CN104297948B - 基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法 - Google Patents

基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法，属于波导光开关及其制备技术领域。从下至上各层依次为：硅衬底(1)、下包层(2)、芯层波导(3)、掩膜层(8)、上包层(10)和热电极(6)；下包层(2)、掩膜层(8)和上包层(10)均使用聚合物P(MMA‑GMA)制作，折射率为1.48～1.51，下包层(2)和上包层(10)的厚度为8～13μm，掩膜层(8)的厚度为1～2μm；芯层波导(3)为M‑Z干涉仪结构的金膜，金膜的厚度为20～25nm，其复折射率为0.55‑11.5i。本发明的器件及其制作方法不仅能够有效改善LRSPP波导表面形貌，且无需利用LRSPP波导本身作为热电极，增强了开关结构的可靠性及寿命，器件成品率高，适合大批量生产。

Description

基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法
技术领域
本发明属于波导光开关及其制备技术领域，具体涉及一种采用金/聚合物等离子体波导结构，利用与聚合物包层材料相同的聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸环氧丙酯((P(MMA-GMA))作为掩膜，结合半导体干法刻蚀和湿法腐蚀技术制备的基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法。
背景技术
随着光电子技术的快速发展，高速化、集成化、小型化已经成为发展方向，但传统电子回路带宽小和发热高等问题在一定程度上限制了其发展及应用。光子集成回路具有速度快、带宽高、抗电磁干扰能力强和功耗小等优点，已广泛应用于大容量数字信息传输中。其中，基于表面等离子激元(Surface plasmon polariton,SPP)的表面等离子体波导(Surface plasmonic waveguide,SPW)是目前数据传输解决方案研究热点之一。SPP是光场和金属表面自由电子相互作用形成的一种纵向电荷谐振，可沿金属与介质表面传播，此时光被紧缚在金属表面，在相邻介质中的穿透深度小于半波长，这种特性可以超越光的衍射极限，实现亚波长尺度的光子回路。但由于金属中产生的阻尼振荡，SPP传输损耗较大。实验中，人们发现当覆盖金属条形波导上下表面的介质相同时，会在金属两侧形成对称的模式，构成长周期表面等离子体(Long-range surface plasma polariton,LRSPP)波导，其传输损耗随金属波导厚度减小而下降，并在金属波导两侧介质若干微米内呈现对称的场分布，可实现厘米级的光传输。相比于化合物半导体、硅和聚合物波导，LRSPP波导具有较大的模场尺寸，具有一定宽度的LRSPP波导所支持的模场可与单模波导相匹配，更容易获得与光纤间的低耦合损耗，从而在光互联等领域具有良好的应用潜能。本发明将基于聚合物包层介质的LRSPP结构光波导器件应用于光开关的制作，以实现等离子体波导与其他类型材料波导的集成。
在不要求高开关速度的应用领域中(ms量级的开关速度即可满足需要)，热光开关凭借其尺寸小、驱动功率低和长期稳定性高等优点，受到了广泛的关注，并在近些年取得了显著进展。热光开关的原理是当波导温度变化时，波导的有效折射率发生变化，通常采用M-Z干涉仪、多模干涉和定向耦合等波导结构，使光相位的变化转变成光振幅的变化，从而实现开关功能。一般在波导上方制备薄膜金属电极作为微加热源，采用硅衬底作为热沉。
制备波导型热光开关的材料主要包括硅/二氧化硅(SOI)和聚合物等材料。相比于SOI材料，聚合物具有热光系数大、种类多、成本低和工艺简单等优点。此外，由于聚合物具有可剪裁性，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。
