一种平面光波导、其制备方法及热光器件

摘要

本发明提供了一种平面光波导、其制备方法及热光器件。本发明提供的平面光波导包括衬底‑无机材料下包层‑聚合物芯层‑无机材料上包层，即上下包层均采用无机材料，芯层为聚合物，且分别控制无机材料下包层、聚合物芯层和无机材料上包层的折射率、热光系数和热导率，使之处于特定的大小关系，从而能够充分利用无机材料及聚合物的热光、热导性等特性，将光场有效限制的在芯层，能够提升整体光波导有效折射率的变化速度，进而使光场相位发生变化，通过上述各方面特性的改善，进而有效降低热光响应时间，提升响应速度，改善热光器件的响应灵敏度，对获得快速热光器件具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，特别涉及一种平面光波导、其制备方法及热光器件。

背景技术

光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导，其是由透明介质构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限的区域内传播。光波导本身是多方面科学的集成，因此其研究及应用范围也是很广泛的小型紧凑的波导结构，有利于实现光路的集成。光波在波导中的传输、耦合以及与外场相互作用引起的各种物理现象，是集成光路设计和制造的基础。

光波导分为两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常是光电集成器件中的一部分，故称为集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。其中，平面光波导是指光波导位于一个平面内，是最简单的光波导。

平面光波导涉及的材料体系非常广泛，如玻璃波导、铌酸锂波导、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物波导、绝缘体上的硅(SOI)波导、氮氧化物波导和聚合物波导等。其中，无机材料体系的优点是工艺成熟、性能稳定、热导率大等；缺点是热光系数小，且折射率随温度的增加而增加，需要高温工艺，如等离子增强化学气相沉积工艺和热氧工艺。聚合物材料体系的优点是工艺简单且与传统半导体工艺兼容，利于其他光电子器件集成，折射率易于调节，热光系数比一般无机材料至少大一个数量级，且折射率随温度的增加而减小，成本低廉；缺点是热导率小，多数聚合物材料(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、SU-8等)不耐高温，不能进行高温工艺。因此，研发有机无机混合体系波导，有利于综合利用两类材料体系的优点，应用于光波导器件，对新型光波导的发展意义重大。

虽然无机有机混合体系波导有利于综合利用两类材料的优势，但是并非将无机材料体系与有机材料体系任意结合即可，材料之间的相互适用性、匹配性等多种复杂因素，影响着无机有机混合体系波导能否研制成功以及能否发挥出优异的热光性能，而关于无机有机材料的结合如何影响光波导，目前并没有成熟的机理。

目前，有机无机混合材料体系，主要是以无机材料为下包层，以聚合物为芯层和上包层，如SiO₂下包层-SU8芯层-PMMA上包层，而这种有机无机混合材料光波导并没有充分发挥无机材料和聚合物材料在导热系数、热光系数等各方面的优势，使光波导的响应较慢，导致光波导热光器件响应不够灵敏。另外，其需要采用高温工艺制备下包层，一方面，附加温度应力会导致生长薄膜厚度过厚时出现断裂；另一方面，当温度高于材料的耐热温度时，材料开始分解，会造成器件性能不稳定甚至损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种平面光波导、其制备方法及热光器件。本发明提供的平面光波导能够有效降低热光响应时间，提升响应速度，进而改善热光器件的灵敏度。另外，本发明提供的制备方法采用低温工艺，可消除温度应力影响，能够避免高温导致的薄膜断裂和性能不稳定等问题。

