CN113296292B - 一种有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种有机/无机混合集成的垂直多模干涉器结构的聚合物可变光衰减器及其制备方法属于聚合物光波导可变光衰减器技术领域。由硅衬底，在衬底上制备的二氧化硅下包层，在二氧化硅下包层上沿光的传播方向制备的二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元和二氧化硅输出波导单元，位于二氧化硅下包层之上且包覆二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元的二氧化硅上包层，位于二氧化硅上包层和聚合物芯层波导单元之上的聚合物包层，位于聚合物包层之上的金属调制电极组成。该可变光衰减器结构紧凑，功耗低，响应速度快，消光比大等优点，可用于光通信中的WDM系统中，起到功率均衡的作用。

Description

一种有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器及其制备方法

技术领域

本发明属于聚合物光波导可变光衰减器技术领域，具体涉及用于有机/无机混合集成的垂直多模干涉器(Multi-Mode Interference,MMI)结构的聚合物可变光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)及其制备方法。

背景技术

在光网络中，存在从本地节点上路的光信号与其它传输了不同距离的不同光功率的一些信号复用在一起传输的可能；即使本身是复用在一起传输的光信号，传输一段距离后，由于掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fibre Amplifier,EDFA)、光滤波器和光开关等器件对各波长的响应略有不同，它们的功率也可能不同。此外由于光网络的上下路、重新配置或网络恢复等原因，使进入节点的各个波长通道的光功率也存在差异，由于光信号要经历多个节点和链路，各个波长通道之间的光功率差异产生累积，导致各个光信道的信噪比不一致，使得系统服务质量受到影响，甚至使某些信道劣化到不可接受的水平。总的来说，波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统信道功率不平衡会导致下面三方面的问题：

1.接收能量不平衡最终会超过接受器所允许的动态范围；

2.累积的信噪比(Signal Noise Rate,SNR)的不平衡会导致对于一定波长的误码率(Bite Error Rate,BER)的增加，可能会低于要求的误码率；

3.由于增益的不足，最小信道的信号强度可能会低于接收器的灵敏度，这样接收器就无法探测到信号。

同时光网络要实用化还需要解决各波长通道间的功率不均衡的问题。特别是在可重构光插复用器(Reconfigurable Optical-Add-Drop-Multiplexer,ROADM，系统中，由于各个通道的业务量和传输距离不一样，各个通道的传输(信噪比，功率，误码率，等等)必须得到均衡。可变光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)是用来均衡控制节点中各个波长通道的光功率值的首选方案。另外，光衰减器也可以对光通信线路、系统进行检测，还可以实现EDFA的增益平坦化。

目前，由于基于二氧化硅的平板光波导器件(Planar Lightwave Circuit,PLC)具有损耗低、稳定性高、易于与光纤集成等优点，被广泛应用在光通信领域。然而二氧化硅PLC的热光系数仅有1.19×10^-5K^-1，限制了其在有源器件领域的应用，而聚合物PLC的热光系数为-1.86×10^-4K^-1，比二氧化硅PLC高一个数量级，非常适合制作热光开关、可调谐滤波器等有源光子芯片。基于上述原因，本发明从综合两种材料的优势出发，利用现有的成熟的制作二氧化硅PLC的工艺实现低损耗的无源器件，与有机聚合物器件的低功耗制备有源器件的优势，在传统的PLC制备工艺的基础上，开发了有机无机混合集成的工艺方法，将二氧化硅PLC与聚合物PLC器件混合集成在一块芯片上，最终实现低损耗、低功耗、高性能的有机无机混合集成光子芯片。本发明基于有机无机混合集成兼容工艺，设计了一种MMI结构的VOA器件，该器件结构紧凑、功耗低、响应速度快，在光通信、集成光学等领域具有很大的应用潜力。

发明内容

本发明针对二氧化硅VOA功耗大的问题，提出了在二氧化硅PLC工艺的基础上，利用聚合物具有流动性、可以低温处理的优点，通过电感耦合等离子体(Inductive CoupledPlasma,ICP)刻蚀、旋涂、光刻、显影等工艺，实现了有机无机混合集成器件。与现有技术相比，本发明所述方法在不影响二氧化硅PLC工艺的前提下，通过简单的工艺，将聚合物PLC器件与二氧化硅PLC器件实现了混合单片集成，利用聚合物的热光系数高于二氧化硅一个数量级的优点，可以大幅降低VOA调制所需要的功耗。

