專利名稱:一種光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光纖到戶(FTTH)技術(shù)領(lǐng)域,公開(kāi)了一種光纖到戶用單纖三向復(fù)用器 芯片(Triplexer)。
背景技術(shù):
隨著近幾年來(lái)寬帶接入網(wǎng)的迅速發(fā)展,寬帶化成為接入網(wǎng)發(fā)展的最顯著特征。視 頻點(diǎn)播、IPTV(網(wǎng)絡(luò)電視)和網(wǎng)絡(luò)游戲等高帶寬業(yè)務(wù)逐漸被電信運(yùn)營(yíng)商和廣電運(yùn)營(yíng)商視 為新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn),用戶對(duì)接入寬帶的需求不斷增長(zhǎng),現(xiàn)有的以ADSL(非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán) 路)為主的寬帶接入方式已經(jīng)很難滿足用戶對(duì)高帶寬、雙向傳輸能力以及安全性等方面的 要求。面對(duì)這一困境,各國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商把關(guān)注的目光投向了光纖到戶——FTTH (Fiber To The Home)。FTTH的技術(shù)特點(diǎn)是能提供更大的帶寬(100Mbit/S以上的帶寬,遠(yuǎn)優(yōu)于目前的 ADSL),增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)格式、速率、波長(zhǎng)和協(xié)議的透明性,放寬了對(duì)環(huán)境條件和供電等要 求,從而簡(jiǎn)化了安裝和使用維護(hù)。FTTH實(shí)際應(yīng)用涉及一個(gè)非常重要的核心器件,即單纖三向 復(fù)用器芯片,單纖三向復(fù)用器芯片的主要功能是對(duì)光信號(hào)的耦合和波分復(fù)用。EP0N和GP0N的技術(shù)規(guī)范中,采用1310nm、1490nm、1550nm三波長(zhǎng)分配方案。其中 1310nm專門用于數(shù)據(jù)和IP視頻信號(hào)的上傳;1490nm用于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和IP視頻信號(hào)的下傳; 1550nm用于模擬視頻信號(hào)下傳。通過(guò)類似CWDM的方式將此三方向傳輸復(fù)用到一根光纖中, 該技術(shù)采用了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸方式,節(jié)省設(shè)備投資,局端設(shè)備和光纖用量大大減少,系統(tǒng)可靠 性較高。單纖三向傳輸方案的成本最終決定接入成本的高低。有很多方法和結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)單纖三向復(fù)用器,其中基于薄膜濾波片(thin film filter, TFF)的單纖三向復(fù)用器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用,但是薄膜濾波片具有一些固有缺點(diǎn),如工藝 復(fù)雜、不易于封裝、耦合損耗大和成本高等缺點(diǎn)。而利用集成光學(xué)技術(shù)的單纖三向復(fù)用器芯 片,目前多集中于基于多模干涉型耦合器(MMI)和基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)兩大類,具有 耦合損耗低,結(jié)構(gòu)緊湊以及易于大規(guī)模集成的優(yōu)點(diǎn)。其中MMI又具有偏振損耗低、加工容差 大等優(yōu)點(diǎn),但是由于利用傳統(tǒng)的自映像現(xiàn)象和波分復(fù)用原理設(shè)計(jì),器件的長(zhǎng)度很大,不夠緊 湊。與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)是采用兩個(gè)級(jí)聯(lián)的Y分支分束器構(gòu)成的單纖三 向復(fù)用器芯片(Mohamed H. Al-Gafy and Diaa Khalil, FTTHTriplexer Design Using Asymmetric Y-Junction With Etched Branch, IEEEPhotonics Technology Letters, vol. 19,No. 15,ppll57-1159,2007),然而這種結(jié)構(gòu)中,器件尺寸大,加工成本高,并且器件
