一种基于加载条形结构的有源复合光波导及其制备方法技术

一种基于加载条形结构的有源复合光波导及其制备方法，属于平面光波导器件及其制备技术领域。其一由硅片衬底、二氧化硅下包层、基于极化聚合物电光材料的光波导芯层、基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导、聚合物上包层和共面波导CPW调制电极(11)组成；其二由硅片衬底、MSL下电极、具有MZI波导凹槽结构的聚合物下包层、基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导、基于极化聚合物电光材料的光波导芯层、聚合物上包层和MSL型上电极(21)组成。本发明专利技术所述的加载条形有源复合光波导结构可以实现传统单一波导的多功能集成，并且器件的制作工艺简单，制作成本低，成品率高，制备速度快，适合大批量生产。

An active composite optical waveguide based on loaded bar structure and its preparation method

An active composite optical waveguide based on a loaded strip structure and its preparation method, which belong to the field of planar optical waveguide devices and their preparation technology. It consists of a silicon substrate, a lower cladding layer, based on silica optical waveguide core layer, poled polymer electro-optic materials based on coplanar waveguide layer and CPW modulation electrode strip loaded waveguide, polymer package with MZI waveguide structure on the organic light amplifying materials (11); the second from the silicon wafer substrate, MSL electrode, MZI the groove structure of polymer waveguide under cladding, with MZI waveguide strip loaded waveguide and amplifying materials based on organic optical waveguide core layer, polarization of polymer polymer electro-optic materials on the cladding layer and the MSL type electrode based on (21) group. The loading strip active composite optical waveguide structure of the invention can realize multifunctional integration of traditional single waveguides, and has simple fabrication process, low production cost, high yield and fast preparation speed, and is suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种基于加载条形结构的有源复合光波导及其制备方法
本专利技术属于平面光波导器件及其制备
，具体涉及一种硅片为衬底、以极化聚合物电光材料为波导芯层、以有机光放大材料为加载条形波导的有源复合光波导及其制备方法。
技术介绍
光通信器件是构建光通信网络的基础，“超高速、超大容量和超长距离”依然是光纤通信的主要发展方向，而高速光传输设备、长距离光传输设备和智能光网络的发展、升级及推广应用，都取决于光电子器件技术进步和产品更新换代的支持。多功能集成、参数可调和网络性能动态监测的光电子器件与集成模块是智能光网络的核心与基础，是构建下一代智能光网络的关键。同时，为满足下一代高速、大容量全光信息网络，特别是面向资源与业务可重构的光局域网、城域网和用户接入网的重大需求，光通信系统中采用的发送、接收、调制、交换、放大和动态补偿等光器件也将提出更加苛刻的要求。因此，根据光通信网络系统对光通信器件的要求，设计光电子器件的集成和单一光电子器件的多功能化是其必然的技术发展方向，而光子集成技术可以有效地解决这一问题。光波导是光电子器件的基础性元件，在光电子器件的研究和发展过程中起着非常重要的作用。自从集成光学这个概念被提出来，人们就一直期望在同一芯片上集成以光波导为基础的不同功能的光学元件，构成具有整体功能的光子集成线路(photonicintegratedcircuit,PIC)芯片，由此也促进了平面光波导器件及其相关技术的广泛研究，PIC芯片可以降低成本，减少光学连接点、提高集成度，同时还具备质量轻、功耗低、可靠性好等优势，可以将集成平面光波导器件方便地接入到光通信系统之中。