具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关及其制备方法

摘要

具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关及其制备方法，属于聚合物热光开关制备技术领域。从下至上依次由衬底（1）、SiO

说明书

技术领域

本发明属于聚合物热光开关制备技术领域，具体涉及采用干法刻蚀技术在二氧化硅/聚合物混合波导两侧刻蚀空气隔离槽以制备低功耗聚合物热光开关的方法。 

背景技术

采用光纤作为传输媒介的光通信技术日渐成为满足当前飞速增长的通讯和数据传输的重要手段。与传统通信系统相比，光纤通信系统具有频带宽、传输容量大、传输损耗小、误码率低和抗电磁干扰能力强等优势。特别是波分复用技术（WDM）在光网络中的应用，有效地实现了光传输网络的扩容。但是目前大部分网络设备仍然是基于电信号进行信息传输，也就是说光信号必须被转换为电信号，才能被放大、再生、进行开关转换等，然后再转换为光信号进行传输。而光-电-光转换已经成为信息高速传输的瓶颈。在此背景下，全光网络应运而生。全光网络的基本思想就是采用光网络开关置换现存的电网络开关，从而省略光-电-光转换的步骤。光开关与光开关阵列在WDM光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等功能，是光插分复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）的核心技术之一。 

光开关的种类繁多，基于其工作时利用的物理效应进行分类，可以分为热光开关、电光开关、磁光开关和声光开关等。在不要求高开关速度的应用领域中（如μs量级的开关速度即可满足需要），热光开关凭借其驱动功率低和长期稳定性好等优点，受到了广泛的关注，并在近些年取得了较大进展。热光开关通常采用的波导结构有马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型、多模干涉型、定向耦合型以及数字型等。 

制备热光开关的材料主要包括硅/二氧化硅（SOI）和聚合物两种体系。由于SOI型热光开关的材料体系的热光系数相对较小，因此制备出的器件驱动功率较大。聚合物材料的热光系数相对较大，而且具有种类多、成本低、加工工艺简单等优点，成为制备热光开关器件的理想材料之一。此外，由于聚合物具有可剪裁性，所以采用聚合物材料制备的热光开关器件不仅驱动功率较小，而且器件的尺寸能够得到有效控制。聚合物热光开关的研究和技术日渐深入和成熟。 

由于光通信系统需要大量的热光开关单元，所以如何降低单个热光开关的功耗就成为研究重点。随着三网融合等概念的提出，全光网络的发展得到了进一步的推进。在此背景下，聚合物热光开关的驱动功率亟待降低。 

目前，降低聚合物热光开关功耗的方法主要有以下三种： 

1、采用热传导系数较低的聚合物材料体系制备波导。这样能够更好地将加热功率限制在波导有效区域中，降低驱动功率。但是目前用于制备热光开关的聚合物材料体系已经相对成熟，继续寻求新的满足热光开关性能的聚合物材料比较困难。 

2、增加波导加热区域的长度。如将波导弯曲盘旋成直径为130μm的螺旋圈，这样能够更有效地利用加热功率。但是这种方法使得器件尺寸大大增加，而且导致光传输中弯曲损耗和串扰增加。 

3、通过改善热光开关器件的结构和尺寸使得微电极对芯层的加热更有效。如减小微加热电极的宽度，使得电极在波导上方的较小区域工作，这样可以减小热量在波导两侧包层中的散失，从而提高加热效率。但是电极宽度很难有较大的缩减，因此这种方法发展空间较小。 

本发明正是为了解决上述问题而提出的。 

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服背景技术的不足，寻找一种简便高效的方法降低聚合物热光开关的驱动功率。本发明阐述的方法不需要寻找新的聚合物材料体系，同时避免增加器件的尺寸和损耗、串扰等，更不需要重新对波导的结构和尺寸进行复杂的设计，只需在聚合物热光开关已经制备完成的基础上经过干法刻蚀得到一种带有空气隔离槽结构的新型器件，可有效地降低聚合物热光开关的功耗。 

