一種有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及波導(dǎo)光柵的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，光柵器件的制作主要是在采用二氧化硅等無機光學(xué)材料，例如，在單晶硅襯底上沉積一層二氧化硅材料作為下包層，經(jīng)過高溫致密化處理后再在下包層上沉積一層摻雜二氧化硅作為芯層，再次經(jīng)過高溫致密化處理后在芯層上刻蝕出光柵圖案，最后沉積一層二氧化硅作為上包層，第三次經(jīng)過高溫致密化處理后完成光柵的制備。
[0003]這種光柵器件全采用二氧化硅無機光學(xué)材料，且制備過程中需經(jīng)過三次高溫致密化處理，由于襯底硅材料和波導(dǎo)二氧化硅材料的熱膨脹系數(shù)相差很大，高溫處理后在室溫時會在二者之間形成較大的應(yīng)力，從而很容易造成波導(dǎo)薄膜的龜裂，同時，全二氧化硅光柵制造工藝復(fù)雜、材料選擇單一、制作過程中對波導(dǎo)芯層的厚度及摻雜成分不易控制，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計不靈活、熱光調(diào)制效應(yīng)不明顯，導(dǎo)致波長調(diào)制所需的功耗較高、可調(diào)范圍也較小。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]為此，本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于至少部分地克服現(xiàn)有技術(shù)中全二氧化硅光柵熱光調(diào)制效應(yīng)不明顯等上述缺點，從而提出一種可實現(xiàn)低功耗、大范圍的波長調(diào)制的有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵。
[0005]本實用新型的一種有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵，包括:
[0006]基底層，其上表面上具有多個等間距排列的凹槽部，所述基底層采用無機光學(xué)材料；
[0007]芯層，形成于所述基底層上，所述芯層的材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料，所述凹槽部內(nèi)填充有所述芯層的材料；
[0008]上包層，形成于所述芯層四周，所述上包層采用聚合物材料；
[0009]加熱電極層，形成于所述上包層上且位于所述凹槽部上方。
[0010]優(yōu)選地，所述上包層采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷樹脂。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述紫外聚合式氟化聚合物材料包括氟化丙烯酸酯。
[0012]優(yōu)選地，所述基底層材料包括二氧化硅。
[0013]本實用新型的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:
[0014]本實用新型中通過直接將芯層形成于基底層上，通過基底層上表面上直接設(shè)置多個等間距排列的凹槽部，形成光柵形貌，即利用基底層直接作為下包層，而無需另外再生長出下包層，既簡化了光柵結(jié)構(gòu)，又由于無需另外生長下包層，簡化了制作工藝并且減少了制作成本。通過采用紫外聚合式氟化聚合物材料作為芯層材料，由于紫外聚合式氟化聚合物材料這類材料具有極高的化學(xué)、物理穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)特性，并且其具有極高的熱光系數(shù)，因而可以較大地改變光柵的有效折射率，從而使其反射中心波長發(fā)生漂移，實現(xiàn)光柵的低功耗、大范圍熱光調(diào)制功能。
[0015]本實用新型中通過設(shè)置上包層采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷樹脂，由于這種聚合物材料價格低、透明度優(yōu)良、有突出的耐老化性、良好的絕緣性和機械強度等優(yōu)點，通過旋涂可形成良好的薄膜，從而可以降低所制作光柵的成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
[0016]本實用新型中通過設(shè)置基底層材料和芯層材料為二氧化硅，由于目前二氧化硅是主流的平面光波導(dǎo)材料，所以有利于與主流平面光波導(dǎo)實現(xiàn)無縫對接，不用額外增加研發(fā)投入而減少研發(fā)成本。并且還能使得所獲得的光柵具有二氧化硅光波導(dǎo)損耗低、可靠性高、后續(xù)封裝工藝成熟等的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017]為了使本實用新型的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本實用新型的具體實施例并結(jié)合附圖，對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
[0018]圖1是本實用新型一種實施例的一種有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵的結(jié)構(gòu)圖不意圖；
[0019]圖2是圖1中光柵的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是一種【具體實施方式】的光柵反射率與入射光波長之間關(guān)系的matlab模擬計算曲線；
[0021]圖4是另一種實施例的一種制備有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵的方法的流程圖；
[0022]圖5是一種優(yōu)選實施方式的制備有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵的生長過程圖。
[0023]圖中附圖標(biāo)記表示為:1_基底層，2-芯層，3-上包層，4-加熱電極層，5-布拉格光柵中的凹槽部。
【具體實施方式】