虽然人们已经在导波光学、微机电系统(MEMS)、微光学和集成光模块等方面进行了大量的研究，以促进单片集成光学器件的发展，但是由于各种光学元件所需要的材料、结构和加工工艺都有所不同，光子集成技术一直没有得到长足的进步。近年来，有机聚合物材料凭借其独特的优势引起了人们的广泛关注。与无机材料相比，有机聚合物材料的制备工艺简单且与半导体工艺兼容，成本低廉且可以通过分子工程来进行材料的功能化设计，另外有机聚合物材料还具有种类多样、折射率可调、偏振不敏感、抗电磁干扰能力强以及无机材料所无法比拟的高电光系数等优点，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景的基础性材料。因此，基于有机聚合物材料，通过波导的结构设计来探索和研究高性能、小型化、集成化和多功能化的集成光波导器件具有重要的理论意义和实际价值，在实现高速、大容量全光通信网络和片上光互联技术应用中具有迫切需求，市场前景广阔。近年来，由于有机聚合物材料优良的光学和电学特性，在研究和发展聚合物基光子器件及相关集成技术中表现出非常优异的特性，并已成为各发达国家的重点支持领域。特别是极化聚合物电光材料，已被逐渐用于高速电光调制器/电光开关的研制当中，并取得了很大的进展。另外，有机聚合物材料在掺铒光波导放大器(EDWA)领域也具有重要的应用前景。但是目前的基于光波导结构的光学器件在结构和功能上都比较单一，而基于有机聚合物材料的集成芯片也都是一些关于无源器件的简单集成，如何将上述两种聚合物有源光波导器件与其它无源器件集成到同一芯片中，并通过结构设计来实现多功能集成，在功能集成芯片和片上光互联技术应用中具有非常重大的意义。基于加载条形结构的有源复合光波导可以结合有机聚合物材料在高速电光调制器/开关和光波导放大器方面的优势，充分利用加载条形波导在器件集成和器件小型化方面的结构优势，通过设计以极化聚合物电光材料作为波导芯层、有机光放大材料作为加载条形波导的有源复合光波导结构，来实现电光调制和信号放大的功能集成。这种有源复合光波导结构的设计，不仅为多功能的集成光波导芯片研究提供一个新思路和新方法，也为研发下一代基于PLC的新型信号处理芯片做预研和技术储备，并将带来可观的经济效益，对我国DWDM高速全光网络关键元件的科研及产业化发展起到积极的促进作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于加载条形结构的有源复合光波导及其制备方法。本专利技术采用硅片作为衬底，以二氧化硅作为下包层、以极化聚合物电光材料作为波导芯层、以有机光放大材料作为加载条形波导、有机聚合物材料作为波导上包层来制备有源复合光波导，不但解决了传统光波导功能比较单一的问题，而且有效地利用了两种材料的优势。同时，本专利技术所采用的制备工艺简单并且与半导体工艺兼容、易于集成、适于大规模生产，具有十分广阔的应用前景。本专利技术所述的一种基于加载条形结构的有源复合光波导，是将对信号光的调制和放大两种功能集成在同一根波导上，突破了传统波导的功能单一化问题，可以实现光波导器件的小型化、集成化和多功能化集成，同时又充分利用了加载条形波导的结构优势和有机聚合物材料在高速电光调制器/电光开关和光波导放大器方面的优点。本专利技术为了测试器件的电光调制特性和增益特性，设计了基于加载条形结构的Mach-ZehnderInterferometer(MZI)型光波导结构，其中MZI波导的输入或者输出直波导可以用来测试有源复合波导的增益特性，同时根据器件结构特征分别采用了共面波导(CoplanarWaveguide，CPW)电极和微带线(MicrostripLine，MSL)电极两种调制电极结构，其器件结构见附图2。整个器件的制备是硅片作为衬底，并采用标准的平面半导体加工工艺，制备工艺比较简单，有利于将来大规模生产。如附图1(a)所示，一种基于下加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：从下到上，由硅片衬底16、在硅片衬底16上制备的二氧化硅下包层15、在二氧化硅下包层15上制备的基于极化聚合物电光材料的光波导芯层14、在光波导芯层14上制备的基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导13、在加载条形波导上制备的聚合物上包层12、在聚合物上包层12上制备的共面波导CPW调制电极11组成；硅片衬底的16厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层15的厚度为2～5μm，光波导芯层14的厚度为0.5～5μm，加载条形波导13的高度为2～6μm，加载条形波导13的宽度为3～8μm；上包层12的厚度为5～10μm；CPW调制电极11的中心电极宽度、地电极宽度、中心和地电极间距、电极厚度分别为20～50μm、80～150μm、5～30μm、200～500nm；MZI波导的输入、输出区直波导的长度a1为0.5～1.5cm、宽度为3～8μm，Y分支的分支角度θ为0.5～2.5°，Y分支的分支长度为1500～3000μm、宽度为3～8μm，中间调制区的两条直波导长度a2为1～2cm、宽度为3～8μm；MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层14的材料折射率比MZI波导中间调制区的两条直波导和Y分支波导区域的光波导芯层14的材料折射率低0.002～0.028，MZI波导中间调制区的两条直波导分别与CPW调制电极的中心电极和其中的一根地电极位置对应，而CPW调制电极的另一根地电极不需要与MZI波导相对应，如图2(a)所示。