本发明采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型波导结构制备热光开关，其工作原理是当M-Z波导一臂的温度变化时，其有效折射率发生变化，从而使该臂光束的光相位发生变化，然后通过两臂光束耦合并干涉转变成光振幅的变化，最终实现光开关功能。如图7所示，为马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型波导结构示意图，由光信号输入区（701）、3-dB分束器（702）、波导互作用区（703）、3-dB耦合器（704）和光信号输出区（705）五部分构成。 

本发明所述的具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关其器件结构如附图2。以单晶硅片为衬底（1），在衬底上沉积一层二氧化硅作为波导下包层（2），在波导下包层（2）上涂覆紫外固化型光刻胶SU-82005作为芯层（3）材料，旋涂聚合物材料P（MMA-GMA）作为上包层（4）；在上包层材料上蒸发铝膜制备微加热电极（5），最后以M-Z波导互作用区的金属铝微加热电极（5）作为掩膜，采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术将微电极两侧的上包层聚合物除去，得到带有空气隔离槽结构的聚合物热光开关器件。因为空气的热传导系数比聚合物材料小一个数量级，所以采用空气隔离槽取代波导两侧的聚合物可以提高微电极的加热效率，从而使制备的热光开关的功耗得以降低。 

本发明使用的芯层（3）材料为环氧基紫外光刻胶SU-82005（MicroChem Corporation），其分子结构式如（Ⅰ）所示。该材料在微加工、微电子领域有着广泛的应用；较大的热光系数、较高的折射率、良好的热稳定性、高透明性等特性使得该材料兼具波导芯层材料和光刻胶的优势，成为制备光波导器件的优良材料。相比于其他非光刻胶类聚合物材料，SU-82005紫外光刻胶大大缩减了制备波导的半导体工艺，降低了器件制备难度，节省了时间和成本。 

本发明所使用的包层材料是聚甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸环氧丙酯的共聚物P（MMA-GMA）（关于材料的制备方法和性能表征已于2006年3月发表在《高等学校化学学报》上，“可交联聚甲基丙烯酸甲酯的合成、表征及在阵列式波导光栅中的应用”），该材料具有透明性高、成膜性好、价格低廉和易于合成等优点。其分子结构式如（Ⅱ）所示。（Ⅲ）为折射率调节剂分子式，在（Ⅱ）中加入折射率调节剂（Ⅲ），通过调整（Ⅱ）与（Ⅲ）的质量比，控制包层材料的折射率在1.48～1.51之间，使波导能够支持单模传输。 

本发明所述的具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关的制备方法，参见图3，其具体步骤如下： 

1、选择衬底和下包层 

选用硅片作为衬底（1），在其上沉积2～5微米SiO₂作为下包层（2），然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水进行清洗； 

2、制备波导芯层 

是将经过稀释（84wt%光刻胶SU-82005，16wt%专用稀释液，混合搅拌12～24小时）作为芯层的SU-82005光刻胶滴在SiO₂下包层（2）上，在2000～3000转/分的转速下旋涂成膜，旋涂的时间为20～40秒；然后采用阶梯升温的方法进行前烘固化，阶梯升温的方法是首先升温至65～70℃，烘10～15分钟；然后升温至90～95℃，烘15～20分钟；得到的芯层材料的厚度为3～5微米； 

然后将与热光开关波导图形结构互补的铬掩膜板（6）（可以为矩形或正方形，尺寸范围是2.5～4.0英寸，参数如图1所示）放置在芯层材料上，用365～400纳米紫外光进行照射，曝光时间为6～8秒，通过曝光把热光开关的波导图形转移到芯层上；然后去除铬掩膜板（6），通过中烘使曝光部分的SU-82005光刻胶交联固化，中烘条件为65～70℃，10～15分钟；95～100℃，15～20分钟；再在室温下使用SU-82005专用显影液对中烘后的芯层进行显影，显影时间为20～40秒，之后将衬底反复浸入到异丙醇溶液中进行冲洗，去除未交联固化的SU-82005光刻胶；再用去离子水冲洗，用洗耳球吹干，最后置于150～160℃的条件下后烘10～20分钟，从而在SiO₂下包层（2）上得到马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型波导结构的芯层（3）； 

