一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器的製作方法
2023-09-12 07:29:00 1
專利名稱：一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電子器件領域，具體涉及一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器。
背景技術：
可調光衰減器(Variable Optical Attenuator, V0A)是光通信系統中不可或缺的關鍵器件。VOA的主要功能是用來減低光信號或者平衡通道間光功率的差異。特別是隨著密集波分復用(DWDM)技術和EDFA在光通信系統中的應用，在多個光信號傳輸通道上必須進行增益平坦化或者信道功率均衡，在光接收器端要進行動態飽和的控制，這些都使得VOA成為其中不可或缺的關鍵器件。VOA已成為構成動態信道均衡器(DCE)、可調功率光復用器(VMUX)、光分插復用器(OADM)等光器件的核心部件。目前常見的VOA技術包括機械式VOA技術、MEMS技術及集成光波導技術等。機械式VOA是較為傳統的解決方案，到目前為止，已經在系統中應用的VOA大多是採用機械方式來實現的。這類光衰減器具有工藝成熟、光學特性好、低損耗、偏振相關損耗小、無需溫控等優點，但其缺點在於體積較大、組件多且結構複雜、響應速度不高且不利於與其它器件實現集成。利用MEMS技術，可以減小器件的尺寸，但是MEMS的機械磨損較大，而且調製速度較慢，同樣不易於與其它器件實現集成化。 液晶材料近年來受到廣泛關注，其對近紅外光波長有高穿透率，同時液晶元件有著很大的工作帶寬與製作小型化的優勢。傳統的基於液晶材料的VOA利用液晶對O光和E光的響應不同，結合雙折射晶體來實現光衰減器功能，體積較大，無法實現集成化。隨著光通信系統越來越複雜，VOA的發展趨勢是:多通道、小體積、低成本、高集成、響應時間快、易於與其他光器件集成。相比之下，集成光波導VOA的優勢日益顯現:低插入損耗、成本低、體積小、無活動部件、穩定性好、利於實現模塊集成等優點。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器，結合聚合物光波導的集成化優勢及液晶的可調諧特性，實現可調光衰減功倉泛。本發明解決其技術問題所採用的技術方案如下:
本發明採用垂直方向的電極結構，具體包括矽襯底、下電極、二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層、液晶下定向層、液晶間隔物層、液晶層、液晶上定向層、上電極；矽襯底為重摻雜的矽材料，電導率達到2Χ10_2Ω.cm以上；矽襯底正上方利用化學氣相沉積生長7 10 μ m厚的二氧化娃下包層,其折射率為1.45 ;娃襯底正下方利用化學電鍍方式電鍍有一層金屬鎳，該層金屬鎳作為下電極，且下電極的厚度為300nm I μ m; 二氧化矽下包層的上表面通過幹法刻蝕得到寬3 μm，厚2.5 μ m的凹槽，然後通過旋塗勻膠將芯層聚合物材料嵌入二氧化矽包層上表面的凹槽中，從而形成聚合物光波導芯層；所述的二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層共同形成平頂式倒脊形波導結構；聚合物光波導芯層的上表面旋塗一層300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作為液晶下定向層，所述的聚甲基丙烯酸甲酯折射率為1.48。上電極的材料為ITO玻璃，其下表面同樣旋塗一層300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作為液晶上定向層，液晶上定向層下表面與液晶下定向層上表面之間通過多個直徑為6 8μπι的二氧化矽小球作間隔物，隔出液晶間隔物層，所述的液晶間隔物層為兩端開放的筒形，且其橫截面為矩形；所述的二氧化矽小球混合在紫外固化膠中，並將矽襯底、下電極、二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層、液晶下定向層、液晶上定向層、上電極固定在紫外光中曝光，使液晶上定向層下表面與液晶下定向層通過液晶間隔物層粘合固定；然後再利用毛細現象，將單軸正性向列相液晶注入液晶間隔物層形成的兩端開放的筒形內，形成液晶層。所述的光波導芯層聚合物材料選用SU-8-2005，該材料為MicroChem公司產品，使用環戊酮稀釋到23%，其折射率為1.575。所述的單軸正性向列相液晶的型號為ΤΕΒ30Α。本發明工作過程如下:
