一种基于MMI结构的少模波导光功率分配器及其制备方法

一种基于mmi结构的少模波导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器件及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为上包层和下包层，以折射率大于包层材料的有机聚合物材料作为芯层的基于多模干涉(mmi)结构的少模波导光功率分配器及其制备方法。


背景技术：

2.随着云计算、大数据、物联网等互联网技术的迅速发展，人们对信息传输的速度和数量需求都越来越高。传统的电互联由于信道间的串扰以及高频引起的严重损耗，传输数据的能力很难得到进一步提升。而光互联的出现成为解决这一问题的关键。光互联具有信息传输速度快、功耗低、传输损耗小、安全性高等优点，而且采用波分复用、模分复用等复用技术可以进一步提高单物理信道的传输容量。而模分复用作为提高信道容量的关键技术之一得到了广泛应用。
3.光功率分配器是指能够将光信号进行分配和合成的器件，是光集成器件中最基本的器件之一，还可以实现监控信号的功能。作为光功率分配器的一个重要分支，基于平面光波导结构的模式光功率分配器不仅可以与光纤很好的兼容，而且还具有结构紧凑、可调谐、插入损耗小、模式相关损耗小、设计灵活、种类丰富等优点。且由于采用光刻工艺制作，可以在非常小的面积上实现非常复杂的功能，可以获得非常高的集成度。但传统的光功率分配器只能实现对基模进行功率分配和合成，当高阶模式存在时，由于各个模式的有效折射率不同，高阶模式的耦合比较复杂，很难同时操纵所有的传输模式，在模分复用系统中的应用受到了非常大的限制，进而限制了光通信数据传输容量的进一步提高。因此，亟需开发出一种可以对多个模式同时实现功率分配的光功率分配器。
4.可用于制备平面光波导光功率分配器的材料体系包括硅、聚合物、铌酸锂等。与无机材料相比，聚合物材料制备平面光波导器件具有制作工艺简单、成本低廉的优点。而且，聚合物材料本身具有介电常数低、光学损伤阈值高、能够与半导体工艺兼容等特点。此外，聚合物材料还可以进行功能掺杂，以得到想要的优良性能，有着很好的发展前景。


技术实现要素：

5.为了克服传统的光功率分配器的不足，本发明的目的在于提供一种可以处理多个光学模式的基于mmi结构的少模波导光功率分配器及其制备方法。
6.本发明采用传统的多模干涉(mmi)光波导结构，将其级联可以实现更多数量的功率分配。在平面光波导器件的结构设计中，mmi是一种非常基本的器件结构，也是一种非常容易实现的波导干涉仪方案，在光通信领域和平面光波导模式功率分配器领域具有重要的应用价值。mmi结构主要由输入波导、多模干涉波导、输出波导构成，通过自映像原理实现功率分配的功能。
7.本发明以硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为光波导的下包层和上包层，以折射率不相同的有机聚合物材料作为光波导芯层，其中用于制作光波导芯层的聚合物材料的
折射率大于上、下包层材料的折射率。本发明充分利用了现有的聚合物材料具有种类多、加工性强、成本低廉、可以进行掺杂获得更好的性能的优点。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、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，一种基于mmi结构的两模光功率分配器(可用于lp
01
、lp
11b
两种模式的功率分配)，其特征在于：整个器件基于mmi光波导结构，从左至右沿光的传播方向，依次由输入少模直波导11(可传输lp
01
、lp
11b
模式)、输入锥形波导12、多模干涉波导13、第一输出锥形波导14和第二输出锥形波导15、第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17构成；其中，输入锥形波导12用于连接输入少模直波导11和多模干涉波导13，第一输出锥形波导14用于连接多模干涉波导13和第一输出少模直波导16，第二输出锥形波导15用于连接多模干涉波导13和第二输出少模直波导17；输入少模直波导11、第一输出少模直波导16、第二输出少模直波导17的结构和尺寸相同，长度a1、a1’、a1”相等，为500～2000μm；宽度w1、w1’、w1”相等，为3～7μm；输入锥形波导12、第一输出锥形波导14、第二输出锥形波导15的结构和尺寸相同，输入锥形波导12、第一输出锥形波导14、第二输出锥形波导15的长度a2、a2’、a2”相等，为200～1000μm；输入锥形波导12、第一输出锥形波导14、第二输出锥形波导15与多模干涉波导13连接处的宽度w2，w2’，w2”相等，为5～14μm；多模干涉波导13的长度a3为1000～10000μm，宽度w3为20～100μm。
10.如附图3(a)所示，基于mmi结构的两模光功率分配器的输入少模直波导11、输入锥形波导12、多模干涉波导13、第一输出锥形波导14、第二输出锥形波导15、第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17，从下至上依次由硅片衬底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上制备的条形结构的光波导芯层33、在光波导芯层33和聚合物下包层32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中。