一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，由硅衬底，在硅衬底上制备的二氧化硅下包层，在二氧化硅下包层上沿光的传播方向制备的二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元和二氧化硅输出波导单元，位于二氧化硅下包层之上、下表面与二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元下表面位于同一平面且包覆二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元的二氧化硅上包层，位于聚合物芯层波导单元和二氧化硅上包层之上、下表面与二氧化硅上包层的上表面位于同一平面且包覆聚合物波导单元的聚合物包层，位于聚合物包层之上的金属调制电极组成。

所述的二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元、二氧化硅输出波导单元的底部位于同一平面(即二氧化硅下包层的上表面)，在光的传播方向上，二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元、二氧化硅输出波导单元的宽度相同(为W_wg)；二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元入的高度相同(为H_wg)，聚合物芯层波导单元延伸入聚合物包层内，其高度(为W_MMI)大于二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元入的高度；输入光从二氧化硅输入波导单元耦合进入聚合物芯层波导单元中传播，聚合物芯层波导单元为垂直MMI结构，通过优化聚合物芯层波导单元的长度L_MMI可以实现输入光90％以上耦合进入二氧化硅输出波导单元；调制电极位于聚合物芯层波导单元正上方聚合物包层的上表面，当对电极施加电压时，电极发热会使得下方的聚合物芯层波导温度发生改变，光在经过温度发生变化的聚合物芯层波导时，会产生相位差，使得自映像的位置发生变化，耦合进入二氧化硅输出波导单元的光强发生变化，从而构成聚合物VOA器件。

所述的二氧化硅上包层和二氧化硅芯层间的折射率差为0.36％～2％，其计算公式见式(1)，芯层折射率为n₁，包层折射率为n₂，芯层的折射率大于包层的折射率；

所述的聚合物包层材料可以选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等；

所述的聚合物芯层材料为具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-8 2002、SU-82005、EpoCore等。

所述的金属调制电极的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。

本发明所述的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器的制备方法，其步骤如下：

步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；

步骤②：然后在二氧化硅下包层上通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积得到3.5～6.5μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为300～800mTorr，衬底温度为300～350℃，上电极低频射频功率为200～700W，上电极高频射频功率为300～800W，硅烷气体流量为15～30sccm，一氧化氮气体流量为1800～2000sccm，锗烷气体流量为1.3～2.4sccm，沉积速率为180～230nm/min；

步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂光刻胶层Ⅰ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅰ上与需要制备的条形波导结构相同(光刻胶层Ⅰ为正性光刻胶)或互补(光刻胶层Ⅰ为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；然后再去掉二氧化硅芯波导上的光刻胶层I；

步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积得到3～5μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层，二氧化硅上包层与步骤①制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；其中PECVD设备的腔室气压为2000～3000mTorr，衬底温度为335～365℃，下电极射频功率为1600～2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100～140sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；磷烷和氮气混合气体流量为20～45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；

步骤⑤：在二氧化硅包层上，再次旋涂形成光刻胶层Ⅱ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的聚合物芯层波导结构相同(光刻胶层Ⅱ为正性光刻胶)或互补(光刻胶层Ⅱ为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅包层上刻蚀出与聚合物芯层波导结构相同的窗口；沿光的传输方向，窗口位于条形结构的二氧化硅芯层波导正上方的中间位置处；窗口的底面与二氧化硅芯层波导的底面位于同一平面(即二氧化硅下包层的上表面)；窗口的宽度与条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度相同，窗口的长度为MMI为自映像长度L_MMI，自映像长度L_MMI小于二氧化硅芯层波导的长度；然后再去掉二氧化硅包层上的光刻胶层Ⅱ；沿光的传输方向，在窗口前面的条形结构的二氧化硅芯层波导为二氧化硅输入波导单元，在窗口后面的条形结构的二氧化硅芯层波导为二氧化硅输出波导单元；

