一种基于Y分支结构的模式不敏感的光功率分配器及其制备方法

一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于平面光波导光功率分配器及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以折射率不同的两种有机聚合物材料分别作为光波导结构的上、下包层和芯层的基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器及其制备方法。


背景技术：

2.随着信息社会的发展，人们的生产生活对数据的传输速度和数量越来越高，电互联的频率越来越高，引起了带宽受限、信号失真、干扰较大等问题，实现超高速电路遇到了瓶颈。然而，光通信的出现突破了这一瓶颈，使远距离高速通信成为了可能，极大的方便了人们的生产和生活，因此，光通信成为了二十一世纪最重要的科技进展之一。近十年内，光纤通信发展迅速，因为它具有大带宽、传输速度高的优点，完美的满足了光通信系统的需求。
3.随着物联网、大数据的迅速发展，社会信息化程度不断提高，需要传输的数据数量呈指数增长，纵观光纤通信技术的发展，每一次信息容量能够以数量级的规模进行提高，都归因于对光波复用潜力的挖掘。在波长、相位、振幅等维度都被充分利用的情况下，模分复用技术进一步扩大了信息传输容量，日益严峻的传输容量危机得到了解决。模分复用是指多个相互正交的光学模式作为独立的信道，各自承载不同的信息，在同一根少模波导中同时进行传输，实现了信息传输数量的成倍增长。
4.为了高效的进行数据传输，光通信需要众多的功能器件来实现对光的传输和转换，光功率分配器就是其中非常重要的器件之一。光功率分配器可以减轻处理庞大且种类繁多的信息时的复杂性和网络负担，这在未来的光网络中是十分有意义的。但是，传统的光纤型光功率分配器具有体积大、损耗大、稳定性差、封装费用高的缺点，而平面光波导光功率分配器有效的解决了这些问题，成为了研究人员的重要研究对象。平面光波导光功率分配器的优势在于波长依赖性小、分光均匀、器件尺寸小、可以进行高度集成、损耗较低、稳定性较好，利用现有的半导体工艺可以非常容易的制备，可以进行大规模生产，而且生产成本较低。
5.根据材料的不同平面光波导功率分配器也可以分为绝缘体上硅、铌酸锂、聚合物等。与无机材料相比，聚合物材料制备工艺简单，只是通过旋涂、压印、固化等工序使聚合物在特定区域成膜，制备工艺简单且制备成本较低。并且有机聚合物材料可以在分子的水平上进行结构设计，从而获得最佳的光学特性，因此，聚合物材料逐渐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。
6.在平面光波导器件的结构设计中，y分支是一种最基本的结构，在光通信领域和平面光波导光功率分配器领域都具有非常重要的应用价值。y分支光功率分配器具有的波长和偏振不敏感以及输出均匀性等优点，结构简单易于设计，而且易于级联。然而，传统的y分支光功率分配器只能处理基模，不能对更高的模式进行处理，这限制了其在模分复用系统
中的应用。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可级联的基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器及其制备方法。
8.本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为光波导的上、下包层，以另一种有机聚合物作为光波导结构的芯层(芯层材料的折射率大于包层材料的折射率)，利用了有机聚合物材料加工性强、种类繁多的优势。同时，本发明采用的制备工艺简单且与半导体工艺兼容、易于集成、能够大规模生产，具有重要的实际应用价值。
9.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
10.如附图1所示，一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器，其特征在于：整个器件基于y分支结构，从左到右依次由输入直波导11，输入锥形波导12，两个相同结构弯曲波导组成的3-db y分支分束器13，第一输出直波导14和第二输出直波导15构成；输入直波导11，第一输出直波导14，第二输出直波导15的长度a1、a1’、a1”相等为500～2000μm，输入锥形波导12的长度a2为50～1000μm，3-db y分支分束器13两个相同结构弯曲波导的长度a3为500～4000μm。
11.如附图2所示，一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器，其特征在于：整个器件由三个基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器级联而成，从左到右依次由输入直波导21，第一输入锥形波导22，第一3-db y分支分束器23，第一连接直波导24，第二连接直波导25，第一连接弯曲波导26，第二连接弯曲波导27，第二输入锥形波导28，第三输入锥形波导29，第二3-db y分支分束器210，第三3-db y分支分束器211，第一输出直波导212，第二输出直波导213，第三输出直波导214，第四输出直波导215构成；输入直波导21、第一连接直波导24、第二连接直波导25、第一输出直波导212、第二输出直波导213、第三输出直波导214、第四输出直波导215的长度b1、b1’、b1”、b1