目前，LRSPP波导的制备主要采用超声剥离法，其工艺相对复杂，且对金属在包层表面的附着力有较高要求，波导边缘存在鳍状凸起，不利于模场控制和降低损耗。传统的湿法腐蚀工艺，虽然金属薄膜的侧壁陡直度很好，但是LRSPP波导表面残留的光刻胶无法完全去除，光刻胶掩膜也不易从聚合物表面剥离，去胶剂还会对聚合物产生侵蚀作用，破坏金属波导周围的折射率分布，影响LRSPP的传播。
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，寻找一种增加长周期表面等离子体(LRSPP)金属波导表面平整度和侧壁陡直度的方法，通过简便的湿法腐蚀工艺制备一种基于长周期表面等离子体的波导热光开关，提高基于不同材料的二维/三维光子芯片的集成度。
如图3a所示，本发明所述的长周期表面等离子体波导热光开关，从下向上各层依次为：硅衬底(1)、下包层(2)、芯层波导(3)、P(MMA-GMA)掩膜层(8)、上包层(10)和热电极(6)。上包层与下包层均使用聚合物材料P(MMA-GMA)制作，折射率为1.48～1.51，厚度为8～13μm。芯层波导(3)为M-Z(Mach-Zehnder)干涉仪结构的金膜，如图8所示，金膜的厚度为20～25nm，其复折射率为0.55-11.5i；芯层波导(3)由一体结构的第一输入/输出区、第一Y分支区、两臂结构的波导调制区、第二Y分支区和第二输入/输出区组成；光从第一输入/输出区输入，然后经过第一Y分支区被分成光功率相等的两路光，分别在波导调制区的两臂里传输，再通过第二Y分支区而合在一起，经由第二输入/输出区输出。芯层波导(3)的宽度为3～4μm，输入/输出区长度为3～5mm；Y分支区的长度为2～2.5mm，分支角度为0.1°～0.2°；波导调制区的长度为12～13mm，两臂间距为33～36μm。M-Z干涉仪两臂的波导具有相同的长度，且在其中的一个臂的上包层上方镀有金属薄膜作为热电极(6)形成相位调节器，热电极的长度为11～12mm，宽度为14～16μm，电极引脚的长度为1.3～1.5mm，宽度为0.6～0.8mm。当电极未通电时，输入信号经过两个Y分支在输出端口发生相干加强而输出；由于光波导的包层是由热光材料制成的，其折射率随温度变化而变化。当电极开始工作时，由于有电流通过，电极会产生热量，使M-Z干涉仪的一个臂的上包层被加热，当从电极到芯层波导之间存在350～320K的温度梯度时，会使两个分支波导的有效折射率不同，当两支波导的折射率差值为6.45×10-5～6.46×10-5，会使光信号发生了大小为π的相移，则输出信号将发生干涉相消，从而通过控制加热器即可实现波导的开关。
本发明所使用的上、下包层材料是一种易于合成的聚合物材料——甲基丙烯酸甲酯MMA与甲基丙烯酸环氧丙酯GMA的共聚物(P(MMA-GMA))，该材料具有光损耗低、成膜性好和价格低廉等优点。其分子结构式如通式(Ⅰ)所示，GMA与MMA的摩尔比为m：n＝1：10。通式(Ⅱ)为折射率调节剂，在包层材料(Ⅰ)中加入折射率调节剂(Ⅱ)，调节折射率调节剂在整个材料中的含量，可以控制包层材料的折射率在1.48～1.51之间，从而提高了LRSPP波导结构设计的灵活性。
为解决现有技术中存在的问题，简化工艺，提高波导的光学性能，本发明使用甲基丙稀酸甲酯-甲基丙稀酸环氧丙酯共聚物(P(MMA-GMA)作为掩膜并结合湿法腐蚀工艺制作等离子体波导。该方法可提高LRSPP波导表面平整度，且表面不存在光刻胶残留，同时具备剥离法表面平整度好和湿法腐蚀侧壁陡直的优点。此外，由于LRSPP波导厚度仅为几十纳米，导致制作热电极时光刻对准存在较大困难。本发明采用P(MMA-GMA)做掩膜，可使波导图形在显微镜下变得更加清晰，有效提高了电极的对准和制备精度，减小了由于光刻对准误差导致的驱动功率增加和消光比下降。
本发明长周期表面等离子波导光开关及其制作工艺参见附图3b，其步骤如下：
(1)基片的选择和清洗：选用硅片作为衬底(1)(在热光开关系统中，选择一个具有高热导率的热沉是很有必要的，热沉与电极之间的相对位置将影响开关时间和波导中的温度分布。Si作为聚合物波导器件的常用衬底，具有较高的热导率，因此通常被作为理想热沉)，首先用丙酮溶液清洗硅片，去除硅片表面的有机物杂质；再用乙醇溶液清洗硅片，去除上一步残留的丙酮；然后用去离子水反复冲洗，去除在硅片表面残留的乙醇；