[0024]參考圖1，是一種實施例的一種有機無機混合集成熱光調(diào)制型光柵的結(jié)構(gòu)圖示意圖，該光柵可以稱為波導(dǎo)布拉格光柵，具體包括:基底層1，其上表面上具有布拉格光柵結(jié)構(gòu)，該布拉格光柵結(jié)構(gòu)包括多個等間距排列的凹槽部5，所述基底層采用無機光學(xué)材料；芯層2，形成于所述基底層I上，該芯層2是作為波導(dǎo)布拉格光柵的波導(dǎo)芯層，所述芯層2的材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料，所述凹槽部5內(nèi)填充有所述芯層的材料；上包層3，形成于所述芯層2四周，所述上包層3采用聚合物材料；以及加熱電極層4，形成于所述上包層3上且位于所述凹槽部5上方，以實施對光柵的熱光調(diào)制。
[0025]所述芯層2所采用的紫外聚合式氟化聚合物材料具有極高的化學(xué)、物理穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)特性，并且其具有極高的熱光系數(shù)，一般可高達(dá)200-300ppm/°C (普通二氧化硅材質(zhì)的熱光系數(shù)為10ppm/°C )，而且其折射率和熱光系數(shù)可根據(jù)具體要求在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整，只需利用勻膠法即可均勻地被旋涂在芯片上，工藝十分簡單且成本較低。優(yōu)選地，所述紫外聚合式氟化聚合物材料包括氟化丙烯酸酯。
[0026]上述熱光調(diào)制型光柵為折射率調(diào)整型光柵結(jié)構(gòu)，折射率調(diào)整型光柵的工作原理為:光沿著光波導(dǎo)向前傳播時，由于受到光柵結(jié)構(gòu)的微擾動影響會發(fā)生反向模式耦合，這些反向耦合模會沿著光波導(dǎo)返回。決定折射率調(diào)整型光柵性能的主要有三個參數(shù)，分別是光柵高度、光柵周期個數(shù)、芯包層折射率對比度。光柵高度越大反射率越高，但傳輸損耗會增大；芯包層折射率對比度越大光柵反射率越高，光波導(dǎo)單模尺寸越小，但反射譜的單色性會變差，同時會增加光波導(dǎo)與光纖的端面耦合損耗；光柵周期個數(shù)越多反射率越高、反射譜的帶寬越窄，但傳輸損耗會增大、器件長度會增加。因此，需要對上述熱光調(diào)制型光柵的參數(shù)采取全局優(yōu)化策略，一種【具體實施方式】的優(yōu)化設(shè)計如下:光柵采用掩埋條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用Optiwave BPM軟件設(shè)計光波導(dǎo)界面結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行仿真計算，設(shè)定占空比為1: 1，室溫下反射中心波長λ = 1.565 μ m，通過調(diào)整紫外聚合式氟化聚合物材料的折射率，使室溫下波導(dǎo)有效折射率Neff= 1.5048，由式λ = 2XNeffX Λ可得，一階光柵周期Λ大約為0.52 μπι。選取光柵高度為0.5 μπι(凹槽部的槽深)，光柵長度為5.2mm(10000個光柵周期)，芯層的厚度和寬度均為6um，上包層的總厚度為Sum。利用matlab軟件對其室溫下反射譜進(jìn)行了模擬計算，綜合來看，其反射譜的反射率、帶寬、邊模抑制比、中心波長總體符合實際應(yīng)用要求，計算結(jié)果如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)是中心波長λ(單位為um)，縱坐標(biāo)是反射率R。
[0027]上述熱光調(diào)制型光柵利用上述加熱電極層5通過改變電源電壓來調(diào)節(jié)加熱功率，進(jìn)而改變聚合物材料的溫度，使其折射率發(fā)生變化，由于選用的紫外聚合式氟化聚合物材料具有極高的熱光系數(shù)，因而可以較大地改變波導(dǎo)光柵有效折射率，從而使其反射中心波長發(fā)生漂移，實現(xiàn)波導(dǎo)光柵的大范圍熱光調(diào)制功能。上述加熱電極層5可以根據(jù)光場能量在上包層里的分布，進(jìn)行一些優(yōu)化設(shè)計，以降低器件的熱功耗并增大器件的波長可調(diào)制范圍。例如，可進(jìn)行最小化上包層厚度和加熱電極寬度的設(shè)計，以最小化熱場縱向分布梯度和橫向分布范圍，實現(xiàn)電極的加熱效率最大化。還可以通過實現(xiàn)金屬電極電阻與電源內(nèi)阻和導(dǎo)線電阻之和的功率傳輸阻抗匹配，使得電源對加熱電極的功率傳輸效率達(dá)到最大。一種具體實施例的加熱電極層5的長度為5.2mm，寬度為8 μπι，厚度為lOOnm。
[0028]本實施例中通過直接將芯層形成于基底層上，通過基底層上表面上直接設(shè)置多個等間距排列的凹槽部，形成光柵形貌，即利用基底層直接作為下包層，而無需另外再生長出下包層，既簡化了光柵結(jié)構(gòu)，又由于無需另外生長下包層，簡化了制作工藝并且減少了制作成本。通過采用紫外聚合式氟化聚合物材料作為芯層材料，由于紫外聚合式氟化聚合物材料這類材料具有極高的化學(xué)、物理穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)特性，并且其具有極高的熱光系數(shù)，因而可以較大地改變光柵的有效折射率，從而使其反射中心波長發(fā)生漂移，實現(xiàn)光柵的低功耗、大范圍熱光調(diào)制功能。
[0029]作為一種優(yōu)選實施方式，所述上包層采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷樹脂。
[0030]本實施例中通過設(shè)置上包層采用的聚合物材料包括聚二甲基硅氧烷樹脂，由于這種聚合物材料價格低、透明度優(yōu)良、有突出的耐老化性、良好的絕緣性和機械強度等優(yōu)點，通過旋涂可形成良好的薄膜，從而可以降低所制作光柵的成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
[0031]作為一種優(yōu)選實施方式，所述基底層材料包括二氧化硅。
[0032]本實施例中通過設(shè)置基底層材料和芯層材料為二氧化硅，由于目前二氧化硅是主流的平面光波導(dǎo)材料，所以有利于與主流平面光波導(dǎo)實現(xiàn)無縫對接，不用額外增加研發(fā)投入而減少研發(fā)成本。并且還能使得所獲得的光柵具有二氧化硅光波導(dǎo)損