”’
、b1
””
、b1
””’
、b1
”””
相等为500～2000μm，第一输入锥形波导22、第二输入锥形波导28、第三输入锥形波导29的长度b2、b2’、b2”相等为50～1000μm，第一3-db y分支分束器23、第二3-db y分支分束器210、第三3-db y分支分束器211、第一连接弯曲波导26、第二连接弯曲波导27的长度b3、b3’、b3”、b3
”’
、b3
””
相等为500～4000μm，第一连接弯曲波导26、第二连接弯曲波导27的波导中心间距b4为20～200μm。
12.如附图3所示，附图1中输入直波导11、3-db y分支分束器13的两个弯曲波导、第一输出直波导14、第二输出直波导15，附图2中输入直波导21、第一3-db y分支分束器23的两个弯曲波导、第一连接直波导24、第二连接直波导25、第一连接弯曲波导26、第二连接弯曲波导27、第二输入锥形波导28、第三输入锥形波导29、第二3-db y分支分束器210的两个弯曲波导、第三3-db y分支分束器211的两个弯曲波导、第一输出直波导212、第二输出直波导213、第三输出直波导214、第四输出直波导215的宽度w相等为2～10μm；附图1中输入锥形波导12与3-db y分支分束器13连接处的宽度，附图2中第一输入锥形波导22与第一3-db y分支分束器23连接处的宽度，附图2中第二输入锥形波导28与第二3-db y分支分束器210连接处的宽度，附图2中第三输入锥形波导29与第三3-db y分支分束器211连接处的宽度w1相等为5～30μm；附图1中3-db y分支分束器13与输入锥形波导12连接处两分支之间的间隙，附
图2中第一3-db y分支分束器23与第一锥形波导12连接处两分支之间的间隙，附图2中第二3-db y分支分束器210与第二锥形波导28连接处两分支之间的间隙，附图2中第三3-db y分支分束器211与第三锥形波导29连接处两分支之间的间隙w2相等为0.01～1μm；附图1中第一输出直波导14和第二输出直波导15之间的间距，附图2中第一连接直波导24和第二连接直波导25之间的间距，附图2中第一输出直波导212和第二输出直波导213之间的间距，附图2中第三输出直波导214和第四输出直波导215之间的间距w3相等为10～100μm。
13.如附图4所示为图1中输入直波导11的截面图，从下至上输入直波导11、输入锥形波导12、3-db y分支分束器13、第一输出直波导14、第二输出直波导15以及输入直波导21、第一输入锥形波导22、第一3-db y分支分束器23、第一连接直波导24、第二连接直波导25、第一连接弯曲波导26、第二连接弯曲波导27、第二输入锥形波导28、第三输入锥形波导29、第二3-db y分支分束器210、第三3-db y分支分束器211、第一输出直波导212、第二输出直波导213、第三输出直波导214、第四输出直波导215依次由硅片衬底41、在硅片衬底41上制备的聚合物波导下包层42、在聚合物下包层42上制备的条形结构的聚合物光波导芯层43、在聚合物下包层42和聚合物光波导芯层43上制备的聚合物波导上包层44组成；聚合物光波导芯层43被包埋在聚合物波导上包层44之中。
14.硅片衬底41的厚度为0.5～1mm，聚合物波导下包层42的厚度为3～10μm，聚合物光波导芯层43的厚度为2～15μm，聚合物波导上包层的厚度为3～10μm。
15.本发明所述的基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备方法，其制备工艺流程见附图5，具体叙述为：
16.a：硅片衬底的清洁处理
17.将硅片衬底41放入丙酮溶液中，置于超声波清洗机中清洗3～10分钟，取出后分别用沾有丙酮和乙醇的棉球进行擦拭，然后用去离子水反复冲洗，最后用氮气吹干，放入干净的培养皿中并密封；
18.b：聚合物波导下包层的制备
19.采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底41上，转速为1000～5000转/分钟，在100～140℃条件下烘烤2～80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碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯乙烯(ps)、epoclad等透明性良好的有机聚合物材料，个别材料如epoclad等需整体曝光然后再次加热)；
20.c：聚合物光波导芯层的制备
