一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法

1.本发明属于平面光波导光开关及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以折射率不同的有机聚合物材料分别作为光波导结构的下包层、上包层、芯层的模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法。


背景技术：

2.随着科学技术的高速发展，发送信息、获取信息的方式更加便捷，速度也更快。但巨大的通信数据量对信息传输系统的传输容量造成了非常大的挑战。如何提高数据传输速度和传输容量成为了亟待解决的重要难题，光通信的出现成为了解决这一问题的关键。光通信是现代通信系统的一个重要组成部分，在国民经济的各个领域都具有十分重要的地位。近年来，由于标准单模光纤的传输容量逐渐接近香农极限，以模分复用为代表的空分复用技术成为了突破这一瓶颈的新方法。模分复用技术能够与现有的系统较为容易的进行结合，不但成倍的提高了通信系统的容量，而且有效的提升了系统的性能。在模分复用系统中，不仅需要对光信号进行传输，对光信号的处理、控制也是非常必要的，而光开关是模分复用系统中控制光信号的关键器件。
3.光开关可以对信号进行逻辑转换，还可以用于光路的切换，在模分复用系统的构造、保护、以及故障恢复等方面都发挥着重要作用。制造具有高速度、高可靠性、低功耗、高集成度的光开关一直是一个重要的研究课题。平面光波导型光开关作为光开关的一个重要分支，近年来发展迅猛，它不仅具有光纤型光开关的优点，而且具有更高的稳定性和可靠性，能够工作在更加复杂和恶劣的环境当中，而且，用于制备平面光波导型光开关的材料种类丰富，主要包括无机材料和有机聚合物材料两种，与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单、与半导体工艺兼容、抗干扰能力强、制备工艺与半导体工艺相兼容、有利于器件的功能化集成和批量生产，。而且，有机聚合物材料具有非常高的热光系数，能够用于制备低功耗的热光开关。正是具有这诸多优点，有机聚合物材料已经成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础材料，在光通信和航空航天等领域都得到了广泛的应用。
4.根据调制原理的不同，光开关可以分为电光开关、热光开关、声光开关、磁光开关等等，其中热光开关是利用材料的热光效应实现开关功能，当外部温度变化时，固体介质内部的折射率也会发生变化，因此，可以通过波导结构的设计，将温度的变化转换成折射率的变化，进而转变成光强的变化。热光开关具有器件尺寸小、功耗低的优点，在光集成领域有非常大的发展空间。
5.在平面光波导器件的结构设计中，mach
–
zehnder interferometer(mzi)是一种最基本的器件结构之一，在平面光波导型光开关领域具有重要的应用价值。其原理是将其中一条干涉臂作为参考臂，另一条干涉臂作为调制臂，通过热光效应改变调制臂的温度进而改变折射率，因此调制臂中的光的相位也发生变化，从而使得输出光的相位发生变化。利用该原理，已经成功制备出了基于mzi光波导结构的光开关。然而，传统的mzi型波导光开关对
模式比较敏感，只能实现对基模的开关，这样便限制了其在模分复用系统中的应用。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用不同折射率的有机聚合物材料作为光波导包层材料和芯层材料的模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法。
7.本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为波导的下包层和上包层、以热光系数较大的有机聚合物材料作为波导的芯层，充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势。同时，本发明所采用的制备工艺简单、与半导体工艺兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的实际应用价值。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
9.如附图1所示，一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：整个器件基于mzi光波导结构，从左到右依次由输入直波导1，输入锥形波导2，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4(输入直波导1，输入锥形波导2，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4共同构成光开关的y分支3-db分束器)，第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6，相互平行的调制臂7和调制臂8，第三连接锥形波导9，第四连接锥形波导10，第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一mmi(多模干涉)输入锥形波导13，第二mmi输入锥形波导14，mmi多模波导15，第一mmi输出锥形波导16，第二mmi输出锥形波导17，第一输出直波导18，第二输出直波导19(第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一mmi输入锥形波导13，第二mmi输入锥形波导 14，mmi多模波导15，第一mmi输出锥形波导16，第二mmi输出锥形波导17，第一输出直波导18，第二输出直波导19共同构成mmi结构)，第一加热电极20，第二加热电极21构成；输入直波导1的长度a1为200～2500μm，输入锥形波导2 的长度a2为100～2000μm；第一弯曲波导3，第二弯曲波导4的长度a3相等为 1000～5000μm；第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6，第三连接锥形波导9，第四连接锥形波导10的长度a4相等为100～3000μm；调制臂7，调制臂8的长度 a5相等为1000～4000μm；第三弯曲波导11，第四弯曲波导12的长度a6相等为 1000～5000μm；第一mmi输入锥形波导13，第二mmi输入锥形波导14，第一 mmi输出锥形波导16，第二mmi输出锥形波导17的长度a7相等为100～2000μm； mmi多模波导15的长度a8为1000～10000μm；第一输出直波导18和第二输出直波导19的长度a9相等为100～2000μm；第一加热电极20，第二加热电极21 