11.光从输入少模直波导11输入，经输入锥形波导12过渡进入到多模干涉波导13当中，在多模干涉波导13中激发出多个光学模式并相互干涉，随后通过第一输出锥形波导14和第二输出锥形波导15输出到第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17当中。输出光的模式与输入光的模式相同，输入lp
01
模式，输出也为lp
01
模式，输入lp
11b
模式，输出也为lp
11b
模式。
12.如附图2所示，一种基于mmi结构的三模光功率分配器(可用于lp
01
、lp
11a
、lp
11b
三种模式的功率分配)，其特征在于：整个器件基于mmi光波导结构，从左至右沿光的传输方向，依次由输入少模直波导21(可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式)、输入锥形波导22、多模干涉波导23、第一输出锥形波导24和第二输出锥形波导25、第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27构成；其中，输入锥形波导22用于连接输入少模直波导21和多模干涉波导23，第一输出锥形波导24用于连接多模干涉波导23和第一输出少模直波导26，第二输出锥形波导25用于连接多模干涉波导23和第二输出少模直波导27；输入少模直波导21、第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27的结构和尺寸相同，长度b1、b1’、b1”相等，为500～2000μm；宽度e1、e1’、e1”相等，为6～11μm；输入锥形波导22、第一输出锥形波导24、第二输出锥形波导25的结构和尺寸相同，长度b2、b2’、b2”相等，为1000～3000μm；输入锥形波导22、第一输出锥形波导24、第二输出锥形波导25与多模干涉波导23相接处的宽度e2，e2’，e2”相等，
为10～25μm；多模干涉波导23的长度b3为1000～10000μm，宽度e3为20～100μm。
13.光从输入少模直波导21输入，经输入锥形波导22进入到多模干涉波导23当中，在多模干涉波导23中激发出多个光学模式，在传输过程中相互干涉，随后通过第一输出锥形波导24和第二输出锥形波导25输出到第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27当中。输出光的模式与输入光的模式相同，输入lp
01
模式，输出也为lp
01
模式；输入lp
11a
模式，输出也为lp
11a
模式；输入lp
11b
模式，输出也为lp
11b
模式。
14.如附图3(b)所示，基于mmi结构的三模光功率分配器的输入少模直波导21、输入锥形波导22、多模干涉波导23、第一输出锥形波导24、第二输出锥形波导25、第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27，从下至上依次由硅片衬底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上制备的条形结构的光波导芯层33’、在光波导芯层33’和聚合物下包层32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中。
15.硅片衬底31的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层32的厚度为3～15μm，光波导芯层33的厚度为1～10μm(光波导芯层33’的厚度为1～13μm)，聚合物上包层34的厚度为3～15μm。
16.本发明所述的基于mmi结构的少模波导光功率分配器及其制备方法，其制备工艺流程见附图4，具体叙述为：
17.a：硅片衬底的清洁处理
18.用沾有丙酮的棉球用力擦拭硅片衬底31，反复擦拭2～3次，再用沾有乙醇的棉球用力擦拭硅片衬底，反复擦拭2～3次，擦拭干净后用去离子水反复冲洗干净，最后用氮气将硅片吹干，然后放入干净的培养皿中并密封；
19.b：聚合物光波导下包层的制备
20.采用旋涂工艺将聚合物下包层材料(该聚合物下包层材料是包括聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)、epoclad等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂的转速为1000～5000转/分钟，旋涂完毕后在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟(epoclad等特殊材料烘烤结束后需整体曝光5～60s，然后再在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟)，制得的聚合物下包层32的厚度为3～15μm；
21.c：聚合物光波导芯层的制备
22.采用旋涂工艺将光波导芯层材料(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)旋涂在聚合物下包层上形成光波导芯层薄膜，旋涂的转速为1000～5000转/分钟，制得的光波导芯层厚度为1～13μm；对制得的聚合物芯层进行前烘50℃～180℃烘烤3～30分钟，烘烤结束后自然冷却室温；对光波导芯层进行对板光刻，光刻机发出的紫外光波长为350～400nm，波导掩膜版与需要制备的模式功率分配器的结构互补(如图1或图2所示)，待光刻板与硅片贴紧时进行曝光，曝光时间为4～40秒，使需要制备器件的输入少模直波导、输入锥形波导、多模干涉波导、第一输出锥形波导和第二输出锥形波导、第一输出少模直波导和第二输出少模直波导结构之内的光波导芯层被紫外曝光；将光刻完的硅片从光刻机取下进行中烘，在50℃～180℃烘烤5～30分钟，烘烤结束后自然冷却室温；对光波导芯层结构进行显影，先在光波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀15～80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；最后在120℃～150℃温度下烘烤30～60分钟进行后烘坚膜，这样就完成了条形结构的光波导芯层33(33’)的制备；