21.采用旋涂工艺将聚合物芯层材料(该聚合物芯层是可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料，包括epocore、su-8 2002、su-8 2005在内的一系列光刻胶材料，光波导芯层材料的折射率高于聚合物上、下包层的折射率)旋涂在制备好的聚合物下包层上，转速为1000～4000转/分钟；然后进行前烘，在50～120℃温度下烘烤3～40分钟；待降至室温后进行对版光刻，光刻机的紫外光波长为350～400nm，波导掩膜版结构为需要制备的芯层结构(如图1和图2中所示)，曝光时间为4～40秒；光刻完成后进行中烘，在50～120℃温度下烘烤5～40分钟；待降至室温后进行显影，放入芯层光刻胶对应的专用显影液中湿法刻蚀4～100秒，将聚合物光波导芯层以外区域的芯层薄膜去除，然后放入异丙醇溶液中清去残留的显影液和聚合物光波导芯层材料，再用去离子水顺着波导方向反复冲洗干净，最后用氮气吹干；然后进行
后烘坚膜，在120～150℃温度下烘烤20～50分钟，这样便完成了聚合物光波导芯层的制备；
22.d：聚合物波导上包层的制备
23.采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在制备好的聚合物光波导芯层43上，转速为1000～5000转/分钟；在100～140℃条件下烘烤4～180分钟，制得厚度为3～10μm(光波导芯层正上方上包层的厚度)的聚合物上包层；上包层完全覆盖光波导芯层，这样便完成了本发明所述的基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备。
24.与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的波导型光功率分配器结合了y分支结构简单以及输出均匀的优势，制得的器件模式不敏感，可以应用于模分复用系统当中，另外，器件制作工艺相对简单，只需要一些常用设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率高，适合于批量生产可实际应用的平面光波导光功率分配器。
附图说明
25.图1：本发明所述的基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的结构示意图；
26.图2：本发明所述的基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的结构示意图；
27.图3：基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的3-db y分支分束器的平面结构示意图；
28.图4：图1中结构(或图2中结构)的横截面示意图；
29.图5：基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备工艺流程图；
30.图6(a)：一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器中的lp
01
模式的光场分布模拟图；
31.图6(b)：一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器中的lp
11b
模式的光场分布模拟图；
32.图7(a)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输入lp
01
模式的光场传输模拟图；
33.图7(b)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输入lp
11b
模式的光场传输模拟图；
34.图8(a)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器输入lp
01
模式的光场传输模拟图；
35.图8(b)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器输入lp
11b
模式的光场传输模拟图；
36.图9：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的两输出端口中lp
01
和lp
11b
模式的归一化输出功率随波长的变化关系曲线；
37.图10：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的两输出端口中lp
01
和lp
11b
模式的归一化输出功率随波长的变化关系曲线；
38.图11(a)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的显微镜平面图；
39.图11(b)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输出波导的显微镜截面图；
40.图12(a)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的显微镜平面图；
41.图12(b)：一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的输出波导的显微镜截面图；
42.图13(a)：基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输入lp
01
模式时的输出光斑；
43.图13(b)：基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输入lp
11b
模式时的输出光斑；