隔離度較小。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)已有技術(shù)器件尺寸大,加工成本高,并且器件隔離度較小的不足,本發(fā)明提供 一種新型單纖三向復(fù)用器芯片,具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、插入損耗低、器件隔離度大等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,由非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)和多模干涉型耦合器 (MMI)級(jí)聯(lián)形成,其特征在于所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的表面刻蝕有空氣槽,所 述的空氣槽位于左分支的芯層與襯底之間;所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支為對(duì)稱結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)。進(jìn)一步,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的芯層與第一輸出波導(dǎo)連接,所述的 第一輸出波導(dǎo)為S型彎曲波導(dǎo)。第一輸出波導(dǎo)的輸出端為P0RT1。進(jìn)一步,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支級(jí)聯(lián)所述的匪I的輸入波導(dǎo),所述的 輸入波導(dǎo)與所述的MMI的多模區(qū)波導(dǎo)通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)連接;所述的多模區(qū)波導(dǎo)的兩個(gè)輸 出端口分別與第二、第三輸出波導(dǎo)連接,所述的輸出端口與所述的輸出波導(dǎo)通過(guò)錐形結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)連接;所述的輸出波導(dǎo)為S形彎曲波導(dǎo);多模干涉型耦合器的寬度為8. 4i!m,長(zhǎng)度為 4462. liim。第二輸出波導(dǎo)的輸出端口為P0RT2,第三輸出波導(dǎo)的輸出端口為P0RT3。進(jìn)一步,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的總長(zhǎng)度為12000 ym,左分支與右分支之間的 夾角為1.3mrad。進(jìn)一步,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均采用掩埋型玻璃基波 導(dǎo),所述的玻璃基波導(dǎo)的芯層折射率為n。= 1.51,包層折射率ns= 1.46。進(jìn)一步,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的高度均為l.Sym;所述 的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的寬度為2 u m,右分支的寬度為1. 36 u m,空氣槽的寬度等于 2 li m。進(jìn)一步,所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片的寬度是39.88 ym,總長(zhǎng)度是 17562. liim。本發(fā)明通過(guò)在Y分支波導(dǎo)的左分支表面刻蝕空氣槽來(lái)實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱Y分支結(jié)構(gòu),使 得兩分支的色散曲線斜率不同,以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光相互分離。并且制作這種非對(duì)稱Y分 支波導(dǎo)時(shí),只需要一塊掩模板即可,制作過(guò)程簡(jiǎn)單,成本低廉。非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支加S型波導(dǎo)輸出,可以加大P0RT1與P0RT2之間的距 離,有利于封裝。在MMI的兩個(gè)輸出端采用S型彎曲波導(dǎo)輸出,不但可以快速地將兩束光分 開(kāi),有效克服第二、第三輸出波導(dǎo)之間的耦合作用,也加大了 P0RT2和P0RT3之間的距離。本發(fā)明與已有技術(shù)相比,解決了傳統(tǒng)分立式單纖三向復(fù)用器體積大、損耗大、隔離 度小等問(wèn)題,具有器件結(jié)構(gòu)緊湊,可以實(shí)現(xiàn)多種光電集成,適合大批量生產(chǎn),成本低的優(yōu)點(diǎn), 是未來(lái)實(shí)現(xiàn)System-On-Chip (片上系統(tǒng))的技術(shù)方案之一。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。圖2a是非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的截面示意圖。圖2b是非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支的截面示意圖。圖3是本發(fā)明單纖三向復(fù)用器芯片非對(duì)稱Y分支結(jié)構(gòu)左右分支波導(dǎo)的色散曲線 圖。圖4a是束傳播法(BPM)分析1310nm光通過(guò)本發(fā)明的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的光場(chǎng)傳 輸圖。圖4b是束傳播法(BPM)分析1490nm光通過(guò)本發(fā)明的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的光場(chǎng)傳
圖4c是束傳播法(BPM)分析1550nm光通過(guò)本發(fā)明的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的光場(chǎng)傳
