一种4

一种4
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4光波导编码器
技术领域
1.本发明属于光子集成技术领域，具体涉及一种4
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4光波导编码器。


背景技术：

2.随着光通信技术的快速发展，光交换网络因其信息容量大、抗干扰能力强的优势逐步取代电气交换网络成为现代通信的主流发展方向，自由空间光学器件和平面光学器件是光交换网络的两种重要组成部分。而平面光交换网络的高信号响应速度更适于制备兼容性强、高效率的多功能光子芯片。特别是基于光码分多址(ocdma)技术的片上光波导编码器件，由于具有集成度高、功耗低、响应速度快等特点在光计算系统中备受关注。但由于多元件级联方式的影响，对整体编码器的扩容性及逻辑门的可重构性造成了限制。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提升编码器的扩容性及逻辑门的可重构性，提出了一种4
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4光波导编码器，通过对光波导有效折射率的热光调制，利用光波导耦合技术提供了光波导编码器，适用于构建高速高集成度的光学编码系统。本发明通过以热光开关为单元的驱动方式，在移相、交叉、合束单元的配合下，实现可重构光逻辑门式的高密度集成4
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4光波导编码器，其技术适用于可编程光子集成网络的构建，在大数据中心及超快计算系统中具有广阔的应用前景。
4.本发明所述的4
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4光波导编码器，采用以下技术方案：
5.如图1(a)所示，本发明所述的4
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4光波导编码器自下而上由衬底层1、下包层2、芯层3、上包层4和电极5组成，图1(a)中β处截面如图1(b)所示，在与光传输方向相垂直的截面上芯层3为矩形结构，芯层3和上包层4共同位于下包层2的上表面且芯层3被包覆在上包层4之中，电极5位于上包层4的表面，由窄矩形金属热电极、宽矩形金属连接线和方形外电源连接引线组成；方形外电源连接引线和外部稳压电源连接，为4
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4光波导编码器提供调制电压；方形外电源连接引线输出的电流通过宽矩形金属连接线传递至窄矩形金属热电极；窄矩形金属热电极电阻较高，施压后会产生高热量，从而改变窄矩形金属热电极下方芯层3的折射率，实现调制效果。
6.本发明所述的4
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4光波导编码器的芯层3结构如图1c所示，根据芯层3的布设方案可将光波导编码器分为16个开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)、8个移相器单元(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)、12个交叉波导单元(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)和16个合束器单元(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)组成；开关单元(a11-a14)、移相器单元(b11、b12)、交叉波导单元(c11-c13)和合束器单元(d11-d14)构成第一4
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1光波导编码器，开关单元(a21-a24)、移相器单元(b21、b22)、交叉波导单元(c21-c23)和合束器单元(d21-d24)构成第二4
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1光波导编码器，开关单元(a31-a34)、移相器单元(b31、b32)、交叉波导单元(c31-c33)和合束器单元(d31-d34)构成第三4
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1光波导编码器，开关单元(a41-a44)、移相器单元(b41、b42)、交叉波导单元(c41-c43)和合束器单元(d41-d44)
构成第四4
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1光波导编码器，第一～第四4
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1光波导编码器依次连接后构成4
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4光波导编码器。
7.本发明所述的开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)结构如图1d所示，沿光传输方向由3-db耦合器(aa)、调制区(ab)和定向耦合区(ac)三部分组成；调制区(ab)由两条平行直波导组成，将位于光传输方向右侧的直波导作为调制臂，在与其位置对应的上包层4的上表面设置有电极5；3-db耦合器(aa)由输入单直波导、末端带有弯曲耦合波导的输出双直波导组成，输入单直波导和输出双直波导相互平行，输出双直波导尺寸相同且对称地设置在输入单直波导的两侧，输出双直波导末端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后分别与调制区(ab)的两条平行直波导相连接；定向耦合区(ac)由首、末端均带有弯曲耦合波导的双直波导组成，该双直波导尺寸相同且相互平行，其首端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后与调制区(ab)的两条平行直波导分别相连接，其末端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后形成第一输出端和第二输出端；定向耦合区(ac)的双直波导间距较小，形成定向耦合结构。
