一种有机/无机杂化材料波导型热光开关器件及其制备方法

摘要

本发明属于光子学材料技术领域，具体涉及一种有机/无机杂化材料波导型热光开关器件及其制备方法。它通过溶胶－凝胶技术，在硅片上制备热光开关器件，通过加载电压信号，控制光在不同路径中的切换。本发明采用的有机/无机杂化材料兼有无机材料稳定性好、损耗低和制备工艺成熟的优点和有机聚合物材料制膜方便、成本低的优点；经过选择有机和无机材料的比例，可以方便地控制材料的折射率。本发明可作为光通信系统中的保护开关使用，也可用于系统监视，及在光通信系统中作为交叉连接器、光分插复用器等，完成光信号交换、路由、上下载等功能。

说明书

技术领域

本发明属于光子学材料技术领域，具体涉及一种有机/无机杂化材料波导热光开关器件及其制备方法。

背景技术

互联网和多媒体通信的快速、全球化发展加快了光通信网络的增长速度。密集波分复用技术(DWDM)的发展以及光纤到户(FTTH)的设想和实施进一步增大了光通信网络的服务容量和灵活性。已有部分相关产品进入商用通信系统。平面光波回路(Planar Lightwave Circuits，简称PLC)具有可大规模集成、有长时间的稳定性、可大批量生产的特点，它使用可与现有光纤很好匹配的二氧化硅基质平面光波导，在光通信网络中能提供各种重要的、实用化的器件。这包括用于DWDM传输系统的N×N复用/解复用器，光分插复用器和交叉连接开关，以及多波长光源等。一些PLC器件，包括光功率分束器，波导列阵光栅和热光开关等已有商品供应。

光开关在现代光通信系统中起着很重要的作用，它除了传统意义上的光信号的通断和使光信号从一条光路转到另一条光路外，还有许多其它用途，并可和许多其它的光网络元件相集成，进一步扩展其应用范围。一个典型的用途是自动保护开关，通常用于光纤损坏或连接中断时的恢复；它也可以用于系统监视，或作为光分插复用器件用于光信号的上行或下载；更重要的是N×N矩阵型光开关可在DWDM系统中起到交换、路由和交叉连接的作用。1999年光开关市场为一千万美元，并会急剧扩大，预计北美洲的市场份额将从2000年的4.278亿美元增加到2004年的103亿美元。

目前制造光开关的方法有很多，除传统的机械开关外，尤以MEMS技术(Micro-electro-mechanical system)最为领先，但这项技术也有很多竞争对手，如热光开关、液晶开关和衰减全内反射开关等。热光开关利用材料的热光效应，通常通过给覆盖于光波导上的薄膜加热器提供电压来改变材料的折射率，从而改变不同路径光信号的强弱，来达到开关的目的。热光开关的速度为毫秒量级，完全可以满足作为WDM系统中的光分插复用器件和光交叉连接器件的要求。利用平面光波回路技术制备的二氧化硅基质热光开关，有很多优点，如集成度高、插入损耗低、开关对比度(消光比)好，特别是不限制传输信号的形式，开关性能几乎不受信号的偏振态影响，以及具有长期稳定性和成本低、可大批量生产等，成为目前人们关心的重点。同时，由于聚合物材料和二氧化硅材料相比具有更高的热光系数，加上聚合物材料的制膜的方便性和便宜等特点，对于聚合物热光开关的研究也已开始，并正在深入。美国的多家著名的光通信器件制造公司，如美国Lucent公司Bell实验室，Photonic IntegrationReseach公司，JDS Uniphase公司等，和日本的NTT研究所，还有英国、意大利、瑞士、南朝鲜等国都投入力量致力于热光器件的研制，包括新型热光开关的设计，热光开关性能的优化，并将热光开关和其它器件集成在DWDM中完成光分插复用和光交叉连接等功能。目前已有二氧化硅基质和聚合物材料热光开关的商品出售。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能耗低、响应快、制作简单、成本低、热稳定性好的有机/无机杂化材料波导型热光开关器件及其制备方法。

本发明提出的波导型热光开关器件，由衬底、下覆盖层、波导层、上覆盖层和电极构成，其中，衬底是整个开关器件的支撑体，下覆盖层直接制作在衬底上，其上为上覆盖层，上覆盖层中有掩埋型条形波导，在上覆盖层上镀制有加热电极，加热电极位于条形波导上方，由金属线将电极引出；波导层、上覆盖层、下覆盖层由有机/无机杂化材料构成。

本发明中，热光开关可以为干涉型或数字型(DOS)热光开关结构。其中，干涉型热光开关由2个3dB方向耦合器和1个Mach-Zehnder干涉器组成，结构如图2所示。数字型热光开关结构为Y型或X型。

