紫外固化型聚合物高階布拉格波導光柵濾波器

田 亮，王 輝，岳遠斌，陳長鳴，張大明

(吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯合實驗室，吉林長春130012)

1 引言

布拉格光柵是光通信網絡中光插分復用器(OADM)的核心器件，它決定著網絡性能的優劣［1-2］，并且在分布反饋激光器、波分復用器、生化傳感器、光開關、延時線等光電子器件方面有著廣泛的應用。布拉格光柵的工作原理是入射的模式在光柵區與反向傳輸的模式進行耦合，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，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，主要采用半導體工藝，便于實現光電集成。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、與聚合物光纖系統天然兼容。在器件結構方面，可根據實際需要任意改變光柵的結構參數。在應用性方面，相對于無機材料，聚合物材料具有介電常量低、響應速度快、熱膨脹系數高、熱光系數高、電光系數高、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良功能材料。通過控制材料的組分比可以調節其折射率，通過分子設計可優化材料的特性［6］。本文利用具有優良光學特性和高熱穩定性的芯層材料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)設計了一種基于矩形波導結構的布拉格波導光柵，這種結構的布拉格波導光柵能夠實現對光場的限制，進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構參數，圖1是光柵的頂視結構示意圖。

圖1 布拉格波導光柵的頂視結構示意圖Fig.1 Top view of Bragg waveguide grating

根據耦合模方程［7-8］:

進而得到反射系數的表達式:

經推導:

從得出的結果可看出，光柵的耦合系數K與光柵高度a成正比，與光柵階數l成反比，光柵周期與光柵階數成正比，光柵反射率同耦合系數與光柵長度的乘積成正比。若選取光柵階數l=1，它的周期約為0.5 μm，在工藝上較難實現，所以采用了高階布拉格波導光柵。綜合考慮光柵階數對光柵周期和耦合系數的影響后，選取光柵階數l=22，這樣耦合系數必然會下降，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;另外取波導厚度h為5μm，寬度b為9 μm，光柵周期數為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構的布拉格波導光柵的透射率與入射光波長之間的關系曲線，如圖2所示。

圖2 布拉格波導光柵的透射率與入射光波長之間的關系曲線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光照下進行光刻，光引發劑三苯基硫鹽在近紫外光照下吸收光子發生化學反應，反應生成強酸H+A－，起催化交聯作用，90℃溫度中烘20 min，使被曝光的地方發生熱交聯反應，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 測試結果

對器件的兩端進行解理，波導的輸入/輸出端面為自然解理面，采用圖4所示的光波導測試系統測試了該器件的性能:從寬譜激光器輸出的激光經過單模光纖耦合進波導輸入端，波導輸出端經過單模光纖耦合進光譜儀。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。從測試結果可以看出，高階聚合物布拉格波導光柵完全可以實現濾波的功能，并且具有較大的消光比和較小的3-dB帶寬。

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

5 結論

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

通過半導體工藝成功地制作了具有良好的熱穩定性和光學特性的聚合物高階布拉格波導光柵，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，這種技術可用于實現低成本，高性能的光集成回路。

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