一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法技术

一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法，属于聚合物平面光波导器件及其制备技术领域。整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导，3‑dB Y分支分束器，两条平行的第一干涉臂和第二干涉臂组成的器件调制区，3‑dB Y分支耦合器和输出直波导构成；本发明专利技术采用硅片作为衬底，以热光系数较大的有机聚合物材料分别作为光波导的上包层、下包层和芯层材料，并将石墨烯加热电极置于光波导芯层之中，充分提高加热电极的加热效率并利用有机聚合物材料热光系数大、易于加工的优势。同时，本发明专利技术所采用的制作工艺比较简单且与半导体工艺相兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。

A low power ridge waveguide thermo-optic switch based on buried graphene heating electrode and its preparation method

A low power ridge waveguide thermo-optical switch based on buried graphene heating electrode and its preparation method belong to the field of polymer planar optical waveguide device and its preparation technology. The whole device is MZI optical waveguide structure, from left to right, consisting of input straight waveguide, 3 dB Y branch beam splitter, device modulation region composed of two parallel first and second interference arms, 3 dB Y branch coupler and output straight waveguide. The invention uses silicon wafer as substrate, and organic polymer material with larger thermal-optical coefficient as the upper and lower cladding of optical waveguide respectively. Layer and core materials, and graphene heating electrode placed in the optical waveguide core layer, fully improve the heating efficiency of the heating electrode, and make use of the advantages of organic polymer materials, such as high thermal-optical coefficient, easy processing. At the same time, the fabrication process adopted by the invention is relatively simple, compatible with semiconductor technology, easy to integrate and suitable for large-scale production, so it has important application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法
本专利技术属于聚合物平面光波导器件及其制备
，具体涉及一种以硅片作为衬底、以有机聚合物作为光波导的芯层和包层、以掩埋在聚合物光波导芯层之中的石墨烯作为加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法。
技术介绍
随着社会的不断发展，信息通信网络的信号处理量也在迅猛增长，进而使得设备对能源的需求也在不断上升。目前，信息基础设施的能耗占全球能源总消耗的4％，随着数据量的增加预计到2025年信息技术设备用电量将占全球总量的15％，高能耗已成为制约信息技术可持续发展的主要瓶颈之一。光开关与光开关阵列是构建光通信网络的重要器件，特别是在采用密集波分复用技术(DWDM)的高速宽带通讯网的骨干线上，复杂的网络拓扑需要可靠、灵活的网络管理。光开关与光开关阵列在光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等功能，是插分复用器(OADM)与光交叉连接器(OXC)的核心技术，其性能的好坏将影响整个光网路的性能。热光开关凭借着其器件尺寸小、驱动功率低、长期稳定性好等优点，受到了人们的广泛关注，近年来取得了很大进展。目前，根据材料体系不同，热光开关主要可以分为两类：二氧化硅/硅(SOI)材料体系和有机聚合物材料体系的热光开关。由于二氧化硅与硅材料具有较大的热传导系数，因此SOI材料体系的热光开关在响应速度方面具有明显优势，但是器件的功耗一般较大，虽然可以通过设计悬浮臂波导结构来降低器件的功耗，但是同时也会增加器件的加工难度和制作成本。与无机材料相比，有机聚合物材料具有热光系数大、热导率低等优点，进而使得利用其制备的热光开关器件具有功耗低、制备工艺简单且灵活等优势，因而越来越受到人们的广泛关注。近年来，人们主要通过对波导材料和波导结构的优化来提高器件性能，所选用的电极也主要是金属电极(金、银、铝、铜、铬等)，一般置于波导上包层的表面并与波导芯层相隔一定距离，主要是用来减少金属对光的吸收损耗。但是，与此同时也限制了金属电极的加热效率，金属电极产生的热量并不能有效地传导在传输光信号的波导芯层上，因此在降低器件功耗方面也受到了一定的限制。石墨烯作为近年来新兴的一种二维原子晶体薄膜材料，凭借着其卓越的电子、热学、光学和力学特性，在微纳光电子器件、复合材料、能源以及传感器件等诸多领域具有重要的应用前景。特别是石墨烯的透光特性，使其在透明导电薄膜领域具有重要应用，实验表明，单层石墨烯对光的吸收仅2.3％。