(2)制备下包层：在清洗干净的衬底(1)上均匀旋涂厚度8～13μm、浓度65～80wt％、折射率1.48～1.51的P(MMA-GMA)，旋涂速度为3000～3500r/min，旋涂结束后，加热固化，温度为110～120℃，时间为120～150min；
(3)蒸镀金膜：使用金属蒸镀仪，配合膜厚仪在P(MMA-GMA)下包层的表面蒸镀20～25nm厚的金膜，其复折射率为0.55-11.5i；
(4)制备P(MMA-GMA)掩膜层：在金膜上均匀旋涂厚度1～2μm、浓度为5～10wt％、折射率1.48～1.51的P(MMA-GMA)掩膜层(8)，旋涂速度为4000～4500r/min，旋涂结束后，将样品加热固化，温度为110～120℃，时间为120～150min。此掩膜用于在步骤(6)湿法腐蚀工艺过程去除无P(MMA-GMA)保护金膜时，将波导图形转移到金膜上。由于此层掩膜的存在，可使波导图形更加凸显出来，方便后续制作电极时进行对板。
(5)制备P(MMA-GMA)的金属掩膜：在P(MMA-GMA)掩膜层(8)表面蒸镀200～300nm厚的铝膜(4)，再在铝膜(4)上旋涂厚度6～8μm的光刻胶(5)(BP218)，85～90℃加热固化20～25min，再将带有M-Z结构波导图形的掩膜板放置在固化后的光刻胶上，紫外曝光8～10s，由于掩膜板的遮挡作用，M-Z结构对应的芯层区域外的光刻胶(5)被曝光；然后用质量分数5～7‰的NaOH溶液显影1～3min，去除被曝光的光刻胶(5)及其下方的铝膜(4)，此时M-Z结构波导图形就转移到铝膜(4)上，得到与拟制备的M-Z结构相同的铝掩膜，此层铝掩膜的作用在于在后续的ICP刻蚀后，可将波导图形转移到P(MMA-GMA)掩膜层(8)上。
(6)制备LRSPP波导：采用ICP刻蚀方法，将无铝掩膜覆盖的P(MMA-GMA)掩膜层(8)去除；然后将样品紫外曝光8～10s，并采用质量分数5～7‰的NaOH溶液显影1～3min，去除光刻胶(5)和铝掩膜(4)。再按I2:K2I:H2O＝1～1.5:4～4.5:100的质量比配制去金显影液，最后，利用湿法腐蚀工艺去除无薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)保护的金膜，湿法腐蚀的时间为20s～30s，得到清晰的M-Z结构波导图形，即芯层波导(3)，并且在其上面保留有与芯层结构和尺寸相同的P(MMA-GMA)掩膜层(8)。
(7)制备上包层：再在下包层(2)和P(MMA-GMA)掩膜层(8)上均匀旋涂厚度8～13μm、浓度65～80wt％、折射率1.48～1.51的P(MMA-GMA)，旋涂速度为3000～3500r/min，旋涂结束后，加热固化，温度为110～120℃，时间为120～150min；
(8)制备热电极：在P(MMA-GMA)上包层的表面蒸镀厚度为400～600nm的金(6)，再旋涂厚度为6～8μm的光刻胶(5)(BP-218)，85～90℃加热固化20～25min；然后将样品放在光刻机的托盘上，再将具有电极及电极引脚结构图形的电极掩膜板放在光刻机的操作台上，通过调节样品与电极掩膜板的位置，使电极的调制区可以覆盖M-Z结构的波导调制区的一臂，如图9所示，电极调制区的上边缘距离波导调制区的上边缘约为4～8μm，电极调制区的下边缘距离波导调制区的下边缘约为4～8μm，电极调制区的左边缘距离波导调制区的左边缘约为0.5～1mm电极调制区的右边缘距离波导调制区的右边缘约为0.5～1mm。然后调节托盘，使样品与电极掩膜板紧贴，进行紫外曝光8～10s；最后采用质量分数5～7‰的NaOH溶液显影1～3min，去除曝光部分的BP-218光刻胶，再使用按I2:K2I:H2O＝1～1.5:4～4.5:100量比配制的去金显影液，利用湿法腐蚀工艺去除无光刻胶保护的金膜，湿法腐蚀的时间为45s～50s，得到有光刻胶附着的电极图形；去除电极掩膜板，将样品紫外曝光8～10s，再采用质量分数5～7‰的NaOH显影液去除电极上剩余的已曝光的光刻胶，即可获得清晰光洁的热电极，从而完成本发明所述的长周期金属表面等离子体波导热光开关的制备。热电极的电阻为50～80Ω，电极的厚度为400～600nm。
上述方法步骤(2)中所述的旋涂P(MMA-GMA)下包层(2)，是指将数均分子量为0.9×105～1×105聚合物P(MMA-GMA)均匀地旋转涂覆在硅衬底(1)表面。
