CN101008692A - 一种用于平面光波导热光器件的微加热装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置，包含光传输通道、连接外部电源的两个接触点，两个接触点分别经连接臂与光传输通道相连，光传输通道为脊型光波导，由衬底和自下而上依次沉积在衬底上的隔离层、芯层、上包层和热电极薄膜组成，其中上包层、热电极薄膜和芯层的宽度相同，两个接触点及连接臂在高度方向上具有与光传输通道相同的层结构。其制备包括先采用光刻方法一次形成光传输通道、连接臂及接触点的图形，然后利用刻蚀方法形成微加热装置。本发明仅需单次光刻，避免套刻工艺，大大简化了制作工艺，而且热功耗降低，尤其适用于小型化平面光波导热光器件。

Description

一种用于平面光波导热光器件的微加热装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及平面光波导集成器件领域，特别是涉及一种用于平面光波导热光器件的微加热装置及其制备方法。
背景技术
利用热光效应是实现可调光器件的一种重要手段，如热光开关、热光调制器、可调谐光衰减器、可调谐功分器以及热光可调谐滤波器等。而要实现热光器件，加热装置是非常重要的。目前的加热装置包含光传输通道、金属热电极以及连接外部电源的两个接触点。光传输通道截面如图1所示，由衬底6和自下而上依次沉积在衬底上的隔离层7、芯层8、上包层9和金属热电极薄膜10组成，其中上包层9完全覆盖了芯层8。在上包层9上形成的金属热电极10的宽度通常大于光传输通道芯层8宽度。
这种加热装置的制作需要经过两次光刻，通常是先完成衬底6上的隔离层7、芯层8、上包层9的制作，这需要第一次光刻。接下来再沉积热电极薄膜并进行第二次光刻以及刻蚀，形成所需要的热电极。这样也就需要分别用于光波导和热电极的两个掩膜板，不仅增加了工艺复杂度，也增加了制作成本，而且两次光刻(套刻)要有比较精确的对准。
另一方面，低功耗也是加热装置追求的一个极其重要的指标。为了降低热功耗，往往希望采用较小的热电极宽度。这就给传统加热装置制作中的套刻对准带来了更大的难度。为了降低套刻工艺难度，往往采用较宽的热电极，一般是光波导宽度的数倍。这将对实现低功耗热光器件的发展产生一定的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种有利于降低热功耗，工艺简单的用于平面光波导热光器件的微加热装置及其制备方法。
本发明用于平面光波导热光器件的微加热装置，包含光传输通道、用于连接外部电源的两个接触点，光传输通道由衬底和自下而上依次沉积在衬底上的隔离层、芯层、上包层和热电极薄膜组成，两个接触点分别经连接臂与光传输通道相连，其特征是光传输通道为脊型光波导，上包层、热电极薄膜和芯层的宽度相同，两个接触点及连接臂在高度方向上具有与光传输通道相同的层结构。
为了减小连接臂引起的光传输通道中的光功率损耗，通常使连接臂与光传输通道垂直相连，且在光传输通道与两个连接臂相连之处的光传输通道的宽度展宽。
用于平面光波导热光器件的微加热装置的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上自下而上依次沉积隔离层、芯层、上包层和热电极薄膜；
2)利用光刻方法一次形成掩模板上设定的光传输通道、接触点及连接臂图形；
3)利用刻蚀方法，形成用于平面光波导热光器件的微加热装置。
本发明有益的效果是：
1.本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置，由于光传输通道为脊型光波导，光传输通道的上包层、热电极薄膜和芯层的宽度相同，因此在制作方法上，仅需一次光刻，避免套刻工艺，大大简化了制作工艺；且便于制作宽度较小的热电极(和光传输通道等宽)，有利于降低热功耗，尤其是对于小型化光波导热光器件优势更加突出。
2.光传输通道顶部的金属热电极也可作为刻蚀工艺中的金属掩膜，因此不需要制作额外的掩膜。
3.本发明具有广阔的应用范围，可用于由马赫-泽德干涉仪、微谐振环等构成的多种热光器件，包括热光开关、热光调制器、可调谐光衰减器、可调谐功分器以及热光可调谐滤波器等。且不受材料限制，可用于硅、高分子材料、二氧化硅等多种材料的光波导。
附图说明
图1是传统的光传输通道的截面图；
图2是本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置俯视图；
图3是本发明微加热装置中光传输通道的截面图(图2的BB’截面)；
图4是本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置三维视图；
图5是本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置应用于马赫-泽德干涉仪的实施例图。
具体实施方式
参照图2，本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置，包含光传输通道1、用于连接外部电源的两个接触点2、3，以及连接光传输通道与两个接触点的两个连接臂4、5。所说的光传输通道1(如图3所示)由衬底6和自下而上依次沉积在衬底上的隔离层7、芯层8、上包层9和热电极薄膜10组成。光传输通道1为脊型光波导，上包层9、热电极薄膜10和芯层8的宽度相同。两个接触点2、3、连接臂4、5和光传输通道1在高度方向上具有相同的层结构(见图4)。
为了减小连接臂引起的光传输通道中的光功率损耗，采用较窄的连接臂宽度，两个连接臂4、5与光传输通道垂直相连，且在光传输通道1与两个连接臂4、5相连之处11、12的光传输通道的宽度展宽。
两个连接臂之间的光传输通道顶部的热电极薄膜作为加热电极，其长度由两连接臂位置决定。
本发明的用于平面光波导热光器件的微加热装置的制备方法，整个工艺流程如下：首先，采用常规方法在衬底6上沉积隔离层7、芯层8、上包层9和热电极薄膜10；其次，在热电极薄膜10上旋涂一层光刻胶，用光刻方法一次形成掩模板上设定的光传输通道1、接触点2、3及连接臂4、5图形；再利用刻蚀方法，刻蚀一定深度，形成用于平面光波导热光器件的微加热装置。
由于本发明不需要特殊工艺，因而可用于多种材料、结构的热光器件，具有很好的实用性。例如，将本发明应用于马赫-泽德干涉仪中(参照图5)，其中一个干涉臂引入本发明的微加热装置，可改变MZI两臂的光程差，从而实现热光开关或调制。图5虚线内为本发明的微加热装置。在此实施例子中选取硅纳米线光波导。在硅衬底6上形成1μm厚的SiO2隔离层7、350nm厚的Si芯层8、450nm厚的SiO2上包层9以及100nm厚的热电极薄膜10。Si芯层8、SiO2上包层9以及热电极薄膜10宽度均为400nm，光传输通道脊高het在0＜het＜hco+hcl范围之内取值，其中hco、hcl分别为芯层8、上包层9的厚度。此例中，选取脊高het＝hco+hcl＝800nm，即上包层、芯层均被刻穿。两个接触点2、3的尺寸均为100μm×100μm，而连接臂4、5的长度、宽度分别为1μm、200nm。为了减小连接臂4、5引入的额外损耗，采用了长度为1μm的锥形结构将光传输通道1在连接处11、12的宽度扩展至600nm。两个连接臂间距也即热电极长度为30μm。采用以上设计，当外加功率为10mW时，可使热光波导芯层温度升高100多度。

