[發(fā)明專利]基于二氧化硅/聚合物混合波導的跑道型微環(huán)光開關及其制備方法

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• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114296177A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設計）人: 尹悅鑫;李悅;姚夢可;許馨如;丁穎智;呂昕雨;張大明
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B6/10
• 分類號: G02B6/10;G02B6/35;G02F1/01
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

1.一種基于二氧化硅/聚合物混合波導的跑道型微環(huán)光開關，其特征在于：從下至上由Si襯底(1)、SiO₂下包層(2)、聚合物芯層(3)、聚合物上包層(4)和金屬電極(5)組成；聚合物芯層(3)被包覆在聚合物上包層(4)之中，由微環(huán)諧振部分(100)和耦合部分組成，金屬電極(5)位于第一直波導(102)的正上方，聚合物芯層(3)的折射率大于聚合物上包層(4)的折射率；微環(huán)諧振部分(100)由第一彎曲波導(101)、第一直波導(102)、第二彎曲波導(103)和第二直波導(104)順次連接組成，構(gòu)成跑道型結(jié)構(gòu)；耦合部分由輸入直波導(201)、第三直波導(202)和輸出直波導(203)組成，第二直波導(104)和第三直波導(202)構(gòu)成定向耦合器(200)；寬譜光源輸出的光信號耦合進入輸入直波導(201)，經(jīng)過定向耦合器(200)的耦合作用分成兩束光，一部分耦合進入第二直波導(104)，從而進入微環(huán)諧振部分(100)，另一部分從輸出直波導(203)直接輸出；金屬電極(5)上不施加調(diào)制電壓時，耦合進入微環(huán)諧振部分(100)的光，其中滿足微環(huán)諧振條件的波長的光，即在微環(huán)諧振部分(100)傳輸一周相位的改變?yōu)?π的整數(shù)倍的波長的光將在環(huán)中傳輸，不再通過定向耦合器(200)耦合進入第三直波導(202)；而不滿足微環(huán)諧振條件的波長的光，將通過定向耦合器(200)耦合進入第三直波導(202)，從輸出直波導(203)中輸出；此時在輸出直波導(203)中探測到的光強弱，為微環(huán)光開關的關狀態(tài)；金屬電極(5)上施加調(diào)制電壓時，之前滿足諧振條件的波長的光不再滿足諧振條件，而通過定向耦合器(200)耦合進入第三直波導(202)，在輸出直波導(203)中探測到的光強強，為開關的開狀態(tài)。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于二氧化硅/聚合物混合波導的跑道型微環(huán)光開關，其特征在于：聚合物上包層材料為聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad，聚合物芯層材料為具有負熱光系數(shù)的聚合物材料SU-8 2002、SU-82005或EpoCore，金屬調(diào)制電極的材料為金、銀、鋁中的一種或者多種組成的合金。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于二氧化硅/聚合物混合波導的跑道型微環(huán)光開關，其特征在于：SiO₂下包層(2)的厚度為12～18μm；聚合物芯層(3)的厚度為2～5μm，寬度為2～5μm；聚合物芯層(3)之上的聚合物上包層(4)的厚度為2～7μm；金屬電極(5)的厚度為50～400nm。

4.如權(quán)利要求3所述的一種基于二氧化硅/聚合物混合波導的跑道型微環(huán)光開關，其特征在于：SiO₂下包層(2)的厚度為15μm；聚合物芯層(3)的厚度為3m，寬度為3μm；聚合物芯層(3)之上的聚合物上包層(4)的厚度為4μm；金屬電極(5)的長度為1765μm，寬度為20μm，厚度為100nm；第一彎曲波導(101)和第二彎曲波導(103)的彎曲半徑為120μm，第一彎曲波導(101)和第二彎曲波導(103)為半圓形結(jié)構(gòu)；第二直波導(104)和第三直波導(202)之間的間距為2.5μm；定向耦合器長度為1765μm，即第一直波導(102)、第二直波導(104)和第三直波導(202)長度均為1765μm。

5.權(quán)利要求1～4任何一項所述的一種基于聚合物/二氧化硅混合波導的跑道型微環(huán)熱光開關的制備方法，其步驟如下：

1)在硅晶圓襯底上，通過熱氧化法生長一層致密的二氧化硅下包層；

2)使用真空勻膠機在二氧化硅下包層上旋涂聚合物芯層薄膜，前烘處理后自然降溫固化；

3)通過紫外光刻、顯影、后烘，將掩模版Ⅰ上與需要制備的聚合物芯層波導結(jié)構(gòu)相同或互補的圖形轉(zhuǎn)移到聚合物芯層薄膜上，形成聚合物芯層波導結(jié)構(gòu)；

4)使用真空勻膠機在二氧化硅下包層和聚合物芯層上旋涂聚合物上包層材料，烘烤處理后自然降溫固化；

5)在聚合物上包層上蒸鍍金屬薄膜；

6)使用真空勻膠機在金屬薄膜上旋涂一層光刻膠層，前烘處理后自然降溫固化；

7)通過紫外光刻、顯影、后烘，將光刻板Ⅱ上與需要制備的金屬電極結(jié)構(gòu)相同或互補的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到光刻膠層上，顯影后堅膜，自然降溫；

8)用與金屬對應的腐蝕液腐蝕金屬電極結(jié)構(gòu)之外的金屬，得到金屬電極，最后除去金屬上剩余的光刻膠層，從而制備得到基于聚合物/二氧化硅混合波導的跑道型微環(huán)熱光開關。