3、制备波导上包层 

将P（MMA-GMA）上包层材料滴在下包层（2）和芯层（3）上，在2000～3000转/分的转速下旋涂成膜，旋涂的时间为20～40秒；最后在120～130℃的条件下固化2～3小时，得到的上包层（4）的厚度为3～6微米； 

4、制备电极 

在上包层（4）上用蒸发的方法蒸镀一层400～800纳米厚的铝膜，然后将紫外正性光刻胶（7）（北京化学试剂厂，BP-212型）滴在铝膜上，在2000～3000转/分的转速下旋涂成膜，旋涂的时间为20～40秒；最后在85～90℃的条件下固化20～25分钟； 

将与热光开关电极图形相同的铬掩膜板（8）（可以为矩形或正方形，尺寸范围是2.5～4.0英寸，其参数如图1所示）放置在光刻胶（7）上，精确对版（在显微镜下使电极位置与波导位置相对应）后用365～400纳米紫外光进行照射，曝光时间为6～8秒，通过曝光把热光开关的电极图形转移到光刻胶（7）上；然后去除铬掩膜板（8），采用5wt‰～7wt‰的NaOH溶液显影30～60秒，曝光的光刻胶（7）及其下面的铝膜被除去，用去离子水冲洗并用洗耳球吹干； 

用365～400纳米紫外光照射显影2后的样片，曝光时间为10～20秒；然后将样片浸入到光刻胶（7）的专用显影液中10～20秒，将铝膜上覆盖的光刻胶去除，使铝膜裸露出来，得到铝加热电极（5）。 

5、刻蚀空气隔离槽 

以铝加热电极（5）为掩膜，将没有被铝电极覆盖的聚合物上包层（4）通过ICP（感应耦合等离子）刻蚀技术刻蚀掉，露出SiO₂下包层（2）；铝电极在氧气气氛中进行ICP刻蚀时，铝会与氧发生反应，在铝膜表面形成一层氧化铝，阻挡住氧与其下面的包层聚合物反应，没有铝电极覆盖的部分继续与氧反应而被刻蚀掉，因此铝电极对包层聚合物起到很好的掩膜作用。感应耦合等离子体刻蚀的源功率为300～350瓦，偏置功率为20～50瓦，刻蚀时间为3～5分钟。刻蚀后得到如附图2右图所示的空气隔离槽结构低功耗聚合物热光开关。 

由于空气的导热系数为0.024W/m＊K，P（MMA-GMA）的导热系数为0.19W/m＊K，即空气的导热系数比P（MMA-GMA）小了一个数量级，因此在波导两侧刻蚀空气隔离槽，也就是将微电极两侧的P（MMA-GMA）材料替换成空气，就可以减小热量扩散损失，使热场分布更有效地集中在波导芯层。对刻蚀空气隔离槽前后热光开关的横截面进行热场分布的模拟和计算，结果显示刻蚀空气隔离槽之前，波导芯区热通量占比（即芯区热通量与所示整个横截面区域总热通量的比值）为2.75%，刻蚀空气隔离槽之后波导芯区热通量占比为3.86%，提高了40.4%。从模拟得到的热场分布图中可以清晰地看到空气隔离槽结构隔离了M-Z臂之间的热传输。当系统的传热达到稳态时，空气隔离槽结构加热效率更高，从而降低了热光开关的功耗。 

对刻蚀空气隔离槽前后波导结构的横截面进行光场分布的模拟和计算，结果显示刻蚀空气隔离槽之前，波导芯区光功率占比（即芯区光功率与所示整个横截面区域总光功率的比值）为73.9%；刻蚀空气隔离槽之后波导芯区光功率占比为75.4%，提高了2%。从模拟得到的光场分布图可以看出，空气隔离槽结构减小了铝电极外侧的包层中光场的分布，减小插入损耗，同时可以避免M-Z臂之间的光耦合，减小串扰，增大消光比。 