44.图14(a)：基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器输入lp
01
模式时的输出光斑；
45.图14(b)：基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器输入lp
11b
模式时的输出光斑；
46.如图1所示，基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的结构示意图，各部件的名称为：输入直波导11，输入锥形波导12，3-db y分支分束器13，第一输出直波导14，第二输出直波导15。
47.如图2所示，基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的结构示意图，各部件的名称为：输入直波导21，输入锥形波导22，3-db y分支分束器23，第一连接直波导24，第二连接直波导25，第一连接弯曲波导26，第二连接弯曲波导27，第一输入锥形波导28，第二输入锥形波导29，第一3-db y分支分束器210，第二3-db y分支分束器211，第一输出直波导212，第二输出直波导213，第三输出直波导214，第四输出直波导215。
48.如图3所示，基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的3-db y分支分束器3的平面结构示意图，输入锥形波导12(或锥形波导22、锥形波导28、锥形波导28)可以有效的减小传输损耗，两分支中间的间隙w2可以更好的处理lp
01
模式和lp
11b
模式，且有利于工艺制备的实现。
49.如图4所示，为图1中结构(或图2中结构)的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底41，聚合物波导下包层42，聚合物光波导芯层43，聚合物波导上包层44。
50.如图5所示，图中的41为硅衬底，42为通过旋涂工艺制备的聚合物波导下包层，43为采用旋涂、光刻、显影工艺制备的聚合物光波导芯层，44为采用旋涂工艺制备的聚合物波导上包层。
51.如图6所示，为基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，(a)输入lp
01
模式时输入直波导1中的光场分布模拟图和(b)输入lp
11b
模式时输入直波导1中的光场分布模拟图，从这两幅光场分布模拟图可以看出，光场被较好的限制在了光波导芯层当中，保证了信号的有效传输。
52.如图7所示，为基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，(a)输入lp
01
模式时的光场分布模拟图和(b)输入lp
11b
模式时的光场分布模拟图，可以看出，输入两种模式时，两个输出端口的输出功率都相同，可以均匀的进行功率分配，实现了模式不敏感的目的。
53.如图8所示，为基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，(a)输入lp
01
模式时的光场分布模拟图和(b)输入lp
11b
模式时的光场分布模拟图，可以看出，输入两种模式时，四个输出端口的输出功率都相同，可以均匀的进行功率分配，实现了模式不敏感的目的。
54.如图9所示，为基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的两输出端口中lp
01
和lp
11b
模式的归一化输出功率随波长的变化关系曲线，可以看出，在c+l波段，输入lp
01
模式和lp
11b
模式都可以实现输出功率的均匀分配，器件对波长不敏感。
55.如图10所示，为基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器两输出端口中lp
01
和lp
11b
模式的归一化输出功率随波长的变化关系曲线，可以看出，在c+l波段，输入lp
01
模式和lp
11b
模式都可以实现输出功率的均匀分配，器件对波长不敏感。
56.图11(a)：图1中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的显微镜平面图，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；
57.图11(b)：图1中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器的输出波导的显微镜截面图，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；
58.图12(a)：图2中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的显微镜平面图，在实验过程中，我们选用实施例2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2中所选尺寸基本一致；
59.图12(b)：图2中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器的输入波导的显微镜截面图，在实验过程中，我们选用实施例2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2中所选尺寸基本一致；