步骤⑥：在二氧化硅包层上旋涂聚合物芯层材料，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了步骤⑤所述的窗口会被聚合物芯层材料填充满之外，还会在二氧化硅包层之上形成一层聚合物薄层，通过控制转速、旋涂时间，形成2～4μm厚的聚合物薄膜；

步骤⑦：将得到的聚合物薄膜前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板上Ⅲ与需要制备的聚合物芯层波导结构相同(聚合物薄膜为正性光刻胶)或互补(聚合物薄膜为负性光刻胶)的图形转移到聚合物薄膜上，然后放入与聚合物对应的显影液中显影，再放入漂洗液中漂洗除去聚合物芯层波导结构之外的聚合物材料，用去离子水洗净反应液，最后坚膜20～40分钟，得到条形结构的聚合物芯层波导；

步骤⑧：在聚合物芯层波导上旋涂聚合物包层材料，通过控制旋涂转速、旋涂时间，形成5～7μm厚度的聚合物包层材料，放入烘箱中，110～130℃加热1.5～3.0小时，自然冷却至室温，得到聚合物包层；二氧化硅包层、条形结构的聚合物芯层波导、聚合物包层、调制电极构成了一个聚合物VOA器件；

步骤⑨：在聚合物包层上蒸镀厚度为50～200nm的金属薄膜，再在金属薄膜上旋涂光刻胶层Ⅳ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅳ上与需要制备的电极结构相同(光刻胶层Ⅳ为正性光刻胶)或互补(光刻胶层Ⅳ为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层Ⅳ上，显影后坚膜，自然降温之后，用与金属对应的腐蚀液腐蚀电极结构之外的金属，得到调制电极；调制电极位于聚合物芯层波导的正上方，与聚合物芯层波导中心对齐，左右各超出聚合物芯层波导大于50μm，宽度为20μm～40μm；去除剩余的光刻胶，从而制备得到本发明所述的基于垂直MMI结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器。

与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

1.实现了有机无机光子器件的单片集成，该制备工艺与现有二氧化硅PLC工艺兼容，易于降低器件成本，实现大规模生产；

2.以聚合物PLC的VOA器件取代二氧化硅PLC的VOA器件，实现低功耗的调谐，降低了器件功耗；

3.垂直结构的有机MMI器件结构紧凑，实现了三维光子器件的制备；

4.该工艺可以实现多层PLC器件的制备，为三维集成器件提供了可能。

综上所述，本发明开发的工艺可以实现有机无机光波导器件的单片混合集成，基于该工艺制备的垂直结构MMI的聚合物VOA器件，结构紧凑，功耗低，响应速度快，消光比大等优点，可用于光通信中的WDM系统中，起到功率均衡的作用，而且该工艺可以用来制备三维集成光波导器件，对光子集成具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明所述聚合物可变光衰减器的剖面结构示意图；

图2：本发明所述聚合物可变光衰减器的无机波导部分截面示意图；

图3：本发明所述聚合物可变光衰减器的有机波导部分截面示意图；

图4：本发明所述聚合物可变光衰减器的制备工艺流程图；

图5：本发明所述聚合物可变光衰减器的两种工作模式下的光场分布示意图；其中图(a)为第一种工作模式下的光场分布示意图，图(b)为第二种工作模式下的光场分布示意图；

图6：本发明所述聚合物可变光衰减器的两种工作模式下的光谱图。

具体实施方式

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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

实施例1

如附图1所示，为一种基于垂直MMI结构的有机无机混合集成的VOA器件。为了展示器件结构，对示意图进行部分剖面处理，裸露出二氧化硅包层、聚合物芯层波导结构。其中各部分名称为：硅衬底11，二氧化硅包层12，条形结构的二氧化硅芯层波导分别作为二氧化硅输入波导单元131和二氧化硅输出波导单元132，聚合物包层14，金属调制电极15，聚合物芯层波导16。

