CN114296177A - 基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关及其制备方法，属于二氧化硅/聚合物混合波导光集成芯片制备技术领域。从下至上由Si衬底、SiO2下包层、聚合物芯层、聚合物上包层和金属电极组成；聚合物芯层由微环谐振部分和耦合部分组成；微环谐振部分由第一弯曲波导、第一直波导、第二弯曲波导和第二直波导顺次连接组成，构成跑道型结构；耦合部分由输入直波导、第三直波导和输出直波导组成，第二直波导和第三直波导构成定向耦合器；通过在金属电极上施加调制电压，可以实现光开关的功能。光开关具有损耗低、结构紧凑、低功耗、响应速度快、消光比大等优点，在光网络中起到光域优化、路由、保护以及功率均衡等作用。
Description
技术领域
本发明属于二氧化硅/聚合物混合波导光集成芯片制备技术领域，具体涉及一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关及其制备方法。
背景技术
以光插分复用器(Optical Add Drop Multiplexer,OADM)和光交叉连接器(Optical Cross Connection,OXC)为代表的全光网络，采用光网络开关置换现使用的电网络开关，从而节省了光-电-光转换的步骤，提高了光通信的速度、带宽和容量。随着交互端口的增加，对光开关的尺寸和功耗都提出了更高的要求。目前市场常见的二氧化硅基平板光波导(Planar Lightwave Circuit,PLC)器件，具有低损耗、稳定性高、耦合效率高等优点。然而，二氧化硅基平板光波导(PLC)的热光系数仅为1.19×10-5K-1，用来制作有源光波导器件的功耗往往只有几十毫瓦，响应速度也是在几个毫秒的级别。目前常见的二氧化硅基平板光波导(PLC)的芯包折射率差为Δ＝0.75％，低折射率差导致芯层尺寸为6μm×6μm，最小弯曲半径为5mm，导致制备的器件尺寸较大，难以实现大规模集成。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关及其制备方法。聚合物材料具有着高于二氧化硅一个数量级的热光系数(-1.86×10-4K-1)，适合制作热光开关、可调谐滤波器等有源光子芯片。同时，聚合物做芯层往往具有更高的折射率，以二氧化硅为下包层，折射率差可以达到Δn＝2.5％～10％，使得器件尺寸、弯曲半径都远小于二氧化硅基平板光波导器件，易于实现大规模光子集成器件的制备。
本发明所述的一种基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关，从下至上，由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，由微环谐振部分(100)和耦合部分组成，金属电极(5)位于第一直波导(102)的正上方；微环谐振部分(100)由第一弯曲波导(101)、第一直波导(102)、第二弯曲波导(103)和第二直波导(104)顺次连接组成，构成跑道型结构；耦合部分由输入直波导(201)、第三直波导(202)和输出直波导(203)组成，第二直波导(104)和第三直波导(202)构成定向耦合器(200)；第二弯曲波导(103)的输入端与第二直波导(104)的输出端连接，第二弯曲波导(103)的输出端连接第一直波导(102)的输入端，第一直波导(102)的输出端连接第一弯曲波导(101)的输入端，第一弯曲波导(101)的输出端连接第二直波导(104)的输入端；宽谱光源输出的光信号耦合进入输入直波导(201)，经过定向耦合器(200)的耦合作用分成两束光，一部分耦合进入第二直波导(104)，从而进入微环谐振部分(100)，另一部分从输出直波导(203)直接输出。金属电极(5)上不施加调制电压时，耦合进入微环谐振部分(100)的光，其中满足微环谐振条件的波长的光，即在微环谐振部分(100)传输一周相位的改变为2π的整数倍的波长的光将在环中传输，不再通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)；而不满足微环谐振条件的波长的光，将通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，相同波长的光线强度性叠加后从输出直波导(203)中输出；此时在输出直波导(203)中探测到的光强弱，光强最小时为微环光开关的关状态；金属电极(5)上施加调制电压时，通过改变加载在金属电极(5)上的电功率对第一直波导(102)进行加热，由于聚合物的热光效应，第一直波导(102)折射率随温度升高发生变化，经过此处的光会引入附加相位，相移量用
表示，之前满足谐振条件的波长的光不再满足谐振条件，而通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，在输出直波导(203)中探测到的光强变强，光强最大时为开关的开状态；从而实现了光开关的功能。
所述基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关，在聚合物平板光波导平台上通过半导体工艺制作。包层和聚合物芯层间的折射率差Δn＝2.5％～10％，其计算公式见式(1)，芯层折射率为n1，包层折射率为n2，聚合物芯层(3)的折射率大于聚合物上包层(4)的折射率。
所述的聚合物上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。
所述的金属金属电极的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。
