一种超宽带层间波导光分束器及其制备方法

本发明属于层间波导光分束器及其制备，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层间波导光分束器的下包层、中间包层、上包层、下芯层和上芯层的超宽带层间波导光分束器及其制备方法。

背景技术：

1、随着大数据、人工智能等新型技术的发展，通信系统所需的数据传输容量快速增长。与传统的电互联相比，光互联被认为是一种能够实现更大容量、更高传输速度的有效技术，也已经成为了数字通信的最主要手段。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，由于光子芯片需要处理的信息越来越多，片上复杂度和串扰越来越高，芯片尺寸也越来越大，三维光子集成芯片成为了实现光子芯片小型化和集成化的新方法。三维光子集成芯片能够在一个芯片上集成多层器件，实现灵活设计和高密度集成，目前已经成为了光通信领域的前沿与热点研究课题。

2、光分束器用于实现信号光的分束和合束，是构成光开关、光调制器的重要组成部分，也是光通信系统最重要的器件之一。光波导型光分束器作为光分束器的一个重要分支，近年来发展迅猛，它不仅具有光纤型光分束器的优点，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，而且用于制备光波导型光分束器的材料种类丰富，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。有机聚合物材料极具发展和应用前景，目前已经成为了实现低成本、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。然而，目前能够应用于三维光子集成芯片的层间波导光分束器还比较缺乏，并且存在带宽小、不易于集成等问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，实现三维光子集成芯片中信号光在不同层波导之间的信息交互，本发明的目的在于提供一种可以应用于三维光子集成芯片的超宽带层间波导光分束器及其制备方法。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、中间包层和上包层、以折射率较大的有机聚合物材料作为波导的下芯层和上芯层，充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强的优势。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，有效的扩展了聚合物基集成光电子器件在三维光子集成芯片当中的应用，因而具有重要的实际应用价值。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、如附图1所示(为图2中a-a’位置的截面图)，本发明所述的一种超宽带层间波导光分束器基于空间绝热原理[physical review a73,032319(2006).]制备得到，该技术已被证明对制造误差和波长色散具有非常强的鲁棒性，被广泛应用于波导型光耦合器以及光通信领域。该超宽带层间波导光分束器，从下到上由硅衬底31、在硅衬底31上制备的聚合物光波导下包层32、在聚合物光波导下包层32上制备的条形聚合物光波导下芯层33、在聚合物光波导下包层32和条形聚合物光波导下芯层33上制备的聚合物光波导中间包层34，在聚合物光波导中间包层34上制备的条形聚合物光波导上芯层35，在聚合物光波导中间包层34和条形聚合物光波导上芯层35上制备的聚合物光波导上包层36组成，且条形聚合物光波导下芯层33被包覆在聚合物光波导中间包层34之中，条形聚合物光波导上芯层35被包覆在聚合物光波导上包层36之中。

4、如附图2所示，条形聚合物光波导下芯层33由分立的下层输出波导1、下层左侧直波导2、下层输入直波导3和下层右侧直波导4组成，条形聚合物光波导上芯层35由上层输出直波导5组成；下层左侧直波导2和下层右侧直波导4关于下层输入直波导3对称设置，上层输出直波导5与下层输入直波导3平行设置；下层输出波导1、下层左侧直波导2和下层右侧直波导4沿下层输入直波导3方向(即z轴方向)的投影长度与下层输入直波导3和上层输出直波导5的长度相等为l1＝100～10000μm，宽度相等为w1＝1～20μm；在输入端，下层左侧直波导2与下层输入直波导3的间隙、下层右侧直波导4与下层输入直波导3的间隙相等为g1＝2～30μm；在输出端，下层左侧直波导2与下层输入直波导3的间隙、下层右侧直波导4与下层输入直波导3的间隙相等为g2＝0.5～12μm，且g1>g2；在输入端，上层输出直波导5位于下层右侧直波导4的正上方，间隙g3＝0.5～12μm；下层输出波导1的位置应使得“下层输出波导1和下层左侧直波导2之间的耦合系数”与“下层右侧直波导4和上层输出直波导5之间的耦合系数”相同；条形聚合物光波导下芯层33和条形聚合物光波导上芯层35材料的折射率高于聚合物光波导下包层32、聚合物光波导中间包层34和聚合物光波导上包层36材料的折射率。

5、硅衬底31的厚度为0.5～2mm，聚合物光波导下包层32的厚度为3～20μm，条形聚合物光波导下芯层33的厚度为3～10μm，条形聚合物光波导下芯层33之上的聚合物光波导中间包层34的厚度为0.5～12μm，条形聚合物光波导上芯层35的厚度为3～10μm，条形聚合物光波导上芯层35之上的聚合物光波导上包层36的厚度为3～20μm。

6、光从下层输入直波导3输入，经下层左侧直波导2和下层右侧直波导4(在两个距离接近的波导之间，由于导波模式中隐矢波重叠，发生光能量交换，因此信号光从下层输入直波导3耦合进入到下层左侧直波导2和下层右侧直波导4当中)分别耦合到下层输出波导1和上层输出直波导5当中，并从下层输出波导1和上层输出直波导5输出。

7、本发明所述的一种超宽带层间波导光分束器的制备方法，其制备工艺流程如图3所示，具体步骤如下：

8、a：硅衬底31的清洁处理

9、分别用沾有丙酮和乙醇的棉球擦拭硅衬底31，再用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；

10、b：聚合物光波导下包层32的制备

11、采用旋涂工艺将聚合物光波导下包层材料(该聚合物光波导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)、epoclad等在内的一系列透明性良好的有机聚合物材料)旋涂在清洁处理后的硅衬底31上，旋涂转速为1000～5000转/分钟，然后在110～150℃条件下加热2～20分钟，在波长为350～400nm的紫外光下整体曝光2～20秒，再在110～150℃条件下加热20～70分钟，制得的聚合物光波导下包层32的厚度为3～20μm；