的长度a10相等为1000～4000μm；输入直波导1，输入锥形波导2与输入直波导 1连接处，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4，第一弯曲波导3与第一连接锥形波导 5连接处，第二弯曲波导4与第二连接锥形波导6连接处，第三连接锥形波导9与第三弯曲波导11连接处，第四连接锥形波导10与第四弯曲波导12连接处，第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一mmi输入锥形波导13与第三弯曲波导11连接处，第二mmi输入锥形波导14与第四弯曲波导12连接处，第一mmi输出锥形波导16与第一输出直波导18连接处，第二mmi输出锥形波导17与第一输出直波导19连接处，第一输出直波导18，第二输出直波导19的宽度w1相等为3～30μm；第一连接锥形波导5与调制臂7连接处，第二连接锥形波导6与调制臂8连接处，调制臂7，调制臂8，第三连接锥形波导9与调制臂7连接处，第四连接锥形波导 10与调制臂8连接处的宽度w2相等为4～30μm；第一mmi输入锥形波导13与 mmi多模波导15相接处，第二mmi输入锥形波导14与mmi多模波导15相接处，第一mmi输出锥形波导16与mmi多模波导15相接处，第二mmi输出锥形波导 17与mmi多模波导15相接处的宽度w3相等为5～14μm；mmi多模波导15的宽度w4为20
～100μm；第一加热电极20，第二加热电极21宽度w5相等为5～20μm；
10.如附图2所示，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4与输入锥形波导2连接处的宽度w6为5～30μm，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4之间的间隙w7为0.01～1μm；第一弯曲波导3，第二弯曲波导4与第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6相接处的中心间距(两干涉臂中心间距)w8为10～100μm；
11.如附图3(a)所示为图1中a-a’位置的截面图，一种模式不敏感的光开关，从下到上，输入直波导1、输入锥形波导2、第一弯曲波导3、第二弯曲波导4、第一连接锥形波导5、第二连接锥形波导6、第三连接锥形波导9、第四连接锥形波导 10、第三弯曲波导11、第四弯曲波导12、第一mmi输入锥形波导13、第二mmi 输入锥形波导14、mmi多模波导15、第一mmi输出锥形波导16、第二mmi输出锥形波导17、第一输出直波导18、第二输出直波导19依次由硅片衬底31、在硅片衬底上制备的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的条形结构的光波导芯层33、在聚合物下包层32和光波导芯层33上制备的聚合物上包层34组成，光波导芯层33被包埋在聚合物上包层34之中；
12.如附图3(b)所示(为图1中b-b’位置的截面图)，一种模式不敏感的光开关，从下到上，相互平行的调制臂7和调制臂8，依次由硅片衬底31、在硅片衬底上制备的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的两个条形结构的光波导芯层 33’、在聚合物下包层32和两个光波导芯层33’上制备的聚合物上包层34、在聚合物上包层34之上在与两个光波导芯层33’对应位置制备的第一加热电极20和第二加热电极21组成；两个光波导芯层33’被包埋在聚合物上包层34之中；
13.硅片衬底的厚度为0.5～2mm，聚合物下包层32的厚度为3～10μm，光波导芯层33的厚度为2～10μm，光波导芯层33’的厚度为2～12μm(其中，第一连接锥形波导5与第一弯曲波导3相接处厚度与光波导芯层33的厚度相等，第一连接锥形波导5与调制臂7相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等；第二连接锥形波导6与第二弯曲波导4相接处厚度与光波导芯层33的厚度相等，第二连接锥形波导6与调制臂8相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等；第三连接锥形波导9与第三弯曲波导11相接处厚度与光波导芯层33的厚度相等，第三连接锥形波导9与调制臂7相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等；第四连接锥形波导10与第四弯曲波导12相接处厚度与光波导芯层33的厚度相等，第四连接锥形波导10与调制臂8相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等)，聚合物上包层34的厚度为3～10 μm，第一加热电极20和第二加热电极21的厚度相同为50～150nm；
14.光从输入直波导1输入，经输入锥形波导2进入到第一弯曲波导3和第二弯曲波导4，被分成两束相同的光分别进入到第一连接锥形波导5和第二连接锥形波导 6，然后分别进入到相互平行的调制臂7和调制臂8，再分别进入到第三连接锥形波导9和第四连接锥形波导10，然后分别经第三弯曲波导11和第四弯曲波导12进入到第一mmi输入锥形波导13和第二mmi输入锥形波导14，再分别进入到mmi 多模波导15，在mmi多模波导15当中激发出多个模式并在传输过程中相互干涉，相互干涉的多个模式最后经第一mmi输出锥形波导16和第二mmi输出锥形波导 17从第一输出直波导18和第二输出直波导19输出。
15.本发明所述的一种模式不敏感的光开关的制备方法，其制备工艺流程见附图4，具体叙述为：
16.a：硅片衬底31的清洁处理
17.用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片衬底31，用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干，将清洗干净的硅片置于90～120℃温度下烘烤1～2小时去除水气；
18.b：聚合物下包层32的制备
19.采用旋涂工艺，将有机聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底31上，转速为1000～4000转/分钟，然后在100～150℃条件下烘烤2～40分钟，制得厚度为3～10μm的聚合物下包层(聚合物下包层材料是包括聚甲基丙烯酸甲酯 (pmma)、聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料，其中epoclad等特殊材料烘烤结束后需整体曝光5～60s，然后再在100℃～150℃条件下烘烤3～60分钟)；