60.图13(a)：图1中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输入lp
01
模式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
01
模式光斑，由此可见，图1所示的功分器可以实现lp
01
模式的功率分配功能；
61.图13(b)：图1中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器输入lp
11b
模式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
模式光斑，由此可见，图1所示的功分器可以实现lp
11b
模式的功率分配功能；
62.图14(a)：图2中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器输入lp
01
模式时的输出光斑测试图，在实验过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从测试通光图可以明显看出，四输出端口输出功率相近的lp
01
模式光斑，由此可见，图2所示的功分器可以实现lp
01
模式的功率分配功能；
63.图14(b)：图2中的一种基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器输入lp
11b
模式时的输出光斑测试图，在实验过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从测试通光图可以明显看出，四输出端口输出功率相近的lp
11b
模式光斑，由此可见，图2所示的功分器可以实现lp
11b
模式的功率分配功能；
具体实施方式
64.实施例1
65.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
66.实施例结构如图1所示，输入直波导11，第一输出直波导14，第二输出直波导15的长度a1、a1’、a1”相等为1000μm，输入锥形波导12的长度a2为635μm，3-db y分支分束器13的长度a3为1950μm；
67.如附图3所示，附图1中输入直波导11，3-db y分支分束器13的两个弯曲波导，第一输出直波导14，第二输出直波导15的宽度w为4.5μm，附图1中输入锥形波导12与3-db y分支分束器13连接处的宽度w1为9.18μm，附图1中3-db y分支分束器13的y分支结构的两分支与锥形波导12连接处两分支之间的间隙w2为0.18μm，附图1中3-db y分支分束器的第一输出直波导14和第二输出直波导15之间的间距w3为40μm；
68.硅片衬底41的厚度为1mm，聚合物波导下包层42为7μm，聚合物光波导芯层43的厚度为9μm，聚合物波导上包层的厚度为7μm。
69.本发明所述的基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备方法：
70.硅片衬底的清洁处理：将硅片衬底41用丙酮溶液浸泡，放在超声波清洗机中超声清10分钟，取出后分别用沾有丙酮和乙醇的棉球进行擦拭，然后用去离子水反复冲洗，最后用氮气吹干，放入干净的培养皿中并密封；
71.聚合物波导下包层的制备：采用旋涂工艺将epoclad聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底41上，转速为1800转/分钟，旋涂完毕后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光18s，再次烘烤3分钟，制得厚度为7μm的聚合物下包层；
72.采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备光波导芯层33：采用旋涂工艺将光波导芯层材料epocore旋涂在聚合物下包层上形成聚合物薄膜，旋涂的转速为1500转/分钟，制得的聚合物薄膜厚度为9μm；对制得的聚合物薄膜进行前烘，50℃烘烤2分钟，85℃烘烤5分钟，然后进行对板光刻，光刻机发出的紫外光波长为365nm，波导掩膜版为需要制备的模式功率分配器的结构(如图1所示)，待光刻板与硅片贴紧时进行光刻，曝光时间为26秒，将光刻完的硅片进行中烘，50℃烘烤2分钟，90℃烘烤5分钟，烘烤结束后进行降温处理，降至室温后进行下一步操作；对光波导芯层结构进行显影，先在epo显影液中湿法刻蚀60秒，除去未被曝光的非光波导芯层结构，只留下掩膜版对应的光波导芯层结构，然后用异丙醇溶液洗去显影液和硅片表面残留的光波导芯层材料，随后用去离子水将表面残留的异丙醇冲洗干净并用氮气吹干；最后进行后烘坚膜，在120℃温度下烘烤30分钟，这样就完成了条形结构的光波导芯层的制备；
73.聚合物波导上包层的制备：采用旋涂工艺将epoclad聚合物材料旋涂在制备完光波导芯层结构的硅片上，旋涂转速为1000转/分钟，120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光28s，烘烤3分钟，制得的波导芯层上方聚合物上包层厚度为7μm。