二氧化硅上包层和二氧化硅芯层的折射率差为2％，计算公式见式(1)，其中二氧化硅芯层为掺锗的二氧化硅材料，折射率为n₁＝1.4739；上包层为掺硼和磷的二氧化硅材料，折射率为n₂＝1.4450，波导截面如附图2所示，为所述聚合物可变光衰减器的无机波导部分截面示意图，二氧化硅输入波导单元131和二氧化硅输出波导单元132的尺寸参数一致，以二氧化硅输入波导单元131为例进行介绍，二氧化硅输入波导单元131的厚度H_wg和宽度W_wg均为4μm。为了使器件紧凑，二氧化硅输入波导单元131上面二氧化硅上包层的厚度H_gap为4μm。聚合物包层14材料可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等，在本实施例中，采用PMMA材料作为聚合物包层14，厚度H_{clad_poly}为7μm。

所述的聚合物芯层波导16可以采用具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-82002、SU-8 2005、EpoCore等，在本实施例中，采用SU-8 2002材料作为聚合物芯层波导16。如附图3所示，为所述聚合物可变光衰减器的有机波导部分截面示意图，聚合物芯层波导16的高度W_MMI为12μm，除去H_gap与H_wg(位于二氧化硅上包层内部分)还剩余4μm(即H_{wg_poly}为4μm，位于聚合物包层内部分)，其目的是提高电极的调制效率，并为下一步三维集成做准备。

光通过耦合进入二氧化硅输入波导单元131，之后进入聚合物芯层波导16。由于制备工艺，制成的聚合物芯层波导16形成了一个MMI结构，利用MMI的自映像原理，光经过自映像长度L_MMI＝3092μm的聚合物芯层波导会在二氧化硅输出波导单元132的输入处再次形成光斑，耦合进入二氧化硅输出波导单元132。其中，聚合物芯层波导16延伸入聚合物包层中的部分用于调制，当对电极施加电压时，电极发热会使得下方的聚合物芯层波导温度发生改变，光在经过温度发生变化的聚合物芯层波导时，会产生相位差，使得自映像的位置发生变化，从而使耦合进入二氧化硅输出波导单元132的光强发生变化，这样就构成了一个VOA器件。

如附图4所示，本发明所述的基于垂直MMI结构的有机无机混合集成的VOA器件的制备步骤如下：

步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的15μm厚的二氧化硅下包层；

步骤②：然后在二氧化硅下包层上，通过PECVD法沉积4μm的掺锗的二氧化硅芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为500mTorr，衬底温度为330℃，上电极低频射频功率为400W，上电极高频射频功率为600W，硅烷气体流量为25sccm，一氧化氮气体流量为1900sccm，锗烷气体流量为2.0sccm，沉积速率为200nm/min；

步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2010光刻胶，前烘首先需要在65℃10分钟，90℃20分钟处理并自然降温固化，通过控制转速1000转/分，旋涂时间20s，形成20μm厚的SU-8光刻胶层Ⅰ；在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm²，对版光刻，曝光时间20s，之后再进行65℃10分钟，95℃20分钟的后烘，冷却至室温，放入PGMEA(Propyleneglygol-monomethylether-acetate)显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液，最后在125℃下，竖膜30分钟，SU-8 2010掩膜层，将光刻板上与需要制备的条形波导结构相同(宽度为4μm，长度为10000μm)的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；为了保证波导的侧壁陡直，ICP通入的气体为C₄F₈/SF₈混合气体；再去掉二氧化硅芯层波导上的光刻胶层I，为了偏振不敏感，条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度和高度相同，均为4μm，长度为10000μm；

步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积掺硼和磷的的二氧化硅上包层，上包层厚度4μm，上、下包层合称为包层12。其中PECVD设备的腔室气压为2500mTorr，衬底温度为355℃，下电极射频功率为1800W，硼烷和氮气混合气体流量为120sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为6％，磷烷和氮气混合气体流量为30sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为8％；最后得到的二氧化硅芯层波导的芯层和包层的折射率差为2％；

