低功耗全聚合物热光VOA设计

低功耗全聚合物热光可变光衰减器的设计与fabrication

1 引言

随着光通信技术的快速发展，密集波分复用（DWDM）技术在光传输网络中发挥着越来越关键的作用。可变光衰减器（VOA）能够实现动态灵活的光功率调节，是DWDM系统中的基本组件[1, 2]。由于VOA在光通信中的大规模应用，对器件的多项性能指标提出了要求，包括低功耗、高光衰减、平坦的波长特性、快速响应和长期稳定性。近年来，基于不同结构和材料，例如微机电系统（MEMS）VOA[3, 4],、无机波导VOA[5, 6], 、光流体VOA[7, 8],以及有机‐无机杂化波导VOA[9–11]。尽管传统的MEMS VOA目前主要应用于光网络中，但它体积大、功耗高，且不利于与其他光器件集成。基于平面波导的VOA因其设计灵活和易于集成而备受关注。基于热光（TO）效应的最快VOA可采用SOI结构实现；然而，此类VOA的功耗约为数百毫瓦[12]。虽然通过使用悬空波导结构可以降低这类TO器件的功耗，但fabrication变得极为复杂且昂贵[13]。与无机材料相比，聚合物材料具有较大的热光系数、低热导率以及简单的加工步骤[14–16]。因此，由聚合物材料制成的VOA具有低功耗、快速响应和低成本的优点，能够满足未来光通信组件模块化和封装小型化的需求。已有基于聚合物波导的低功耗VOA被报道，但其响应时间相对较长[17, 18]。

本文中，我们设计并制备了一种基于马赫‐曾德尔干涉仪(MZI)波导结构的低功耗、高光衰减且成本低廉的全聚合物可变光衰减器。该器件在PMMA基板上加工而成。采用热稳定性良好的SU‐8环氧树脂（MicroChem公司商品化产品）和聚(甲基丙烯酸甲酰)(PMMA)分别作为波导的信心和包层材料。由于SU‐8信心材料具有较大的热光系数以及PMMA基板较低的热导率

2 可变光衰减器设计与仿真

该VOA基于MZI波导结构设计。它由输入/输出波导、一个3‐dB分束器、一个3‐dB耦合器、两个干涉臂以及覆盖在其上的两个加热电极组成。传统和所提出的VOA结构如图1a、b所示。与传统的VOA相比，所提出的可变光衰减器器件引入了空气沟槽结构，以提高电极的加热效率。波导的横截面及其材料如图1c、d所示。聚甲基丙烯酸甲酯被用作上包层材料，厚度为4.5‐lm，且具有热稳定的SU‐8环氧树脂用于形成3.0‐lm的方形芯层。它们的折射率分别为1.483和1.571。该器件制作在1.0 mm厚的PMMA基板上，该基板同时用作下包层。由于SU‐8芯层材料具有较大的热光系数（-1.8 × 10⁻⁴ K⁻¹）以及PMMA基板较小的热导率（0.19 W/m·K），[19],因此由这些材料制成的VOA可以实现低功耗工作。

为进一步降低VOA的功耗，在干涉臂两侧采用了空气沟槽结构，如图1b, d所示。

采用光束传播法（BPM）和有限元法（FEM）对器件特性进行仿真。图2a显示了无空气沟槽结构的全聚合物波导的光场分布，图2b显示了具有空气沟槽结构的波导的结果。可以看出，具有空气沟槽的波导中，光场功率被很好地限制在芯层内。同时对热场分布进行了仿真。当加热电极施加电功率时，产生的热能将改变波导的温度，进而由于热光效应改变聚合物材料的有效折射率。加热臂中的光程长度将发生变化。加热波导中产生的相位偏移

臂会影响输出端3‐dB耦合器中的相位干涉。根据外部热场引起的相位变化，可获得调制输出信号[20]。有源波导截面中的稳态热分布已获得，如图3a、b所示。显然，空气沟槽结构能够将热量限制在

无空气沟槽结构；(b) 有空气沟槽结构)
核心区域能够高效地隔热，且向侧向MZI臂波导的热量泄漏较少。这主要归因于空气较小的热导率（0.026 W/m·K），可有效防止热量泄漏到相邻的包层[21]。因此，有助于降低功耗并增强光衰减。