20.c：聚合物芯层33和33’的制备
21.采用旋涂工艺，将有机聚合物芯层材料(该光波导芯层是包括epocore、su-8 2002、su-8 2005在内的一系列可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料，光波导芯层材料的折射率高于聚合物上、下包层的折射率)旋涂在制备完的聚合物下包层上，转速为1000～5000转/分钟，然后采用阶梯升温的方式进行前烘，加热完毕后自然降至室温，制得厚度为3～10μm的聚合物芯层薄膜；对制备完的芯层薄膜进行对版光刻，光刻的紫外光波长为350～400nm，紫外曝光时间为4～40秒，波导掩膜版结构与需要制备的模式不敏感光开关的光波导芯层结构相同(如附图1所示)，使光波导芯层区域的聚合物芯层材料紫外曝光；光刻完进行中烘，60～120℃加热3～30 分钟，然后自然降至室温；对中烘完的聚合物芯层薄膜进行显影，先在芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀10～80秒，去除未被曝光的非光波导芯层结构，然后放入异丙醇溶液中洗去残留的光波导芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗，去除表面的异丙醇，然后用氮气吹干；进行后烘坚膜，在90～150℃加热20～60分钟，加热完毕后自然降至室温；
22.d：模式不敏感移相器波导的制备
23.将宽度为1000～3000μm的玻璃挡板置于调制臂7和调制臂8的正上方 100～3000μm处，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀10～300s，将除调制臂以外的波导芯层区域厚度刻蚀掉0.5～5μm，这样就完成了模式不敏感光开关光波导芯层的制备；
24.e：聚合物上包层的制备
25.将聚合物上包层材料旋涂在制备完的光波导芯层上，旋涂转速为1000～4000 转/分钟，然后在100℃～130℃条件下加热5～40分钟，加热完毕后自然降至室温，制得的聚合物上包层厚度为3～10μm(输入直波导1上面的上包层的厚度)；
26.f：al电极的制备
27.采用蒸镀工艺在制备完的聚合物上包层上蒸镀一层厚度为50～150nm的al薄膜，然后采用旋涂工艺在al膜上制备正性光刻胶bp212薄膜，转速为2000～3000 转/分钟；对光刻胶bp212薄膜进行前烘，加热完毕后自然降至室温，得到厚度为0.5～2.0μm的bp212薄膜；对制备完的光刻胶bp212薄膜进行对版光刻，光刻机的紫外光波长为350～400nm，掩膜版为需要制备的加热电极结构(如图1所示，调制电极在调制臂的正上方)，曝光时间为2～10秒，使除加热电极以外区域的光刻胶bp212薄膜被曝光；光刻完放入到质量浓度为3～5
‰
的naoh溶液中10～30秒，除去曝光的光刻胶bp212，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；对光刻胶 bp212薄膜进行坚膜，加热完毕后自然降至室温；然后进行al电极的显影，放入质
量浓度为3～5
‰
的naoh溶液中1～20分钟，将调制电极及其电极引脚以外区域的al膜部分去除，用去离子水反复冲洗干净，用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中 5～10秒，去除al电极上未曝光的光刻胶bp212薄膜，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；从而得到本发明所述的模式不敏感的光开关。
28.与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的波导型光开关结合了mzi光波导的干涉效应强和有机聚合物材料热光系数大的优势，通过热光效应，通过改变调制臂的温度来改变调制臂的折射率，进而改变调制臂中光的相位，达到改变光的输出端口的目的；通过反应离子刻蚀来调整调制臂的厚度，使得不同模式的有效折射率几乎相同，进而使得不同的光学模式所需的调制温度相同，以达到模式不敏感的目的；另外，采用聚合物材料使得器件制作工艺相对简单，只需要一些常规制备工艺，不需要昂贵的设备和工艺，生产成本相对低廉、制备效率高，适合于批量生产可实际应用的平面光波导光开关。
附图说明
29.图1：本发明所述的一种模式不敏感的光开关的结构示意图；
30.图2：一种模式不敏感的光开关的3-db y分支分束器3的平面结构示意图；
31.图3(a)：图1中a-a’位置的横截面示意图；
32.图3(b)：图1中b-b’位置的横截面示意图；
33.图4：一种模式不敏感的光开关的制备工艺流程图；
34.图5(a)：一种模式不敏感的光开关中的lp
01
模式的光场分布模拟图；
35.图5(b)：一种模式不敏感的光开关中的lp
11b
模式的光场分布模拟图；
36.图6(a)：一种模式不敏感的光开关输入lp
01
模式且无外加调制时的光场传输模拟图；
37.图6(b)：一种模式不敏感的光开关输入lp
01
模式并对调制臂进行调制实现光从左端口输出时的光场传输模拟图；
38.图6(c)：一种模式不敏感的光开关输入lp
01
模式并对调制臂进行调制实现光从右端口输出时的光场传输模拟图；
39.图7(a)：一种模式不敏感的光开关输入lp
11b
模式且无外加调制时的光场传输模拟图；
40.图7(b)：一种模式不敏感的光开关输入lp
11b
模式并对调制臂进行调制实现光从左端口输出时的光场传输模拟图；
41.图7(c)：一种模式不敏感的光开关输入lp
11b
模式并对调制臂进行调制实现光从右端口输出时的光场传输模拟图；
42.图8：一种模式不敏感的光开关的两输出端口中lp
01
模式的归一化输出功率随温度的变化关系曲线；
43.图9：一种模式不敏感的光开关的两输出端口中lp
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模式的归一化输出功率随温度的变化关系曲线；
44.图10(a)：一种模式不敏感的光开关的y分支部分显微镜平面图；
45.图10(b)：一种模式不敏感的光开关的mmi部分的显微镜平面图；
46.图10(c)：一种模式不敏感的光开关输入直波导1的显微镜截面图；
47.图11(a)：一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式且未加调制(加热)时的输出光斑；
48.图11(b)：一种模式不敏感的光开关输入lp
11b
模式且未加调制(加热)时的输出光斑；
