紫外固化型聚合物高階布拉格波導(dǎo)光柵濾波器

田 亮，王 輝，岳遠(yuǎn)斌，陳長鳴，張大明

(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室，吉林長春130012)

1 引言

布拉格光柵是光通信網(wǎng)絡(luò)中光插分復(fù)用器(OADM)的核心器件，它決定著網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣［1-2］，并且在分布反饋激光器、波分復(fù)用器、生化傳感器、光開關(guān)、延時線等光電子器件方面有著廣泛的應(yīng)用。布拉格光柵的工作原理是入射的模式在光柵區(qū)與反向傳輸?shù)哪Ｊ竭M(jìn)行耦合，而使前向傳輸模式的能量傳遞給后向傳輸模式，形成對入射波的反射［3］。

與傳統(tǒng)布拉格光柵制作相比，用聚合物材料制作布拉格光柵具有諸多優(yōu)勢。在工藝方面，制備光纖布拉格光柵通常采用大功率激光器寫入或紫外光寫入技術(shù)，同時輔以載氫工藝來完成;而對于聚合物布拉格光柵，其制備工藝簡單，主要采用半導(dǎo)體工藝，便于實現(xiàn)光電集成。在材料選擇方面，光纖布拉格光柵所用光纖必須是特制的，芯層是對紫外光敏感的摻鍺、硼或二者共摻的光纖材料［4］;而聚合物布拉格光柵所用材料選擇多樣、柔韌性好、重量輕、可高效連結(jié)、與聚合物光纖系統(tǒng)天然兼容。在器件結(jié)構(gòu)方面，可根據(jù)實際需要任意改變光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在應(yīng)用性方面，相對于無機材料，聚合物材料具有介電常量低、響應(yīng)速度快、熱膨脹系數(shù)高、熱光系數(shù)高、電光系數(shù)高、成本低、易于成膜等特點［5］。

有機聚合物是制作光電子器件的優(yōu)良功能材料。通過控制材料的組分比可以調(diào)節(jié)其折射率，通過分子設(shè)計可優(yōu)化材料的特性［6］。本文利用具有優(yōu)良光學(xué)特性和高熱穩(wěn)定性的芯層材料SU-8 2005(折射率n=1.571@1 550 nm)和包層材料聚合物甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯［P(MMA-GMA)］(折射率 n=1.483@1 550 nm)設(shè)計了一種基于矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的布拉格波導(dǎo)光柵，這種結(jié)構(gòu)的布拉格波導(dǎo)光柵能夠?qū)崿F(xiàn)對光場的限制，進(jìn)而能夠減小光柵的損耗。

2 理論計算

采用耦合模理論分析計算光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖1是光柵的頂視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 布拉格波導(dǎo)光柵的頂視結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Top view of Bragg waveguide grating

根據(jù)耦合模方程［7-8］:

進(jìn)而得到反射系數(shù)的表達(dá)式:

經(jīng)推導(dǎo):

從得出的結(jié)果可看出，光柵的耦合系數(shù)K與光柵高度a成正比，與光柵階數(shù)l成反比，光柵周期與光柵階數(shù)成正比，光柵反射率同耦合系數(shù)與光柵長度的乘積成正比。若選取光柵階數(shù)l=1，它的周期約為0.5 μm，在工藝上較難實現(xiàn)，所以采用了高階布拉格波導(dǎo)光柵。綜合考慮光柵階數(shù)對光柵周期和耦合系數(shù)的影響后，選取光柵階數(shù)l=22，這樣耦合系數(shù)必然會下降，從而加深了光柵高度，取光柵高度b－a為4 μm，以此來增加光柵的耦合系數(shù);另外取波導(dǎo)厚度h為5μm，寬度b為9 μm，光柵周期數(shù)為500個，布拉格中心波長λ為1 550 nm，用Matlab軟件模擬計算了此種結(jié)構(gòu)的布拉格波導(dǎo)光柵的透射率與入射光波長之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 布拉格波導(dǎo)光柵的透射率與入射光波長之間的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of transmittivity of Bragg waveguide grating and incident light wavelength

3 器件的制作

器件的制作過程如圖3所示:在清潔好的硅片表面旋涂P(MMA-GMA)下包層，120℃溫度下固化2 h;旋涂SU-8芯層，90℃前烘20 min，去除溶劑;在365 nm光照下進(jìn)行光刻，光引發(fā)劑三苯基硫鹽在近紫外光照下吸收光子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成強酸H+A－，起催化交聯(lián)作用，90℃溫度中烘20 min，使被曝光的地方發(fā)生熱交聯(lián)反應(yīng)，在SU-8專用顯影液PGMEA中顯影40 s，然后在異丙醇中去除顯影液，最后用去離子水沖洗器件，這樣就在SU-8芯層上得到了布拉格波導(dǎo)光柵的圖形;旋涂P(MMA-GMA)上包層，120℃溫度下固化2 h。

圖3 器件的制作工藝Fig.3 Fabrication technology of device

最終，在光學(xué)顯微鏡下測得下包層厚度為4 μm，芯層厚度為 5 μm，上包層厚度為4 μm，光柵周期 Λ 為11 μm，光柵高度b－a為4 μm，光柵谷寬Λ－W為2 μm，光柵峰寬W為9 μm，占空比為 2∶9。

4 測試結(jié)果

對器件的兩端進(jìn)行解理，波導(dǎo)的輸入/輸出端面為自然解理面，采用圖4所示的光波導(dǎo)測試系統(tǒng)測試了該器件的性能:從寬譜激光器輸出的激光經(jīng)過單模光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)輸入端，波導(dǎo)輸出端經(jīng)過單模光纖耦合進(jìn)光譜儀。圖5是在輸入光功率為1 mW時得到的寬譜激光器與布拉格波導(dǎo)光柵的輸出光譜，從圖中可看出，器件的諧振波長為1 550.4 nm，消光比為23 dB，3-dB帶寬為2 nm。從測試結(jié)果可以看出，高階聚合物布拉格波導(dǎo)光柵完全可以實現(xiàn)濾波的功能，并且具有較大的消光比和較小的3-dB帶寬。

圖4 布拉格波導(dǎo)光柵的測試系統(tǒng)Fig.4 Photo of test system for Bragg waveguide grating

5 結(jié)論

圖5 寬譜激光器與布拉格波導(dǎo)光柵的輸出光譜Fig.5 Output spectra of wide spectrum laser and Bragg waveguide grating

通過半導(dǎo)體工藝成功地制作了具有良好的熱穩(wěn)定性和光學(xué)特性的聚合物高階布拉格波導(dǎo)光柵，并測試了其透射譜，器件的諧振波長為1 550.4 nm，消光比為23 dB，3-dB帶寬為2 nm。實驗證明，這種技術(shù)可用于實現(xiàn)低成本，高性能的光集成回路。

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