74.这样便制备出了符合要求的基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器。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11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11中时，捕获到的近场输出光斑如图13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分光效果，实现了功率分配的目的。
75.实施例2
76.实施例结构如附图2所示，输入直波导21，第一连接直波导24，第二连接直波导25，第一输出直波导212，第二输出直波导213，第三输出直波导214，第四输出直波导215的长度b1，b1’，b1”，b1
”’
，b1
””
，b1
””’
，b1
”””
相等为1000μm，输入锥形波导22，第一输入锥形波导28，第二输入锥形波导29的长度b2，b2’，b2”的长度相等为635μm，3-db y分支分束器23，第一3-db y分支分束器210，第二3-db y分支分束器211，第一连接弯曲波导26，第二连接弯曲波导27的长度b3，b3’，b3”，b3
”’
，b3
””
的长度相等为1950μm，第一连接弯曲波导26，第二连接弯曲波导27的波导中心间距b4为85μm；
77.如附图3所示，附图2中输入直波导21，第一3-db y分支分束器23的两个弯曲波导，第一连接直波导24，第二连接直波导25，第一连接弯曲波导26，第二连接弯曲波导27，第二输入锥形波导28，第三输入锥形波导29，第二3-db y分支分束器210的两个弯曲波导，第三3-db y分支分束器211的两个弯曲波导，第一输出直波导212，第二输出直波导213，第三输出直波导214，第四输出直波导215的宽度w相等为4.5μm，附图2中输入锥形波导22与3-db y分支分束器23连接处的宽度，附图2中第一输入锥形波导28与第一3-db y分支分束器210连接处的宽度，附图2中第一输入锥形波导29与第一3-db y分支分束器211连接处的宽度w1相等为9.18μm，附图2中3-db y分支分束器23的y分支结构的两分支与锥形波导12连接处两分支之间的间隙，附图2中第一3-db y分支分束器210的y分支结构的两分支与锥形波导28连接处两分支之间的间隙，附图2中第二3-db y分支分束器211的y分支结构的两分支与锥形波导29连接处两分支之间的间隙w2相等为0.18μm，附图2中第一连接直波导24和第二连接直波导25之间的间距，附图2中第一输出直波导212和第二输出直波导213之间的间距，附图2中第一输出直波导214和第二输出直波导215之间的间距w3相等为40μm；
78.硅片衬底41的厚度为1mm，聚合物波导下包层42为7μm，聚合物光波导芯层43的厚度为9μm，聚合物波导上包层的厚度为7μm。
79.本发明所述的基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备方法：
80.硅片衬底的清洁处理：将硅片衬底41用丙酮溶液浸泡，放在超声波清洗机中超声清10分钟，取出后分别用沾有丙酮和乙醇的棉球进行擦拭，然后用去离子水反复冲洗，最后用氮气吹干，放入干净的培养皿中并密封；
81.聚合物波导下包层的制备：采用旋涂工艺将epoclad聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底41上，转速为1800转/分钟，旋涂完毕后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光18s，再次烘烤3分钟，制得厚度为7μm的聚合物下包层；
82.采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备光波导芯层33：采用旋涂工艺将光波导芯层材料epocore旋涂在聚合物下包层上形成聚合物薄膜，旋涂的转速为1500转/分钟，制得的聚合物薄膜厚度为9μm；对制得的聚合物薄膜进行前烘，50℃烘烤2分钟，85℃烘烤5分钟，然后进行对板光刻，光刻机发出的紫外光波长为365nm，波导掩膜版为需要制备的模式功率分配器的结构(如图2所示)，待光刻板与硅片贴紧时进行光刻，曝光时间为26秒，将光刻完的硅片进行中烘，50℃烘烤2分钟，90℃烘烤5分钟，烘烤结束后进行降温处理，降至室温后进行下一步操作；对光波导芯层结构进行显影，先在epo显影液中湿法刻蚀60秒，除去未被曝光
的非光波导芯层结构，只留下掩膜版对应的光波导芯层结构，然后用异丙醇溶液洗去显影液和硅片表面残留的光波导芯层材料，随后用去离子水将表面残留的异丙醇冲洗干净并用氮气吹干；最后进行后烘坚膜，在120℃温度下烘烤30分钟，这样就完成了条形结构的光波导芯层的制备；
83.聚合物波导上包层的制备：采用旋涂工艺将epoclad聚合物材料旋涂在制备完光波导芯层结构的硅片上，旋涂转速为1000转/分钟，120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光28s，烘烤3分钟，制得的波导芯层上方聚合物上包层厚度为7μm。
