一种通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型电光可调滤波器的制作方法

本发明属于功能性光子芯片，具体涉及一种通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型电光可调滤波器。

背景技术：

1、可调滤波器是光通信系统中的一种关键光集成器件，可作为光互连、光信息交互、光信号切换网络的功能节点，在大数据中心、5g通讯、量子计算等领域都发挥着重要作用。而与热光可调滤波器等器件相比，电光可调滤波器的响应速度更快，一般为纳秒至皮秒量级，而且带宽较大、易于光电集成，在高速光传输系统中具有很高的需求。电光可调滤波器主要是依赖非线性波导材料的电光效应，以实现其快速响应的功能。但目前基于无机非线性材料的电光可调滤波器由于成本较高、工艺复杂、电光系数较低等问题，越来越不能够满足高速光通信网络的带宽要求。而基于有机电光聚合物的电光可调滤波器由于性价比高、工艺简易、电光系数高等优势，越来越受到人们的关注，具有很好的市场前景。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有可调滤波器技术的不足，提出了一种通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型电光可调滤波器。通过在底电极图案上旋涂电光材料可直接定义出器件波导结构，利用波导材料电晕极化后产生的电光效应，实现电控可调谐的滤波功能，从而解决现有可调滤波器调谐效率低、调谐速率慢以及制备流程复杂的不足。

2、本发明所述一种通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型电光可调滤波器，采用共面行波电极，如附图1(a)所示，自下而上由衬底层1、下包层2、芯层3、底电极层4和电光材料层5组成，芯层3、底电极层4和电光材料层5共同位于下包层2之上；沿光的传输方向，芯层3为中心对称的倒脊型结构，由平板层和位于平板层下面的脊层组成，脊层由单模直波导输入区10、布拉格光栅区11和单模直波导输出区12三部分组成；底电极层4由位于芯层3脊层两侧的波导电极区和位于电光材料层5两侧裸露在空气中的用于与外部电源引线接触的接触电极区13组成，波导电极区和接触电极区13间由窄条型的电极层连接，波导电极区被包覆在芯层3和电光材料层5之间，波导电极区的上表面被芯层3的平板层所覆盖；电光材料层5与芯层3的厚度相同，电光材料层5位于芯层3的两侧和接触电极区13的内侧；如附图1(b)所示(为便于观察未画出芯层3和电光材料层5)，底电极层4被脊层分成中心对称的两部分结构。

3、布拉格光栅区11为多周期的光栅结构，一个光栅周期λ由1个宽(定义光的传播方向为长度，与光的传播方向垂直的同一水平面方向为宽度)波导芯层与1个窄波导芯层构成，如附图1(c)所示，宽波导芯层的宽度为w1，窄波导芯层的宽度为w2，宽波导芯层和窄波导芯层间的齿深为δh＝(w1-w2)/2(此处芯层宽度及齿深为等效芯层区域a的宽度及齿深，等效芯层区域a范围将在后面给出)。

4、本发明附图1(a)中所述的通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型可调滤波器β处的横截面如附图1(d)所示，自下而上依次由衬底层1、下包层2、芯层3、底电极层4和电光材料层5组成；芯层3呈倒脊型结构，并以空气作为芯层3的上包层。

5、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。

6、本发明所述的下包层2材料为su-8、noa61、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、二氧化硅(sio2)中的任意一种。

7、本发明所述的芯层3材料为极化的主客掺杂型聚合物电光材料，聚合物主体材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、无定形聚碳酸酯(apc)、epoclad、epocore、su-8中的任意一种；客体材料为具有电光活性的生色团分子，为分散红1(dr1)、分散红13(dr13)、分散红19(dr19)、偶氮类三氰基呋喃(n-tcf)、ajls102中的任意一种；具有电光活性的生色团分子的质量为芯层3质量的5～25％。

8、本发明所述的底电极层4材料为金、银、铝中的任意一种。

9、本发明所述的电光材料层5与芯层3为完全相同的材料。

10、如附图2(a)和(b)所示，以直波导为例对本发明所述结构原理进行说明，本发明所述结构采用金属底电极直接形成波导结构的形式，波导由等效芯层区域a与等效包层区域b构成，通过马卡梯里近似法计算波导有效折射率1，使用超越方程分析波导的横磁和横电基模的传输条件，得出等效芯层区域a与等效包层区域b的折射率ncore和nclad与波导结构的整体有效折射率n的关系式如下(wang c x,zhang d m,zhang x c,et al.bottom-metal-printed thermo-optic waveguide switches based on low-loss fluorinatedpolycarbonate materials[j].opt.express,2020,28(14):20773–20784.)：

11、

12、w为底电极层4的宽度，即等效包层区域b的宽度为底电极层4的宽度，可通过光学显微镜进行测量；ncore和nclad分别为等效芯层区域a的等效折射率和等效包层区域b的等效折射率，可通过马卡梯里近似法进行计算；n为通过金属底电极直接形成波导结构的整体有效折射率。当阶数k0＝0,q＝1时，方程对应于te模式；当阶数k0＝1，q＝0，方程对应于tm模式。

13、本发明所述的一种通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型电光可调滤波器所用信号光来自外部激光器，采用端面耦合方式导入芯层3中；在有外加电场作用时，在电极结构区d中两电极施加电压，一端连接地线，另一端连接正偏压。本发明所述一种通过金属底电极直接形成波导结构的光栅型电光可调滤波器在工作时，如附图1(b)所示，信号光由输入区10中端口输入后，在布拉格光栅区11处前向传播模式与反向模式发生耦合，从输出区12中端口输出后，会在反射光谱中存在着明显的反射峰；若在电极结构区d有外加电压作用，由于电光效应波导等效芯层区域a折射率减小，从输出区12中端口输出后，反射光谱中反射峰将会发生蓝移(向短波长方向移动)。

14、本发明所述的前向传播模式为入射光线的波长范围从低波长到高波长依次发生衍射时，产生的衍射波矢方向与入射波矢方向相同的模式；反向传播模式为入射光线的波长范围从高波长到低波长依次发生衍射时，产生的衍射波矢方向与入射波矢方向相反的模式。

15、与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：

16、(1)与现有可调滤波器相比，本发明制备方法简便，波导结构可以通过金属定义包层技术实现，无需干法刻蚀等工艺过程。此技术为光波导集成芯片的发展提供新的发展方向，市场前景广阔。

17、(2)与现有可调滤波器相比，本发明采用底电极进行调制，相比于传统方法，没有对芯层进行除热固化外其他操作，使器件效果稳定，可有效地减少聚合物电光波导芯片的迟豫现象，并增强器件的使用寿命。

18、(3)与现有可调滤波器相比，本发明所制器件所用底电极既可作用于有效折射率法定义波导包层，又可以对底电极施加外加电压对器件进行调控，操作简便，结构新颖。

19、(4)与现有可调滤波器相比，本发明所提出的器件电极并未暴露于表面，在极化时，可以有效避免损坏电极，极大提高了成品率。

20、(5)与现有可调滤波器相比，本发明所制器件为电光调制，相对于热光调制响应速度更快，带宽更大。