步骤⑤：在二氧化硅包层12上，重复步骤③再次旋涂形成SU-8光刻胶层Ⅱ，前烘处理并自然降温固化，通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板上Ⅱ与需要制备的聚合物芯层结构相同(宽度为4μm，长度为3092μm)的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅包层12上刻蚀出窗口，窗口的底面与二氧化硅芯层13的底面位于同一平面；为了保证波导的侧壁陡直，ICP通入的气体为C₄F₈/SF₈混合气体；窗口的宽度与二氧化硅芯层13的宽度相同，窗口的长度为3092μm；沿光的传输方向，窗口位于二氧化硅芯层13正上方的中间位置；然后再去掉二氧化硅包层12的光刻胶层Ⅱ；

步骤⑥：在二氧化硅包层12上旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005光刻胶，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了窗口会被填充满之外，还会在二氧化硅包层12之上形成一层SU-8薄层，通过控制转速4000转/分，旋涂时间20s，形成4μm厚的SU-8薄膜；

步骤⑦：将得到的聚合物SU-8薄膜前烘处理并自然降温固化，该步骤首先需要在65℃10分钟，95℃20分钟的前烘，在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm²，对版光刻，曝光时间8s，之后再进行65℃10分钟，95℃20分钟的后烘，冷却至室温，放入PGMEA显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液，最后在125℃下，竖膜30分钟，得到条形结构的聚合物SU-8芯层波导16；宽度与二氧化硅芯层的宽度相同，长度为3092μm，聚合物芯层波导16整体高度12μm，在二氧化硅包层12之上的部分为4μm；

步骤⑧：在聚合物SU-8芯层波导16上旋涂Micro Chem公司的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethy-methacrylate,PMMA)-C10光刻胶，通过控制旋涂转速1000r/min，使其在聚合物芯层波导16之外区域的厚度为7μm(在聚合物SU-8波导16之上的厚度为3μm)，放入烘箱中，120℃加热2小时，自然冷却至室温，形成聚合物包层14；

步骤⑨：在聚合物包层14上蒸镀厚度为100nm的Al膜，再采用旋涂工艺，在Al薄膜上旋涂1.5μm的正性光刻胶BP212，在90℃条件下烘烤20分钟，在紫外光刻机下，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板的结构大于SU-8芯层波导16，曝光8s，除去波导掩模版，经过BP212显影液显影之后，在100℃下烘烤15分钟，然后用质量浓度6％的NaOH溶液除去未被光刻胶掩模的Al膜，再次曝光，除去剩余的BP212，将Al电极露出，Al电极尺寸宽20μm，长度大于SU-8芯层波导长度，为4000μm，位于聚合物SU-8芯层波导16的上方。

如附图5所示，为本发明所述聚合物可变光衰减器的两种工作模式下的光场分布示意图；其中图(a)为第一种工作模式(即光大部分再次耦合进入二氧化硅输出波导单元)下的光场分布示意图，此时聚合物芯层波导16调制部分的温度变化1.3K，损耗为0.58dB；图(b)为第二种工作模式(即光大部分不再耦合进入二氧化硅输出波导单元)下的光场分布示意图，此时聚合物芯层波导16调制部分的温度变化7.0K，损耗为21.18dB；说明该器件在温度变化为7K以内，可以实现20.6dB。

如图6所示，为聚合物芯层16长度为3092μm时在开、关两种工作状态下的仿真光谱图，在波长1316nm处，甚至可以实现41.89dB的消光，1dB带宽为27nm。该器件具有较高的消光比，较大的带宽，功耗低，器件紧凑，易于制备，适合大规模生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，其特征在于：由硅衬底，在硅衬底上制备的二氧化硅下包层，在二氧化硅下包层上沿光的传播方向制备的二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元和二氧化硅输出波导单元，位于二氧化硅下包层之上、下表面与二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元下表面位于同一平面且包覆二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元的二氧化硅上包层，位于聚合物芯层波导单元和二氧化硅上包层之上、下表面与二氧化硅上包层的上表面位于同一平面且包覆聚合物波导单元的聚合物包层，位于聚合物包层之上的金属调制电极组成；

二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元、二氧化硅输出波导单元的底部位于同一平面，在光的传播方向上，二氧化硅输入波导单元、聚合物芯层波导单元、二氧化硅输出波导单元的宽度相同；二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元的高度相同，聚合物芯层波导单元延伸入聚合物包层内，其高度大于二氧化硅输入波导单元和二氧化硅输出波导单元的高度；输入光从二氧化硅输入波导单元耦合进入聚合物芯层波导单元中传播，聚合物芯层波导单元为垂直MMI结构，通过优化聚合物芯层波导单元的长度L_MMI实现输入光90％以上耦合进入二氧化硅输出波导单元；调制电极位于聚合物芯层波导单元正上方聚合物包层的上表面。