Claims (4)

1、一种用于平面光波导热光器件的微加热装置，包含光传输通道(1)、用于连接外部电源的两个接触点(2、3)，光传输通道(1)由衬底(6)和自下而上依次沉积在衬底(6)上的隔离层(7)、芯层(8)、上包层(9)和热电极薄膜(10)组成，两个接触点(2、3)分别经连接臂(4、5)与光传输通道相连，其特征是光传输通道(1)为脊型光波导，上包层(9)、热电极薄膜(10)和芯层(8)的宽度相同，两个接触点(2、3)及连接臂(4、5)在高度方向上具有与光传输通道(1)相同的层结构。
2.根据权利要求1所述的用于平面光波导热光器件的微加热装置，其特征是所说的连接臂(4、5)与光传输通道的连接为垂直相连。
3、根据权利要求1所述的用于平面光波导热光器件的微加热装置，其特征是在光传输通道(1)与两个连接臂(4、5)相连之处(11、12)的光传输通道的宽度展宽。
4、权利要求1所述的用于平面光波导热光器件的微加热装置的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底(6)上自下而上依次沉积隔离层(7)、芯层(8)、上包层(9)和热电极薄膜(10)；
2)利用光刻方法一次形成掩模板上设定的光传输通道、接触点及连接臂图形；
3)利用刻蚀方法，形成用于平面光波导热光器件的微加热装置。
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