圖5a是束傳播法(BPM)分析1490nm光通過(guò)本發(fā)明的MMI的光場(chǎng)傳輸圖。 圖5b是束傳播法(BPM)分析1550nm光通過(guò)本發(fā)明的MMI的光場(chǎng)傳輸圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,由非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1和多模干涉型耦合器 2(MMI)級(jí)聯(lián)形成,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1的左分11支的表面刻蝕有空氣槽111,所述 的空氣槽111位于左分支11的芯層112與襯底113之間;所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1的右 分支12為對(duì)稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1的左分支11的芯層112與第一輸出波導(dǎo)3連接,所述 的第一輸出波導(dǎo)3為S型彎曲波導(dǎo)。第一輸出波導(dǎo)的輸出端為P0RT1。所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1的右分支12級(jí)聯(lián)所述的MMI的輸入波導(dǎo)4,所述的輸 入波導(dǎo)4與所述的MMI的多模區(qū)波導(dǎo)通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)5連接;所述的多模區(qū)波導(dǎo)的兩個(gè) 輸出端口分別與第二、第三輸出波導(dǎo)6、7連接,所述的輸出端口與所述的輸出波導(dǎo)6、7通過(guò) 錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)61、71連接;所述的輸出波導(dǎo)6、7為S形彎曲波導(dǎo);多模干涉型耦合器2的寬 度為8. 4 y m,長(zhǎng)度為4462. 1 u m。第二輸出波導(dǎo)6的輸出端口為P0RT2,第三輸出波導(dǎo)7的 輸出端口為P0RT3。所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1的總長(zhǎng)度為12000i!m,左分支11與右分支12之間的 夾角為1. 3mrad。所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1、輸入波導(dǎo)4和輸出波導(dǎo)3、6、7均采用掩埋型玻璃基波 導(dǎo),所述的玻璃基波導(dǎo)的芯層折射率為n。= 1.51,包層折射率ns= 1.46。所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1、輸入波導(dǎo)4和輸出波導(dǎo)3、6、7的高度均為1. 5 y m ;所 述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)1的左分支11的寬度為2 u m,右分支12的寬度為1. 36 u m,空氣槽 111的寬度等于2iim。所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片的寬度是39. SSym,總長(zhǎng)度是 17562. liim。本發(fā)明通過(guò)在Y分支波導(dǎo)的左分支表面刻蝕空氣槽來(lái)實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱Y分支結(jié)構(gòu),使 得兩分支的色散曲線斜率不同,以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光相互分離。并且制作這種非對(duì)稱Y分 支波導(dǎo)時(shí),只需要一塊掩模板即可,制作過(guò)程簡(jiǎn)單,成本低廉。非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支加S型波導(dǎo)輸出,可以加大P0RT1與P0RT2之間的距 離,有利于封裝。在MMI的兩個(gè)輸出端采用S型彎曲波導(dǎo)輸出,不但可以快速地將兩束光分 開(kāi),有效克服第二、第三輸出波導(dǎo)之間的耦合作用,也加大了 P0RT2和P0RT3之間的距離。輸入光信號(hào)經(jīng)過(guò)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的輸入端口 P0RT0復(fù)用后進(jìn)入其內(nèi),利用非對(duì) 稱Y分支波導(dǎo)的色散原理將1310nm光波合波信號(hào)耦合進(jìn)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支,最終 由端口 P0RT1直通輸出。1490nm和1550nm光波信號(hào)耦合進(jìn)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支。由非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支傳輸?shù)墓庑盘?hào)經(jīng)過(guò)直波導(dǎo)耦合區(qū)域復(fù)用后進(jìn)入MMI
CN 101852891 A
說(shuō)明書(shū)3/5頁(yè)
輸圖
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輸圖。
