多模波导聚合物电光调制器

摘要

本发明公开了一种多模波导聚合物电光调制器，它包括限波波导、多模导波波导和一对调制电极，其特征在于多模导波波导和限波波导垂直叠置，且两者之间设有缓冲层，在多模导波波导的上方设有覆盖层，调制电极设在覆盖层的上方，其中“限波波导、多模导波波导、缓冲层和覆盖层是由聚合物材料制成”。本发明的优点是：所述的聚合物波导电光调制器在设计中采用了多模光波导，使其能有效地应用于短距离多模波导和多模光纤系统中，具有较小的耦合损耗。采用了垂直结构，所以组装密度高。有较好的调制深度，初步的实验结果表明，在1300nm处的调制深度是91％，对于多模电光调制器来说，这是一个很高的调制深度。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种波导调制器，具体是一种多模波导聚合物电光调制器，该调制器可应用于短距传输中多模光波导与多模光纤系统中。

二、背景技术

电光(EO)聚合物高速调制器的研究始于90年代，发展十分迅速，高频有机聚合物电光调制器不仅可以用于传统的光通信系统、远程传感，而且可以用于产生符合DWDM波长的激光器中。对未来的光网络来说，集成化是必然的发展趋势，因此对器件的尺寸要求将越来越苛刻。所以有着高集成度的聚合物波导调制器必将有着广泛的市场应用前景。

目前，大部分的聚合物调制器是针对远程光钎通信系统设计的，在这种长距离的信号传输中，为了避免由于模式色散而造成的脉冲展宽，必须采用单模波导光纤。所以，这种调制器是基于单模光波导的电光调制器，其中定向耦合器电光调制器和M-Z干涉式调制器是最主要的两种结构。定向耦合器电光调制器是在电光材料(如LiNbO3、化合物半导体、有机聚合物)的衬底上制作1对条形波导和1对电极，当不加电压时，它是具有2条波导和4个端口的定向耦合器，其两个光波导平行且距离很小，一个波导的光能耦合到另一个波导内，电极电场作用是改变波导的传播特性和促进两波导间的横向光耦合，随着所加电压周期性的变化，光在两波导间的偶合也发生周期性的变化。因此光信号就受到了控制电压的调制。M-Z干涉式调制器是使用两个波的频率相同但相位不同进行干涉的干涉计，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在理想的情况下，输入光功率在输入点平均分配到两个分支中传输，并在输出端干涉，所以该结构扮演着一个干涉计的作用，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中电场相反，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，因此光信号就受到了控制电压的调制。

三、发明内容

本发明的目的是采用新的垂直的波导结构来制作多模波导聚合物电光调制器，使其能有效地应用于短距离多模波导和多模光纤系统中，有较好的调制深度和较小的耦合损耗，并且能很大地提高器件的组装密度。

本发明的目的是这样实现的：一种多模波导聚合物电光调制器，它包括限波波导、多模导波波导和一对调制电极，其特征在于多模导波波导和限波波导垂直叠置，且两者之间设有缓冲层，在多模导波波导的上方设有覆盖层，调制电极设在覆盖层的上方。

当平坦的限波波导被设计成很高的损耗(约为26dB/cm)，这就能使从导波波导中耦合出的光能量被有效的吸收掉。

模式耦合方程可表示为： 

$>>>>dA>jm>>dz>>=>i>>\beta >jm>>>A>jm>>+>>k>>jm>,>>j>\prime >>>m>\prime >>>>>B>>>j>\prime >>>m>\prime >>>>,>$>

$>>>>dB>>>j>\prime >>>m>\prime >>>>dz>>=>i>>\beta >>>j>\prime >>>m>\prime >>>>>B>>>j>\prime >>>m>\prime >>>>+>>k>>>j>\prime >>>m>\prime >>,>jm>>>>A>jm>>->>\alpha >>>j>\prime >>>m>\prime >>>>>B>>>j>\prime >>>m>\prime >>>>,>$>

