1.SoS双层波导端口柔性耦合结构

为了实现尺寸及层间间隔较小的硅上二氧化硅（SoS）双层波导芯片与标准单模光纤的耦合，耦合结构需将SoS双层波导的模场扩大到光纤相同的尺寸。此外，通过垂直方向的大角度弯曲结构将SoS双层波导的层间间隔扩展到大于光纤包层直径的大小，其结构如图2-1所示。

2-1 SoS双层波导端口柔性耦合结构示意图

如图2-1，SoS双层波导端口柔性耦合结构包含长方体的外包层以及上下两个对称的S弯曲锥形分支波导。图2-1中端口1和端口2与SoS双层波导对准，右侧端口3和端口4与光纤阵列对准，该柔性过渡耦合结构可以用于光纤-SoS双层波导（F-W）和SoS双层波导-光纤（W-F）两种耦合情况。本文只讨论SoS双层波导向光纤过渡耦合的情况，因此可以将端口1和端口2视为SoS双层波导端口柔性耦合结构的输入端，将端口3和端口4视为SoS双层波导端口柔性耦合结构的输出端。上下两个S弯曲锥形波导形状对称，尺寸完全一致。S弯曲锥形波导从输入端到输出端直径不断增大，输入端的直径为D1，输出端直径为D2，输入端和输出端两个S弯曲锥形波导的中心垂直间距分别为H1、H2，耦合结构的总长度为L。

2. 柔性波导制备平台研制

    微型针管直写法制备柔性波导的原理是通过微型针管将一种高折射率的紫外固化液态聚合物（芯层材料）直接注入到另外一种低折射率的紫外固化液态聚合物（包层）中，之后在紫外光源下固化得到柔性波导。以不同的轨迹移动针头，即可得到不同形状的柔性波导。柔性波导的直径大小与以下因素有关：针管内径尺寸、注入压力大小以及针头移动速度。此外，柔性波导的质量还与聚合物材料特性、紫外固化光源的功率等因素有关，必须精确控制制备过程中的各种工艺条件及参量，才能得到高质量的柔性波导。

图4-1 柔性波导制备平台原理框图

针对上述问题，我们设计并研制了基于微型针管直写法的柔性波导制备平台，其原理框图如图4-1所示。首先，玻璃衬底上固定有玻璃框架，用于填充液态聚合物包层，液态聚合物芯层材料填充在针筒中，针筒固定在一个桌面控制机械手臂上，玻璃衬底固定在机械手臂的操作台上。由空气压缩机产生气源动力，将一定压力的空气通过出气管送入到压力控制器的进气阀，通过压力控制器后产生压强恒定、流动均匀的高压空气，压力控制器的出气阀与针筒上部连接，对针筒的活塞施加恒定的压力，使针筒中的液态芯层聚合物均匀地从针头注入到包层中去。可以通过桌面机械手臂的三轴定位系统精确控制针头的位置、移动速度和移动轨迹。采用紫外面光源对样品进行固化，紫外面光源发光面朝下，放置在上部开口的固化箱上方，制备完成的柔性波导可直接在右侧的固化箱中固化。

图4-2柔性波导制备平台实物图

我们按照原理框图搭建了柔性波导制备实验平台，其实物照片如图4-2所示。实验平台建立在光学超净间内，主要包括左侧柔性波导制备区以及右侧清洗区，两者之间用钢化玻璃密封隔开，保证干湿分离。右侧清洗区主要用于清洗针头、衬底等实验用品，考虑到将来可能会使用丙酮、氯仿等有毒有害试剂，清洗区所有材料均为防腐蚀材料，并装有排气扇保证良好通风。柔性波导制备区台面上从左到右依次是桌面机械控制手臂（MUSASHI SM300-3A-E）、压力控制器（MUSASHI ML-808GX）、紫外固化光源（IUVOT IMS-911A）、紫外固化箱等实验设备，下面的柜子里放置的是智能空气压缩机（FENGBAO XS-1CO）。桌面控制机械手臂的定位精度精确到微米量级，紫外固化光源的功率和波长可调。此外，考虑到实验过程的清洁以及实验用到的部分紫外固化聚合物可能具有挥发性，除空气压缩机外所有设备均放置在推拉式通风橱中，可以使实验时产生不同密度的气体都能通过通风橱排出室内。空气压缩机为无油机型，且当排气压力达到额定压强0.8MPa时由压力开关控制自动停机，低于一定阈值压强时才会开启，可以保证整个实验过程中不会产生噪音震动，避免对柔性波导的制备造成一定误差。此外台面使用15mm厚大理石材料，并在所有仪器下方放置橡胶垫减少地面震动对柔性波导制备产生的干扰。