5的多模干涉區(qū),利用多模干涉型耦合器的自映像原理分別將1490nm和1550nm光波合波信 號(hào)耦合進(jìn)左臂和右臂,分別由P0RT2和P0RT3將信號(hào)光輸出。從而達(dá)到了分離三個(gè)波長(zhǎng)的 目的。圖3為非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左右兩分支色散曲線圖。色散曲線即有效折射率隨波 長(zhǎng)的變化關(guān)系。左分支刻蝕有空氣槽,使的左右分支的色散曲線斜率不同,兩曲線相交,其 交點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1.41i!m。其中,刻有空氣槽的左分支的色散曲線相對(duì)陡峭,而右分支的色 散曲線相對(duì)平緩。從圖3中可知,對(duì)于入< 1.41um的光波,左分支的有效折射率相對(duì)較高;對(duì)于 入> 1.41 ym的光波,右分支的有效折射率相對(duì)較高。根據(jù)非對(duì)稱Y分支處的模式分離原 理,在分支角足夠小的情況下,由于光波在波導(dǎo)中傳播時(shí)總是沿著折射率大的方向傳輸,輸 入場(chǎng)的基模耦合進(jìn)折射率大的輸出波導(dǎo)中。當(dāng)光波的波長(zhǎng)小于1.41iim時(shí),該光信號(hào)傳輸 到非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的分支口處時(shí),將被耦合進(jìn)左分支;而當(dāng)光的波長(zhǎng)大于1.41i!m時(shí),該 光波將被耦合進(jìn)右分支。因?yàn)槲覀円呀?jīng)確定將要分離光信號(hào)的波長(zhǎng)為1.31iim、1.49iim、1.55iim,則 1. 31 ym波長(zhǎng)的光波通過(guò)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支輸出,如圖4a所示;1.49 ym和 1. 55 P m波長(zhǎng)的光通過(guò)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支輸出,如圖4b和圖4c所示。這樣就實(shí)現(xiàn) 了波長(zhǎng)的分離。如圖4a所示,波長(zhǎng)為1310nm的光通過(guò)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的光場(chǎng)傳輸圖,其中實(shí)線 指光通過(guò)Y分支左分支的輸出能量,而虛線指光通過(guò)Y分支右分支的輸出能量,從圖中可以 看出,1310nm的光通過(guò)Y分支左分支輸出效率達(dá)89%。如圖4b所示,波長(zhǎng)為1490nm的光通過(guò)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的光場(chǎng)傳輸圖,其中實(shí)線 指光通過(guò)Y分支左分支的輸出能量,而虛線指光通過(guò)Y分支右分支的輸出能量,從圖中可以 看出,1490nm的光通過(guò)Y分支右分支輸出效率達(dá)97%。如圖4c所示,波長(zhǎng)為1550nm的光通過(guò)非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的光場(chǎng)傳輸圖,其中實(shí)線 指光通過(guò)Y分支左分支的輸出能量,而虛線指光通過(guò)Y分支右分支的輸出能量,從圖中可以 看出,1550nm的光通過(guò)Y分支右支輸出效率達(dá)97. 4%。對(duì)于MMI結(jié)構(gòu),采用了限制性成像條件(restricted interference)減小整個(gè)器 件的尺寸。根據(jù)匪I的自映像原理,匪I的自成像位置跟輸入波長(zhǎng)相關(guān),也即MMI的耦合長(zhǎng) 度是波長(zhǎng)相關(guān)的,利用這一特性,我們可以實(shí)現(xiàn)波分(解)復(fù)用功能。當(dāng)MMI的多模干 涉區(qū)的長(zhǎng)度L^滿足下式關(guān)系時(shí),1490nm和1550nm的信號(hào)將分別從Port2和Port3輸出, 成功實(shí)現(xiàn)(解)復(fù)用功能。= n*L (1490) = (n+m)*L (1550)其中n為正整數(shù),m為奇數(shù),(1490)與(1550)分別為1490nm和1550nm下MMI
的耦合長(zhǎng)度。利用有限差分方法,可以得到多模區(qū)的各階模式的傳播常數(shù),根據(jù)公式 ‘ =!戽)(日。和h分別是多模波導(dǎo)中的零次模和一次模的傳播常數(shù))可以得到MMI 的拍長(zhǎng)。如圖5a所示,波長(zhǎng)為1490nm的光通過(guò)多模干涉型耦合器(MMI)的光場(chǎng)傳輸圖,其