8.本发明所述的移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)结构如图1e所示，顺次由输入直波导、两个对称设置的梯形结构波导、输出直波导相连接组成，沿光传输方向两个对称设置的梯形结构波导的宽度先变宽后变窄；本发明所述的交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)结构如图1f所示，由两条波导交叉连接构成，形成第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端和第二输入端相互平行，第一输出端和第二输出端相互平行；本发明所述的合束器单元(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)结构如图1g所示，为两个弯曲耦合波导、第一曲面波导、第二曲面波导、梯形波导和直波导顺次连接构成的对称多曲面结构，两个弯曲耦合波导形成合束器单元的第一输入端和第二输入端，直波导形成合束器单元的输出端；合束器单元的曲面宽度按指数函数变化，先增后减形成第一曲面，然后再先增后减形成第二曲面，最后由梯形波导将第二曲面波导和直波导相连接，用以控制衍射级数变化，可实现逻辑或门作用，两路信号光沿两个弯曲耦合波导输入后将被合成一路信号光由直波导输出，也可将沿任一个弯曲耦合波导传输的一路信号光由直波导输出。本发明所述的4
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4光波导编码器具有4个输入端口(in1～in4)和4个输出端口(out1～out4)。
9.具体的，第一4
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1光波导编码器中，移相器(b11)的输入直波导与开关单元(a11)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，移相器(b11)的输出直波导与合束器(d11)的第一输入端相连接；移相器(b12)的输入直波导与开关单元(a14)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，移相器(b12)的输出直波导与合束器(d14)的第二输入端相连接；交叉波导(c11)的第一输入端与开关单元(a11)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c11)的第二输入端与开关单元(a12)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c11)的第一输出端与合束器(d11)的第二输入端相连接，交叉波导(c11)的第二输出端与合束器(d12)的第一输入端相连接；交叉波导(c12)的第一输入端与开关单元(a12)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c12)的第二输入端与开关单元(a13)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c12)的第一输出端与合束器(d12)的第二输入端相连接，交叉波导(c12)的第二输出端与合束器(d13)的第一输入端相连接；交叉波导(c13)的第一输入端与开关单元(a13)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c13)的第二输入端与开关单元(a14)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c13)的第一输出端与合束器(d13)
的第二输入端相连接，交叉波导(c13)的第二输出端与合束器(d14)的第一输入端相连接。经合束器单元(d11-d14)合束后的信号光分别作为第二4
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1光波导编码器的输入信号，其余依次类推。
10.如图1(h)所示，电极5由16个电极单元(e11-e14、e21-e24、e31-e34、e41-e44)组成，每个电极单元均由2个方形外电源连接引线、1个窄矩形金属热电极和2个宽矩形金属连接线组成，分别作用于开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)调制区(ab)的调制臂上，方形外电源连接引线均匀分布于4
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4光波导编码器的两侧，窄矩形金属热电极布设在开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)调制区(ab)中调制臂对应位置上包层4的表面，窄矩形金属热电极与方形外电源连接引线由宽矩形金属连接线进行连接，金属连接线的宽度一致。
11.所述衬底层1材料为磷化铟(inp)、砷化镓(gaas)、硅(si)中的任意一种。
12.所述的下包层2材料为二氧化硅(sio2)、epoclad、fsu-8、su-8、p(mma-co-gma)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)中的一种。
13.所述的芯层3材料为硅(si)、fsu-8、su-8 2002、su-8 2005、聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)中的一种。