12、c：条形聚合物光波导下芯层33的制备

13、采用旋涂工艺将聚合物光波导下芯层材料(该聚合物光波导下芯层材料是包括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，聚合物光波导下芯层材料的折射率高于聚合物光波导下包层材料、聚合物光波导中间包层材料和聚合物光波导上包层材料的折射率)旋涂在聚合物光波导下包层32上形成薄膜，转速为600～5000转/分钟，聚合物光波导下芯层薄膜33’的厚度为3～10μm；然后对旋涂的聚合物光波导下芯层薄膜33’进行前烘，即采用阶梯升温的方法在40～80℃加热2～20分钟，然后在70～120℃温度下加热2～40分钟；对聚合物光波导下芯层薄膜33’进行光刻，即在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版与需要制备的聚合物光波导下芯层结构互补(如图2所示)，曝光时间为3～20秒，使需要制备的器件的下层输出波导1、下层左侧直波导2、下层输入直波导3和下层右侧直波导4区域的聚合物光波导下芯层材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行中烘，即在40～80℃加热2～20分钟，然后在80～120℃温度下加热2～40分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；降温完毕后进行显影，先在聚合物光波导下芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀5～80秒，将未被曝光的非聚合物光波导下芯层结构去除，然后放入异丙醇溶液中洗去硅衬底表面残留的聚合物光波导下芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)去除异丙醇，然后用氮气吹干；最后进行后烘坚膜，即在110～150℃加热20～70分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时，这样就在聚合物光波导下包层上制得了条形聚合物光波导下芯层33；

14、d：聚合物光波导中间包层34的制备

15、采用旋涂工艺将聚合物光波导中间包层材料(该聚合物中间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)、epoclad等在内的一系列透明性良好的有机聚合物材料，在同一器件中，使用相同的聚合物光波导下包层材料、聚合物光波导中间包层材料和聚合物光波导上包层材料为效果最佳)旋涂在聚合物光波导下包层32和聚合物光波导下芯层33上，旋涂转速为1500～6000转/分钟，然后在110～150℃条件下加热2～20分钟，在波长为350～400nm的紫外光下整体曝光2～20秒，再在110～150℃条件下加热20～70分钟，制得的聚合物光波导中间包层34的厚度为0.5～12μm；

16、e：条形聚合物光波导上芯层35的制备

17、采用旋涂工艺将聚合物光波导上芯层材料(该聚合物光波导上芯层材料是包括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，聚合物光波导上芯层材料的折射率高于聚合物光波导下包层材料、聚合物光波导中间包层材料和聚合物光波导上包层材料折射率，在同一器件中，使用相同的聚合物光波导下芯层材料和聚合物光波导上芯层材料为效果最佳)旋涂在聚合物光波导中间包层34上形成薄膜，转速为600～5000转/分钟，聚合物光波导上芯层薄膜35’的厚度为3～10μm；然后对旋涂的聚合物光波导上芯层薄膜35’进行前烘，即采用阶梯升温的方法在40～80℃加热2～20分钟，然后在70～120℃温度下加热2～40分钟；对聚合物光波导上芯层薄膜35’进行光刻，即在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版与需要制备的聚合物光波导上芯层结构互补(如图2所示)，曝光时间为3～20秒，使需要制备的器件的上层输出直波导5区域的聚合物光波导上芯层材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行中烘，在40～80℃加热2～20分钟，然后在80～120℃温度下加热2～40分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时；降温完毕后进行显影，先在聚合物光波导上芯层材料对应的显影液中湿法刻蚀5～80秒，将未被曝光的非聚合物光波导上芯层结构去除，然后放入异丙醇溶液中洗去硅衬底表面残留的聚合物光波导上芯层材料和显影液，再用去离子水反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)去除异丙醇，然后用氮气吹干；最后进行后烘坚膜，即在110～150℃加热20～70分钟，加热完毕后在室温下降温处理1～2小时，这样就在聚合物光波导中间包层34上制得了条形聚合物光波导上芯层35；

18、f：聚合物光波导上包层36的制备

19、采用旋涂工艺将聚合物光波导上包层材料(该聚合物上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)、epoclad等在内的一系列透明性良好的有机聚合物材料，在同一器件中，使用相同的聚合物光波导下包层材料、聚合物光波导中间包层材料和聚合物光波导上包层材料为效果最佳)旋涂在聚合物光波导中间包层34和条形聚合物光波导上芯层35上，旋涂转速为1000～5000转/分钟，然后在110～150℃条件下加热2～20分钟，在波长为350～400nm的紫外光下整体曝光2～20秒，再在110～150℃条件下加热20～70分钟，制得的聚合物光波导上包层36的厚度为3～20μm，从而得到本发明所述的超宽带层间波导光分束器。

20、与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的超宽带层间波导光分束器结合了空间绝热结构鲁棒性强和有机聚合物材料加工工艺灵活的优势，实现了信号光层间分束的目的；另外，采用聚合物材料使得器件的制备工艺比较简单，只需要旋涂、光刻等常规工艺，不需要难度较高的工艺，生产成本低、效率高、能够大规模批量生产，能够应用到实际中的超宽带层间波导光分束器的制备。