2.如权利要求1所述的一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，其特征在于：二氧化硅上包层和二氧化硅芯层间的折射率差为0.36％～2％，其计算公式见式(1)，芯层折射率为n₁，包层折射率为n₂，芯层的折射率大于包层的折射率；

3.如权利要求2所述的一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，其特征在于：二氧化硅芯层为掺锗的二氧化硅，二氧化硅上包层为掺硼和磷的二氧化硅。

4.如权利要求1所述的一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，其特征在于：聚合物包层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad。

5.如权利要求1所述的一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，其特征在于：聚合物芯层材料为SU-8 2002、SU-8 2005或EpoCore。

6.如权利要求1所述的一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器，其特征在于：金属调制电极的材料为金、银、铝中的一种或多种组成的合金。

7.权利要求1所述的一种基于垂直多模干涉器结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器的制备方法，其步骤如下：

步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；

步骤②：然后在二氧化硅下包层上通过PECVD法沉积得到3.5～6.5μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；

步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂光刻胶层Ⅰ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅰ上与需要制备的条形波导结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；然后再去掉二氧化硅芯波导上的光刻胶层I；

步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积得到3～5μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层，二氧化硅上包层与步骤①制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；

步骤⑤：在二氧化硅包层上，再次旋涂形成光刻胶层Ⅱ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的聚合物芯层波导结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅包层上刻蚀出与聚合物芯层波导结构相同的窗口；沿光的传输方向，窗口位于条形结构的二氧化硅芯层波导正上方的中间位置处；窗口的底面与二氧化硅芯层波导的底面位于同一平面；窗口的宽度与条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度相同，窗口的长度为MMI为自映像长度L_MMI，自映像长度L_MMI小于二氧化硅芯层波导的长度；然后再去掉二氧化硅包层上的光刻胶层Ⅱ；沿光的传输方向，在窗口前面的条形结构的二氧化硅芯层波导为二氧化硅输入波导单元，在窗口后面的条形结构的二氧化硅芯层波导为二氧化硅输出波导单元；

步骤⑥：在二氧化硅包层上旋涂聚合物芯层材料，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了步骤⑤所述的窗口会被聚合物芯层材料填充满之外，还会在二氧化硅包层之上形成一层聚合物薄层，通过控制转速、旋涂时间，形成2～4μm厚的聚合物薄膜；

步骤⑦：将得到的聚合物薄膜前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板上Ⅲ与需要制备的聚合物芯层波导结构相同或互补的图形转移到聚合物薄膜上，然后放入与聚合物对应的显影液中显影，再放入漂洗液中漂洗除去聚合物芯层波导结构之外的聚合物材料，用去离子水洗净反应液，最后坚膜20～40分钟，得到条形结构的聚合物芯层波导；

步骤⑧：在聚合物芯层波导上旋涂聚合物包层材料，通过控制旋涂转速、旋涂时间，形成5～7μm厚度的聚合物包层材料，放入烘箱中，110～130℃加热1.5～3.0小时，自然冷却至室温，得到聚合物包层；二氧化硅包层、条形结构的聚合物芯层波导、聚合物包层、调制电极构成了一个聚合物VOA器件；

步骤⑨：在聚合物包层上蒸镀厚度为50～200nm的金属薄膜，再在金属薄膜上旋涂光刻胶层Ⅳ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅳ上与需要制备的电极结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅳ上，显影后坚膜，自然降温之后，用与金属对应的腐蚀液腐蚀电极结构之外的金属，得到调制电极；调制电极位于聚合物芯层波导的正上方，与聚合物芯层波导中心对齐，左右各超出聚合物芯层波导大于50μm，宽度为20μm～40μm；去除剩余的光刻胶，从而制备得到基于垂直MMI结构的有机无机混合集成的聚合物可变光衰减器。

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