14.所述的上包层4材料为二氧化硅(sio2)、epoclad、fsu-8、su-8、p(mma-co-gma)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙烯(pe)、聚酯(pet)、聚苯乙烯(ps)中的一种。在同一器件中，上、下包层的材料可以相同，也可以不相同。芯层材料的折射率要大于包层材料的折射率。
15.所述的电极5材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种组成的合金。
16.开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)的工作原理如图2(a)所示，信号光自作为输入端口的输入单直波导输入后，在3-db耦合器(aa)处因波导间耦合作用，使得信号光分成幅度相等相位相同的两束光并向两侧的输出双直波导传输，经弯曲耦合波导送入调制区(ab)的两条平行直波导内；当未给调制臂上方电极施加电压时，两条平行直波导输出幅度相等相位相同的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下，沿定向耦合区(ac)的第一输出端和第二输出端分别输出幅度相等相位相同的两束信号光，两束信号光强度分别为开关单元入射信号光强度的1/2；当给调制臂上方电极施加电压u1时，金属热电极产生的热量使得调制臂区域的下包层2、芯层3和上包层4的折射率发生改变，调制区(ab)的两条平行直波导输出幅度相等相位相差π的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下沿定向耦合区(ac)的第一输出端输出，输出的信号光强度与开关单元入射信号光强度一致；当给调制臂上方电极施加电压u2时，金属热电极产生的热量使得调制臂区域的下包层2、芯层3和上包层4的折射率发生改变，调制区(ab)的两条平行直波导输出幅度相等相位相差-π的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下沿定向耦合区(ac)的第二输出端输出，输出的信号光强度与开关单元入射信号光强度一致；进而实现开关单元信号3种开关状态的切换功能。
17.移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)、交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)的工作原理如图2(b)所示，由于信号光在弯曲的交叉波导中会沿着其弯曲方向继续传输，因此自交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)项部分第一输入端输入的信号光将会沿着交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)底部的第二输出端输出，沿交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)底部的第二输入端输入的信号光将
会沿着交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)顶部的第一输出端输出，形成交叉传输状态；信号光在经过反向对称梯形结构波导时相位变化会变快，使得经移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)输出的信号光相位与同等长度直波导输出的信号光相位不同，通过优化梯形结构长度使其与交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)输出端输出的信号光相位一致。合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)的工作原理如图2(c)所示，自移相器或交叉波导输入的相位相同、幅度相同或不同的信号光经合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)后，由合束器输出端输出的信号光强度是输入信号光强度的累加。
18.所述的4
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4光波导编码器最少输入信号光数量为1，最多输出信号光数量为4，此状态下单路输出信号光强为输入信号光强的25％，可设定检测门限即为单路信号光强度的20％，超过检测门限判定编码状态为1，低于检测门限判定编码状态为0。在16组电极的作用下，控制16个开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)的工作，实现自输入端入射光{in1,in2,in3,in4}至输出端{out1,out2,out3,out4}的任意切换能力的光波导编码器功能。以in1和in4端口输入为例，16组电极中e11、e22、e33和e44接外部电压u2，e14、e23、e32和e41接外部电压u1输入时，由out1和out4端口输出，光传输路径如图3(a)所示；当电极e11、e22、e33和e44接外部电压u2，e14、e23和e32接外部电压u1时由out1、out2和out4端口输出，如图3(b)所示；当电极e11、e22、e33、e41和e44接外部电压u2，e14和e32接外部电压u1时由out2和out4端口输出，如图3(c)所示。
19.所述的4
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4光波导编码器以1端口输入的编码状态为例(单端口输入与多端口输入工作原理相同)，如表1所示(入射端{in1,in2,in3,in4}中0代表无信号光输入，1代表有信号光输入；输出端{out1,out2,out3,out4}中0代表无信号光输出，1代表有信号光输出；电极单元(e11-e44)中0代表无外部电压，1代表有外部电压u1，2代表有外部电压u2)。
20.与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