对刻蚀空气隔离槽前后的热光开关进行功耗的测试。结果显示刻蚀空气隔离槽之前，热光开关的功耗为11.6mW；刻蚀空气隔离槽之后，器件的功耗为6.4mW，相比于刻蚀空气槽之前降低了45%。 

本发明避免了重新设计波导与电极的结构和尺寸，只需采用干法刻蚀技术对器件进行一步刻蚀操作，即可有效地降低器件的功耗。可采用传统的光刻技术和感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀技术来实现工艺。制备的热光开关的功耗可以降至6.5mW，相比于未采用空气隔离槽结构的器件降低了45%。器件的功耗性能参数相比于无机器件和其他结构的有机器件具有很大优势，而且具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关的成本远低于无机器件和其他结构的有机热光开关器件。 

本发明的具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关及其制备方法不仅具有 能够有效降低热光开关的驱动功率的优点，而且器件成本低廉，制备工艺简单，无需复杂设计，成品率高，适合广泛采用。本发明的方法适合于批量生产的可实际应用的聚合物热光开关等器件。 

附图说明

图1：空气隔离槽结构低功耗聚合物热光开关的平面结构示意图； 

图2：沿空气隔离槽处横截面结构示意图（左图：刻蚀前；右图：刻蚀后）； 

图3：制备空气隔离槽结构低功耗聚合物热光开关的工艺流程图； 

图4：刻蚀空气隔离槽结构前后的热场分布模拟结果（左图：刻蚀前；右图：刻蚀后）； 

图5：刻蚀空气隔离槽结构前后的波导光场分布模拟结果（左图：刻蚀前；右图：刻蚀后）； 

图6：刻蚀空气隔离槽结构前后的热光开关驱动功率的测试结果； 

图7：马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型波导结构示意图。 

如图1和图2所示，本发明所述的具有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关从下至上依次由衬底（1）、SiO₂下包层（2）、波导芯层（3）、波导上包层（4）和微加热电极（5）五部分构成，波导芯层（3）采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型结构，由光信号输入区（101）、3-dB Y分支分束器（102）、波导互作用区（103）、3-dB Y分支耦合器（104）和光信号输出区（105）组成，微加热电极（5）位于波导互作用区（103）的波导臂上，其特征在于：波导互作用区（103）的波导包层（4）以微加热电极（5）为掩膜被刻蚀成空气隔离槽（9）结构。 

进一步地，波导的光信号输入区（101）、光信号输出区（105）的长度L₁和L₅均为1.5厘米，3-dB Y分支分束器（102）和3-dB Y分支耦合器（104）的长度L₂和L₄均为1500微米，波导互作用区（103）的长度L₃为1.5厘米，波导宽度（包括光信号输入区、每个Y分支及光信号输出区）W₁为3微米，M-Z两臂间距W₂为50微米；直流电信号通过微加热电极（5）施加在波导臂上，电极的有效区长度L₆为1.43厘米，有效区宽度W₃为8微米，电极接触区长度L₇为800微米，接触区宽度W₄为400微米。空气隔离槽宽度W₅为1厘米。 

图4所示为刻蚀空气隔离槽结构前后的热场分布模拟结果。左图为未刻蚀空气隔离槽结构时的热场模拟结果，波导芯区热通量占比为2.75%；右图为刻蚀空气隔离槽结构之后的热场模拟结果，波导芯区热通量占比为3.86%。 

图5所示为刻蚀空气隔离槽结构前后的波导横截面的光场分布模拟结果。左图为 未刻蚀空气隔离槽结构时的光场模拟结果，波导芯区光功率占比为73.9%；右图为刻蚀空气隔离槽结构之后的光场模拟结果，波导芯区光功率占比为75.4%。 

附图6所示为刻蚀空气隔离槽结构前后的热光开关驱动功率的测试结果。其中虚线为刻蚀空气隔离槽之前器件的测试结果，可知其驱动功率为11.6mW；实线为刻蚀空气隔离槽之后器件的测试结果，可以得到其驱动功率为6.4mW。 