49.如图1所示，一种模式不敏感的光开关的结构示意图，各部件的名称为：输入直波导1，输入锥形波导2，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4，第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6，调制臂7，调制臂8，第三连接锥形波导9，第四连接锥形波导10，第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一多模干涉(mmi)输入锥形波导13，第二mmi输入锥形波导14，mmi多模波导15，第一mmi输出锥形波导 16，第二mmi输出锥形波导17，第一输出直波导18，第二输出直波导19(第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一多模干涉(mmi)输入锥形波导13，第二 mmi输入锥形波导14，mmi多模波导15，第一mmi输出锥形波导16，第二mmi 输出锥形波导17，第一输出直波导18，第二输出直波导19共同构成mmi结构)，第一加热电极21，第二加热电极21。
50.如图2所示，为图1中3-db y分支分束器3的平面结构示意图，输入锥形波导2有益于减小传输损耗，两弯曲波导中间的间隙w7可以更好的处理lp
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模式和 lp
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模式，且有利于工艺制备的实现。
51.如图3所示，(a)图为图1中a-a’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31，聚合物下包层32，光波导芯层33，聚合物上包层34；(b)图为图1中 b-b’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31，聚合物下包层32，光波导芯层33’，聚合物上包层34，第一加热电极20和第二加热电极21。
52.如图4所示，图中的31为硅衬底，32为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导下包层，33(33’)为采用旋涂、光刻、显影、反应离子刻蚀工艺制备的光波导芯层，34为采用旋涂工艺制备的有机聚合物光波导上包层，第一加热电极20和第二加热电极21。
53.如图5所示，(a)图为一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式时输入直波导1 中的光场分布模拟图，(b)图为输入lp
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模式时输入直波导1中的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，从两幅模拟图中可以明显看出，光场主要集中在光波导芯层之中，可以保证光信号在光开关中进行有效传输。
54.如图6所示，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式的光场传输模拟图，(a)图为无外加调制的光场传输模拟图，可以看出，两输出端口输出功率相等；(b)图为对调制臂进行调制实现光从左端口输出的光场传输模拟图，可以看出，对调制臂进行适当调制可实现光从左端口输出； (c)图为对调制臂进行调制实现光从右端口输出的光场传输模拟图，可以看出，对调制臂进行适当调制可实现光从右端口输出；从这三个图可以看出，输入lp
01
模式时，可以通过调制实现输出端口的切换。
55.如图7所示，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式的光场传输模拟图，(a)图为无外加调制的光场传输模拟图，可以看出，两输出端口输出功率相等；(b)图为对调制臂进行调制实现光从左端口输出的光场传输模拟图，可以看出，对调制臂进行适当调制可实现光从左端口输出；(c)图为对调制臂进行调制实现光从右端口输出的光场传输模拟图，可以看出，对调制臂进行适当调制可实现光从
右端口输出，从这三个图可以看出，输入 lp
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模式时，可以通过调制实现输出端口的切换。
56.如图8所示，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式时，两输出端口中lp
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模式的归一化输出功率随温度的变化关系曲线，可以看出，当调制温度t为1.15k左右时，左端口输出光强达到最大，趋近于1，右端口输出功率几乎为0，此时，左端口为“开”状态，右端口为“关”状态；当调制温度t为3.4k左右时，右端口输出光强达到最大，趋近于1，左端口输出功率几乎为0，此时，右端口为“开”状态，左端口为“关”状态。
57.如图9所示，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式时，两输出端口中lp
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模式的归一化输出功率随温度的变化关系曲线，可以看出，当调制温度t为1.2k左右时，左端口输出光强达到最大，趋近于1，右端口输出功率几乎为0，此时，左端口为“开”状态，右端口为“关”状态；当调制温度t为3.6k左右时，右端口输出光强达到最大，趋近于1，左端口输出功率几乎为0，此时，右端口为“开”状态，左端口为“关”状态。
58.图10(a)：一种模式不敏感的光开关的y分支部分显微镜平面图，在实验过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，从显微镜图中可以看出，波导形貌良好，尺寸与实施例1中所选尺寸基本一致；
59.图10(b)：一种模式不敏感的光开关的mmi结构的显微镜平面图，在实验过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，从显微镜图中可以看出，波导形貌良好，尺寸与实施例1中所选尺寸基本一致；
60.图10(c)：一种模式不敏感的光开关的输入直波导1的显微镜截面图，在实验过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，从显微镜图中可以看出，波导形貌良好，尺寸与实施例1中所选尺寸基本一致；