21.一、相比于传统编码器，本发明采用多个金属热电极级联的方案，可极大简化电路控制方案。
22.二、相比于传统聚合物光波导定向耦合开关阵列，本发明采用金属热电极加热的方式控制耦合状态的方案，可减小单元结构的尺寸规模，提升集成度。
23.附表说明
24.表1为本发明所述的4
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4光波导编码器入射光{in1,in2,in3,in4}为0001编码状态表。
25.表1：入射光{in1,in2,in3,in4}为0001编码状态表
26.附图说明
27.图1为本发明所述的4
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4光波导编码器的结构示意图；其中图(a)为4
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4光波导编码器结构主视图；图(b)为图(a)中β处位置截面示意图；图(c)为4
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4光波导编码器芯层结构俯视图；图(d)为开关单元芯层结构俯视图；图(e)为移相器结构俯视图；图(f)为交叉波导结构俯视图；图(g)为合束器结构俯视图；图(h)为4
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4光波导编码器电极结构俯视图。
28.图2为本发明所述的4
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4光波导编码器工作原理图；其中图(a)为开关单元工作原理图；图(b)为移相器及交叉波导工作原理图；图(c)为合束器工作原理图。
29.图3为本发明所述的4
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4光波导编码器在入射光以in1和in4端口输入下的编码状态图；其中图(a)为e11、e22、e33和e44接外部电压u2，e14、e23、e32和e41接外部电压u1输入时编码状态图；图(b)为e11、e22、e33和e44接外部电压u2，e14、e23和e32接外部电压u1输入时编码状态图；图(c)为e11、e22、e33、e41和e44接外部电压u2，e14和e32接外部电压u1输入时编码状态图。
30.图4为本发明所述的应用实施例中4
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4光波导编码器芯层结构图；其中图(a)为4
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4光波导编码器芯层总体结构图；图(b)为开关单元结构图；(c)为移相器结构图；图(d)为交叉波导结构图；图(e)为合束器结构图。
31.图5为本发明所述的应用实施例中4
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4光波导编码器电极结构图。
32.图6为本发明所述的应用实施例中3-db耦合器耦合波导长度与传输效率的关系曲线。
33.图7为本发明所述的应用实施例中定向耦合区耦合波导长度与传输效率的关系曲线。
34.图8为本发明所述的应用实施例中电压控制调制区调制臂的温度与传输效率的关系曲线。
35.图9为本发明所述的应用实施例中交叉波导的弯曲耦合波导长度与传输效率的关系曲线。
36.图10为本发明所述的应用实施例中移相器的梯形结构长度与传输效率的关系曲
线。
37.图11为本发明所述的应用实施例中合束器的曲面单元长度与传输效率的关系曲线。
38.图12为本发明所述的应用实施例的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点表达的更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1
41.本实施例中衬底层1材料为硅(si)，厚度为725
±
15μm。
42.本实施例中下包层2材料为二氧化硅(sio2)，厚度为5μm。
43.本实施例中芯层3材料为氟化双酚a酚醛树脂(fsu-8)，均采用横截面为矩形的条形结构，芯层宽度为5μm，厚度均为5μm；如附图4a所示，本实施例中4
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4光波导编码器的芯层3横向尺寸(沿信号光传输方向)为33360μm，纵向尺寸(垂直信号光传输方向)为415μm，相邻输入端口的间距和相邻输出端口的间距均为127μm。如附图4b所示，开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)的3-db耦合器(aa)的输入单直波导横向长度为500μm，输出双直波导的横向长度为1880μm，耦合间隙均为2μm，两弯曲耦合波导的横向长度为500μm，输出端口间距为34μm；调制区两条平行直波导横向长度均为2000μm，纵向间距为34μm；定向耦合区(ac)的两输入弯曲耦合波导横向长度为500μm，纵向间距为34μm，两耦合双直波导横向长度为1200μm，耦合间隙为2μm，两输出弯曲耦合波导横向长度为500μm，纵向间距为34μm。如附图4c所示，移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)的横向长度为1000μm，输入直波导和输出直波导的横向长度均为108μm，单侧梯形结构的窄边纵向尺寸均为5μm，宽边纵向尺寸均为8μm，横向长度均为392μm。如附图4d所示，交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)的两输入端和两输出端的横向长度均为160μm，纵向间距均为93μm，两弯曲耦合波导形成的交叉结构横向长度均为680μm，纵向间距均为93μm。如附图4e所示，合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)的两条弯曲耦合波导横向长度均为500μm，纵向间距为34μm，多曲面平板区入射端宽度为10μm，出射端宽度为5μm，横向长度为560μm，第一曲面最大宽度为15μm，第二曲面最大宽度为12μm，第二曲面截止位置宽度为11μm，两曲面间最小宽度为10μm，曲面边界满足函数y＝