84.这样便制备出了符合要求的基于y分支结构的模式不敏感的一分四的光功率分配器。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21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
、lp
11a
和lp
11b
模式分别发射到波导21中时，捕获到的近场输出光斑如图14所示，可以看到，从波导21输入的lp
01
、lp
11a
和lp
11b
模式，在两个输出端口均实现了良好的分光效果，实现了功率分配的目的。
85.应当指出的是，本发明中所提出的具体的实施方式只是本发明有代表性的例子，显然本发明的技术方案包括但不限于上述实施例，还可以有更多的形式，如采用铌酸锂、硅、氮化硅等波导材料。且该设计可以进行级联扩展，实现一分八、一分十六等功率分束功能。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：
1.一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器，其特征在于：整个器件基于y分支结构，从左到右依次由输入直波导(11)、输入锥形波导(12)、两个相同结构弯曲波导组成的3-db y分支分束器(13)、第一输出直波导(14)和第二输出直波导(15)构成的一分二光功率分配器；输入直波导(11)、第一输出直波导(14)、第二输出直波导(15)的长度a1、a1’、a1”相等为500～2000μm、输入锥形波导(12)的长度a2为50～1000μm、3-db y分支分束器(13)两个相同结构弯曲波导的长度a3为500～4000μm。2.一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器，其特征在于：整个器件由三个基于y分支结构的模式不敏感的一分二的光功率分配器级联而成，从左到右依次由输入直波导(21)、第一输入锥形波导(22)、第一3-db y分支分束器(23)、第一连接直波导(24)、第二连接直波导(25)、第一连接弯曲波导(26)、第二连接弯曲波导(27)、第二输入锥形波导(28)、第三输入锥形波导(29)、第二3-db y分支分束器(210)、第三3-db y分支分束器(211)、第一输出直波导(212)、第二输出直波导(213)、第三输出直波导(214)、第四输出直波导(215)构成的一分四光功率分配器；输入直波导(21)、第一连接直波导(24)、第二连接直波导(25)、第一输出直波导(212)、第二输出直波导(213)、第三输出直波导(214)、第四输出直波导(215)的长度b1、b1’、b1”、b1
”’
、b1
””
、b1
””’
、b1
”””
相等为500～2000μm，第一输入锥形波导(22)、第二输入锥形波导(28)、第三输入锥形波导(29)的长度b2、b2’、b2”相等为50～1000μm，第一3-db y分支分束器(23)、第二3-db y分支分束器(210)、第三3-db y分支分束器(211)、第一连接弯曲波导(26)、第二连接弯曲波导(27)的长度b3、b3’、b3”、b3
”’
、b3
””
相等为500～4000μm，第一连接弯曲波导(26)、第二连接弯曲波导(27)的波导中心间距b4为20～200μm。3.如权利要求1或2所述的一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器，其特征在于：输入直波导(11)、3-db y分支分束器(13)的两个弯曲波导、第一输出直波导(14)、第二输出直波导(15)、输入直波导(21)、第一3-db y分支分束器(23)的两个弯曲波导、第一连接直波导(24)、第二连接直波导(25)、第一连接弯曲波导(26)、第二连接弯曲波导(27)、第二输入锥形波导(28)、第三输入锥形波导(29)、第二3-db y分支分束器(210)的两个弯曲波导、第三3-db y分支分束器(211)的两个弯曲波导、第一输出直波导(212)、第二输出直波导(213)、第三输出直波导(214)、第四输出直波导(215)的宽度w相等为2～10μm；输入锥形波导(12)与3-db y分支分束器(13)连接处的宽度，第一输入锥形波导(22)与第一3-db y分支分束器(23)连接处的宽度，第二输入锥形波导(28)与第二3-db y分支分束器(210)连接处的宽度，第三输入锥形波导(29)与第三3-db y分支分束器(211)连接处的宽度w1相等为5～30μm；3-db y分支分束器(13)与输入锥形波导(12)连接处两分支之间的间隙，第一3-db y分支分束器(23)与第一锥形波导(12)连接处两分支之间的间隙，第二3-db y分支分束器(210)与第二锥形波导(28)连接处两分支之间的间隙，第三3-db y分支分束器(211)与第三锥形波导(29)连接处两分支之间的间隙w2相等为0.01～1μm；第一输出直波导(14)和第二输出直波导(15)之间的间距、第一连接直波导(24)和第二连接直波导(25)之间的间距、第一输出直波导(212)和第二输出直波导(213)之间的间距、第一输出直波导(214)和第二输出直波导(215)之间的间距w3相等为10～100μm。4.如权利要求1或2所述的一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器，其特征在于：从下至上输入直波导(11)、输入锥形波导(12)、3-db y分支分束器(13)、第一输出直