23.d：聚合物光波导上包层的制备
24.采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在波导芯层33(33’)及聚合物下包层32上，旋涂的转速为1000～5000转/分钟，旋涂完毕后在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟，制得的聚合物上包层34的厚度为3～15μm(光波导芯层上面的上包层厚度)；从而完成本发明所述的基于mmi结构的两模波导光功率分配器。
25.与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明的波导型模式功率分配器结合了mmi光波导结构工艺容差大、尺寸小的特点，还利用了有机聚合物材料种类繁多的优势，实现了可同时对两个和三个光学模式进行功率分配的目的；另外，采用聚合物材料制备器件的工艺相对简单，只需旋涂、光刻等常规工艺，不需要难度较高的工艺，而且生产成本低、效率高、能够大规模批量生产，是能够应用到实际当中的多模式功率分配器。
附图说明
27.图1：本发明所述的基于mmi结构的可实现lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的结构示意图；
28.图2：本发明所述的基于mmi结构的可实现lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的结构示意图；
29.图3(a)：图1中结构的横截面示意图；
30.图3(b)：图2中结构的横截面示意图；
31.图4：基于mmi结构的光功率分配器的制备工艺流程图；
32.图5(a)：基于mmi结构的两模光功率分配器中的lp
01
模式的光场分布模拟图；
33.图5(b)：基于mmi结构的两模光功率分配器中的lp
11b
模式的光场分布模拟图；
34.图6(a)：基于mmi结构的三模光功率分配器中的lp
01
模式的光场分布模拟图；
35.图6(b)：基于mmi结构的三模光功率分配器中的lp
11a
模式的光场分布模拟图；
36.图6(c)：基于mmi结构的三模光功率分配器中的lp
11b
模式的光场分布模拟图；
37.图7(a)：基于mmi结构的两模光功率分配器输入lp
01
模式的光场传输模拟图；
38.图7(b)：基于mmi结构的两模光功率分配器输入lp
11b
模式的光场传输模拟图；
39.图8(a)：基于mmi结构的三模光功率分配器输入lp
01
模式的光场传输模拟图；
40.图8(b)：基于mmi结构的三模光功率分配器输入lp
11a
模式的光场传输模拟图；
41.图8(c)：基于mmi结构的三模光功率分配器输入lp
11b
模式的光场传输模拟图；
42.图9：基于mmi结构的两模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；
43.图10：基于mmi结构的三模光功率分配器的两输出端口中lp
01
、lp
11a
、和lp
11b
模式的归一化输出功率随波长的变化关系曲线；
44.图11(a)：基于mmi结构的两模光功率分配器的显微镜平面图；
45.图11(b)：基于mmi结构的两模光功率分配器输入直波导的显微镜截面图；
46.图12(a)：基于mmi结构的三模光功率分配器显微镜平面图；
47.图12(b)：基于mmi结构的两模光功率分配器输入直波导的显微镜截面图；
48.图13(a)：基于mmi结构的两模光功率分配器输入lp
01
模式时的器件输出光斑；
49.图13(b)：基于mmi结构的两模光功率分配器输入lp
11b
模式时的器件输出光斑；
50.图14(a)：基于mmi结构的三模光功率分配器输入lp
01
模式时的器件输出光斑；
51.图14(b)：基于mmi结构的三模光功率分配器输入lp
11a
模式时的器件输出光斑；
52.图14(c)：基于mmi结构的三模光功率分配器输入lp
11b
模式时的器件输出光斑；
53.如图1所示，基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的平面结构示意图，各部件的名称为：输入少模直波导11，输入锥形波导12，多模干涉波导13，第一输出锥形波导14，第二输出锥形波导15，第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17。
54.如图2所示，基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的结构示意图，各部件的名称为：输入少模直波导21，输入锥形波导22，多模干涉波导23，第一输出锥形波导24，第二输出锥形波导25，第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27。
55.如图3(a)所示，为图1中基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的横截面示意图，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。