±
x2+b，b为函数常量，y定义为边界线至曲面结构中心线的垂直矢量长度，x定义为波导结构的水平位置，其中第一曲面的曲面宽度从10μm增加到15μm再减少至11μm，以曲面宽度15μm时波导中心位置为坐标原点，上边界线满足函数下边界线满足函数曲面宽度在第一曲面从11μm减少到10μm再增加到第二曲面的11μm过程，以曲面宽度10μm时波导中心位置为坐标原点，上边界线满足函数y＝x
22
+5(-1≤x2≤1)，下边界线满足函数y＝-x
22-5(-1≤x2≤1)；曲面宽度在第二曲面从11μm增加到12μm再减少到11μm过程，以曲面宽度12μm时波导中心位置为坐标原点，上边界线满足函数y＝-x
32
+6(-1≤x3≤1)，下边界线满足函数y＝x
32-6
(-1≤x3≤1)。连接第二曲面截止位置与输出直波导间的梯形结构最大宽度为11μm，最小宽度5μm。出射端直波导横向长度200μm。
44.本实施例中上包层3材料为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，厚度为8μm。
45.本实施例中电极4材料为铝，厚度为100nm；如图5所示，电极单元(e11,e21,e31,e41)与电极单元(e14,e24,e34,e44)结构相同，呈纵向对称；电极单元(e12,e22,e32,e42)与电极单元(e13,e23,e33,e43)结构相同，呈纵向对称。电极单元(e11,e21,e31,e41,e14,e24,e34,e44)方形外电源连接引线的横向长度和纵向宽度均为2000μm，窄矩形金属热电极的横向长度均为2000μm，纵向宽度均为20μm，电极单元(e11,e21,e31,e41,e14,e24,e34,e44)宽矩形金属连接线的横向宽度均为100μm，纵向高度均为200μm；电极单元(e12,e22,e32,e42,e13,e23,e33,e43)连接至方形外电源连接引线的宽矩形金属连接线的横向宽度均为100μm，纵向高度为327μm，连接至窄矩形金属热电极的宽矩形金属连接线的横向宽度均为3500μm，纵向高度均为100μm。
46.本实施例选取中心波长为1550nm。此波长下硅(si)的有效折射率为3.4784，二氧化硅(sio2)的有效折射率为1.45，氟化双酚a酚醛树脂(fsu-8)的有效折射率为1.52，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的有效折射率为1.48。
47.本实施例使用rsoft软件模拟了开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)中3-db耦合器(aa)的不同耦合波导长度、定向耦合区(ac)的耦合直波导不同长度和调制区(ab)电压控制调制臂不同温度引起传输效率改变的效果。由图6可以看出，在耦合波导长度为1880μm时3-db耦合器(aa)两端口输出光强最大，达到49.9％，3-db耦合器的耦合长度为1880μm。由图7可以看出，在两束幅度相同、相差π相位的信号光输入的情况下，当定向耦合区的耦合直波导长度为1200μm时，自定向耦合区(ac)上端口输出光强最大，达到99％，定向耦合区(ac)下端口输出光强基本为0，定向耦合器的耦合长度为1200μm。从图8可以看出，室温下(无外部电压)开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)两输出端口输出光强相等，实现输入端1至输出端11的编码；升温至296..6k(对应外部电压2.3v)时开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)下端口输出的光强最大，达到99.4％，开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)上端口基本无信号光输出，实现输入端1至输出端01的编码；升温至299.8k时开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)上端口输出的光强最大，达到99.3％，开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)下端口基本无信号光输出，实现输入端1至输出端10的编码。
48.本实施例使用rsoft软件模拟了交叉波导(c11-a43)中弯曲耦合波导不同长度下的传输效率和移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)中不同梯形长度下的输出相位。由图9可以看出，弯曲耦合波导长度为680μm时，自交叉波导(c11-a43)下端口输出光强最大，达到91％，交叉波导中弯曲耦合波导长度为680μm。由图10可以看出，同相位的两束光分别进入移相器和交叉波导中，当移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)梯形长度为392μm，自移相器输出的光相位与自交叉波导输出的光相位一致，实现了光相位补偿。
49.本实施例使用rsoft软件模拟了两束同相位信号光进入时合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)中不同曲面单元长度下输出光强。由图11可以看出，曲面单元长度为72μm时，输出光强最大，达到95％；合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)横向长度为560μm。
50.本实施例制作工艺如图12所示，为了更好地表达工艺步骤，以图1(a)中β处截面的调制臂处的截面为例进行说明：