61.图11(a)：一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式且未进行调制时的输出光斑测试图，在实验过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，从测试通光图可以明显看出，两输出端口输出功率相近的lp
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模式的光斑；
62.图11(b)：一种模式不敏感的光开关输入lp
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模式且未进行调制时的输出光斑测试图，在实验过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，从测试通光图可以明显看出，两输出端口输出功率相近的lp
11b
模式的光斑。
具体实施方式
63.实施例1
64.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
65.实施例结构如图1所示，输入直波导1，第一输出直波导18和第二输出直波导19的长度a1、a9相等为1000μm；输入锥形波导2的长度a2为635μm；第一弯曲波导3，第二弯曲波导4的长度a3的长度相等为1950μm；第一连接锥形波导5，第二连接锥形波导6，第三连接锥形波导9，第四连接锥形波导10的长度 a4相等为2100μm；调制臂7，调制臂8的长度a5相等为2000μm；第三弯曲波导11，第四弯曲波导12的长度a6相等为1950μm；第一mmi输入锥形波导13，第二mmi输入锥形波导14，第一mmi输出锥形波导16，第二mmi输出锥形波导 17的长度a7相等为450μm；mmi多模波导15的长度a8为2180μm；第一加热电极20，第二加热电极21的长度
a10相等为2000μm；输入直波导1，输入锥形波导2与输入直波导1连接处，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4，第一弯曲波导3 与第一连接锥形波导5连接处，第二弯曲波导4与第二连接锥形波导6连接处，第三连接锥形波导9与第三弯曲波导11连接处，第四连接锥形波导10与第四弯曲波导12连接处，第三弯曲波导11，第四弯曲波导12，第一mmi输入锥形波导13与第三弯曲波导11连接处，第二mmi输入锥形波导14与第四弯曲波导12连接处，第一mmi输出锥形波导16与第一输出直波导18连接处，第二mmi输出锥形波导 17与第一输出直波导19连接处，第一输出直波导18，第二输出直波导19的宽度 w1为4.5μm；第一连接锥形波导5与调制臂7连接处，第二连接锥形波导6与调制臂8连接处，调制臂7，调制臂8，第三连接锥形波导9与调制臂7连接处，第四连接锥形波导10与调制臂8连接处的宽度w2为7μm；第一mmi输入锥形波导 13与mmi多模波导15相接处，第二mmi输入锥形波导14与mmi多模波导15 相接处，第一mmi输出锥形波导16与mmi多模波导15相接处，第二mmi输出锥形波导17与mmi多模波导15相接处的宽度w3相等为9.5μm；mmi多模波导 15的宽度w4为30μm；加热电极20，加热电极21宽度w5相等为7μm；
66.如附图2所示，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4与输入锥形波导2连接处的宽度w6为9.18μm，第一弯曲波导3，第二弯曲波导4之间的间隙w7为0.18μm；第一弯曲波导3，第二弯曲波导4与锥形波导5，锥形波导6相接处的中心间距(两干涉臂中心间距)w8为40μm；
67.如附图3(a)所示为图1中a-a’位置的截面图，一种模式不敏感的光开关，其特征在于从下到上，输入直波导1依次由硅片衬底31、在硅片衬底上制备的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的条形结构的光波导芯层33、在光波导芯层33上制备的聚合物上包层34组成；
68.如附图3(b)所示(为图1中b-b’位置的截面图)，一种模式不敏感的光开关，其特征在于从下到上，调制臂7，调制臂8，依次由硅片衬底31、在硅片衬底上制备的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的条形结构的光波导芯层33’、在光波导芯层33’上制备的聚合物上包层34，第一加热电极20和第二加热电极21 组成；
69.硅片衬底的厚度为1mm，聚合物下包层32的厚度为7μm，光波导芯层33 的厚度为9μm，光波导芯层33’的厚度为10.5μm(第一连接锥形波导5与第一弯曲波导3相接处厚度与光波导芯层33一致，与调制臂7相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等；第二连接锥形波导6与第二弯曲波导4相接处厚度与光波导芯层33 一致，与调制臂8相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等；第三连接锥形波导9 与第三弯曲波导11相接处厚度与光波导芯层33一致，与调制臂7相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等；第四连接锥形波导10与第四弯曲波导12相接处厚度与光波导芯层33一致，与调制臂8相接处厚度与光波导芯层33’的厚度相等)，聚合物上包层34的厚度为7μm，第一加热电极20和第二加热电极21的厚度为100nm；
70.光从输入直波导1输入，经输入锥形波导2进入到第一弯曲波导3，第二弯曲波导4，被分成两束相同的光分别进入到第一连接锥形波导5和第二连接锥形波导 6，然后分别进入到调制臂7和调制臂8，再进入到第三连接锥形波导9和第四连接锥形波导10，然后经第三弯曲波导11，第四弯曲波导12进入到第一mmi输入锥形波导13和第二mmi输入锥形波导14，然后进入到mmi多模波导15，在mmi 多模波导15当中激发出多个模式并在传输过程中相互干涉，最后经第一mmi输出锥形波导16和第二mmi输出锥形波导17从第一输出直波导18和第二输出直波导 19输出；
71.如图6(a)所示，当输入lp
01
模式时，输入光经第一弯曲波导3和第二弯曲波导4分成两束能量相同相位相同的光，无外加调制的情况下，从mmi两端口输入的光相位相同功率相等，在mmi中发生多模干涉，最后在两输出端口输出功率相等的光；
72.如图6(b)所示，当输入lp
01
模式时，输入光经第一弯曲波导3和第二弯曲波导4分成两束能量相同相位相同的光，对其中的一个调制臂进行调制后，输入 mmi的两束光相位发生变化，最后实现光从左端口输出；
73.如图6(c)所示，当输入lp
01