56.如图3(b)所示，为图2中基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的横截面示意图，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。
57.如图4所示，图中的31为硅衬底，32为通过旋涂工艺制备的聚合物下包层，33(33’)为通过旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的光波导芯层，34为通过旋涂工艺制备的聚合物上包层。
58.图5(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的输入少模直波导11中的lp
01
模式的光场分布模拟图，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，从模拟图中可以明显看出，光场主要集中在矩形波导芯层之中，因此可以保证lp
01
模式光信号在光波导中有效进行传输；
59.图5(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的输入少模直波导11中的lp
11b
模式的光场分布模拟图，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，从模拟图中可以明显看出，光场主要集中在矩形波导芯层之中，因此可以保证lp
11b
光信号在光波导中有效进行传输；
60.图6(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的输入少模直波导21中的lp
01
模式的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从模拟图中可以明显看出，光场主要集中在矩形波导芯层之中，因此可以保证lp
01
模式光信号在光波导中有效进行传输；
61.图6(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的输入少模直波导21中的lp
11a
模式的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从模拟图中可以明显看出，光场主要集中在矩形波导芯层之中，因此可以保证lp
11a
模式光信号在光波导中有效进行传输；
62.图6(c)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的输入少模直波导21中的lp
11b
模式的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从模拟图中可以明显看出，光场主要集中在矩形波导芯层之中，因此可以保证lp
11b
模式光信号在光波导中有效进行传输；
63.图7(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器输入lp
01
模式的光场传输模拟图及输出端口光场分布模拟图，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，从模拟图中可以明显看出，输入lp
01
模式时，输出为功率相同的lp
01
模式；
64.图7(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器输入lp
11b
模式的光场传输模拟图及输出端口光场分布模拟图，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，从模拟图中可以明显看出，输入lp
11b
模式时，输出为功率相同的lp
11b
模式；
65.图8(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器输入lp
01
模式的光场传输模拟图及输出端口光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从模拟图中可以明显看出，输入lp
01
模式时，输出为功率相同的lp
01
模式；
66.图8(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器输入lp
11a
模式的光场传输模拟图及输出端口光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从模拟图中可以明显看出，输入lp
11a
模式时，输出为功率相同的lp
11a
模式；
67.图8(c)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器输入lp
11b
模式的光场传输模拟图及输出端口光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从模拟图中可以明显看出，输入lp
11b
模式时，输出为功率相同的lp
11b
模式；
68.图9：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模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波段，输出功率随波长变化波动较小，器件对波长不敏感。
69.图10：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的两输出端口中lp
01
、lp
11a
、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波段，输出功率随波长变化波动较小，器件对波长不敏感。