另外一种基于上加载条形结构的有源复合光波导结构如附图1(b)所示，其特征在于：从下到上，由硅片衬底16、在硅片衬底16制备的MSL下电极26、在MSL下电极26上制备的具有MZI波导凹槽结构的聚合物下包层25、在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于下加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：从下到上，由硅片衬底(16)、在硅片衬底(16)上制备的二氧化硅下包层(15)、在二氧化硅下包层(15)上制备的基于极化聚合物电光材料的光波导芯层(14)、在光波导芯层(14)上制备的基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导(13)、在加载条形波导(13)上制备的聚合物上包层(12)、在聚合物上包层(12)上制备的共面波导CPW调制电极(11)组成；MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层(14)的材料折射率比MZI波导中间调制区的两条直波导和Y分支波导区域的光波导芯层(14)的材料折射率低0.002～0.028，MZI波导中间调制区的两条直波导分别与CPW调制电极(11)的中心电极和其中的一根地电极位置对应。

【技术特征摘要】
1.一种基于下加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：从下到上，由硅片衬底(16)、在硅片衬底(16)上制备的二氧化硅下包层(15)、在二氧化硅下包层(15)上制备的基于极化聚合物电光材料的光波导芯层(14)、在光波导芯层(14)上制备的基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导(13)、在加载条形波导(13)上制备的聚合物上包层(12)、在聚合物上包层(12)上制备的共面波导CPW调制电极(11)组成；MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层(14)的材料折射率比MZI波导中间调制区的两条直波导和Y分支波导区域的光波导芯层(14)的材料折射率低0.002～0.028，MZI波导中间调制区的两条直波导分别与CPW调制电极(11)的中心电极和其中的一根地电极位置对应。2.如权利要求1所述的一种基于下加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：硅片衬底的(16)厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层(15)的厚度为2～5μm，光波导芯层(14)的厚度为0.5～5μm，加载条形波导(13)的高度为2～6μm，加载条形波导(13)的宽度为3～8μm；聚合物上包层(12)的厚度为5～10μm；CPW调制电极(11)的中心电极宽度、地电极宽度、中心和地电极间距、电极厚度分别为20～50μm、80～150μm、5～30μm、200～500nm；MZI波导的输入、输出区直波导的长度a1为0.5～1.5cm、宽度为3～8μm，Y分支的分支角度θ为0.5～2.5°，Y分支的分支长度为1500～3000μm、宽度为3～8μm，中间调制区的两条直波导长度a2为1～2cm、宽度为3～8μm；CPW电极的中心电极111宽度、地电极112宽度、中心和地电极间距d1、电极厚度分别为10～50μm、50～150μm、5～30μm、100～400nm。3.权利要求1或2所述的一种基于下加载条形结构的有源复合光波导的制备方法，其步骤如下：A：硅片衬底(16)的处理与下包层制备将硅片衬底(16)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10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；接着，在清洗干净的硅片衬底表面采用热氧化方法制备出二氧化硅下包层(15)；B：光波导芯层(14)的制备采用旋涂工艺将极化聚合物电光材料旋涂在制备好的二氧化硅下包层(15)上形成薄膜，旋涂的速度为1000～5000转/分钟，然后将薄膜在80～140℃下烘烤1～3小时，得到光波导芯层(14)；C：加载条形波导(13)的制备采用旋涂工艺将主客掺杂型紫外光敏性有机光放大材料旋涂在波导芯层(14)上形成薄膜，旋涂的速度为2000～5000转/分钟；然后在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、70℃～110℃条件下处理10～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，光刻掩膜版(18)的结构与需要制备的MZI波导芯层的结构互补，曝光时间为6～20秒，使需要制备的加载条形波导区域的有机光放大材料被曝光；除去波导掩膜板，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、70℃～110℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温后，放在显影液中进行湿法刻蚀20～40秒，未曝光的有机光放大材料被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