本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維垂直耦合光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件。

背景技術(shù)：

采用光纖或波導(dǎo)作為傳輸媒介的光通信技術(shù)是滿足當(dāng)前飛速增長(zhǎng)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾侄?。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，光纖以及波導(dǎo)通信系統(tǒng)具有頻帶寬、傳輸容量大、傳輸損耗小、誤碼率低和抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。特別是波分復(fù)用技術(shù)(WDM)在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了光傳輸網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容。

光放大器與波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的傳輸性能，為寬帶和超長(zhǎng)距離傳輸提供了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)大部分是基于單模光纖進(jìn)行的，但預(yù)測(cè)單模光纖傳輸系統(tǒng)在2020年左右將會(huì)出現(xiàn)容量危機(jī)。隨著信息流量爆炸式增長(zhǎng)，利用這種方法的傳輸容量已經(jīng)接近極限。由于時(shí)間、頻率、偏振利用率已接近極限，因此，需采用新技術(shù)才有可能進(jìn)一步提高光纖的傳輸容量。在一個(gè)空間正交的模式中增加一個(gè)自由度的方法，即模分復(fù)用技術(shù)，可有效增加帶寬。模分復(fù)用技術(shù)是利用不同的光模式來(lái)傳輸更多的信息，目前為止，模分復(fù)用技術(shù)是在有線傳輸中唯一沒(méi)有被有效利用的方法，己經(jīng)成為了光纖與波導(dǎo)通信的發(fā)展方向之一，并被大量的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

光隔離器又稱光單向器，是一種非互易傳輸?shù)墓饫w或波導(dǎo)無(wú)源器件。在光纖通訊系統(tǒng)中總是存在很多原因產(chǎn)生的反向光，例如光發(fā)射機(jī)中光源所發(fā)出的信號(hào)光，通常是以活動(dòng)連接器的形式耦合到光纖線路中去，接頭中光纖端面間隙會(huì)使約4％的反射光向著光源傳輸。這類反向光的存在，導(dǎo)致光路系統(tǒng)間產(chǎn)生自耦合效應(yīng)，使激光器的工作變得不穩(wěn)定和產(chǎn)生反射噪聲，光放大器增益發(fā)生變化和產(chǎn)生自激，造成整個(gè)光纖通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。若在激光器輸出端和光放大器輸入或輸出端連接上光隔離器，就可以使問(wèn)題得到解決。因此，光隔離器的基本功能就是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的正向傳輸，同時(shí)抑制反向傳輸，即具有不可逆性。通常情況下，光在各向同性和各向異性介質(zhì)中的光路是可逆的，因此，光隔離器的設(shè)計(jì)必須考慮如何打破其可逆性。

目前所采用的光隔離器是利用磁光材料對(duì)光偏振態(tài)調(diào)整的非互易性實(shí)現(xiàn)光的不可逆?zhèn)鬏敗５浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)磁光材料性能要求較高，工藝制作困難；由于大多采用永磁體，尺寸較大；并且僅能實(shí)現(xiàn)光隔離作用。目前，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光隔離和不同模式之間轉(zhuǎn)換的器件還未被提出。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合模分復(fù)用技術(shù)與光隔離技術(shù)于一體，且制作工藝簡(jiǎn)單的器件具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問(wèn)題是設(shè)計(jì)緊湊的器件結(jié)構(gòu)，利用低成本材料和簡(jiǎn)單工藝，制備可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光隔離，以及光在不同模式之間轉(zhuǎn)換的復(fù)合器件，在實(shí)現(xiàn)光隔離效果的同時(shí)拓展傳輸信息的容量。類似與電路中的二極管功能，并且由于模式的轉(zhuǎn)化增加了光通信的傳輸容量。

本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種三維垂直耦合光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件，包括包層、上芯層波導(dǎo)及下芯層波導(dǎo)，包層覆蓋上、下兩芯層波導(dǎo)，波導(dǎo)上方包層覆蓋的厚度為0.5—1μm；包層、上芯層波導(dǎo)及下芯層波導(dǎo)的折射率分別為n、n₁、n₂，其中n₁>n₂>n；上、下芯層波導(dǎo)的截面尺寸相同；上、下芯層波導(dǎo)呈X節(jié)垂直耦合結(jié)構(gòu)，兩芯層波導(dǎo)之間的垂直距離為0.5—0.8μm，兩芯層波導(dǎo)之間的角度為0.8—1.0°。