本发明提供了一种平面光波导，包括依次接触的衬底，无机材料下包层，聚合物芯层和无机材料上包层；

所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；

所述聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；

所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层的热导率。

优选的，所述无机材料下包层为SiO₂下包层。

优选的，所述聚合物芯层为SU-8芯层、氟化聚酰亚胺芯层、聚碳酸酯芯层、聚二甲基硅氧烷芯层或NOA胶芯层。

优选的，所述无机材料上包层为SiO₂上包层。

优选的，所述衬底为硅基衬底。

优选的，所述平面光波导为脊形光波导或矩形光波导。

优选的，所述无机材料下包层的厚度为2～3μm；所述聚合物芯层的厚度为2～3μm；所述无机材料上包层的厚度为2～3μm。

本发明提供了一种上述技术方案所述的平面光波导的制备方法，包括：

a)利用液相源沉积法在衬底表面生长无机材料下包层；

b)在所述无机材料下包层表面蚀刻聚合物芯层；

c)利用液相源沉积法在所述聚合物芯层表面生长无机材料上包层；

所述步骤a)中，液相源沉积法的沉积温度为80～120℃；

所述步骤c)中，液相源沉积法的沉积温度为80～120℃。

本发明提供了一种热光器件，所述热光器件中的光波导为上述技术方案中所述的平面光波导。

优选的，所述热光器件为热光开关。

本发明提供了一种平面光波导，包括衬底-无机材料下包层-聚合物芯层-无机材料上包层，即上下包层均采用无机材料，芯层为聚合物，且分别控制无机材料下包层、聚合物芯层和无机材料上包层的折射率、热光系数和热导率，使之处于上述特定的大小关系，从而能够充分利用无机材料及聚合物的热光、热导性等特性，将光场有效限制的在芯层，能够提升整体光波导有效折射率的变化速度，进而使光场相位发生变化，通过上述各方面特性的改善，进而有效降低热光响应时间，提升响应速度，改善热光器件的响应灵敏度，对获得快速热光器件具有重要意义。

试验结果表明，本发明提供的平面光波导的热光响应上升时间可达168μs，下降时间可低至163μs，有效降低了热光响应时间，提升了响应速度和灵敏度。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的脊形光波导的等轴侧视结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的脊形光波导的前视图；

图3为本发明实施例1提供的脊形光波导的左视图；

图4为本发明实施例1提供的脊形光波导的顶视图；

图5为实施例1中脊形光波导的制备流程图；

图6为本发明实施例2提供的矩形光波导的等轴侧视结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的矩形光波导的前视图；

图8为本发明实施例2提供的矩形光波导的左视图；

图9为本发明实施例2提供的矩形光波导的顶视图；

图10为实施例2中脊形光波导的制备流程图；

图11为实施例2的热光响应特性检测结果图；

图12为实施例3的热光响应特性检测结果图；

图13为实施例4的热光响应特性检测结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种平面光波导，包括依次接触的衬底，无机材料下包层，聚合物芯层和无机材料上包层；

所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；

所述聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；

所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层的热导率。

本发明中，所述衬底的种类没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的衬底即可。在本发明的一些实施例中，所述衬底为硅基衬底。本发明对所述衬底的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。本发明对所述衬底的厚度没有特殊限制，为本领域中常规衬底厚度即可。

本发明中，所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层的热导率。其中，所述一个数量级指10倍，即聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大10倍。本发明控制上下包层均采用无机材料，芯层为聚合物，且分别控制无机材料下包层、聚合物芯层和无机材料上包层的折射率、热光系数和热导率，使之处于上述特定的大小关系，从而能够充分利用无机材料及聚合物的热光、热导性等特性，将光场有效限制的在芯层，能够提升整体光波导有效折射率的变化速度，进而使光场相位发生变化，通过上述各方面特性的改善，进而有效降低热光响应时间，提升响应速度，改善热光器件的响应灵敏度。

本发明中，所述无机材料下包层优选为SiO₂下包层。本发明中，所述SiO₂下包层的厚度优选为2～3μm，更优选为2μm，既能阻止光场泄露到衬底层，又能防止下降时间变慢。

本发明中，所述合物芯层优选为SU-8芯层、氟化聚酰亚胺芯层、聚碳酸酯(即PC)芯层、聚二甲基硅氧烷(即PDMS)芯层或NOA胶芯层，更优选为SU-8芯层。采用上述聚合物芯层能够与本发明体系中的上下无机材料包层较好的匹配，提高整体光波导的热光性能。本发明中，所述聚合物芯层的厚度优选为2～3μm，以满足波导单模条件为宜。