51.(1)在二氧化硅(sio2)基片之上旋涂5μm厚度的fsu-8芯膜3a(在前转600r/min速率下10s，在后转3000r/min速率下20s)，旋涂后放置在加热板上在65℃温度下10min、95℃温度下20min；
52.(2)在芯层之上放置带有芯层光刻图案的光刻板6，使用光刻机曝光芯层薄膜55～65s(本实施例中曝光60s)，通过光刻在膜表面上获得设计的器件图案；
53.(3)用显影液pgmea去除未交联部分的芯膜(显影时间不超过15s，可根据显影情况具体调节)，得到宽度为5μm的芯层3，并将显影后的器件在加热板上以120℃的温度固化30min，达到坚膜效果；
54.(4)应用旋涂工艺制备8μm厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)上包层4(在前转600r/min速率下10s，在后转3000r/min速率下20s)，旋涂后放置在加热板上在120℃温度下30min；
55.(5)使用真空镀膜机将铝膜沉积在上包层4上，并将bp-212掩膜在铝层之上以2500r/min的转速旋涂30s，使用光刻机曝光金属层薄膜2～2.5s(本实施例中曝光2s)，使得金属铝层上显示底层电极图案，使用显影液(氢氧化钠溶液，质量比为naoh：h2o＝1:200，)去除电极表面上的bp-212，得到电极5。

技术特征：
1.一种4
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4光波导编码器，其特征在于：自下而上由衬底层(1)、下包层(2)、芯层(3)、上包层(4)和电极(5)组成，芯层(3)为条形结构，芯层(3)和上包层(4)共同位于下包层(2)的上表面且芯层(3)被包覆在上包层(4)之中；芯层(3)由16个开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)、8个移相器单元(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)、12个交叉波导单元(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)和16个合束器单元(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)组成；开关单元(a11-a14)、移相器单元(b11、b12)、交叉波导单元(c11-c13)和合束器单元(d11-d14)构成第一4
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1光波导编码器，开关单元(a21-a24)、移相器单元(b21、b22)、交叉波导单元(c21-c23)和合束器单元(d21-d24)构成第二4
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1光波导编码器，开关单元(a31-a34)、移相器单元(b31、b32)、交叉波导单元(c31-c33)和合束器单元(d31-d34)构成第三4
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1光波导编码器，开关单元(a41-a44)、移相器单元(b41、b42)、交叉波导单元(c41-c43)和合束器单元(d41-d44)构成第四4
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1光波导编码器，第一～第四4
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1光波导编码器依次连接后构成4
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4光波导编码器；开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)由3-db耦合器(aa)、调制区(ab)和定向耦合区(ac)三部分组成；调制区(ab)由两条平行直波导组成，将位于光传输方向右侧的直波导作为调制臂，在与其位置对应的上包层(4)的上表面设置有电极(5)；3-db耦合器(aa)由输入单直波导、末端带有弯曲耦合波导的输出双直波导组成，输入单直波导和输出双直波导相互平行，输出双直波导尺寸相同且对称地设置在输入单直波导的两侧，输出双直波导末端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后分别与调制区(ab)的两条平行直波导相连接；定向耦合区(ac)由首、末端均带有弯曲耦合波导的双直波导组成，该双直波导尺寸相同且相互平行，其首端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后与调制区(ab)的两条平行直波导分别相连接，其末端通过弯曲耦合波导向两侧扩展后形成第一输出端和第二输出端；定向耦合区(ac)的双直波导间距较小，形成定向耦合结构；移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)顺次由输入直波导、两个对称设置的梯形结构波导、输出直波导相连接组成，沿光传输方向两个对称设置的梯形结构波导的宽度先变宽后变窄；交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)由两条波导交叉连接构成，形成第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端和第二输入端相互平行，第一输出端和第二输出端相互平行；合束器单元(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)为两个弯曲耦合波导、第一曲面波导、第二曲面波导、梯形波导和直波导顺次连接构成的对称多曲面结构，两个弯曲耦合波导形成合束器单元的第一输入端和第二输入端，直波导形成合束器单元的输出端；合束器单元的曲面宽度按指数函数变化，先增后减形成第一曲面，然后再先增后减形成第二曲面，最后由梯形波导将第二曲面波导和直波导相连接，用以控制衍射级数变化，可实现逻辑或门作用；该4