上述方法步骤(5)中所述的旋涂光刻胶(5)是指将紫外正性光刻胶(北京化学试剂厂，BP218型)滴在铝膜(4)上，然后置于旋转涂覆机上，在3000～3500rpm的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为25-35s，使光刻胶(5)均匀涂在铝膜(4)上。
上述方法步骤(5)中所述的光刻和显影是将样品置于光刻机上，用365nm紫外光进行照射，通过掩膜板的透光区将光刻胶曝光，通过曝光把热光开关的波导图形转移到光刻胶(5)上。将曝光后的样品用NaOH显影液进行显影，将波导图形从光刻胶(5)转移到铝膜(4)上，最后用去离子水轻轻地反复冲洗样片表面。
上述方法步骤(6)中所述的ICP刻蚀是为了将热光开关的波导图形从铝膜(4)转移到薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)上，露出芯层(3)。铝膜(4)在氧等离子体刻蚀时，铝会与氧气反应，在表面形成一层氧化铝，阻挡住氧气与其下面的P(MMA-GMA)掩膜层(8)反应，没有铝膜(4)的部分继续被氧反应而刻蚀掉，因此铝膜(4)对P(MMA-GMA)掩膜层(8)起到很好的掩膜作用。感应耦合等离子体刻蚀的源功率400～420W，偏置功率为30～35W，刻蚀气体O2流量为38～40secm，腔室气压为0.9～1Pa，刻蚀时间为70～72s。
上述方法步骤(6)中所述的所说的去除光刻胶(5)及铝掩膜(4)是将经过ICP刻蚀后的器件在365nm紫外光下曝光，再用NaOH溶液显影，将薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)表面覆盖的铝膜(4)及铝膜上的光刻胶(5)去除。
上述方法步骤(6)中所述的显影是将进行完ICP刻蚀的样品，放入用于去除金的显影液中，利用湿法腐蚀工艺去除无薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)保护的金膜，得到清晰的波导图形。
上述方法步骤(8)中所述的所说的光刻和显影是将电极图形掩膜板(9)利用紫外光刻转移到光刻胶(5)，将曝光后的样品用NaOH的水溶液显影，放入用于去除金的显影液中，利用湿法腐蚀工艺去除无光刻胶保护的金膜，通过显影把热光开关的电极图形同时也转移到金膜上。
在制作波导时，采用1～2μm厚的P(MMA-GMA)作为掩膜，通过传统的光刻和感应耦合等离子体干法刻蚀技术制备LRSPP波导。本发明避免了LRSPP波导表面光刻胶不易去除及其导致的光损耗增加，只需将未被P(MMA-GMA)覆盖的金去除即可完成波导的制作，增强了波导的表面平整度和侧壁陡直度，减小了传输损耗。
本发明将电极置于上包层之上，远离波导芯层，在电极加热时，其受温度影响较小，这样可以保证器件在工作时LRSPP波导介电特性不变，金膜能保持良好的形貌，增加器件使用寿命，减小传输损耗。由于LRSPP波导芯层厚度仅为几十纳米，给光刻对准和制作电极带来了较大困难。本发明中，金膜表面存在一层厚度仅为1～2μm的P(MMA-GMA)薄膜，使波导在显微镜下易于观察，提高了光刻对准精度和开关性能。
本发明实施例1制备的长周期表面等离子波导光开关，金膜表面粗糙度仅为0.5nm，相比采用剥离法制作的LRSPP波导，金属表面均方根粗糙度降低45％。开关的消光比为20dB，驱动功率可以低至18mW。器件的可靠性相比于采用LRSPP波导本身作为热电极的开关结构具有稳定性好、寿命长的优势，且长周期表面等离子波导光开关易于同其他结构的波导器件实现二维或三维集成。本发明的方法适合于大批量生产，可实际应用的热光开关器件。
附图说明
图1：长周期表面等离子波导热光开关端面扫描电子显微镜照片；
图2：长周期表面等离子波导热光开关原子力显微镜照片；
图3a：长周期表面等离子波导热光开关的结构示意图；
图3b：长周期表面等离子波导热光开关制备工艺流程图；
图4：长周期表面等离子热光开关波导内光场分布模拟图；
图5：长周期表面等离子热光开关波导内热场分布模拟图；
图6：长周期表面等离子波导热光开关光输出与驱动电功率的关系；
图7：长周期表面等离子波导热光开关时间响应曲线；