本發明中，液晶層被用作平頂式倒脊形波導結構的上包層。其基本工作原理是，當外加電壓為OV時，液晶分子的排列僅受液晶下定向層、液晶上定向層上下兩層的控制，平行於矽襯底，垂直於聚合物波導結構排列，此時液晶層的折射率等於液晶的O光折射率，整個發明的工作狀態是光能量集中在聚合物光波導芯層傳輸，光能量傳輸只有較小的附加損耗。當通過電極施加電場時，作為平頂式倒脊形波導結構上包層的液晶層折射率增加，本發明的限制效應減弱，當電壓足夠大時，液晶層的折射率與聚合物光波導芯層相當，光能量開始從聚合物光波導芯層中向外輻射，不再以導模形式傳輸，使得器件對光場的衰減損耗增加，以實現本發明傳輸光能量衰減的目的，進而實現可調光衰減器的功能。本發明有益效果如下:
1.本發明結合聚合物光波導的集成化優勢及液晶的可調諧特性，具有結構緊湊、製作方法簡便，且波長不敏感，工作帶寬大的特點。2.本發明將液晶層作為平頂式倒脊形波導結構的上包層，通過聚合物與液晶折射率的匹配，能夠有效地克服光場被過強地限制于波導芯層中的問題，使得波導中的光場能夠有效地與液晶層接觸，從而獲得儘可能大的可調諧範圍以及更大的調諧效率。3.本發明採用平頂式的倒脊形聚合物波導，增強波導上液晶包層的定向均勻性，增大器件的動態可調諧範圍，降低器件的閾值電壓及工作電壓。
圖1為本發明結構示意圖。圖2為液晶層7折射率隨外加電壓的變化曲線。圖3本發明輸出光功率隨外加電壓的響應曲線(通光波長為1550nm時)。圖中:1、矽襯底，2、下電極，3、二氧化矽下包層，4、聚合物光波導芯層，5、液晶下定向層，6、液晶間隔物層,7、液晶層,8、液晶上定向層,9、上電極。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。如圖1所示，一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器，採用垂直方向的電極結構，具體包括矽襯底1、下電極2、二氧化矽下包層3、聚合物光波導芯層4、液晶下定向層5、液晶間隔物層6、液晶層7、液晶上定向層8、上電極9。娃襯底I為重摻雜的娃材料，電導率達到2Χ10_2Ω.cm以上；矽襯底I正上方利用化學氣相沉積生長7 IOym厚的二氧化娃下包層3,其折射率為1.45 ;娃襯底I正下方利用化學電鍍方式電鍍有一層金屬鎳，該層金屬鎳作為下電極2，且下電極2的厚度為300nm I μ m;在二氧化矽下包層3的上表面通過幹法刻蝕得到寬3 μm，厚2.5 μ m的凹槽；然後通過旋塗勻膠將波導的芯層聚合物材料嵌入二氧化矽包層上表面的凹槽中，形成聚合物光波導芯層4;所述的波導的芯層聚合物材料選用SU-8-2005 (MicroChem公司產品，使用環戊酮稀釋到23%)，其折射率為
1.575 ;傳統脊形結構使得波導表面液晶層的均勻定向成為一個難題，進而降低了器件的可調諧範圍，另外，正脊型波導結構複雜的邊界條件容易對液晶層造成強錨定作用，從而增大了控制液晶取向所需要的電壓，提高了器件的功耗，因此本發明中二氧化矽下包層3、聚合物光波導芯層4共同形成平頂式倒脊形波導結構，增強液晶包層的定向均勻性，增大器件的動態可調諧範圍，降低器件的閾值電壓及工作電壓；聚合物光波導芯層4的上表面旋塗一層300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，作為液晶下定向層5，所述的聚甲基丙烯酸甲酯折射率為1.48。上電極9材料為ITO玻璃，在其下表面同樣旋塗一層300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，作為液晶上定向層8，液晶上定向層8下表面與液晶下定向層5上表面之間通過多個直徑為6 8 μ m的二氧化矽小球作間隔物，隔出液晶間隔物層6，所述的液晶間隔物層為兩端開放的筒形，且其橫截面為矩形；所述的二氧化矽小球混合在紫外固化膠(在紫外光中將發生膠合)中，並將矽襯底1、下電極2、二氧化矽下包層3、聚合物光波導芯層4、液晶下定向層5、液晶上定向層8、上電極9固定在紫外光中曝光,使液晶上定向層8下表面與液晶下定向層5通過液晶間隔物層6粘合固定；然後再利用毛細現象，將型號為TEB30A的單軸正性向列相液晶注入液晶間隔物層6內，形成液晶層7。脊形波導結構。