3 器件制造与表征

全聚合物可变光衰减器器件在PMMA基板上制造，该基板同时用作下包层。图4展示了详细的制造工艺，该工艺通过使用传统的半导体制造技术完成。首先，在PMMA基板上旋涂3.0‐μm厚的SU‐8 2005聚合物，并在65 °C下预烘5分钟，90 °C下10分钟以形成芯层。接着，通过接触式铬掩模对SU‐8层进行紫外光曝光，并在65 °C下后烘5分钟，95 °C下10分钟，使曝光的SU‐8层充分交联。第三，将样品显影以去除未曝光的SU‐8聚合物，然后在160 °C下硬烤10分钟。最后，在波导芯上旋涂4.5‐μm厚的PMMA上包层，并在120 °C下烘烤2.5小时。所制备的通道波导由扫描电子显微镜（SEM）成像，如图6a所示。为了制造加热电极，通过热蒸发在上包层上沉积60 nm厚的铝（Al）层。使用厚度为2.0‐μm的BP‐212作为光刻胶并旋涂在Al膜上，然后在80 °C下烘烤20分钟。随后采用传统的光刻技术和湿法刻蚀工艺对加热电极进行图形化。加热电极的表面形貌由原子力显微镜（AFM）表征，如图5所示。为了实现空气沟槽结构，采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀方法去除MZI臂两侧的包层材料。在此过程中，加热电极也用作刻蚀掩模。图6b显示了具有空气沟槽结构的波导的横截面。

所制备的可变光衰减器器件采用端面耦合系统进行表征。由可调谐半导体激光器（TSL‐210，Santec）发出的1550 nm信号光通过单模光纤（SMF）直接耦合到样品的输入端口。通过两个探针向加热电极施加电信号。为了测量可变光衰减器器件的插入损耗，将输出光束直接通过单模光纤耦合到光功率计中。所测试的2.6厘米长器件的光纤到光纤插入损耗约为9.3 dB。图7显示了当施加的电功率从0 mW变化到6.5 mW时，该器件的相对输出光功率。当加热功率为2.8 mW时，实现了最大衰减为‐40.2 dB。为了验证所采用的空气沟槽结构在所制备的VOA中的优势，制作了一个无空气沟槽结构的类似VOA还制备了一种器件。尽管这两种器件的插入损耗相似，但测得的功耗高达8.71 mW，远高于具有空气沟槽结构的VOA。此外，衰减降低至约-33.74 dB。这主要是由于PMMA基板的热导率相对较低，加热电极产生的热能会泄漏到另一个MZI臂并同时改变其光程长度。然而，所采用的空气沟槽可以阻止热量泄漏。该VOA的动态特性也进行了测量。通过两个探针向电极施加300 Hz方波信号，调制后的光功率通过单模光纤耦合到光电二极管探测器中。VOA的驱动信号和探测到的光响应同时在示波器（2012B，泰克）上观察，如图8所示。该VOA器件的上升时间和下降时间分别为612.0 μs和584.0 μs。器件在1530至1610 nm波长范围内的衰减波长依赖性如图9所示。上方的曲线谱是VOA器件无衰减时的输出光信号，其在1530 nm至1610 nm波长范围内的光谱波动为±1.5 dB。当1550 nm处的衰减为-40.2 dB时，光谱波动增加至±2.45 dB。此外，还将本研究提出的VOA与其他已报道的VOA的结构和性能进行了比较，如表1所示。显然，所制备的VOA表现出良好的性能，包括高光衰减、低功耗和快速响应时间，相较于其他类型的VOA[12, 17, 18, 22, 23]。这主要是因为所采用的全聚合物波导具有较大的芯层热光系数以及空气沟槽结构，能够有效降低器件的功耗，并且光场和热场功率能够在波导的芯层中良好地限制。因此，与其他类似结构相比具有显著优势。此外，该器件的fabrication工艺相对简单且成本较低。

结构	插入损耗 (dB)	光衰减 (dB)	功耗 (mW)	响应时间 (μs)	Ref.
SOI	12	14.2	210	50	[12]
PLC‐MMI	2	30	80	5000	[17]
PLC‐MZI	~8.1	29.3	1.96	1500	[18]
Y型结	~5	20	~200	1000	[22]
弯曲波导	1.5	>30	250	N/A	[23]
带空气沟槽的PLC‐MZI	9.3	40.2	2.8	600	这项工作

4 结论

为了开发适用于光通信系统的聚合物可变光衰减器，设计并制作了一种基于MZI波导的低功耗全聚合物可变光衰减器器件，该器件以PMMA基板为基础。为进一步降低功耗，在MZI臂两侧均采用了空气沟槽结构。对波导和可变光衰减器器件的特性参数进行了精心设计与仿真。器件fabrication采用常规半导体fabrication技术完成。所制备的器件实现了2.8 mW的低功耗和40.2 dB的高光衰减。在波长范围为1530至1610 nm时，衰减变化为±2.45 dB。在1550 nm波长下，插入损耗约为9.3 dB，上升和下降时间分别为612.0和584.0 μs。这种具有低功耗和高光衰减性能的全聚合物可变光衰减器器件有望应用于光通信系统。