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4光波导编码器具有4个输入端口(in1～in4)和4个输出端口(out1～out4)。2.如权利要求1所述的一种4
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4光波导编码器，其特征在于：第一4
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1光波导编码器中，移相器(b11)的输入直波导与开关单元(a11)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，移相器(b11)的输出直波导与合束器(d11)的第一输入端相连接；移相器(b12)的输入直波导与开关单元(a14)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，移相器(b12)的输出直波导与合束器(d14)的第二输入端相连接；交叉波导(c11)的第一输入端与开关单元(a11)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c11)的第二输入端与开关单元(a12)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c11)的第一输出端与合束器(d11)的第二输入端相连接，
交叉波导(c11)的第二输出端与合束器(d12)的第一输入端相连接；交叉波导(c12)的第一输入端与开关单元(a12)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c12)的第二输入端与开关单元(a13)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c12)的第一输出端与合束器(d12)的第二输入端相连接，交叉波导(c12)的第二输出端与合束器(d13)的第一输入端相连接；交叉波导(c13)的第一输入端与开关单元(a13)定向耦合区(ac)的第二输出端相连接，交叉波导(c13)的第二输入端与开关单元(a14)定向耦合区(ac)的第一输出端相连接，交叉波导(c13)的第一输出端与合束器(d13)的第二输入端相连接，交叉波导(c13)的第二输出端与合束器(d14)的第一输入端相连接；经合束器单元(d11-d14)合束后的信号光分别作为第二4
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1光波导编码器的输入信号，其余依次类推；自交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)项部分第一输入端输入的信号光将会沿着交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)底部的第二输出端输出，沿交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)底部的第二输入端输入的信号光将会沿着交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)顶部的第一输出端输出，形成交叉传输状态；通过优化梯形结构长度使其与交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)输出端输出的信号光相位一致；自移相器或交叉波导输入的相位相同、幅度相同或不同的信号光经合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)后，由合束器输出端输出的信号光强度是输入信号光强度的累加。3.如权利要求1所述的一种4
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4光波导编码器，其特征在于：电极(5)由16个电极单元(e11-e14、e21-e24、e31-e34、e41-e44)组成，每个电极单元均由2个方形外电源连接引线、1个窄矩形金属热电极和2个宽矩形金属连接线组成，分别作用于开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)调制区(ab)的调制臂上，方形外电源连接引线均匀分布于4
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4光波导编码器的两侧，窄矩形金属热电极布设在开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)调制区(ab)中调制臂对应位置上包层(4)的表面，窄矩形金属热电极与方形外电源连接引线由宽矩形金属连接线进行连接，金属连接线的宽度一致。4.如权利要求1所述的一种4
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4光波导编码器，其特征在于：衬底层(1)材料为磷化铟、砷化镓、硅中的任意一种；下包层(2)材料为二氧化硅、epoclad、fsu-8、su-8、p(mma-co-gma)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯中的一种；芯层(3)材料为硅、fsu-8、su-8 2002、su-82005、聚碳酸酯、聚酰亚胺中的一种；上包层(4)材料为二氧化硅、epoclad、fsu-8、su-8、p(mma-co-gma)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯中的一种；电极(5)材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种组成的合金。5.如权利要求1所述的一种4