進(jìn)一步地，所述的包層、上芯層波導(dǎo)、下芯層波導(dǎo)的材料均為聚合物材料。

進(jìn)一步地，該復(fù)合器件的長(zhǎng)度為1000μm-3000μm。

該復(fù)合器件的工作原理如下：

根據(jù)已選定材料確定的n₁，n₂和n，通過(guò)有效折射率法可以確定上下兩芯層波導(dǎo)兩種模式發(fā)生諧振時(shí)兩波導(dǎo)截面的尺寸(即附圖2中的諧振點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)尺寸)，達(dá)到模式轉(zhuǎn)換的目的。通過(guò)光束傳播法可以計(jì)算出最佳的芯層間距和兩波導(dǎo)之間的角度，使器件達(dá)到最大的耦合效率。本器件將下芯層波導(dǎo)的前端(即附圖1中的In Port A)作為輸入端(同時(shí)可作為反向傳輸時(shí)的輸出端)，將上芯層波導(dǎo)中的后端(即附圖1中的Out Port B)作為輸出端(同時(shí)可作為反向傳輸時(shí)的輸入端)。當(dāng)光從下芯層波導(dǎo)前端中被正對(duì)波導(dǎo)正向輸入時(shí)，由于光被均勻的輸入到波導(dǎo)中，下芯層波導(dǎo)中被激發(fā)出的光絕大部分為L(zhǎng)P₀₁模式，由于在設(shè)計(jì)的器件尺寸下(即附圖2中的諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)尺寸)下芯層波導(dǎo)中被激發(fā)出的LP₀₁模式的光的有效折射率與上芯層波導(dǎo)的LP_21a模式的光具有相同的有效折射率，兩波導(dǎo)中的光將發(fā)生諧振耦合，當(dāng)兩波導(dǎo)具有確定的垂直間距和夾角時(shí)，LP_21a模式光信號(hào)從上層波導(dǎo)中輸出，可實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換；光由上層波導(dǎo)反向輸入時(shí)，同樣由于光被均勻的輸入到上層波導(dǎo)中，上層波導(dǎo)中被激發(fā)出的光大部分為L(zhǎng)P₀₁模式的光，由于下芯層波導(dǎo)中各個(gè)模式的有效折射率與上層波導(dǎo)中被激發(fā)出的LP₀₁模式有效折射率都不同，上下兩層波導(dǎo)不發(fā)生耦合，光仍然從上芯層波導(dǎo)中輸出，從而實(shí)現(xiàn)光的單向?qū)ā?/p>

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件工藝簡(jiǎn)單，采用聚合物材料通過(guò)濕法顯影和刻蝕技術(shù)制作，不需要現(xiàn)有隔離器件所采用的復(fù)雜磁化材料；采用垂直耦合結(jié)構(gòu)制作，便于三維集成。器件尺寸小，長(zhǎng)度僅為2000μm，寬度20μm；可以實(shí)現(xiàn)從LP₀₁模式到LP_21a模式之間的轉(zhuǎn)換，拓展了光通信的容量，同時(shí)反向光隔離度大于50dB。本發(fā)明適合于大批量生產(chǎn)，可應(yīng)用于集成光子芯片，或作為分立元件使用。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明的三維垂直耦合光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，圖1a為俯視圖，圖1b為三維立體圖，圖1c為芯層波導(dǎo)的底端剖面圖；

圖2：光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件的工作原理；

圖3：光從In PortA輸入時(shí)兩波導(dǎo)光場(chǎng)分布圖；

從圖中可以看出，此時(shí)光可以完全從下層波導(dǎo)耦合到上層波導(dǎo)并轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)P_21a模式的光。

圖4：光從Out Port B輸入時(shí)兩波導(dǎo)的光場(chǎng)分布圖；

從圖中可以看出，此時(shí)上芯層波導(dǎo)中被激發(fā)出的LP₀₁模式的光不被耦合到下芯層波導(dǎo)中。下芯層波導(dǎo)中的In Port A中沒(méi)有光能量輸出。

圖5：光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件制作流程圖；

圖6：光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件測(cè)試裝置圖；

從可調(diào)諧激光器輸出的特定波長(zhǎng)信號(hào)光，經(jīng)過(guò)光纖輸入至下層波導(dǎo)中，耦合到上層波導(dǎo)后，接收端通過(guò)CCD相機(jī)可以檢測(cè)光正向傳輸和反向傳輸過(guò)程中光的模式。通過(guò)光纖輸入光功率計(jì)可以檢測(cè)正向傳輸?shù)牟迦霌p耗；調(diào)節(jié)激光器輸出光的波長(zhǎng)范圍，測(cè)試插入損耗隨波長(zhǎng)變化；測(cè)試完成后，將光纖適配器器件兩端的光纖拔出，并轉(zhuǎn)換方向，將輸入端的光纖接入到輸出端，用來(lái)檢測(cè)反向傳輸?shù)牟迦霌p耗變化；調(diào)節(jié)激光器輸出波長(zhǎng)，測(cè)量±10nm范圍內(nèi)反向傳輸時(shí)器件的插入損耗。