模式时，输入光经第一弯曲波导3和第二弯曲波导4分成两束能量相同相位相同的光，对另外一个调制臂进行调制后，输入mmi 的两束光相位发生变化，最后实现光从右端口输出；
74.如图7(a)所示，当输入lp
11b
模式时，输入光经第一弯曲波导3和第二弯曲波导4分成两束能量相同相位相同的光，无外加调制的情况下，从mmi两端口输入的光相位相同功率相等，在mmi中发生多模干涉，最后在两输出端口输出功率相等的光；
75.如图7(b)所示，当输入lp
11b
模式时，输入光经第一弯曲波导3和第二弯曲波导4分成两束能量相同相位相同的光，对其中的一个调制臂进行调制后，输入 mmi的两束光相位发生变化，最后实现光从左端口输出；
76.如图7(c)所示，当输入lp
11b
模式时，输入光经第一弯曲波导3和第二弯曲波导4分成两束能量相同相位相同的光，对另外一个调制臂进行调制后，输入mmi 的两束光相位发生变化，最后实现光从右端口输出；
77.实施例2
78.硅片衬底31的清洁处理：用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片衬底31，然后用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干后，将清洗干净的硅片置于120℃温度下烘烤1小时去除水气；
79.聚合物下包层32的制备：采用旋涂工艺，将有机聚合物下包层材料epoclad 旋涂在清洗干净的硅片衬底31上，转速为1800转/分钟，然后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光20s，再在120℃条件下烘烤3分钟，制得厚度为7μm的聚合物下包层
80.c：聚合物芯层33和33’的制备
81.采用旋涂工艺，将有机聚合物芯层材料epocore旋涂在制备完的下包层上，转速为1500转/分钟，然后在85℃条件下烘烤10分钟，加热完毕后自然降至室温，制得厚度为9μm的聚合物芯层薄膜；对制备完的芯层薄膜进行对版光刻，光刻的紫外光波长为365nm，紫外曝光时间为18秒；光刻完进行中烘，90℃加热10分钟，然后自然降至室温；对中烘完的聚合物芯层薄膜进行显影，先在epo显影液中湿法刻蚀60秒，去除未被曝光的非光波导芯层结构，然后放入异丙醇溶液中洗去残留的光波导芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗，去除表面的异丙醇，然后用氮气吹干；进行后烘坚膜，在120℃加热40分钟，加热完毕后自然降至室温；
82.d：模式不敏感移相器波导的制备
83.将宽度为2000μm的玻璃挡板置于调制臂7和调制臂8的正上方2000μm处，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀100s，将除调制臂以外的波导芯层区域厚度刻蚀掉1.5 μm，这样就完成了模式不敏感相移器光波导芯层的制备；
84.e：聚合物上包层的制备
85.将聚合物上包层材料epoclad旋涂在制备完的聚合物光波导芯层上，旋涂转速为1000转/分钟，然后在120℃条件下加热5分钟，整体曝光30s，然后120℃条件下加热3分钟，加热完毕后自然降至室温，制得的聚合物上包层厚度为7μm (光波导芯层输入直波导1上面的上包层的厚度)；
86.f：al电极的制备
87.采用蒸镀工艺在制备完的聚合物上包层上蒸镀一层厚度为100nm的al薄膜，然后采用旋涂工艺在al膜上制备正性光刻胶bp212薄膜，转速为2500转/分钟；对光刻胶bp212薄膜进行前烘，在95℃温度下加热20分钟，加热完毕后自然降至室温，得到厚度为1μm的bp212薄膜；对制备完的光刻胶bp212薄膜进行对版光刻，光刻机的紫外光波长为掩膜版为365nm，掩膜版为需要制备的调制电极结构，曝光时间为2秒，使除调制电极及其电极引脚以外区域的光刻胶bp212薄膜被曝光；光刻完放入到质量浓度为5
‰
的naoh溶液中30秒，去除曝光的光刻胶，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；对光刻胶bp212薄膜进行坚膜，即在 95℃加热10分钟，加热完毕后自然降至室温；进行al电极的显影，即将坚膜后的光刻胶bp212薄膜放入质量浓度为5
‰
的naoh溶液中10分钟，将调制电极及其电极引脚以外区域的al膜部分去除，用去离子水反复冲洗干净，用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中5秒，去除al电极上未曝光的光刻胶bp212薄膜，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；从而得到本发明所述的模式不敏感的光开关。
88.垂直于光的传输方向(光波导方向)，采用刀片切割解理，通过光传输测试系统对器件的性能进行了表征。利用可调谐激光器将1550nm的输入光发射到波导1中，同时利用偏振控制器控制输入光的偏振状态，通过红外摄像机获取器件的输出近场图像。当将lp
01
模式和lp
11b
模式分别发射到波导1中时，捕获到的近场输出光斑如图11所示，可以看到，从波导11输入的lp
01
模式和lp
11b
模式，在两个输出端口均实现了良好的模式不敏感通光效果。
89.应当指出的是，本专利中提及的具体的实施方式只是本发明有代表性的例子，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，还可以有更多的形式，而且该设计的材料也不仅仅局限于此，还可以采用铌酸锂、硅、氮化硅等波导材料。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。本领域的技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议得到的，都属于本专利所要保护的范围。

技术特征：