70.图11(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模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；
71.图11(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的显微镜截面图，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；
72.图12(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模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；
73.图12(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的显微镜截面图，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；
74.图13(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器输入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；
75.图13(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器输入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；
76.图14(a)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器输入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，两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；
77.图14(b)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器输入lp
11a
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，两输出端口输出功率相近的lp
11a
模式光斑，由此可见图2所示的功分器可以实现lp
11a
模式的功率分配功能；
78.图14(c)：基于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式三模光功率分配器输入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，两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
79.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
80.实施例1
81.如图1所示，输入少模直波导11、第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17的长度a1、a1’、a1”相等，为1000μm，输入少模直波导11、第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17的宽度w1、w1”、w1”相等，为4.5μm，输入锥形波导12、第一输出锥形波导14和第二输出锥形波导15的长度a2、a2’、a2”相等，为450μm，输入锥形波导12、第一输出锥形波导14、第二输出锥形波导15与多模干涉波导13相接处的宽度w2，w2’，w2”相等，为9.5μm，多模干涉波导13的长度a3为2180μm，多模干涉波导13的宽度w3为30μm。
82.如附图3(a)所示，从下到上，输入少模直波导11、输入锥形波导12、多模干涉波导13、第一输出锥形波导14、第二输出锥形波导15、第一输出少模直波导16和第二输出少模直波导17，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。
83.硅片衬底31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，波导上包层34的厚度为7μm(光波导芯层之上的上包层厚度)。
84.本发明所述的于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11b
模式的两模光功率分配器的制备方法：
85.硅片衬底的清洁处理：用沾有丙酮的棉球用力擦拭硅片衬底，反复擦拭三次，再用沾有乙醇的棉球用力擦拭硅片衬底，反复擦拭三次，擦拭干净后用去离子水反复冲洗干净，最后用氮气将硅片吹干，然后放入干净的培养皿中并密封；
86.聚合物光波导下包层的制备：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上，旋涂的转速为1800转/分钟，旋涂完毕后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光18s，再次在120℃条件下烘烤3分钟，制得的聚合物下包层厚度为7μm；
