膜版进行对版、紫外光刻；然后采用SU-8显影液显影约8s,之后在异丙醇清洗掉残留的SU-8显影液，之后用去离子水清洗掉残留的异丙醇；

9)制备上包层，在该样品上均匀旋涂厚4μm的PMMA-GMA包层(转速3000r/min)，120℃加热固化120min。

所说的蒸发Al掩膜是在3.4μm厚的PMMA-GMA芯层材料3上用蒸发的方法蒸镀一层约200nm厚的铝膜4。

所说的旋涂BP-212是指将紫外正性光刻胶5(北京化学试剂厂，BP212型)滴在蒸发完毕的铝膜4上，将样片置于旋转涂覆机上，在3000rpm的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20-40s，使光刻胶5均匀涂在铝膜4上。

所说的光刻1和显影1是将带有热光开关波导图形的掩膜板放置在光刻胶5上，再将此样品置于光刻机上，用365nm紫外光进行照射，通过掩膜板的透光区将光刻胶曝光，曝光时间为3s，通过曝光把热光开关的波导图形转移到光刻胶5上。将曝光后的样品用5‰的NaOH显影液进行显影，显影时间是20-40s，再用去离子水轻轻地反复冲洗样片表面。

所说的ICP刻蚀是首先将热光开关的波导图形转移到铝膜4上，利用氧气感应耦合等离子体刻蚀将无铝膜4覆盖的3.4μm厚PMMA-GMA芯层刻蚀掉，露出PMMA-GMA下包层2。铝膜4在氧等离子体刻蚀时，铝会与氧气反应，在表面形成一层氧化铝，阻挡住氧气与其下面的下芯层聚合物3反应，没有铝膜4的部分继续被氧反应而刻蚀掉，因此铝膜4对包层聚合物3起到很好的掩膜作用。感应耦合等离子体刻蚀的源功率400W，偏置功率为30W，刻蚀204s。

所说的去除BP-212是将经过显影1后的器件在365nm紫外光下曝光8-10s，采用质量浓度为5‰的NaOH溶液显影30-60s，将PMMA-GMA表面覆盖的光刻胶5以及铝掩膜4去除。

所说的光刻2和显影2是将上芯层图形利用紫外光刻转移到芯层光刻胶SU-8(6)，将曝光后的样品用SU-8显影溶液显影，时间8s,之后用环戊酮溶液去除残留的SU-8显影液，之后用去离子水去除残留的SU-8显影液。

所说的蒸发Al掩膜是在3.4μm厚的PMMA-GMA芯层材料3上用蒸发的方法蒸镀一层约200nm厚的铝膜4。

将制备的样品放置于感应耦合等离子体刻蚀机(ULVAC，CE-300I型)中，在氧气条件下进行感应耦合等离子体刻蚀，此时，以铝膜4为掩膜，将没有铝膜4覆盖的包层刻蚀掉，露出PMMA-GMA包层2。铝膜4在氧气气氛中进行感应耦合等离子体刻蚀时，铝会与氧气反应，在表面形成一层氧化铝，阻挡住氧气与其下面的芯层聚合物3反应，没有铝膜4的部分继续被氧反应而刻蚀掉，因此铝膜4对芯层聚合物4起到很好的掩膜作用。感应耦合等离子体刻蚀的源功率400W，偏置功率为30W，刻蚀204s。这样就制备出符合设计要求的光模式转换-隔离复合器件。

光模式转换-隔离复合器件，包层覆盖上、下两芯层波导，上层波导上方包层覆盖的厚度为1μm；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n₁、n₂，其中n为1.49，n₁为1.574，n₂为1.51。上、下芯层波导的截面尺寸相同，均为3.4μm；上、下芯层波导呈X节垂直耦合结构，两芯层波导之间的垂直距离为0.67μm，两芯层波导之间的角度为0.92°；

其中包层材料为PMMA-GMA材料、下芯层波导材料为掺杂了双酚A材料的PMMA-GMA材料、上芯层波导材料为紫外光刻胶材料SU-8。

该复合器件的长度为2300μm。

之后将制作的器件用刀片对端面进行切割解理，再固定在测试平台上，将光纤头正对下芯层波导中心，从可调谐激光器输出的特定波长信号光，光纤中的光被均匀的端面耦合到下芯层波导中，之后经过下芯层波导，被耦合到上芯层波导后，接收端通过CCD相机可以检测光正向传输最终输出的光的模式(即近场光斑)。通过光纤输入光功率计可以检测正向传输的插入损耗；调节激光器输出光的波长范围，测试插入损耗随波长变化；测试完成后，将光纤适配器器件两端的光纤拔出，并转换方向，将输入端的光纤接入到输出端，用来检测反向传输的插入损耗变化；调节激光器输出波长，测量±10nm范围内反向传输时器件的插入损耗。