一種基于微流控技術的波導型可調光功率分束器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于集成光子學技術領域，涉及光波導功能器件，具體指一種基于微流控 技術的波導型可調光功率分束器。
【背景技術】
[0002] 光波導器件因其結構緊湊、易于集成、性能穩定可靠等諸多優點而受到國內外研 究人員的廣泛關注和重視，且近年來發展十分迅速。光波導器件是集成光子系統中的基本 單元器件，可通過采用不同方式進行集成(包括單片集成和混合集成)，從而實現具有特定 光信息處理功能的集成光子系統，它們在光通信、光信號處理、光學傳感等領域有廣泛應 用。
[0003] 光功率分束器的實現方案有多種，按其實現形式主要分為體元件型、光柵型和波 導型結構。對于體元件型和光柵型結構，它們主要應用于全息、干涉光刻以及空間光通信系 統中，但都不適合用于集成光子系統。波導型光功率分束器是集成光子系統中不可或缺的 關鍵功能器件，其結構形式主要有方向耦合型波導結構、Y分支型波導結構、光子晶體型波 導結構、表面等離子型波導結構以及多模干涉型波導結構等多種設計方案。但是，這些結 構形式的光功率分束器的光功率分束比不能動態調控，使得其應用領域和范圍受到較大限 制。基于此，波導型可調光功率分束器的研究開始引起了人們的廣泛關注，它是利用電光、 磁光或熱光等物理效應來改變其各個分支中光功率輸出，實現其動態調控。近年來，有關波 導型可調光功率分束器的設計方案較少，且存在諸多缺點，如動態范圍小、損耗高、偏振依 賴性高、波長依賴性強、結構參數影響敏感、工藝制作難度大等，這離實際應用還有較大距 離。需要特別指出的是，這些方案均不能用于微流控光子系統。
[0004] 與上述傳統可調光分束器相比，基于微流控技術的波導型可調光功率分束器是一 類新型基礎關鍵器件，不僅可在集成光子系統中用于實現新的光分束調控方法和技術，也 可在微流控光子系統中用于實現新的生物光子傳感和化學分析與診斷等重要功能，其應用 前景十分廣闊。目前，有關微流控可調光功率分束器的研究才剛剛開始，仍處于初步探索階 段，其有關報道還很少，且在調控性能、穩定性、與其它器件集成等某些或多個方面存在明 顯缺點，使其潛在應用大大受到限制。因而，探索新型波導型可調光功率分束器對于集成光 子學領域發展具有重要意義。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是提供一種基于微流控技術的波導型可調光功率分束器，該分束器 由非對稱Y分支波導和和微流體通道構成，波導內光束在Y分支處發生分束，其分束比與微 流體通道中的液體折射率密切相關。通過改變液體的折射率，從而實現兩分支波導輸出光 功率的動態調控。該器件具有結構簡單、易于設計和制作、波長依賴性低、測試簡便等諸多 優點。
[0006] 本發明技術方案如下： 一種基于微流控技術的波導型可調光功率分束器，如圖1、圖2和圖3所示，其中圖I 為器件俯視平面圖，圖2和圖3分別為器件在圖1中A1Ap B1B2連線進行剖分的波導截面 示意圖。該分束器包括采用上包層材料15、芯層材料16和下包層材料17構成的一個非 對稱Y型分支波導結構、微流體通道8 (其流體輸入端口為11和12,流體輸出端口為13)、 上基片14、下基片18組成；所述Y型分支波導結構包括光輸入直波導2、第一偏向波導3、 第二偏向波導4、第三偏向波導5、光輸出直波導7和光輸出直波導9。所述光輸入直波導 2與光輸出直波導7之間由第一偏向波導3、第二偏向波導4和第三偏向波導5順序連接， 使得光輸入直波導2與光輸出直波導7相互平行；光輸入直波導2與光輸出直波導9在 同一直線上。微流體通道8位于光輸出直波導9之上，且與第一偏向波導3的側面相鄰。 第一偏向波導3、第二偏向波導4和第三偏向波導5與光輸入直波導2之間的夾角分別為 和在，所述夾角由上包層材料15、芯層材料16和下包層材料17的折射率決定。
[0007] 兩種不同濃度的液體由輸入端口 11和輸入端口 12分別注入，然后混合，其混合液 體19再流經微流體通道8,最后經由輸出端口 13輸出。光信號通過錐形光纖由端口 1輸 入，耦合進直波導2后，然后傳輸到Y型分支處而分成兩束光，其中一束光經由第一偏向波 導3、第二偏向波導4和第三偏向波導5傳播，最后從直波導7的輸出端口 6輸出，而另一束 光經由直波導9的輸出端口 10輸出，從而實現光功率分束過程。
[0008] 本發明提供的基于微流控技術的波導型可調光功率分束器由有機聚合物材料構 成，器件為Y分支波導結構和微流體通道結構構成，采用光學光刻方法可容易制作，這里不 再詳細介紹其制作過程。
[0009] 本發明的工作原理是： 本發明提供的基于微流控技術的波導型可調光功率分束器的波導橫切面分別如圖2 和圖3所示，設上包層材料15和下包層材料17折射率分別為％和，、芯層材料16折射率為 %，包層材料和芯層材料均為有機聚合物材料；其波導芯層厚度、脊高以及寬度分別為4、 :&、以及_。而在微通道內混合液體19折射率為^，其折射率大小由輸入端口 11和輸入 端口 12分別注入的液體濃度和流速來決定。對于所設計的可調光功率分束器，圖1中所示 的夾角冷需滿足如下條件：
其中其中％和^分別表示TE波在非波導位置處和波導位置處的等效折射率。
[0010] 光信號輸入到直波導2后，在Y型分支處發生分束，其中一束光依次經由第一偏向 波導3、第二偏向波導4、第三偏向波導5和直波導7傳播，最后從端口 6輸出，而另一束光 經由直波導9傳播，從端口 10輸出。通過改變輸入端口 11和輸入端口 12所注入的液體濃 度和流速，則微流體通道中混合液體19的折射率將發生變化，從而引起直波導9在Y型分 支處的等效折射率發生相應改變。根據光波導理論，兩分支波導內光束功率將相應發生改 變，從而最終實現光功率分束器的動態調控輸出。
[0011] 本發明提出的波導型可調光功率分束器，是一種基于微流控技術的新型功能器 件。其原理是