这里的A_jm对应的是导波波导中的(j.m)模式，而B_j′m′对应的是限波波导中的(j’，m’)模式。导波波导和限波波导之间的耦合常量可以表示为：

$>>>k>>>j>\prime >>>m>\prime >>,>jm>>>=>>>\omega \Delta n>2>>4>\underset{}{}$>

导波波导中传输的模式(j，m)与在限波波导中传输的模式(j’m’)之间的耦合系数可以表示为：

$>>>D>>jm>,>>j>\prime >>>m>\prime >>>>=>sup>>k>>>j>\prime >>>m>\prime >>,>jm>>2sup>sup>>\psi >>jm>,>>j>\prime >>>m>\prime >>>2sup>>>>(>1>->>e>>->>\alpha >>>j>\prime >>>m>\prime >>>>L>>>)>>·>si>>n>2>>>(>>\psi >>jm>,>>j>\prime >>>m>\prime >>>>L>)>>,>$>

这里的α_j′m′是模式(j’m’)的损耗系数。

从限波波导中传输的模式(j’m’)到导波波导中传输的模式(j，m)的负反馈系数，可以表示为：

$>sup>>\eta >>>j>\prime >>>m>\prime >>,>jm>>\alpha sup>>=>sup>>k>>>j>\prime >>>m>\prime >>,>jm>>2sup>sup>>\psi >>jm>,>>j>\prime >>>m>\prime >>>2sup>>>>e>>->>\alpha >>>j>\prime >>>m>\prime >>>>L>>>·>>sin>2>>>(>>\psi >>jm>,>>j>\prime >>>m>\prime >>>>L>)>>,>$>

需要指出的是，如果α_j′m′足够高，而从限波波导中传输的模式(j’m’)到导波波导中传输的模式(j，m)的负反馈系数很小，那么就实现了单向耦合。

通过设计的电极来控制导波波导与限波波导之间耦合的相位匹配条件。本发明两个波导层垂直设置，而现有共面装置中的两个波导层是在同一个层内实现的，所以本发明的组装密度(单位空间内调制器的数目)可以比现有的共面结构的波导器件高出很多。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明所述的聚合物波导电光调制器在设计中采用了多模光波导，使其能有效地应用于短距离多模波导和多模光纤系统中，具有较小的耦合损耗。2、采用了垂直结构，所以组装密度高。3、有较好的调制深度，初步的实验结果表明，在1300nm处的调制深度是91％，对于多模电光调制器来说，这是一个很高的调制深度。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明在1330nm处的动态响应。

其中上方曲线是10KHz的调制信号。

五、具体实施方式

本发明设计制作的多模波导聚合物电光调制器，它包括限波波导1、多模导波波导2和调制电极3。其中，多模导波波导2设置在限波波导1的上方，调制电极3设置在多模导波波导2的上方；在多模导波波导2和限波波导1之间设有缓冲层4，在调制电极3和多模导波波导2之间设有覆盖层5。整个调制器的结构呈垂直对称形状。

本发明所述的调制器，其制作工艺流程沿用常规的在超大规模集成电路制作中应用的平板印刷技术。具体制作方法是：

将一层130厚的铬和一层2000厚的金首先沉积在硅晶片上做为下电极。铬层是为了增强金层与底部覆盖层之间的粘和力。

接着旋涂上一层2.2μm厚的包层聚合物材料做下包层，其折射率在1330nm处TM偏振下为1.51。

再旋涂上一层5.1μm厚的芯层聚合物材料做为平面限波波导，其折射率在1330nm处TM偏振下为1.57。

接下来旋涂上一层2.7μm厚的聚合物材料做为缓冲层，这种聚合物的折射率在波长1330nm处TM偏振下为1.54。

再接下来旋涂上一层5.1μm厚的芯层聚合物材料做为核心层。

在这核心层的顶部淀积一层2000厚的金，它起到极化电极的作用。

将上述样品在113℃的温度下极化，这个温度是芯层聚合物材料的璃化转变温度，在800V的直流电压下进行直接接触极化。非线性系数γ₃₃测得为12pm/V。

在直接接触极化之后，将这层顶部电极用湿法刻蚀法去掉，形成了导波波导。

重新旋涂上一层2.6μm厚的紫外光刻胶作为顶部覆盖层，它的折射率在1330nm处TM偏振为1.49。

最后在光刻和湿法刻蚀这两道工艺程序后，在顶部重新淀积一对电极，这就是电光调制器的调制电极。