87.采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备器件包括输入/输出区、多模干涉区在内的光波导芯层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，采用阶梯升温的方法，先在50℃烘烤2分钟，再在85℃烘烤5分钟，烘烤结束后进行降温处理；对制备完成的聚合物薄膜进行对板光刻，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，使需要制备的器件输入/输出区、多模干涉区以及连接多模干涉区与输入输出区的锥形波导区的光波导芯层区域被紫外曝光；将光刻完的硅片从光刻机取下进行中烘，先在50℃烘烤2分钟，然后在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；
88.聚合物光波导上包层的制备：采用旋涂工艺将epoclad聚合物上包层材料旋涂在制备完光波导芯层结构的硅片上，旋涂的转速为1000转/分钟，旋涂完毕后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光28s，再次烘烤3分钟，制得的波导芯层上方聚合物上包层厚度为7μm。
89.这样便制备出了符合要求的基于mmi结构的双模波导功率分配器。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的输入光发射到输入少模直波导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
模式分别发射到输入少模直波导11中时，捕获到的近场输出光斑如图13所示，可以看到，从输入少模直波导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。
90.实施例2
91.如图2所示，输入少模直波导21、第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27的长度b1、b1’、b1”相等，均为1000μm；输入少模直波导21、第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27的宽度e1、e1’、e1”相等，均为8.5μm，输入锥形波导22、第一输出锥形波导24和第二输出锥形波导25的长度b2、b2’、b2”相等，均为1950μm，输入锥形波导22、第一输出锥形波导24、第二输出锥形波导25与多模干涉波导23相接处的宽度e2，e2’，e2”相等，均为20μm，多模干涉波导23的长度b3为5630μm，多模干涉波导23的宽度e3为50μm。
92.如附图3(b)所示，输入少模直波导21、输入锥形波导22、多模干涉波导23、第一输出锥形波导24、第二输出锥形波导25、第一输出少模直波导26和第二输出少模直波导27，从下至上，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。
93.硅片衬底31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8.5μm，波导上包层34的厚度为7μm(光波导芯层之上的上包层厚度)。
94.本发明所述的于mmi结构的可传输lp
01
、lp
11a
、lp
11b
模式的三模光功率分配器的制备方法：
95.硅片衬底的清洁处理：用沾有丙酮的棉球用力擦拭硅片衬底，反复擦拭三次，再用沾有乙醇的棉球用力擦拭硅片衬底，反复擦拭三次，擦拭干净后用去离子水反复冲洗干净，最后用氮气将硅片吹干，然后放入干净的培养皿中并密封；
96.聚合物光波导下包层的制备：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上，旋涂的转速为1800转/分钟，旋涂完毕后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光18s，再次在120℃条件下烘烤3分钟，制得的聚合物下包层厚度为7μm；
97.采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备器件包括输入/输出区、多模干涉区在内的光波导芯层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1900转/分钟，制得的聚合物薄膜厚度为8.5μm；对制得的聚合物薄膜进行前烘，采用阶梯升温的方法，先在50℃烘烤2分钟，在85℃烘烤5分钟，烘烤结束后进行降温处理；对制备完成的聚合物薄膜进行对板光刻，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23秒，使需要制备的器件输入/输出区、多模干涉区以及连接多模干涉区与输入输出区的锥形波导区的光波导芯层区域被紫外曝光；将光刻完的硅片从光刻机取下进行中烘，先在50℃烘烤2分钟，然后在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50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；
98.聚合物光波导上包层的制备：采用旋涂工艺将epoclad聚合物上包层材料旋涂在制备完光波导芯层结构的硅片上，旋涂的转速为1100转/分钟，旋涂完毕后在120℃条件下烘烤5分钟，整体曝光27s，再次烘烤3分钟，制得的波导芯层上方聚合物上包层厚度为7μm。
99.这样便制备出了符合要求的基于mmi结构的三模波导功率分配器。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的输入光发射到输入少模直波导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
模式分别发射到输入少模直波导21中时，捕获到的近场输出光斑如图14所示，可以看到，从输入少模直波导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。