本发明中，用于制作波导层和上、下覆盖层的有机/无机杂化材料为聚合物/二氧化硅玻璃。该材料中的聚合物和二氧化硅玻璃网络之间由Si-C链相连。

上述有机/无机杂化材料可采用如下两种前体材料经溶胶-凝胶工艺合成：前体材料I同时包含有机和无机成份，具体为含有可聚合有机基团的烷氧基硅烷，分子结构为R’Si(OR)₃，其中，R＝C_nH_2n+1，n＝1，2，3，R’为可聚合有机基团，如甲基丙烯酸丙脂基；前体材料II用于调节折射率，具体可为金属醇盐，如Zr、Ge、Ti的醇盐，其分子结构为M(OR)₄，其中，R＝C_nH_2n+1，n＝1，2，3，M为金属，如Zr、Ge、或Ti等。前体材料I和前体材料II的用量比例按Si/M摩尔比为1∶0-1∶1计算。其中，波导层和覆盖层所采用的前体材料I和前体材料II的比例不同，一般而言，波导层中前体材料II/前体材料I的比例高于覆盖层中的比例，以便使波导层的折射率高于覆盖层。上、下覆盖层所用前体材料II和前体材料I的比例可以相同，也可以不同。

本发明的原理为：

波导层和上、下覆盖层均为由溶胶-凝胶技术制备的有机/无机杂化材料，对于2×2干涉型热光开关，其结构为2个3dB方向耦合器和1个Mach-Zehnder干涉器组成，利用有机/无机杂化材料的热光效应，通过给覆盖在Mach-Zehnder干涉结构上的薄膜加热器提供电压产生温度的变化，来改变材料的折射率，从而改变两臂光传输的位相差，相干涉后引起信号在两个出射端口强度的变化，达到开关的目的。

本发明还提出了上述有机/无机杂化材料波导型热光开关器件的制备方法。该方法利用有机/无机杂化材料在光照下有机端发生聚合，使材料致密化，可直接光照显影来完成光刻，不需再涂敷光刻胶。具体步骤如下：

1、波导层和上、下覆盖层材料的制备

采用溶胶-凝胶技术，将前体材料I-含有可聚合有机基团，分子结构为R’Si(OR)₃的烷氧基硅烷和前体材料II-分子结构为M(OR)₄的金属醇盐，按Si/M为1∶0-1∶1摩尔比的用量混合，经水解聚合形成波导层和覆盖层材料，R、R’、M的含义同前；其波导层中的前体材料II/前体材料I的比例高于覆盖层中的比例，上、下覆盖层中的前体材料II和前体材料I的比例可以相同，也可以不同。

在此过程中，混合材料还可加入光引发剂。

2、波导型热光开关器件的制备

选用经严格清洗的衬底材料，采用甩膜或提拉的方法，在衬底上制作下覆盖层薄膜，厚度为1-20μm，下覆盖层用紫外光照射，并加热，加热温度为100-200℃，使之固化；采用甩膜或提拉的方法制备光波导层薄膜；将波导开关图形光刻模版覆盖在波导层薄膜上，用紫外光照射，使光刻模版透光部分下的波导层薄膜聚合，然后显影，聚合部分保留，未照到光的部分显影后洗去，即得具有开关图形的条形波导，波导层尺寸为4×4μm-8×8μm，波导为单模；采用甩膜或提拉的方法制备上覆盖层，厚度为1-20μm，通过紫外光照射，加热固化。

3、加热电极的制备

采用溅射、真空蒸发等方法镀金属薄膜(如Cr，Au，Ti等)，通过标准光刻方法光刻出电极图形，作为加热电极；波导片两端抛光或将半导体材料解理，和光纤对接封装；电极封装，即完成波导开关的制备。

本发明中，衬底选用光学抛光材料，如石英片，玻璃片，半导体基片等。

本发明中，使用的光引发剂为酮类有机物，如1-羟基-环己基-苯基酮。

本发明中，使用的紫外光照采用汞灯，功率为250-350W，曝光时间为30-60秒。显影时间为40-60秒。

本发明可获得低能耗、快响应和好的热稳定性、制作方法简单、成本低的光开关器件。所采用的无机材料稳定性好、损耗低，有机材料制膜方便、成本低。无机材料和有机材料经过合适的配比，不仅可以方便的控制材料的折射率，而且简化了光刻工艺。

附图说明

图1为波导结构。

图2为2×2 Mach-Zehnder型热光开关示意图。

图3为溶液的配置流程图，其中阴影部分表示避光。

图4为热光开关的制作过程。其中(a)制作下覆盖层；(b)紫外光照；(c)制作波导层；(d)加模板紫外光照；(e)显影；(f)制作上覆盖层；(g)制作电极。

图5为光强随薄膜加热器所加电压变化图(其中圆点代表平行输出端，方块代表交叉输出端)。

图6为开关响应时间的测量。从上至下分别为所加电压信号，交叉输出端和平行输出端的响应曲线。注意：为了清楚起见，在上下方向对3条曲线进行了平移处理。

图中标号：1为衬底，2为下覆盖层，3为波导层，4为上覆盖层，5为光输入端，6、7为加热电极，8为平行输出端，9为交叉输出端，10为平面波导，11为光刻模板。

具体实施方式

下面通过实例进一步描述本发明。

所制备的为一种有机/无机杂化材料2×2 Mach-Zehnder波导型热光开关，它由2个3dB方向耦合器和1个Mach-Zehnder干涉器组成，开关结构如图2所示。光从输入端进入开关，通过给覆盖在Mach-Zehnder干涉结构上的薄膜加热器提供电压产生温度的变化，来改变材料的折射率，从而改变两臂光传输的位相差，相干涉后引起信号在两个出射端口输出的变化，即从平行输出端或交叉输出端输出，达到开关的目的。