本发明所述的基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关的制备方法，其步骤如下：
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；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂聚合物芯层薄膜，前烘处理后自然降温固化；
3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版Ⅰ上与需要制备的聚合物芯层波导结构相同(聚合物芯层为正性光刻胶)或互补(聚合物芯层为负性光刻胶)的图形转移到聚合物芯层薄膜上，形成聚合物芯层波导结构，聚合物芯层的厚度为2～5μm，宽度为2～5μm；
4)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层和聚合物芯层上旋涂聚合物上包层材料，其中聚合物芯层上方的聚合物上包层的厚度为2～7μm，烘烤处理后自然降温固化；
5)在聚合物上包层上蒸镀一层厚度为50～400nm的金属薄膜；
6)使用真空匀胶机在金属薄膜上旋涂一层光刻胶层，前烘处理后自然降温固化；
7)通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的金属电极结构相同(光刻胶层为正性光刻胶)或互补(光刻胶层为负性光刻胶)的结构转移到光刻胶层上，显影后坚膜，自然降温；
8)用与金属对应的腐蚀液腐蚀金属电极结构之外的金属，得到金属电极，最后除去金属上剩余的光刻胶层；金属电极位于第一直波导(102)的正上方，与聚合物芯层波导中心对齐，其长度和第一直波导(102)的长度相等，宽度大于第一直波导(102)的宽度，从而制备得到本发明所述的基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关。
与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
1.波导为有机无机复合波导结构，以二氧化硅为下包层，降低器件损耗；
2.波导为有机无机复合波导结构，以聚合物为芯层，芯包折射率差Δn＝2.5％～10％，可以实现更紧凑的端面尺寸、弯曲半径，制备大规模、低功耗、快速的平板光波导集成回路；
3.波导为有机无机复合波导结构，通过简单的接触式曝光即可完成器件的制备，所需要加工成本极低；
4.器件结构采用跑道型微环结构，结构紧凑，消光比大，易于大规模集成。
综上所述，本发明提出的二氧化硅/聚合物混合波导的微环光开关具有损耗低、结构紧凑、低功耗、响应速度快、消光比大、制备工艺简单、成本低等优点，在光网络中起到光域优化、路由、保护以及功率均衡等作用，具有着广阔的应用前景。
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：本发明所述跑道型微环热光开关截面示意图；
图2：本发明所述跑道型微环热光开关结构示意图；
图3：本发明所述跑道型微环热光开关制备工艺流程图；
图4：本发明所述跑道型微环热光开关临界耦合条件下归一化光谱图；
图5：本发明所述跑道型微环热光开关不同电压下的光谱图；
图6：本发明所述跑道型微环热光开关速度曲线，(a)为施加的驱动电压和(b)为探测得到的光电压。
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，为聚合物/二氧化硅混合波导的截面示意图，从下至上，由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成。所述的SiO2下包层(2)可以由热氧化法生长或(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)沉积法生长，本实施例中，采用热氧化发生长SiO2，折射率为1.4456。所述的聚合物芯层(3)可以采用具有负热光系数的聚合物材料，包括SU-8 2002、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(3)材料，折射率为1.573。所述的聚合物上包层(4)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材料作为聚合物上包层，折射率为1.483。所述的金属电极(5)的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金，在本实施例中，采用铝。为了降低波导内模式串扰与偏振相关损耗，同时降低工艺难度，聚合物芯层波导的尺寸设计为3μm×3μm的方型波导。聚合物上包层(4)厚度为7μm，即聚合物上包层顶部到SiO2下包层顶部距离7μm(聚合物芯层波导上方的聚合物上包层的厚度为4μm)。