本发明中，所述无机材料上包层优选为SiO₂上包层。本发明控制上下包层均为SiO₂包层，能够更好的与上述聚合物芯层匹配协同，改善整体光波导的热光性能，而采用其它无机材料如氧化铝、氮化硅等，则难以与上述聚合物芯层匹配和相互协同，无法提升整体光波导的热光性能，不能降低其响应时间、提升响应灵敏度。本发明中，所述无机材料上包层的厚度优选为2～3μm。

本发明中，所述平面光波导优选为脊形光波导或矩形光波导。

所述脊形光波导指聚合物芯层为脊形结构的光波导，参见图1和图2，图1为本发明实施例1提供的脊形光波导的等轴侧视结构示意图，图2为本发明实施例1提供的脊形光波导的前视图；其中，1为衬底，2为无机材料下包层，3为聚合物芯层，4为无机材料上包层。可以看出，聚合物芯层3为脊形结构，其中，凸起的部分为内脊区，其余的平坦部分为外脊区。在一个实施例中，脊形光波导中，内脊区为SU-8 2000.5胶，外脊区为SU-8 2002胶。

所述矩形光波导指聚合物芯层为矩形结构的光波导，参见图6和图7，图6为本发明实施例2提供的矩形光波导的等轴侧视结构示意图，图7为本发明实施例2提供的矩形光波导的前视图；其中，11为衬底，12为无机材料下包层，13为聚合物芯层，14为无机材料上包层。可以看出，聚合物芯层13为矩形结构。

本发明提供了一种平面光波导，包括衬底-无机材料下包层-聚合物芯层-无机材料上包层，即上下包层均采用无机材料，芯层为聚合物，且分别控制无机材料下包层、聚合物芯层和无机材料上包层的折射率、热光系数和热导率，使之处于上述特定的大小关系，从而能够充分利用无机材料及聚合物的热光、热导性等特性，将光场有效限制的在芯层，能够提升整体光波导有效折射率的变化速度，进而使光场相位发生变化，通过上述各方面特性的改善，进而有效降低热光响应时间，提升响应速度，改善热光器件的响应灵敏度，对获得快速热光器件具有重要意义。

本发明还提供一种上述技术方案中所述平面光波导的制备方法，包括：

a)利用液相源沉积法在衬底表面生长无机材料下包层；

b)在所述无机材料下包层表面蚀刻聚合物芯层；

c)利用液相源沉积法在所述聚合物芯层表面生长无机材料上包层；

所述步骤a)中，液相源沉积法的沉积温度为80～120℃；

所述步骤c)中，液相源沉积法的沉积温度为80～120℃。

按照本发明，先利用液相源沉积法在衬底表面生长无机材料下包层。

本发明中，在对衬底沉积之前，优选先进行清洗。本发明中，优选先采用有机溶剂清洗，再采用去离子水清洗。在所述清洗后，优选还进行干燥。

本发明中，所述液相源沉积借助于液相源等离子气相沉积设备LS-CVD进行。所述沉积的温度优选为80～120℃。

按照本发明，在形成无机材料下包层后，在所述无机材料下包层表面蚀刻聚合物芯层。

本发明中，所述蚀刻包括干法刻蚀或湿法腐蚀。对于矩形光波导或脊形光波导，均可采用干法刻蚀。具体的，刻蚀过程如下：旋涂聚合物材料并坚膜，再旋涂光刻胶并利用光刻工艺将光刻板图形转移到光刻胶上，形成干法刻蚀掩膜，利用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀波导芯层，除去残余光刻胶，掩膜形成矩形波导或脊形波导结构。

对于矩形光波导和脊形光波导，还可采用湿法腐蚀。具体的，矩形光波导腐蚀过程如下：旋涂聚合物材料并直接利用光刻工艺将光刻板图形转移到聚合物材料上制备矩形波导结构；脊形光波导腐蚀过程如下：利用整体曝光工艺先制备一层聚合物平板薄膜，用感应耦合等离子体刻蚀设备将聚合物平板薄膜刻蚀几纳米降低表面光滑度，再利用光刻工艺在平板薄膜上制备相同材料的凸脊结构，坚膜后平板薄膜与凸脊结构结合在一起形成脊形波导芯层。