100.应当指出的是，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，如每一个功分器都可以作为单元结构进行级联实现进一步的扩展和应用，而且该设计的材料也不仅仅局限与此，还可以采用铌酸锂、硅、氮化硅等波导材料。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mmi结构的少模波导光功率分配器，其特征在于：整个器件基于mmi光波导结构，从左至右沿光的传播方向，依次由输入少模直波导(1)、输入锥形波导(12)、多模干涉波导(13)、第一输出锥形波导(14)和第二输出锥形波导(15)、第一输出少模直波导(16)和第二输出少模直波导(17)构成；其中，输入锥形波导(12)用于连接输入少模直波导(11)和多模干涉波导(13)，第一输出锥形波导(14)用于连接多模干涉波导(13)和第一输出少模直波导(16)，第二输出锥形波导(15)用于连接多模干涉波导(13)和第二输出少模直波导(17)；输入少模直波导(11)、第一输出少模直波导(16)、第二输出少模直波导(17)的结构和尺寸相同，输入锥形波导(12)、第一输出锥形波导(14)、第二输出锥形波导(15)的结构和尺寸相同；输入少模直波导(11)、输入锥形波导(12)、多模干涉波导(13)、第一输出锥形波导(14)、第二输出锥形波导(15)、第一输出少模直波导(16)和第二输出少模直波导(17)从下至上依次由硅片衬底(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)上制备的条形结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)和聚合物下包层(32)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)中。2.如权利要求1所述的一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器，其特征在于：输入少模直波导(11)、第一输出少模直波导(16)、第二输出少模直波导(17)的长度a1、a1’、a1”相等，为500～2000μm；宽度w1、w1’、w1”相等，为3～7μm；输入锥形波导(12)、第一输出锥形波导(14)、第二输出锥形波导(15)的长度a2、a2’、a2”相等，为200～1000μm；输入锥形波导(12)、第一输出锥形波导(14)、第二输出锥形波导(15)与多模干涉波导(13)连接处的宽度w2，w2’，w2”相等，为5～14μm；多模干涉波导(13)的长度a3为1000～10000μm，宽度w3为20～100μm；硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(32)的厚度为3～15μm，光波导芯层(33)的厚度为1～10μm，聚合物上包层(34)的厚度为3～15μm。3.如权利要求1所述的一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器，其特征在于：光从输入少模直波导(11)输入，经输入锥形波导(12)过渡进入到多模干涉波导(13)当中，在多模干涉波导(13)中激发出多个光学模式并相互干涉，随后通过第一输出锥形波导(14)和第二输出锥形波导(15)输出到第一输出少模直波导(16)和第二输出少模直波导(17)当中；输出光的模式与输入光的模式相同，输入lp
01
模式，输出也为lp
01
模式，输入lp
11b
模式，输出也为lp
11b
模式。4.一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器，其特征在于：整个器件基于mmi光波导结构，从左至右沿光的传输方向，依次由输入少模直波导(21)、输入锥形波导(22)、多模干涉波导(23)、第一输出锥形波导(24)和第二输出锥形波导(25)、第一输出少模直波导(26)和第二输出少模直波导(27)构成；其中，输入锥形波导(22)用于连接输入少模直波导(21)和多模干涉波导(23)，第一输出锥形波导(24)用于连接多模干涉波导(23)和第一输出少模直波导(26)，第二输出锥形波导(25)用于连接多模干涉波导(23)和第二输出少模直波导(27)；输入少模直波导(21)、第一输出少模直波导(26)和第二输出少模直波导(27)的结构和尺寸相同，输入锥形波导(22)、第一输出锥形波导(24)、第二输出锥形波导(25)的结构和尺寸相同；输入少模直波导(21)、输入锥形波导(22)、多模干涉波导(23)、第一输出锥形波导(24)、第二输出锥形波导(25)、第一输出少模直波导(26)和第二输出少模直波导(27)从下
至上依次由硅片衬底(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)上制备的条形结构的光波导芯层(33’)、在光波导芯层(33’)和聚合物下包层(32)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)中。5.