圖7：光正向和反向傳播時(shí)輸出光功率對(duì)比圖(1550nm)；

對(duì)比了信號(hào)光分別為從端口In Port A輸入、端口Out Port B輸出，以及信號(hào)光從端口Out Port B反向輸入、端口In Port A輸出時(shí)，在波長(zhǎng)范圍1540nm≤λ≤1560nm內(nèi)，用光束傳播法計(jì)算獲得的輸出光能量，隔離度為58dB。

圖8：光正向和反向傳播時(shí)輸出光功率對(duì)比圖(650nm)；

對(duì)比了信號(hào)光分別為從端口In Port A輸入、端口Out Port B輸出，以及信號(hào)光從端口Out Port B反向輸入、端口In Port A輸出時(shí)，在波長(zhǎng)范圍640nm≤λ≤660nm時(shí)輸出光的能量，隔離度為50dB。

具體的實(shí)施方式

實(shí)施例1

本發(fā)明涉及的光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件及其制作過(guò)程如圖5所示，具體步驟如下：

1)選用硅作為襯底，首先用丙酮溶液清洗硅片，去除硅片表面有機(jī)物雜質(zhì)，乙醇溶液清洗，去除上一步清洗殘留的丙酮，用去離子水反復(fù)沖洗，去除在硅片表面殘留的乙醇。在清洗干凈的硅襯底上均勻旋涂厚4μm的PMMA-GMA包層(轉(zhuǎn)速3000r/min，折射率1.49)，120℃加熱固化120min。

2)旋涂芯層PMMA-GMA芯層材料：在已旋涂的PMMA-GMA包層上勻旋涂厚3.4μm的PMMA-GMA芯層(轉(zhuǎn)速3500r/min，折射率1.51)，120℃加熱固化120min。

3)蒸鍍鋁掩膜并旋涂BP212光刻膠：在PMMA-GMA芯層材料表面蒸鍍一層約200nm厚鋁膜；旋涂光刻膠BP212，60℃加熱固化10min，90℃加熱固化20min；

4)光刻、顯影：紫外光刻后用5‰的NaOH溶液顯影，去除曝光部分的BP-212光刻膠及其下方的鋁掩膜，獲得波導(dǎo)圖形；

5)制備PMMA-GMA芯層波導(dǎo)：采用ICP刻蝕方法，將無(wú)鋁膜覆蓋的PMMA-GMA芯層去除，得到清晰的波導(dǎo)圖形；紫外曝光15s，并采用5‰的NaOH溶液去除波導(dǎo)上的鋁及光刻膠。

6)制備包層：均勻旋涂厚2μm的PMMA-GMA包層(折射率1.49)，芯層上方(0.7μm)(轉(zhuǎn)速5000r/min)，120℃加熱固化120min；

7)制備上芯層：旋涂3.4μm厚的SU-8光刻膠，60℃固化10min，90℃固化20min，自然降溫；

8)對(duì)上述器件利用掩膜版進(jìn)行對(duì)版、紫外光刻；然后采用SU-8顯影液顯影約8s,之后在異丙醇清洗掉殘留的SU-8顯影液，之后用去離子水清洗掉殘留的異丙醇；

9)制備上包層，在該樣品上均勻旋涂厚4μm的PMMA-GMA包層(轉(zhuǎn)速3000r/min)，120℃加熱固化120min。

所說(shuō)的蒸發(fā)Al掩膜是在3.4μm厚的PMMA-GMA芯層材料3上用蒸發(fā)的方法蒸鍍一層約200nm厚的鋁膜4。

所說(shuō)的旋涂BP-212是指將紫外正性光刻膠5(北京化學(xué)試劑廠，BP212型)滴在蒸發(fā)完畢的鋁膜4上，將樣片置于旋轉(zhuǎn)涂覆機(jī)上，在3000rpm的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)襯底進(jìn)行涂膜，旋涂的時(shí)間為20-40s，使光刻膠5均勻涂在鋁膜4上。

所說(shuō)的光刻1和顯影1是將帶有熱光開(kāi)關(guān)波導(dǎo)圖形的掩膜板放置在光刻膠5上，再將此樣品置于光刻機(jī)上，用365nm紫外光進(jìn)行照射，通過(guò)掩膜板的透光區(qū)將光刻膠曝光，曝光時(shí)間為3s，通過(guò)曝光把熱光開(kāi)關(guān)的波導(dǎo)圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠5上。將曝光后的樣品用5‰的NaOH顯影液進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間是20-40s，再用去離子水輕輕地反復(fù)沖洗樣片表面。