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4光波导编码器，其特征在于：信号光自作为输入端口的输入单直波导输入后，在3-db耦合器(aa)处因波导间耦合作用，使得信号光分成幅度相等相位相同的两束光并向两侧的输出双直波导传输，经弯曲耦合波导送入调制区(ab)的两条平行直波导内；当未给调制臂上方电极施加电压时，两条平行直波导输出幅度相等相位相同的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下，沿定向耦合区(ac)的第一输出端和第二输出端分别输出幅度相等相位相同的两束信号光，两束信号光强度分别为开关单元入射信号光强度的1/2；当给调制臂上方电极施加电压u1时，金属热电极产生的热量使得调制臂区域的下包层(2)、芯层(3)和上包层(4)的折射率发生改变，调制区(ab)的两条平行直波导输出幅度相等相位相差π的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下沿定向耦合区(ac)的第一输出端输出，输出的信号光强
度与开关单元入射信号光强度一致；当给调制臂上方电极施加电压u2时，金属热电极产生的热量使得调制臂区域的下包层(2)、芯层(3)和上包层(4)的折射率发生改变，调制区(ab)的两条平行直波导输出幅度相等相位相差-π的两束信号光经弯曲耦合波导送至定向耦合区(ac)，在波导间耦合作用下沿定向耦合区(ac)的第二输出端输出，输出的信号光强度与开关单元入射信号光强度一致；进而实现开关单元信号3种开关状态的切换功能。6.如权利要求1～5任何一项所述的一种4
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4光波导编码器，其特征在于：衬底层(1)的厚度为725
±
15μm，下包层(2)的厚度为5μm，上包层(3)的厚度为8μm，芯层(3)的宽度和厚度均为5μm；电极(5)的厚度为100nm；电极单元(e11,e21,e31,e41)与电极单元(e14,e24,e34,e44)结构相同，呈纵向对称；电极单元(e12,e22,e32,e42)与电极单元(e13,e23,e33,e43)结构相同，呈纵向对称；方形外电源连接引线的横向长度和纵向宽度均为2000μm，窄矩形金属热电极的横向长度均为2000μm，纵向宽度均为20μm，电极单元(e11,e21,e31,e41,e14,e24,e34,e44)连接至方形外电源连接引线的宽矩形金属连接线的横向宽度均为100μm，纵向高度均为200μm；电极单元(e12,e22,e32,e42,e13,e23,e33,e43)连接至方形外电源连接引线的宽矩形金属连接线的横向宽度均为100μm，纵向高度为327μm，连接至窄矩形金属热电极的宽矩形金属连接线的横向宽度均为3500μm，纵向高度均为100μm。7.如权利要求1～5任何一项所述的一种4
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4光波导编码器，其特征在于：芯层(3)沿信号光传输方向的横向尺寸为33360μm，垂直信号光传输方向的纵向尺寸为415μm，相邻输入端口的间距和相邻输出端口的间距均为127μm；开关单元(a11-a14、a21-a24、a31-a34、a41-a44)的3-db耦合器(aa)的输入单直波导横向长度为500μm，输出双直波导的横向长度为1880μm，耦合间隙均为2μm，两弯曲耦合波导的横向长度为500μm，输出端口间距为34μm；调制区两条平行直波导横向长度均为2000μm，纵向间距为34μm；定向耦合区(ac)的两输入弯曲耦合波导横向长度为500μm，纵向间距为34μm，两耦合双直波导横向长度为1200μm，耦合间隙为2μm，两输出弯曲耦合波导横向长度为500μm，纵向间距为34μm；移相器(b11、b12、b21、b22、b31、b32、b41、b42)的横向长度为1000μm，输入直波导和输出直波导的横向长度均为108μm，单侧梯形结构的窄边纵向尺寸均为5μm，宽边纵向尺寸均为8μm，横向长度均为392μm；交叉波导(c11-c13、c21-c23、c31-c33、c41-c43)的两输入端和两输出端的横向长度均为160μm，纵向间距均为93μm，两弯曲耦合波导形成的交叉结构横向长度均为680μm，纵向间距均为93μm；合束器(d11-d14、d21-d24、d31-d34、d41-d44)的两条弯曲耦合波导横向长度均为500μm，纵向间距为34μm，多曲面平板区入射端宽度为10μm，出射端直波导的宽度为5μm，横向长度为560μm，第一曲面最大宽度为15μm，第二曲面最大宽度为12μm，第二曲面截止位置宽度为11μm，两曲面间最小宽度为10μm；曲面边界满足函数y＝
±
x2+b，b为函数常量，y定义为边界线至曲面结构中心线的垂直矢量长度，x定义为波导结构的水平位置；其中第一曲面的曲面宽度从10μm增加到15μm再减少至11μm，以曲面宽度15μm时波导中心位置为坐标原点，上边界线满足函数y＝-x
12
+15(-5≤x1≤2)，下边界线满足函数y＝x
12-15(-5≤x1≤2)；曲面宽度在第一曲面从11μm减少到10μm再增加到第二曲面的11μm过程，以曲面宽度10μm时波导中心位置为坐标原点，上边界线满足函数y＝x
22
+10(-1≤x2≤1)，下边界线满足函数y＝-x
22-10(-1≤x2≤1)；曲面宽度在第二曲面从11μm增加到12μm再减少到11μm过程，以曲面宽度12μm时波导中心位置为坐标原点，上边界线满足函数y＝-x
32
+12(-1≤x3≤1)，下边界线满足函数y＝x
32-12(-1≤x3≤1)；连接第二曲面截止位置与输出直波导间的梯形结
构最大宽度为11μm，最小宽度5μm；出射端直波导横向长度200μm。

技术总结
一种4


技术研发人员：陈长鸣 岳建 王春雪 林航 崔安琪 孙相宜 张大明
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/24