如权利要求4所述的一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器，其特征在于：输入少模直波导(21)、第一输出少模直波导(26)和第二输出少模直波导(27)的长度b1、b1’、b1”相等，为500～2000μm；宽度e1、e1’、e1”相等，为6～11μm；输入锥形波导(22)、第一输出锥形波导(24)、第二输出锥形波导(25)长度b2、b2’、b2”相等，为1000～3000μm；输入锥形波导(22)、第一输出锥形波导(24)、第二输出锥形波导(25)与多模干涉波导(23)相接处的宽度e2，e2’，e2”相等，为10～25μm；多模干涉波导(23)的长度b3为1000～10000μm，宽度e3为20～100μm；硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(32)的厚度为3～15μm，光波导芯层(33’)的厚度为1～13μm，聚合物上包层(34)的厚度为3～15μm。6.如权利要求4所述的一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器，其特征在于：光从输入少模直波导(21)输入，经输入锥形波导(22)进入到多模干涉波导(23)当中，在多模干涉波导(23)中激发出多个光学模式，在传输过程中相互干涉，随后通过第一输出锥形波导(24)和第二输出锥形波导(25)输出到第一输出少模直波导(26)和第二输出少模直波导(27)当中；输出光的模式与输入光的模式相同，输入lp
01
模式，输出也为lp
01
模式；输入lp
11a
模式，输出也为lp
11a
模式；输入lp
11b
模式，输出也为lp
11b
模式。7.权利要求1～6任何一项所述的一种基于mmi结构的少模波导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用沾有丙酮的棉球用力擦拭硅片衬底(31)，反复擦拭2～3次，再用沾有乙醇的棉球用力擦拭硅片衬底，反复擦拭2～3次，擦拭干净后用去离子水反复冲洗干净，最后用氮气将硅片吹干，然后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上，旋涂的转速为1000～5000转/分钟，旋涂完毕后在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟；epoclad烘烤结束后需整体曝光5～60s，然后再在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟；制得的聚合物下包层(32)的厚度为3～15μm；c：聚合物光波导芯层的制备采用旋涂工艺将光波导芯层材料旋涂在聚合物下包层上形成光波导芯层芯层薄膜，旋涂的转速为1000～5000转/分钟，制得的光波导芯层芯层厚度为1～13μm；对制得的聚合物芯层进行前烘50℃～180℃烘烤3～30分钟，烘烤结束后自然冷却室温；对光波导芯层进行对板光刻，光刻机发出的紫外光波长为350～400nm，波导掩膜版与需要制备的模式功率分配器的结构互补待光刻板与硅片贴紧时进行曝光，曝光时间为4～40秒，使需要制备器件的输入少模直波导、输入锥形波导、多模干涉波导、第一输出锥形波导和第二输出锥形波导、第一输出少模直波导和第二输出少模直波导结构之内的光波导芯层被紫外曝光；将光刻完的硅片从光刻机取下进行中烘，在50℃～180℃烘烤5～30分钟，烘烤结束后自然冷却室温；对光波导芯层结构进行显影，先在光波导芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀15～80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；最后在120℃～150℃温度下烘烤30～60分钟进行后烘坚膜，从而完成条形结构的光波导芯层(33)或光波导芯层(33’)的制备；d：聚合物光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光波导芯层(33)或光波导芯层(33’)及聚合物下包层(32)上，旋涂的转速为1000～5000转/分钟，旋涂完毕后在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟，制得的聚合物上包层(34)的厚度为3～15μm；从而完成基于mmi结构的两模或三模光功率分配器的制备。8.如权利要求7所述的一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器的制备方法，其特征在于：聚合物上、下包层材料是聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或epoclad，当使用epoclad时烘烤结束后需整体曝光5～60s，然后再在120℃～150℃条件下烘烤3～60分钟。9.如权利要求7所述的一种基于mmi结构的少模波导光功率分配器的制备方法，其特征在于：光波导芯层材料是epocore、su-8 2002或su-8 2005，光波导芯层材料的折射率高于聚合物上、下包层材料的折射率。

技术总结
一种基于MMI结构的少模波导光功率分配器及其制备方法，属于平面光波导器件及其制备技术领域。整个器件基于MMI光波导结构，从左至右沿光的传播方向，依次由输入少模直波导、输入锥形波导、多模干涉波导、第一输出锥形波导和第二输出锥形波导、第一输出少模直波导和第二输出少模直波导构成；或由输入少模直波导、输入锥形波导、多模干涉波导、第一输出锥形波导和第二输出锥形波导、第一输出少模直波导和第二输出少模直波导构成；本发明的波导型模式功率分配器结合了MMI光波导结构工艺容差大、尺寸小的特点，实现了可同时对两个和三个光学模式进行功率分配的目的；本发明具有器件生产成本低、效率高、能够大规模批量生产的优良效果。能够大规模批量生产的优良效果。能够大规模批量生产的优良效果。


技术研发人员：王希斌 孙士杰 林柏竹 朱穆 廉天航 孙雪晴 车远华 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