如附图2所示，为聚合物/二氧化硅混合波导跑道型微环热光开关结构示意图。微环谐振部分(100)由第一弯曲波导(101)、第一直波导(102)、第二弯曲波导(103)和第二直波导(104)组成；为了制备紧凑的微环器件，第一弯曲波导(101)和第二弯曲波导(103)的弯曲半径为120μm，第一弯曲波导(101)和第二弯曲波导(103)为半圆形结构，耦合部分由输入直波导(201)、第三直波导(202)和输出直波导(203)组成，其中定向耦合器(200)由第二直波导(104)和第三直波导(202)构成；为了制备紧凑的微环器件，综合考虑工艺原因，第二直波导(104)和第三直波导(202)之间间距(Gap)为2.5μm；为实现高消光比器件，经过计算，定向耦合器长度确定为1765μm。即第一直波导(102)、第二直波导(104)和第三直波导(202)长度均为1765μm。第二弯曲波导(103)的输入端与第二直波导(104)的输出端连接，第二弯曲波导(103)的输出端连接第一直波导(102)的输入端，第一直波导(102)的输出端连接第一弯曲波导(101)的输入端，第一弯曲波导(101)的输出端连接第二直波导(104)的输入端；宽谱光源输出的光信号耦合进入输入直波导(201)，经过定向耦合器(200)的耦合作用分成两束光，一部分耦合进入第二直波导(104)，从而进入微环谐振部分(100)，另一部分从输出直波导(203)直接输出。耦合进入微环谐振部分(100)的光，当波长满足微环谐振条件，即在微环谐振部分(100)一周的相位改变为为2π的整数倍时，该波长的光将在环中传输，不在通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，从输出直波导(203)中输出，不满足微环谐振条件的，将再次通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，从输出直波导(203)中输出。
所述基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关，由于满足微环谐振条件的波长的光在环中传输，不再通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，故而在输出直波导(203)中探测到的光强弱，此时即为开关的关状态；在第一直波导(102)的正上方设置有金属电极(5)，金属电极(5)长1765μm，宽20μm。通过改变加载在金属电极(5)上的电功率对第一直波导(102)进行加热，由于聚合物的热光效应，第一直波导(102)折射率随温度升高发生变化，经过此处的光会引入附加相位，相移量用
表示，之前满足谐振条件的波长的光不再满足谐振条件，而通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，透射率最大时，在输出直波导(203)中探测到的光强最强时，为开关的开状态；从而实现了光开关的功能。
如附图3所示，本发明所述基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关的制备方法，其步骤如下：
1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的15μm厚的二氧化硅下包层(2)；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2002光刻胶，首先需要在60℃下10分钟、90℃下20分钟前烘处理并自然降温固化，然后通过控制转速600转/分，旋涂时间20s，形成3μm厚的SU-8光刻胶层(31)；
3)将步骤2)的器件放置在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm2，对版光刻，所用掩模版Ⅰ的结构、形状与需要制备的SU-8芯层波导的结构、形状互补，曝光时间3.5s，之后再进行65℃下10分钟、95℃下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；然后在120℃下，坚膜30分钟，形成SU-8 2002芯层，为了偏振不敏感，条形结构的SU-8芯层(3)的宽度和高度相同，均为3μm；
4)使用真空匀胶机在芯片上旋涂厚度为7μm的PMMA聚合物上包层(4)，其中SU-8芯层波导上的PMMA聚合物上包层(4)厚度为4μm，之后进行120℃下30分钟的固化，冷却至室温；
5)在PMMA聚合物上包层(4)上蒸镀厚度为100nm的金属Al膜(51)；
6)采用旋涂工艺，在金属Al膜(51)上旋涂厚度为1.5μm的正性光刻胶BP212(61)，在87℃温度下烘烤20分钟；
7)将样片放置在紫外光刻机下，将其与掩膜板Ⅱ紧密接触进行对版光刻，所用掩模版Ⅱ的结构、形状与需要制备的金属电极的结构、形状相同，掩膜板Ⅱ的结构大于SU-8芯层波导，曝光2s，除去掩膜板Ⅱ，经过质量浓度为5wt‰的NaOH溶液显影之后，在90℃下烘烤20分钟，将掩膜板Ⅱ上与需要制备的金属电极结构相同的图形转移到BP212光刻胶层(62)上；
8)用质量浓度为5wt‰的NaOH溶液除去未被光刻胶掩模的金属Al膜，再次曝光10s，使用乙醇溶液除去剩余的BP212，将Al金属电极(5)露出，从而制备得到基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关。
如附图4所示，为本发明所述基于聚合物/二氧化硅混合光波导的跑道型微环热光开关临界耦合条件下归一化光谱图，通过洛伦兹拟合，得到半波宽为178pm，当前谐振峰中心波长为1544.630nm，计算得到当前谐振峰的Q值为谐振峰中心波长与半波宽的比值，即8680。
如附图5所示，为本发明所述基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关在不同电压下的光谱图，随着施加的电压增加，谐振峰发生蓝移，计算得到谐振峰位移效率为12.07pm/mW，设定激光器的输出波长为1544.630nm，在不施加电压时，开关通过的光最弱，为-34.26dB；施加14.74mW的功率，当前电压为3.45V，开关通过的光最强，为-17.54dB。实现开关的转换。
如附图6所示，为本发明所述基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关速度相应示意图，通过任意波形发生器，在电极上施加0～3.45V的1kHz的方波信号(图6a)，通过器件的光，接入光电探测器，之后输出端接入数字示波器，得到输出波形(图6b)，对得到的数据进行归一化处理，MRR输出波形的10％～90％为上升时间，90％～10％为下降时间，MRR型VOA的上升下降时间分别为178μs和176μs。