本發明中，器件的襯底選用的是重摻雜的矽材料，其導電性能較好，且二氧化矽下包層、SU-8波導芯層、及PMMA定向層均較薄(微米量級)，所以在器件的兩極上加上電壓時，大部分電壓仍將會分布在液晶層中，並不會造成過大的能量損耗。如圖2所示，當外加電壓小於2V時，此時加在液晶層上的電壓小於液晶響應的閾值電壓，液晶層的折射率小於聚合物芯層的折射率，滿足波導傳輸的導模條件，光場被限制在波導內傳輸，損耗較小。當外加電壓逐漸增大，液晶層的折射率接近或超過聚合物波導芯層的折射率，無法滿足波導的導模條件，光場耗散到波導芯層外，損耗很大。如圖3所示，本發明通過測量可調光衰減器在不同外加電壓下的輸出光功率，得到器件的閾值電壓約為2V。當外加電壓由OV逐漸上升為7V時，能實現器件輸出的光功率大於25 dB的調諧。通過測量一定波長範圍下的響應，結果顯示本發明在整個C+L光通信波段的響應一致。
權利要求
1.一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器，其特徵在於包括矽襯底、下電極、二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層、液晶下定向層、液晶間隔物層、液晶層、液晶上定向層、上電極； 矽襯底為重摻雜的矽材料，電導率達到2X 10_2Ω.Cm以上；矽襯底正上方利用化學氣相沉積生長7 10 μ m厚的二氧化娃下包層,其折射率為1.45 ;娃襯底正下方利用化學電鍍方式電鍍有一層金屬鎳，該層金屬鎳作為下電極，且下電極的厚度為300nm I μ m; 二氧化矽下包層的上表面通過幹法刻蝕得到寬3 μm，厚2.5 μ m的凹槽，然後通過旋塗勻膠將芯層聚合物材料嵌入二氧化矽包層上表面的凹槽中，從而形成聚合物光波導芯層；所述的二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層共同形成平頂式倒脊形波導結構；聚合物光波導芯層的上表面旋塗一層300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作為液晶下定向層，所述的聚甲基丙烯Ife甲酷折射率為1.48 ; 上電極的材料為ITO玻璃，其下表面同樣旋塗一層300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯，作為液晶上定向層，液晶上定向層下表面與液晶下定向層上表面之間通過多個直徑為6 8 μ m的二氧化矽小球作間隔物，隔出液晶間隔物層，所述的液晶間隔物層為兩端開放的筒形，且其橫截面為矩形；所述的二氧化矽小球混合在紫外固化膠中，並將矽襯底、下電極、二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層、液晶下定向層、液晶上定向層、上電極固定在紫外光中曝光，使液晶上定向層下表面與液晶下定向層通過液晶間隔物層粘合固定；然後再利用毛細現象，將單軸正性向列相液晶注入液晶間隔物層內，形成液晶層。
2.如權利要求1所述的一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器，其特徵在於所述的芯層聚合物材料選用SU-8-2005，該材料為MicroChem公司產品，使用環戊酮稀釋到23%，其折射率為1.575。
3.如權利要求1所述的一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器，其特徵在於所述的單軸正性向列相液晶的型號為TEB30A。
全文摘要
本發明公開了一種基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器。本發明包括矽襯底、下電極、二氧化矽下包層、聚合物光波導芯層、液晶下定向層、液晶間隔物層、液晶層、液晶上定向層、上電極。在無外加電壓的情況下，傳輸光在聚合物光波導芯層中低損耗傳輸，當外加電壓逐漸增大時，液晶層的折射率逐漸增大，傳輸光逐漸擴散到作為波導包層的液晶層中去，不再作為導模傳輸，損耗增大，進而實現可調光衰減器功能。本發明提出的基於液晶包層聚合物光波導的可調光衰減器具有結構緊湊，製作方法簡便，且波長不敏感，工作帶寬大的特點，滿足光通信、集成光學等領域的實用要求。
文檔編號G02F1/13GK103197452SQ20131013102
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者時堯成, 蔡濤, 劉清坤, 何賽靈 申請人:浙江大學