6中實(shí)線指光通過(guò)MMI左臂的輸出能量,而虛線指光通過(guò)匪I右臂的輸出能量,從圖中可以看 出,1490nm的光通過(guò)匪I左臂的輸出效率達(dá)80%。如圖5b所示,波長(zhǎng)為1550nm的光通過(guò)匪I的光場(chǎng)傳輸圖,其中實(shí)線指光通過(guò)MMI 左臂的輸出能量,而虛線指光通過(guò)MMI右臂的輸出能量,從圖中可以看出,1550nm的光通過(guò) 匪I右臂的輸出效率達(dá)80 %。模擬光譜響應(yīng)結(jié)果表明工作波長(zhǎng)1310nm、1490nm和1550nm的插入損耗分別為 0. 96dB、l. 49dB和1.31dB。1310nm波長(zhǎng)與1490nm、1550nm之間的隔離度最優(yōu)值分別為 49. 28dB和48. 08dB, 1490nm與1550nm之間隔離度最優(yōu)值為37. 23dB,而實(shí)際傳輸時(shí)由于上 行信號(hào)和下行信號(hào)的雙向傳輸隔度完全可以達(dá)到ITU規(guī)定的大于45dB要求。本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉,本發(fā)明的保護(hù) 范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式,本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù) 人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,由非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)和多模干涉型耦合器(MMI)級(jí)聯(lián)形成,其特征在于所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的表面刻蝕有空氣槽,所述的空氣槽位于左分支的芯層與襯底之間;所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支為對(duì)稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,其特征在于所述的非對(duì)稱Y 分支波導(dǎo)的左分支的芯層與第一輸出波導(dǎo)連接,所述的第一輸出波導(dǎo)為S型彎曲波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,其特征在于所述的非對(duì)稱Y 分支波導(dǎo)的右分支級(jí)聯(lián)所述的MMI的輸入波導(dǎo),所述的輸入波導(dǎo)與所述的MMI的多模區(qū)波 導(dǎo)通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)連接;所述的多模區(qū)波導(dǎo)的兩個(gè)輸出端口分別與第二、第三輸出波導(dǎo) 連接,所述的輸出端口與所述的輸出波導(dǎo)通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)連接;所述的輸出波導(dǎo)為S形 彎曲波導(dǎo);多模波導(dǎo)耦合器的寬度為8. 4 μ m,長(zhǎng)度為4462. 1 μ m。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,其特征在于所述的 非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的總長(zhǎng)度為12000μπι,左分支與右分支之間的夾角為1.3mrad。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,其特征在于所述的非對(duì)稱 Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均采用掩埋型玻璃基波導(dǎo),所述的玻璃基波導(dǎo)的芯層折射 率為η。= 1.51,包層折射率ns = 1.46。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,其特征在于所述的非對(duì)稱 Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的高度均為1. 5μπι ;所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的 寬度為2 μ m,右分支的寬度為1. 36 μ m,空氣槽的寬度等于2 μ m。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,其特征在于所述的光纖到 戶用單纖三向復(fù)用器芯片的寬度是39. 88 μ m,總長(zhǎng)度是17562. 1 μ m。
全文摘要
光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片,由非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)和多模干涉型耦合器(MMI)級(jí)聯(lián)形成,所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的左分支的表面刻蝕有空氣槽,所述的空氣槽位于左分支的芯層與襯底之間;所述的非對(duì)稱Y分支波導(dǎo)的右分支為對(duì)稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。本發(fā)明具有器件結(jié)構(gòu)緊湊,可以實(shí)現(xiàn)多種光電集成,適合大批量生產(chǎn),成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/12GK101852891SQ20101019450
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者樂(lè)孜純, 張明, 李斌 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)