～160℃条件下处理20～40分钟进行后烘坚膜，便在波导芯层上制得了具有MZI波导结构的基于有机光放大材料的加载条形波导(13)；D：聚合物上包层(12)的制备采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在波导芯层及加载条形波导(13)上形成薄膜，旋涂的速度为3000～6000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，聚合物上包层(12)完全覆盖波导芯层(14)和加载条形波导(13)；E：光漂白技术处理器件的输入和输出波导区域在紫外波长为280～400nm、功率为50～300W的紫外灯下，将前面步骤得到器件与曝光掩膜板紧密接触进行紫外曝光，曝光时间为2～12小时，使器件的输入和输出区直波导进行紫外曝光，然后除去曝光掩膜板；掩膜版的结构是将MZI中间调制区波导和两个Y分支波导区域完全遮挡，使其不被紫外光照射，而输入和输出区域的直波导部分被紫外光充分照射；在整个曝光过程中，进行N2保护，以防止聚合物芯层和包层薄膜被氧化，并降低器件的表面温度；经过紫外曝光的MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层材料的折射率将会降低0.002～0.028，而MZI波导中间调制区的两条直波导和Y分支波导没有被紫外光照射，其折射率不会发生变化；F：CPW电极(11)的制备在聚合物上包层(12)上采用热蒸发工艺蒸镀Al膜，然后采用旋涂工艺在Al膜上旋涂正性光刻胶BP218(17)，在80～100℃条件下前烘10～30分钟；然后在光刻机上，将其与CPW电极掩膜板(19)紧密接触进行对版光刻，曝光时间为5～15秒，使不需要制备CPW电极区域的正性光刻胶曝光，除去CPW电极掩膜板19，经过10～25秒的BP218专用显影液显影后，将曝光的正性光刻胶除去；对版的原则是将CPW调制电极(11)的中心电极和其中一根地电极与MZI波导中间调制区的两根直波导中心对齐；在90～120℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶CPW电极图形；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；最后，再在光刻机下充分曝光6～30秒，并用BP218专用显影液去除CPW电极上面的光刻胶，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，完成CPW电极的制备，从而得到基于下加载条形结构的有源复合光波导器件的制备。4.如权利要求3所述的一种基于下加载条形结构的有源复合光波导的制备方法，其特征在于：步骤B中所述的极化聚合物电光材料分为两类，一类是主客掺杂型极化聚合物电光材料，是将具有电光活性的生色团分子加入到环戊酮有机溶剂之中，加热搅拌30～60分种，使其充分溶解，然后通过0.22μm～0.45μm孔径的分子筛将其过滤后掺入到主体聚合物材料中，再加热搅拌2～5小时，便制得了主客掺杂型极化聚合物电光材料；另一类是键合型极化聚合物电光材料，是将具有电光活性的生色团分子键合到主体聚合物材料中，便制得了主客掺杂型极化聚合物电光材料；生色团分子为分散红1、分散红19或分散红13，生色团分子是主体聚合物材料质量的5％～25％，主体聚合物材料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯；步骤C中所述的主客掺杂型紫外光敏性有机光放大材料，是将铒镱共掺氟化物纳米颗粒客体加入到甲苯有机溶剂之中，然后将溶液掺入到主体材料中并充分搅拌18～30小时，铒镱共掺氟化物纳米颗粒是主体材料质量的1‰～5‰，然后将上述混合物溶液通过0.22μm～0.45μm孔径的分子筛过滤，便制得了主客掺杂型紫外光敏性有机光放大材料；铒镱共掺的氟化物纳米颗粒为LaF3：2～5mol％Er3+，20～25mol％Yb3+或NaYF4：2～5mol％Er3+，20～25mol％Yb3+或BaYF5：2～5mol％Er3+，20～25mol％Yb3+或LiYF4：2～5mol％Er3+，20～25mol％Yb3+；主体材料为SU-82002、SU-82005、EpoClad、EpoCore、NOA61、NOA63或NOA73。5.一种基于上加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：从下到上，由硅片衬底(16)、在硅片衬底(16)制备的MSL下电极(26)、在MSL下电极(26)上制备的具有MZI波导凹槽结构的聚合物下包层(25)、在聚合物下包层(25)上制备的基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导(24)、在聚合物下包层(25)和加载条形波导(24)上制备的基于极化聚合物电光材料的光波导芯层(23)、在光波导芯层(23)上制备聚合物上包层(22)、在聚合物上包层(22)制备的MSL型上电极(21)组成；MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层(23)的材料折射率比MZ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，姜明慧，张大明，王菲，张美玲，许强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22