按照本发明，在形成聚合物芯层后，利用液相源沉积法在所述聚合物芯层表面生长无机材料上包层。

本发明中，所述液相源沉积借助于液相源等离子气相沉积设备LS-CVD进行。所述沉积的温度优选为80～120℃。采用液相源沉积法，能够在不超过聚合物坚膜温度的低温下，实现高速、高质量、零应力沉积，在高深宽比结构中依然能够均匀沉积覆盖芯层；采用上述低温沉积工艺，沉积温度低于聚合物材料的玻璃态转变温度，在生长厚膜时依然可以零应力生长，能够最大程度的降低温度应力对器件的影响，避免生长薄膜过厚时出现断裂，以及材料的高温热解造成的器件性能不稳定甚至损坏。

本发明提供的制备方法简单易行，能够规模化生产应用，而且，采用低温工艺即可制备，能够消除温度应力影响，避免高温工艺对器件制备过程及器件产品的不良影响。

本发明还提供了一种热光器件，所述热光器件中的光波导为上述技术方案中所述的平面光波导。采用上述光波导的热光器件，热光响应速度快，响应灵敏。在本发明的一个实施例中，所述热光器件为热光开关。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

SiO₂下包层-SU-8芯层-SiO₂上包层脊形光波导的制备

参见图5，图5为实施例1中脊形光波导的制备流程图，具体过程如下：

S11：清洗硅基衬底5。用丙酮、甲醇、异丙醇分别在55℃水浴中清洗5min，用去离子水冲洗衬底(厚度为200μm)并在氮气下吹干；再次用丙酮、甲醇、异丙醇分别在55℃水浴中清洗10min，用去离子水冲洗衬底并在氮气下吹干，在热板上于100℃加热10min烘干水蒸气。

S12：生长SiO₂下包层6。利用液相源沉积设备LS-CVD在衬底5上沉积零应力SiO₂薄膜3μm，沉积温度选择80～120℃。

制备脊形波导芯层：

S13：制备波导芯层的平板薄膜7。在3000rpm下旋涂SU-8 2002光刻胶30s，在热板上于90℃下加热1min，而后整体曝光，曝光剂量90mJ/cm²，在热板上于150℃下坚膜5min形成约2μm厚的固化薄膜7；

S14：氧离子EI刻蚀SU-8 2002薄膜7。利用ICP刻蚀机在ICP功率400W、偏置功率40W下用氧离子EI刻蚀SU-8 2002薄膜7约10s，降低薄膜平整度，利于制备凸脊结构；

S15：制备波导芯层的凸脊结构。在1000rpm下旋涂SU-8 2000.5光刻胶30s，在热板上于90℃下加热1min形成薄膜8，利用光刻掩膜版M1在紫外光UV1下曝光，曝光剂量70mJ/cm²，再在热板上于95℃下加热1min；

S16：显影坚膜。利用专用显影液显影去除未曝光的部分，使光刻掩膜版M1的图形转移到薄膜8上，在热板上于150℃下坚膜5min，利用SU-8的自平整能力，薄膜8显影后形成的凸脊与薄膜7合为一体，形成光波导芯层9。

S17：低温生长SiO₂上包层10。利用液相源沉积设备LS-CVD在芯层9上沉积零应力SiO₂薄膜3μm，沉积温度选择80～120℃，形成脊形波导无机上包层10。

通过上述步骤S11～S17得到SiO₂下包层-SU-8芯层-SiO₂上包层脊形光波导。所得光波导的结构如图1～图4所示，其中图1为本发明实施例1提供的脊形光波导的等轴侧视结构示意图，图2为本发明实施例1提供的脊形光波导的前视图，图3为本发明实施例1提供的脊形光波导的左视图，图4为本发明实施例1提供的脊形光波导的顶视图。