波导(14)、第二输出直波导(15)、输入直波导(21)、第一输入锥形波导(22)、第一3-db y分支分束器(23)、第一连接直波导(24)、第二连接直波导(25)、第一连接弯曲波导(26)、第二连接弯曲波导(27)、第二输入锥形波导(28)、第三输入锥形波导(29)、第二3-db y分支分束器(210)、第三3-db y分支分束器(211)、第一输出直波导(212)、第二输出直波导(213)、第三输出直波导(214)、第四输出直波导(215)依次由硅片衬底(41)、在硅片衬底(41)上制备的聚合物波导下包层(42)、在聚合物下包层(42)上制备的条形结构的聚合物光波导芯层(43)、在聚合物下包层(42)和聚合物光波导芯层(43)上制备的聚合物波导上包层(44)组成；聚合物光波导芯层(43)被包埋在聚合物波导上包层(44)之中。5.如权利要求1或2所述的一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器，其特征在于：硅片衬底(41)的厚度为0.5～1mm，聚合物波导下包层(42)的厚度为3～10μm，聚合物光波导芯层(43)的厚度为2～15μm，聚合物波导上包层(44)的厚度为3～10μm。6.如权利要求1或2所述的一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器，其特征在于：聚合物上、下包层材料是聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或epoclad；聚合物芯层材料是epocore、su-8 2002或su-82005，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或2所述的一种基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备方法，其步骤如下：a：硅片衬底的清洁处理将硅片衬底(41)放入丙酮溶液中，置于超声波清洗机中清洗3～10分钟，取出后分别用沾有丙酮和乙醇的棉球进行擦拭，然后用去离子水反复冲洗，最后用氮气吹干，放入干净的培养皿中并密封；b：聚合物波导下包层的制备采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底(41)上，转速为1000～5000转/分钟，在100～140℃条件下烘烤2～80分钟，制得聚合物下包层；如采用epoclad为包层材料，则需要整体曝光后再次加热；c：聚合物光波导芯层的制备采用旋涂工艺将聚合物芯层材料旋涂在制备好的聚合物下包层上，转速为1000～4000转/分钟；然后进行前烘，在50～120℃温度下烘烤3～40分钟；待降至室温后进行对版光刻，光刻机的紫外光波长为350～400nm，波导掩膜版结构为需要制备的芯层结构，曝光时间为4～40秒；光刻完成后进行中烘，在50～120℃温度下烘烤5～40分钟；待降至室温后进行显影，放入芯层光刻胶对应的专用显影液中湿法刻蚀4～100秒，将聚合物光波导芯层以外区域的芯层薄膜去除，然后放入异丙醇溶液中清去残留的显影液和聚合物光波导芯层材料，再用去离子水顺着波导方向反复冲洗干净，最后用氮气吹干；然后进行后烘坚膜，在120～150℃温度下烘烤20～50分钟，从而完成聚合物光波导芯层的制备；d：聚合物波导上包层的制备采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在制备好的聚合物光波导芯层(43)上，转速为1000～5000转/分钟；在100～140℃条件下烘烤4～180分钟，制得聚合物上包层(44)；上包层完全覆盖聚合物光波导芯层(43)和聚合物下包层(42)，这样便完成了基于y分支结构的模式不敏感的光功率分配器的制备。

技术总结
一种基于Y分支结构的模式不敏感的光功率分配器及其制备方法，属于平面光波导光功率分配器及其制备技术领域。整个器件基于Y分支结构，从左到右依次由输入直波导，输入锥形波导，两个相同结构弯曲波导组成的3-dB Y分支分束器，第一输出直波导和第二输出直波导构成一分二的光功率分配器，进行级联后可以得到一分四的光功率分配器。本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为光波导的上、下包层，以另一种聚合物作为光波导结构的芯层(芯层材料的折射率大于包层材料的折射率)，利用了有机聚合物材料加工性强、种类繁多的优势。同时，本发明采用的制备工艺简单且与半导体工艺兼容、易于集成、能够大规模生产，具有重要的实际应用价值。价值。价值。


技术研发人员：王希斌 孙士杰 林柏竹 廉天航 朱穆 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