如图7所示，为马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型波导结构示意图，由光信号输入区（701）、3-dB分束器（702）、波导互作用区（703）、3-dB耦合器（704）和光信号输出区（705）五部分构成。 

具体实施方式

实施例1、刻蚀空气隔离槽结构制备低功耗聚合物热光开关 

制备芯层（3）材料：制备过程在钠黄光环境下进行。将4.2克SU-82005滴入称量瓶中，再将0.8克SU-82005专用稀释液滴入同一称量瓶中，加塞防止挥发。磁力搅拌12小时，使SU-82005和其稀释液混合均匀。 

制备上包层（4）材料：向安装有搅拌器、回流冷凝管和氮气保护装置的500毫升四口瓶中加入50克甲基丙烯酸甲酯、7克甲基丙烯酸环氧丙酯、0.1克偶氮二异丁腈和150毫升乙酸丁酯，在75℃水浴中加热反应4小时，再经乙酸丁酯稀释后用孔径为1微米的四氟乙烯孔膜进行过滤，然后减压蒸馏，得到质量分数为20%的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸环氧丙酯的共聚物（如Ⅱ所示）溶液。向此溶液中添加折射率调节剂（如Ⅲ所示）得到上包层材料，当引入基团的质量分数达到16%时，经测试共聚物在1550纳米处的折射率为1.495。 

如图3所示，制备二氧化硅/聚合物混合波导：将制备的芯层（3）材料滴在经过沉积SiO₂下包层（2）的衬底硅片（1）上，以3000转/分钟的转速旋转衬底，旋转时间为20秒。然后进行阶梯升温前烘固化，阶梯升温条件为65℃，10分钟；90℃，15分钟，得到芯层（3）薄膜的厚度为3微米。将带有与热光开关波导图形互补的四英寸正方形铬掩膜板（6）放置在芯层光刻胶（3）上，用365纳米紫外光进行照射，曝光时间为7秒。接着通过中烘使曝光部分SU-82005交联固化，中烘条件为65℃，10分钟；95℃，15分钟。在室温下使用SU-82005专用显影液对中烘后的样品进行显影，显影时间为30秒，之后反复浸入异丙醇溶液中进行冲洗，再用去离子水冲洗样片将未曝光的光刻胶去掉，用洗耳球吹干样片。将样片置于150℃的条件下后烘10分钟，制备得到马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型结构的波导芯层（3）。将制备的P（MMA-GMA）上包层（4）滴在样片上，以3000转/分钟的转速旋转衬底，旋转时间为20秒，在120℃的条件下固化2小时，得到上包层薄膜的厚度为3微米。 

制备微加热电极：在上包层（4）上用蒸发的方法蒸镀一层400纳米厚的铝膜（5）。将BP-212光刻胶（7）滴在铝膜（5）上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂时间为20秒，在85℃的条件下固化20分钟。将带有热光开关电极图形的四英寸正方形铬掩膜板（8）放置在BP-212光刻胶上，在显微镜下使电极位置与波导位置相对应，调整完毕后用365纳米紫外光进行照射，曝光时间为7秒。然后采用5wt‰的NaOH溶液显影50秒，除去曝光部分的BP-212光刻胶及其下方的铝掩膜。用去离子水冲洗并用洗耳球吹干。将显影2后的样片置于光刻机上，用365纳米紫外光直接进行照射，曝光时间为10秒。然后将样片浸入BP-212光刻胶的专用显影液中10秒，将铝电极上覆盖的光刻胶去除，使铝电极裸露出来。 

感应耦合等离子体刻蚀空气隔离槽：将制备完成波导和电极的样品放置于感应耦合等离子体刻蚀机（ULVAC，CE-300I型）中，在氧气条件下进行感应耦合等离子体刻蚀，此时以M-Z波导互作用区的铝电极（5）为掩膜，将该区域中没有铝电极覆盖的聚合物包层刻蚀掉，露出SiO₂下包层（2），得到带有空气隔离槽结构的低功耗聚合物热光开关器件。感应耦合等离子体刻蚀的源功率为300瓦，偏置功率为50瓦，刻蚀时间为3分钟。