本专利将利用石墨烯材料优良的导电性、导热性和透明性，并结合有机聚合物材料的加工灵活性，将石墨烯作为加热电极并将其置于脊型波导的芯层之中，可以通过控制信号光的偏振模式使得石墨烯电极的引入不会引起过大的光学吸收损耗，并能够提高电极的加热效率，降低器件的功耗；同时本专利提出的制备方法避免了对石墨烯加热电极的直接加工，可以减少对石墨烯薄膜的损伤，保证石墨烯加热电极的完整性。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法。本专利技术采用硅片作为衬底，以热光系数较大的有机聚合物材料分别作为光波导的上包层、下包层和芯层材料，并将石墨烯加热电极置于光波导芯层之中，充分提高加热电极的加热效率并利用有机聚合物材料热光系数大、易于加工的优势。同时，本专利技术所采用的制作工艺比较简单且与半导体工艺相兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：如附图1(a)所示，一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：整个器件基于Mach–Zehnderinterferometer(MZI)光波导结构，从左到右，依次包括输入直波导1，3-dBY分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4组成的器件调制区，3-dBY分支耦合器5和输出直波导6所构成；输入直波导1和输出直波导6结构相同，其长度a1和a1’为0.5～1.5cm，宽度为3～7μm；3-dBY分支分束器2和3-dBY分支耦合器5结构相同，其Y分支角度θ为0.5～1.5°，Y分支的长度为1000～3000μm、宽度为3～7μm；两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4结构相同，其长度a2和a2’为0.5～1.5cm、宽度为3～7μm，两条平行干涉臂之间的中心间距d为30～100μm；且输入直波导1、3-dBY分支分束器2、第一干涉臂3和第二干涉臂4、3-dBY分支耦合器5和输出直波导的宽度均相同；如图1(b)所示，为带有金属加热电极26(26’)和石墨烯加热电极24(或34)的低功耗脊型波导热光开关的平面结构示意图，金属加热电极26(26’)包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；有效加热区的长度L1为1～2cm、宽度W1为10～25μm，两个有效加热区的中心间距W2为30～80μm，金属加热电极的输入和输出区的中心间距L2为0.8～2cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L3为0.3～1cm、宽度W3为50～200μm，金属加热电极引脚的长度L4为500～1500μm、宽度W4为2000～5000μm；石墨烯加热电极24(34)的金属引脚8的长度L5为2000～5000μm、宽度W5为2000～5000μm；除金属引脚8的部分区域外，石墨烯加热电极24(或34)(包括有效加热区、输入和输出区、金属引脚三部分)的其余区域完全被金属加热电极26覆盖，两者间由聚合物上包层25(或35)和一部分光波导芯层23(或33)隔离开；作为一种实施方式，如附图2(a)所示(图1(b)中剖视线AA’对应的剖面图)，一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗倒脊型波导热光开关，从下到上，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备具有波导凹槽结构的聚合物下包层22、在聚合物下包层22上制备具有倒脊型波导结构的光波导芯层23、在倒脊型光波导芯层23之中制备的石墨烯加热电极24、在光波导芯层23上制备的聚合物上包层25、在聚合物上包层25上制备的金属加热电极(同时作为加工石墨烯电极的刻蚀掩膜)26组成；硅片衬底21的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层22的厚度为4～7μm，在聚合物下包层22上的凹槽宽度为3～7μm、凹槽深度为0.5～2μm，光波导芯层23的总厚度为3～8μm，光波导芯层23的脊宽为3～7μm、脊高为0.5～2μm，石墨烯加热电极24的宽度为10～30μm，石墨烯加热电极24的厚度为0.4～1.7nm，聚合物上包层25的厚度为3～6μm，金属加热电极26的宽度10～30μm，金属加热电极26的厚度100～300nm；且聚合物下包层22、倒脊型光波导芯层23、石墨烯加热电极24、聚合物上包层25、金属加热电极26的宽度相同；作为另一种实施方式，如附图2(b)所示(图1(b)中剖视线AA’对应的剖面图)，一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗正脊型波导热光开关，从下到上，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的具有正脊型光波导结构的光波导芯层33、在正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导(1)，3‑dB Y分支分束器(2)，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)组成的器件调制区，3‑dB Y分支耦合器(5)和输出直波导(6)构成；输入直波导(1)和输出直波导(6)结构相同，3‑dB Y分支分束器(2)和3‑dB Y分支耦合器(5)结构相同，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)结构相同；且输入直波导(1)、3‑dB Y分支分束器(2)、第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)、3‑dB Y分支耦合器(5)和输出直波导(6)的宽度均相同；从下到上，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备具有波导凹槽结构的聚合物下包层(22)、在聚合物下包层(22)上制备具有倒脊型波导结构的光波导芯层(23)、在倒脊型光波导芯层(23)之中制备的石墨烯加热电极(24)、在光波导芯层(23)上制备的聚合物上包层(25)、在聚合物上包层(25)上制备的金属加热电极(26)组成；且聚合物下包层(22)、倒脊型光波导芯层(23)、石墨烯加热电极(24)、聚合物上包层(25)、金属加热电极(26)的宽度相同；MZI光波导结构调制区以外区域，从下至上，依次由硅片衬底(21)、聚合物下包层(22)、倒脊型光波导芯层(23)和聚合物上包层(25)组成；金属加热电极(26)包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；除石墨烯加热电极(24)金属引脚(8)的部分区域外，石墨烯加热电极(24)的其余区域完全被金属加热电极(26)覆盖，两者间由聚合物上包层(25)和一部分光波导芯层(23)隔离开。...