对比例1

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，上下包层均为PMMA层。

上下包层PMMA层的制备如下：采用匀胶机在4000r/s的条件下旋涂PMMA溶液40s，在热板上阶梯升温至120℃保持15min，形成PMMA薄膜。

对比例2

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，上包层为PMMA层。

上包层PMMA层的制备如下：采用匀胶机在4000r/s的条件下旋涂PMMA溶液40s，在热板上阶梯升温至120℃保持15min，形成PMMA薄膜。

实施例2

分别检测实施例1和对比例1～2的光波导的热光响应特性(采用Gwinstek AFG-3081函数发生器和Tektronix MSO4104B信号发生器测试)，测试结果如图11所示，图11为实施例2的热光响应特性检测结果图；其中，曲线1为实施例1所得光波导的热光响应曲线，曲线2为对比例1所得光波导的热光响应曲线，曲线3为对比例2所得光波导的热光响应曲线。可以看出，对比例1的上升时间t_{r_PMMA-PMMA}为327μs，下降时间t_{f_PMMA-PMMA}为327μs。对比例2的上升时间t_{f_PMMA-Silica}为196μs，下降时间t_{f_PMMA-Silica}为163μs。实施例1的上升时间t_{r_Silica-Silica}为168μs，下降时间t_{f_Silica-Silica}为163μs。

由此可知，对比例1的上升时间和下降时间虽然一致，但时间均较长，响应速度较慢，灵敏度较差。对比例2的上升时间和下降时间均有所下降，但是上升时间明显长于下降时间，上升响应速度仍较慢。而实施例1的上升时间和下降时间均明显下降，且上升时间与下降时间相当，有效降低了热光响应时间，提升了响应速度和灵敏度。

实施例3

SiO₂下包层-SU-8芯层-SiO₂上包层矩形光波导的制备

参见图10，图10为实施例2中脊形光波导的制备流程图，具体过程如下：

S21：清洗硅基衬底15。用丙酮、甲醇、异丙醇分别在55℃水浴中清洗5min，用去离子水冲洗衬底并在氮气下吹干；再次用丙酮、甲醇、异丙醇分别在55℃水浴中清洗10min，用去离子水冲洗衬底并在氮气下吹干，在热板上于100℃加热10min烘干水蒸气。

S22：生长SiO₂下包层16。利用液相源沉积设备LS-CVD在衬底15上沉积零应力SiO₂薄膜3μm，沉积温度选择80～120℃。

制备矩形波导芯层：

S23：制备波导芯层薄膜17。在1000rpm下旋涂SU-8 2002光刻胶30s，在热板上于90℃下加热1min，形成约3μm厚的薄膜17；

S24：制备波导芯层结构。利用光刻掩膜版M2在紫外光UV2下曝光，曝光剂量为90mJ/cm²，在热板上于95℃下加热1min；

S25：显影坚膜。利用专用显影液显影去除未曝光部分，使光刻胶掩膜版M2的图形转移到薄膜17上，在热板上于150℃下坚膜5min，形成光波导矩形芯层17。

S26：低温生长SiO₂上包层18。利用液相源沉积设备LS-CVD在芯层17上沉积零应力SiO₂薄膜3μm，沉积温度选择80～120℃，形成矩形波导无机上包层18。

通过上述步骤S21～S26得到SiO₂下包层-SU-8芯层-SiO₂上包层矩形光波导。所得光波导的结构如图6～图9所示，其中图6为本发明实施例2提供的矩形光波导的等轴侧视结构示意图，图7为本发明实施例2提供的矩形光波导的前视图，图8为本发明实施例2提供的矩形光波导的左视图，图9为本发明实施例2提供的矩形光波导的顶视图。

按照实施例2的检测方法测试所得矩形光波导的热光响应特性，测试结果如图12所示，图12为实施例3的热光响应特性检测结果图。结果显示，其上升时间为95μs，下降时间为163μs。可以看出，实施例3所得光波导的热光响应性与实施例1不同，由于上包层材料更好的包裹芯层，其有更快的上升时间，下降时间与实施例1基本一致，能够有效提升响应速度和灵敏度。

实施例4

按照实施例1的制备过程进行，不同的是，聚合物芯层替换为聚碳酸酯芯层。

按照实施例2的检测方法测试所得光波导的热光响应特性，测试结果如图13所示，图13为实施例4的热光响应特性检测结果图。结果显示，其上升时间为188μs，下降时间为162μs。

由实施例3～4的测试结果可知，本发明提供的光波导能够有效降低热光响应时间，提升响应速度和灵敏度；综合实施例1～4可知，芯层为SU-8芯层时，热光响应最为灵敏。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。