Claims (5)
1.一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关，其特征在于：从下至上由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(4)和金属电极(5)组成；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，由微环谐振部分(100)和耦合部分组成，金属电极(5)位于第一直波导(102)的正上方，聚合物芯层(3)的折射率大于聚合物上包层(4)的折射率；微环谐振部分(100)由第一弯曲波导(101)、第一直波导(102)、第二弯曲波导(103)和第二直波导(104)顺次连接组成，构成跑道型结构；耦合部分由输入直波导(201)、第三直波导(202)和输出直波导(203)组成，第二直波导(104)和第三直波导(202)构成定向耦合器(200)；宽谱光源输出的光信号耦合进入输入直波导(201)，经过定向耦合器(200)的耦合作用分成两束光，一部分耦合进入第二直波导(104)，从而进入微环谐振部分(100)，另一部分从输出直波导(203)直接输出；金属电极(5)上不施加调制电压时，耦合进入微环谐振部分(100)的光，其中满足微环谐振条件的波长的光，即在微环谐振部分(100)传输一周相位的改变为2π的整数倍的波长的光将在环中传输，不再通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)；而不满足微环谐振条件的波长的光，将通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，从输出直波导(203)中输出；此时在输出直波导(203)中探测到的光强弱，为微环光开关的关状态；金属电极(5)上施加调制电压时，之前满足谐振条件的波长的光不再满足谐振条件，而通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，在输出直波导(203)中探测到的光强强，为开关的开状态。
2.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关，其特征在于：聚合物上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad，聚合物芯层材料为具有负热光系数的聚合物材料SU-8 2002、SU-82005或EpoCore，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。
3.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关，其特征在于：SiO2下包层(2)的厚度为12～18μm；聚合物芯层(3)的厚度为2～5μm，宽度为2～5μm；聚合物芯层(3)之上的聚合物上包层(4)的厚度为2～7μm；金属电极(5)的厚度为50～400nm。
4.如权利要求3所述的一种基于二氧化硅/聚合物混合波导的跑道型微环光开关，其特征在于：SiO2下包层(2)的厚度为15μm；聚合物芯层(3)的厚度为3m，宽度为3μm；聚合物芯层(3)之上的聚合物上包层(4)的厚度为4μm；金属电极(5)的长度为1765μm，宽度为20μm，厚度为100nm；第一弯曲波导(101)和第二弯曲波导(103)的弯曲半径为120μm，第一弯曲波导(101)和第二弯曲波导(103)为半圆形结构；第二直波导(104)和第三直波导(202)之间的间距为2.5μm；定向耦合器长度为1765μm，即第一直波导(102)、第二直波导(104)和第三直波导(202)长度均为1765μm。
5.权利要求1～4任何一项所述的一种基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关的制备方法，其步骤如下：
1)在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的二氧化硅下包层；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂聚合物芯层薄膜，前烘处理后自然降温固化；
3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版Ⅰ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聚合物芯层薄膜上，形成聚合物芯层波导结构；
4)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层和聚合物芯层上旋涂聚合物上包层材料，烘烤处理后自然降温固化；
5)在聚合物上包层上蒸镀金属薄膜；
6)使用真空匀胶机在金属薄膜上旋涂一层光刻胶层，前烘处理后自然降温固化；
7)通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的金属电极结构相同或互补的结构转移到光刻胶层上，显影后坚膜，自然降温；
8)用与金属对应的腐蚀液腐蚀金属电极结构之外的金属，得到金属电极，最后除去金属上剩余的光刻胶层，从而制备得到基于聚合物/二氧化硅混合波导的跑道型微环热光开关。
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