所說(shuō)的ICP刻蝕是首先將熱光開(kāi)關(guān)的波導(dǎo)圖形轉(zhuǎn)移到鋁膜4上，利用氧氣感應(yīng)耦合等離子體刻蝕將無(wú)鋁膜4覆蓋的3.4μm厚PMMA-GMA芯層刻蝕掉，露出PMMA-GMA下包層2。鋁膜4在氧等離子體刻蝕時(shí)，鋁會(huì)與氧氣反應(yīng)，在表面形成一層氧化鋁，阻擋住氧氣與其下面的下芯層聚合物3反應(yīng)，沒(méi)有鋁膜4的部分繼續(xù)被氧反應(yīng)而刻蝕掉，因此鋁膜4對(duì)包層聚合物3起到很好的掩膜作用。感應(yīng)耦合等離子體刻蝕的源功率400W，偏置功率為30W，刻蝕204s。

所說(shuō)的去除BP-212是將經(jīng)過(guò)顯影1后的器件在365nm紫外光下曝光8-10s，采用質(zhì)量濃度為5‰的NaOH溶液顯影30-60s，將PMMA-GMA表面覆蓋的光刻膠5以及鋁掩膜4去除。

所說(shuō)的光刻2和顯影2是將上芯層圖形利用紫外光刻轉(zhuǎn)移到芯層光刻膠SU-8(6)，將曝光后的樣品用SU-8顯影溶液顯影，時(shí)間8s,之后用環(huán)戊酮溶液去除殘留的SU-8顯影液，之后用去離子水去除殘留的SU-8顯影液。

所說(shuō)的蒸發(fā)Al掩膜是在3.4μm厚的PMMA-GMA芯層材料3上用蒸發(fā)的方法蒸鍍一層約200nm厚的鋁膜4。

將制備的樣品放置于感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)(ULVAC，CE-300I型)中，在氧氣條件下進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，此時(shí)，以鋁膜4為掩膜，將沒(méi)有鋁膜4覆蓋的包層刻蝕掉，露出PMMA-GMA包層2。鋁膜4在氧氣氣氛中進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體刻蝕時(shí)，鋁會(huì)與氧氣反應(yīng)，在表面形成一層氧化鋁，阻擋住氧氣與其下面的芯層聚合物3反應(yīng)，沒(méi)有鋁膜4的部分繼續(xù)被氧反應(yīng)而刻蝕掉，因此鋁膜4對(duì)芯層聚合物4起到很好的掩膜作用。感應(yīng)耦合等離子體刻蝕的源功率400W，偏置功率為30W，刻蝕204s。這樣就制備出符合設(shè)計(jì)要求的光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件。

光模式轉(zhuǎn)換-隔離復(fù)合器件，包層覆蓋上、下兩芯層波導(dǎo)，上層波導(dǎo)上方包層覆蓋的厚度為1μm；包層、上芯層波導(dǎo)及下芯層波導(dǎo)的折射率分別為n、n₁、n₂，其中n為1.49，n₁為1.574，n₂為1.51。上、下芯層波導(dǎo)的截面尺寸相同，均為3.4μm；上、下芯層波導(dǎo)呈X節(jié)垂直耦合結(jié)構(gòu)，兩芯層波導(dǎo)之間的垂直距離為0.67μm，兩芯層波導(dǎo)之間的角度為0.92°；

其中包層材料為PMMA-GMA材料、下芯層波導(dǎo)材料為摻雜了雙酚A材料的PMMA-GMA材料、上芯層波導(dǎo)材料為紫外光刻膠材料SU-8。

該復(fù)合器件的長(zhǎng)度為2300μm。

之后將制作的器件用刀片對(duì)端面進(jìn)行切割解理，再固定在測(cè)試平臺(tái)上，將光纖頭正對(duì)下芯層波導(dǎo)中心，從可調(diào)諧激光器輸出的特定波長(zhǎng)信號(hào)光，光纖中的光被均勻的端面耦合到下芯層波導(dǎo)中，之后經(jīng)過(guò)下芯層波導(dǎo)，被耦合到上芯層波導(dǎo)后，接收端通過(guò)CCD相機(jī)可以檢測(cè)光正向傳輸最終輸出的光的模式(即近場(chǎng)光斑)。通過(guò)光纖輸入光功率計(jì)可以檢測(cè)正向傳輸?shù)牟迦霌p耗；調(diào)節(jié)激光器輸出光的波長(zhǎng)范圍，測(cè)試插入損耗隨波長(zhǎng)變化；測(cè)試完成后，將光纖適配器器件兩端的光纖拔出，并轉(zhuǎn)換方向，將輸入端的光纖接入到輸出端，用來(lái)檢測(cè)反向傳輸?shù)牟迦霌p耗變化；調(diào)節(jié)激光器輸出波長(zhǎng)，測(cè)量±10nm范圍內(nèi)反向傳輸時(shí)器件的插入損耗。