1.一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：整个器件基于mzi光波导结构，从左到右依次由输入直波导(1)、输入锥形波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)、第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)、相互平行的调制臂(7)和调制臂(8)、第三连接锥形波导(9)、第四连接锥形波导(10)、第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一mmi输入锥形波导(13)、第二mmi输入锥形波导(14)、mmi多模波导(15)、第一mmi输出锥形波导(16)、第二mmi输出锥形波导(17)、第一输出直波导(18)、第二输出直波导(19)、第一加热电极(20)和第二加热电极(21)构成；输入直波导(1)、输入锥形波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)共同构成光开关的y分支3-db分束器；第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一mmi输入锥形波导(13)、第二mmi输入锥形波导(14)、mmi多模波导(15)、第一mmi输出锥形波导(16)、第二mmi输出锥形波导(17)、第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)共同构成mmi结构；从下到上，输入直波导(1)、输入锥形波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)、第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)、第三连接锥形波导(9)、第四连接锥形波导(10)、第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一mmi输入锥形波导(13)、第二mmi输入锥形波导(14)、mmi多模波导(15)、第一mmi输出锥形波导(16)、第二mmi输出锥形波导(17)、第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底上制备的聚合物下包层(32)、在聚合物下包层(32)上制备的条形结构的光波导芯层(33)、在聚合物下包层(32)和光波导芯层(33)上制备的聚合物上包层(34)组成，光波导芯层(33)被包埋在聚合物上包层(34)之中；从下到上，相互平行的调制臂(7)和调制臂(8)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的聚合物下包层(32)、在聚合物下包层(32)上制备的两个条形结构的光波导芯层(33’)、在聚合物下包层(32)和两个光波导芯层(33’)上制备的聚合物上包层(34)、在聚合物上包层(34)之上在与两个光波导芯层(33’)对应位置制备的第一加热电极(20)和第二加热电极(21)组成；两个光波导芯层(33’)被包埋在聚合物上包层(34)之中；光从输入直波导(1)输入，经输入锥形波导(2)进入到第一弯曲波导(3)和第二弯曲波导(4)，被分成两束相同的光分别进入到第一连接锥形波导(5)和第二连接锥形波导(6)，然后分别进入到相互平行的调制臂(7)和调制臂(8)，再分别进入到第三连接锥形波导(9)和第四连接锥形波导(10)，然后分别经第三弯曲波导(11)和第四弯曲波导(12)进入到第一mmi输入锥形波导(13)和第二mmi输入锥形波导(14)，再分别进入到mmi多模波导(15)，在mmi多模波导(15)当中激发出多个模式并在传输过程中相互干涉，相互干涉的多个模式最后经第一mmi输出锥形波导(16)和第二mmi输出锥形波导(17)从第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)输出。2.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：输入直波导(1)的长度a1为200～2500μm，输入锥形波导(2)的长度a2为100～2000μm；第一弯曲波导(3)和第二弯曲波导(4)的长度a3相等为1000～5000μm；第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)、第三连接锥形波导(9)和第四连接锥形波导(10)的长度a4相等为100～3000μm；调制臂(7)和调制臂8的长度a5相等为1000～4000μm；第三弯曲波导(11)和第四弯曲波导(12)的长度a6相等为1000～5000μm；第一mmi输入锥形波导(13)、第二mmi输入锥形波导(14)、第一mmi输出锥形波导(16)和第二mmi输出锥形波导(17)的长度a7相等为100～2000μm；mmi多
模波导(15)的长度a8为1000～10000μm；第一输出直波导(18)和第二输出直波导(19)的长度a9相等为100～2000μm；第一加热电极(20)和第二加热电极(21)的长度a10相等为1000～4000μm；输入直波导(1)、输入锥形波导(2)与输入直波导(1)连接处、第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)、第一弯曲波导(3)与第一连接锥形波导(5)连接处、第二弯曲波导(4)与第二连接锥形波导(6)连接处、第三连接锥形波导(9)与第三弯曲波导(11)连接处、第四连接锥形波导(10)与第四弯曲波导(12)连接处、第三弯曲波导(11)、第四弯曲波导(12)、第一mmi输入锥形波导(13)与第三弯曲波导(11)连接处、第二mmi输入锥形波导(14)与第四弯曲波导(12)连接处、第一mmi输出锥形波导(16)与第一输出直波导(18)连接处、第二mmi输出锥形波导(17)与第一输出直波导(19)连接处、第一输出直波导(18)、第二输出直波导(19)的宽度w1相等为3～30μm。3.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：第一连接锥形波导(5)与调制臂(7)连接处、第二连接锥形波导(6)与调制臂(8)连接处、调制臂7、调制臂8、第三连接锥形波导(9)与调制臂(7)连接处、第四连接锥形波导(10)与调制臂(8)连接处的宽度w2相等为4～30μm；第一mmi输入锥形波导(13)与mmi多模波导(15)相接处、第二mmi输入锥形波导(14)与mmi多模波导(15)相接处、第一mmi输出锥形波导(16)与mmi多模波导(15)相接处、第二mmi输出锥形波导(17)与mmi多模波导(15)相接处的宽度w3相等为5～14μm；mmi多模波导(15)的宽度w4为20～100μm；第一加热电极(20)和第二加热电极(21)宽度w5相等为5～20μm；第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)与输入锥形波导(2)连接处的宽度w6为5～30μm；第一弯曲波导(3)和第二弯曲波导(4)之间的间隙w7为0.01～1μm；第一弯曲波导(3)、第二弯曲波导(4)与第一连接锥形波导(5)、第二连接锥形波导(6)相接处的中心间距w8为10～100μm。4.