【技术特征摘要】
1.一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导(1)，3-dBY分支分束器(2)，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)组成的器件调制区，3-dBY分支耦合器(5)和输出直波导(6)构成；输入直波导(1)和输出直波导(6)结构相同，3-dBY分支分束器(2)和3-dBY分支耦合器(5)结构相同，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)结构相同；且输入直波导(1)、3-dBY分支分束器(2)、第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)、3-dBY分支耦合器(5)和输出直波导(6)的宽度均相同；从下到上，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备具有波导凹槽结构的聚合物下包层(22)、在聚合物下包层(22)上制备具有倒脊型波导结构的光波导芯层(23)、在倒脊型光波导芯层(23)之中制备的石墨烯加热电极(24)、在光波导芯层(23)上制备的聚合物上包层(25)、在聚合物上包层(25)上制备的金属加热电极(26)组成；且聚合物下包层(22)、倒脊型光波导芯层(23)、石墨烯加热电极(24)、聚合物上包层(25)、金属加热电极(26)的宽度相同；MZI光波导结构调制区以外区域，从下至上，依次由硅片衬底(21)、聚合物下包层(22)、倒脊型光波导芯层(23)和聚合物上包层(25)组成；金属加热电极(26)包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；除石墨烯加热电极(24)金属引脚(8)的部分区域外，石墨烯加热电极(24)的其余区域完全被金属加热电极(26)覆盖，两者间由聚合物上包层(25)和一部分光波导芯层(23)隔离开。2.如权利要求1所述的一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导(6)的长度a1和a1’为0.5～1.5cm，宽度为3～7μm；3-dBY分支分束器(2)和3-dBY分支耦合器(5)的Y分支角度θ为0.5～1.5°，Y分支的长度为1000～3000μm、宽度为3～7μm；两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)长度a2和a2’为0.5～1.5cm、宽度为3～7μm，两条平行干涉臂之间的中心间距d为30～100μm；硅片衬底(21)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(22)的厚度为4～7μm，在聚合物下包层(22)上的凹槽宽度为3～7μm、凹槽深度为0.5～2μm，光波导芯层(23)的总厚度为3～8μm，光波导芯层(23)的脊宽为3～7μm、脊高为0.5～2μm，石墨烯加热电极(24)的宽度为10～30μm，石墨烯加热电极(24)的厚度为0.4～1.7nm，聚合物上包层(25)的厚度为3～6μm，金属加热电极(26)的宽度10～30μm，金属加热电极(26)的厚度100～300nm；金属加热电极(26)有效加热区的长度L1为1～2cm、宽度W1为10～25μm，两个有效加热区的中心间距W2为30～80μm，金属加热电极(26)的输入和输出区的中心间距L2为0.8～2cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L3为0.3～1cm、宽度W3为50～200μm，金属加热电极引脚的长度L4为500～1500μm、宽度W4为2000～5000μm；石墨烯加热电极(24)的金属引脚(8)的长度L5为2000～5000μm、宽度W5为2000～5000μm。3.权利要求1所述的一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关的制备方法，其步骤如下：A：硅片衬底(21)的清洁处理将解离好的符合设计尺寸大小的硅片衬底(21)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～12分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片衬底表面，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干，再在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；B：聚合物下包层(22)及其上面凹槽的制备采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将得到的聚合物薄膜在100～150℃条件下烘烤2～3小时，制得厚度为4～7μm的聚合物下包层；然后，采用蒸镀工艺在制备好的聚合物下包层上蒸镀一层厚度为50～200nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5～2.0μm的正性光刻胶BP212，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与光刻掩膜板紧密接触进行对版光刻，光刻掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，曝光时间为5～10秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层区域的正性光刻胶BP212被曝光；除去光刻掩膜板，经过10～30秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP212被除去；再在90～110℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶波导凹槽图形；接着将其放在质量浓度为5～8‰的NaOH溶液中50～90秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；然后，在感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，刻蚀时间为30～240秒，从而在聚合物下包层上刻蚀出凹槽结构；最后，在光刻机下充分曝光10～20秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，再用质量浓度为5～8‰的NaOH溶液去除残余的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，最后在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；C：光波导芯层(23)的制备采用旋涂工艺将抗丙酮腐蚀的有机聚合物芯层材料旋涂在下包层上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为1～4μm；然后在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行中烘；最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层上制得了光波导芯层(23’)；D：在光波导芯层(23’)上转移石墨烯并制备金属引脚(8)将带有PMMA支撑层的悬空自转移单层石墨烯置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到制备完光波导芯层(23’)的样品表面，使单层石墨烯与光波导芯层(23’)接触，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在60℃～90℃条件下处理30～60分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在70℃～100℃条件下处理30～60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，并采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属，得到金属引脚(8)；E：光波导芯层(23”)的制备采用旋涂工艺将光波导芯层(23”)材料旋涂在光波导芯层(23’)、石墨烯和金属引脚(8)上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟；然后在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行中烘；最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，这样便将石墨烯薄膜制备于倒脊型光波导的芯层(23)之中；F：聚合物上包层(25)的制备采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在光波导芯层(23)上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将薄膜在100～140℃下烘烤2～3小时，制得聚合物上包层(25)，聚合物上包层(25)完全覆盖整个MZI结构的光波导芯层(23)；G：金属加热电极(26)的制备采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层(25)上蒸镀一层厚度为100～300nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5～2.0μm的正性光刻胶BP218，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚，电极掩膜板有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区的中心对齐，曝光时间为5～15秒，除去电极掩膜板，经过10～30秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP218被除去；再在90～110℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形；接着将其放在质量浓度为5～8‰的NaOH溶液中50～90秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜，得到金属加热电极(26)；H：石墨烯加热电极(24)的制备在ICP刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，氩气流量为1～5sccm，刻蚀时间为150～600秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极(26)作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极(26)和金属引脚(8)所覆盖的波导上包层(25)、光波导芯层(23)、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层(22)通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底(21)，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层(25)、光波导芯层(23)和聚合物下包层(22)不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极(24)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚(8)露出，金属引脚(8)与金属加热电极(26)之间有一层聚合物上包层(25)和光波导芯层(23”)，不直接发生接触。4.一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导(1)，3-dBY分支分束器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，廉天航，张大明，王力磊，牛东海，王菲，衣云骥，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22