具体制备步骤如下：

1、波导层和上、下覆盖层材料的制备

所用的前体材料I为甲基丙烯酸丙脂基三甲氧基硅烷(methacryloxypropyltrimethoxysilane，简写为MAPTMS)，前体材料II为锆酸丙脂(zirconium-n-propoxide)。首先将MAPTMS与0.05M的盐酸(HCl)混合搅拌，使MAPTMS与H₂O的比例达到1∶0.75摩尔比，并搅拌70分钟，使MAPTMS在酸性条件下水解。另外在避光条件下，将zirconium(IV)propoxide的丙醇溶液(70％重量比含量)，与等体积的丙醇混合，再加入甲基丙烯酸(MAA)，使Zr⁴⁺与MAA的摩尔比为1∶1，搅拌50分钟。再把先前水解的MAPTMS溶液加入，搅拌1小时。对于波导层和上、下覆盖层的溶液，MAPTMS与Zr⁴⁺的摩尔比分别选择为5∶2和4∶1。再加入0.05M的HCl，使Si⁴⁺/Zr⁴⁺与水的摩尔比达到1∶1.5，搅拌30分钟。此时按5％重量百分比加入光引发剂IRGACURE^184(Ciba公司)，再以体积比2∶1的比例加入正丙醇用以稀释溶液，搅拌6小时后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再静置、老化24小时备用。溶液配置流程图见图3。

2、波导型热光开关器件的制备

使用经严格清洗的硅片，先制备一层低折射率的有机/无机复合材料，作为下覆盖层，使用上面配制的MAPTMS与Zr⁴⁺摩尔比为4∶1的溶液，下覆盖层厚度约6μm，先在100℃预烘30min，用汞灯光照90min，再在120℃下后烘120min。然后在下覆盖层上制备波导层，波导层使用MAPTMS与Zr⁴⁺的摩尔比为5∶2的溶液，波导层的折射率略高于下覆盖层，用于光信号的传输。用提拉法制备了平面光波导以后，用直接光刻的方法来制备条形波导结构及开关图形，在平面光波导上面直接放上掩模板后光照，使用的汞灯功率为329W，曝光时间为40秒，光照后的样品用有机溶剂丙酮直接显影50秒，就可以得到条形波导及所需的开关图形。波导尺寸为4×6.5μm，单模。制备好波导层后，在波导表面加低折射率的上覆盖层，上覆盖层的折射率和下覆盖层相同，制备方法也相同。上覆盖层厚度为6μm。制备过程见图4，制成的波导结构见图1。

3、加热电极的制备

加热电极的制备采用真空蒸发。用铝和镍铬合金共蒸而形成的金属薄膜作为电极，电极形状的制备采用光刻法。先在波导热光开关器件上蒸镀金属膜，再在金属膜上涂敷光刻胶，通过标准的光刻方法(涂胶—前烘—曝光—显影—后烘—腐蚀—去胶)得到金属电极的图形，电极宽约50μm。用金属线和导电胶将电极引出。电极结构参见图2。

对上述的波导型热光开关的测试结果为：

1、开关的功耗和对比度的测量

采用1.55μm半导体激光器，分别测量平行输出端和交叉输出端输出光强随薄膜加热器上所加电压的变化。测量结果见图5，图中圆点和方块分别代表平行输出端和交叉输出端测得的输出光强随所加电压的变化关系。该2×2热光开关平行输出端和交叉输出端都经过开启和关断两个状态时所需的功率即为该热光开关的功耗。由此，可得到该开关的功耗为9.2mW。开关的对比度(也称消光比)即开关处于开启和关闭两个状态时输出光强的比值，一般以dB表示。我们可以从图5光强随薄膜加热器所加电压变化图中得到，平行输出端的消光比为18.1dB，交叉输出端的消光比为19.4dB。因此该开关对比度＞18dB。

2、开关响应时间的测量

开关的响应时间，即当改变薄膜加热器上所加的电压时，开关将从开启状态变为关闭状态，或从关闭状态变为开启状态，该状态变化所需的时间即为开关的响应时间。测量中，使用一方波发生器，在2×2热光开关Mach-Zehnder干涉臂上加电压，使其在开启和关闭两个状态之间连续变化，结果如图6所示。定义信号变化了90％所需的时间为开关的响应时间(即信号从最小值变为最大值的90％，或从最大值变到最大值的10％)。由此可以得到交叉输出端的开启时间为1.7ms，关闭时间为1.5ms，平行输出端的开启时间为1.5ms，关闭时间为1.7ms。因此该开关响应时间＜1.7ms。