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：硅片衬底(31)的厚度为0.5～2mm，聚合物下包层(32)的厚度为3～10μm，光波导芯层(33)的厚度为2～10μm，光波导芯层(33’)的厚度为2～12μm，聚合物上包层(34)的厚度为3～10μm，第一加热电极(20)和第二加热电极(21)的厚度相同为50～150nm。5.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：第一连接锥形波导(5)与第一弯曲波导(3)相接处厚度与光波导芯层(33)的厚度相等，第一连接锥形波导(5)与调制臂(7)相接处厚度与光波导芯层(33’)的厚度相等；第二连接锥形波导(6)与第二弯曲波导(4)相接处厚度与光波导芯层(33)的厚度相等，第二连接锥形波导(6)与调制臂(8)相接处厚度与光波导芯层(33’)的厚度相等；第三连接锥形波导(9)与第三弯曲波导(11)相接处厚度与光波导芯层(33)的厚度相等，第三连接锥形波导(9)与调制臂(7)相接处厚度与光波导芯层(33’)的厚度相等；第四连接锥形波导(10)与第四弯曲波导(12)相接处厚度与光波导芯层(33)的厚度相等，第四连接锥形波导(10)与调制臂(8)相接处厚度与光波导芯层(33’)的厚度相等。6.如权利要求1所述的一种模式不敏感的光波导型光开关，其特征在于：聚合物下包层和上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或epoclad；聚合物芯层材料为epocore、su-8 2002或su-8 2005；光芯层材料的折射率高于聚合物上、下包层材料的折射率。7.权利要求1～6任何一项所述的一种模式不敏感的光开关的制备方法，其步骤如下：
a：硅片衬底31的清洁处理用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片衬底(31)，用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干，将清洗干净的硅片置于90～120℃温度下烘烤1～2小时去除水气；b：聚合物下包层32的制备采用旋涂工艺，将有机聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底(31)上，转速为1000～4000转/分钟，然后在100～150℃条件下烘烤2～40分钟，制得聚合物下包层；如果聚合物下包层材料是epoclad，而需要在烘烤结束后整体曝光5～60s，然后再在100℃～150℃条件下烘烤3～60分钟；c：聚合物芯层(33)和(33’)的制备采用旋涂工艺，将有机聚合物芯层材料旋涂在制备完的聚合物下包层上，转速为1000～5000转/分钟，然后采用阶梯升温的方式进行前烘，加热完毕后自然降至室温，制得聚合物芯层薄膜；对制备完的芯层薄膜进行对版光刻，光刻的紫外光波长为350～400nm，紫外曝光时间为4～40秒，波导掩膜版结构与需要制备的模式不敏感光开关的光波导芯层结构相同，使光波导芯层区域的聚合物芯层材料紫外曝光；光刻完进行中烘，60～120℃加热3～30分钟，然后自然降至室温；对中烘完的聚合物芯层薄膜进行显影，先在芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀10～80秒，去除未被曝光的非光波导芯层结构，然后放入异丙醇溶液中洗去残留的光波导芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗，去除表面的异丙醇，然后用氮气吹干；进行后烘坚膜，在90～150℃加热20～60分钟，加热完毕后自然降至室温；d：模式不敏感移相器波导的制备将宽度为1000～3000μm的玻璃挡板置于调制臂(7)和调制臂(8)的正上方100～3000μm处，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀10～300s，将除调制臂以外的波导芯层区域厚度刻蚀掉0.5～5μm，这样就完成了模式不敏感光开关光波导芯层的制备；e：聚合物上包层的制备将聚合物上包层材料旋涂在制备完的光波导芯层上，旋涂转速为1000～4000转/分钟，然后在100℃～130℃条件下加热5～40分钟，加热完毕后自然降至室温，制得聚合物上包层；f：al电极的制备采用蒸镀工艺在制备完的聚合物上包层上蒸镀一层al薄膜，然后采用旋涂工艺在al膜上制备正性光刻胶bp212薄膜，转速为2000～3000转/分钟；对光刻胶bp212薄膜进行前烘，加热完毕后自然降至室温，得到厚度为0.5～2.0μm的bp212薄膜；对制备完的光刻胶bp212薄膜进行对版光刻，光刻机的紫外光波长为350～400nm，掩膜版为需要制备的加热电极结构，曝光时间为2～10秒，使除加热电极以外区域的光刻胶bp212薄膜被曝光；光刻完放入到质量浓度为3～5
‰
的naoh溶液中10～30秒，除去曝光的光刻胶bp212，然后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；对光刻胶bp212薄膜进行坚膜，加热完毕后自然降至室温；然后进行al电极的显影，放入质量浓度为3～5
‰
的naoh溶液中1～20分钟，将调制电极及其电极引脚以外区域的al膜部分去除，用去离子水反复冲洗干净，用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中5～10秒，去除al电极上未曝光的光刻胶bp212薄膜，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；从而得到模式不敏感的光开关。

技术总结
一种模式不敏感的光波导型光开关及其制备方法，属于平面光波导光开关及制备技术领域。本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为波导的下包层和上包层、以热光系数较大的有机聚合物材料作为波导的芯层，制备得到了模式不敏感的光波导型光开关。本发明充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势，通过改变调制臂的温度来改变调制臂的折射率，进而改变调制臂中光的相位，达到改变光的输出端口的目的；通过反应离子刻蚀来调整调制臂的厚度，使得不同模式的有效折射率几乎相同，进而使得不同的光学模式所需的调制温度相同，以达到模式不敏感的目的。本发明成本低廉、制备效率高，适合于批量生产实际应用的平面光波导光开关。的平面光波导光开关。的平面光波导光开关。


技术研发人员：王希斌 孙士杰 林柏竹 朱穆 廉天航 车远华 孙雪晴 张大明
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.01.24
技术公布日：2022/3/8