图8：长周期表面等离子波导热光开关芯层的结构示意图；
图9：长周期表面等离子波导热光开关的结构示意图；
如图1所示，从图中可以观察到器件端面的形貌和器件结构，图中心较明亮的条状部分即为使用金制作的芯层波导(3)，其上方较凸起的部分为薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)，芯层(3)下方为P(MMA-GMA)下包层(2)，P(MMA-GMA)下包层(2)下方为硅衬底(1)，薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)上方为P(MMA-GMA)上包层(10)。
如图2所示，图中白色部分为金芯层，黑色部分为P(MMA-GMA)下包层；从图中可以看出波导芯层的表面良好，较为平整，侧壁较为陡直，这样的芯层可以在一定程度上降低器件的传输损耗。
如图3a所示，图中各部分名称为：硅衬底(1)、P(MMA-GMA)下包层(2)、金芯层(3)、金电极(6)、薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)、P(MMA-GMA)上包层(10)。
如图3b所示，图中其各部分名称为：硅衬底(1)、P(MMA-GMA)下包层(2)、芯层(3)、铝膜(4)、光刻胶(5)、金电极(6)、具有热光开关波导图形的掩膜板(7)、薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)、具有电极图形的掩膜板(9)、P(MMA-GMA)上包层(10)。
如图4所示，图中右侧纵坐标尺代表光的电场能量，由白色至黑色代表能量从高到低；左侧纵坐标代表器件厚度(厚度的零点在左侧坐标中心位置)；横坐标代表电场横向分布范围；此图展示了，理论上光的能量在长周期表面等离子波导光开关内的分布情况：能量大部分集中在芯层与包层的界面处，能量较为集中在芯层，光可以在器件中传输。
如图5所示，左图为温度分布图，右侧纵坐标代表器件温度，由白色至黑色代表温度从高到低；左侧纵坐标代表器件厚度；横坐标代表温度横向分布范围。右图为等温线分布图，右侧纵坐标代表器件温度，由上至下代表温度从高到低；左侧纵坐标代表器件厚度：横坐标代表热场横向分布范围：这两幅图片展示出，在理论上，电极被加热时，长周期表面等离子波导光开关内温度的分布情况。可以看出在波导芯层的温度并不高，这样可以保证芯层不会受温度影响而产生形变，从而提高了器件的使用寿命及稳定性。
如图6所示，从图中可以看出器件的消光比约为20dB，驱动功率约为18mw，器件展现出了高消光比，低驱动功率的良好开关特性，可以满足光网络通信系统和大容量数据传输系统的需要。
如图7所示，曲线1为信号源输出方波，曲线2为长周期金属表面等离子体波导热光开关波导输出端的响应波形：此图反映出长周期表面等离子波导热光开关的响应速度较快，波形失真度低；
如图8所示，该图为器件芯层的结构示意图，其中，波导芯层的宽度为4μm，输入/输出区长度为3mm；Y分支区的长度为2mm，分支角度为0.1°；波导调制区的长度为13mm，两臂间距为36μm。
如图9所示，图中电极调制区长度为12mm，电极调制区宽度为16μm，电极引脚的长度为1.5mm，宽度为0.8mm。
具体实施方式
实施例1：包层材料的制备
将回流冷凝管、搅拌器和N2保护气装置安装在四口瓶上，再向四口瓶中加入甲基丙烯酸甲酯137g，甲基丙烯酸环氧丙酯13.7g，偶氮二异丁腈0.3014g，乙酸丁酯100mL，通入氮气并置于70℃的水浴锅中加热，再开启搅拌器；95min后，向四口烧瓶中加入50mL乙酸丁酯；45min后，向四口烧瓶中加入50mL乙酸丁酯；37min后，向四口烧瓶中加入50mL乙酸丁酯；最后反应50min可得到共聚物溶液。静置共聚物溶液，待溶液内泡沫消散后将这种甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物作为包层材料(2)，经测试，该材料在1.55μm波长下的折射率为1.493，浓度为70wt％，厚度为10μm。混合搅拌，备用。
实施例2：器件包层及金膜的制备
将实施例1的P(MMA-GMA)包层材料倒在清洗干净的硅衬底(1)上，使P(MMA-GMA)可完全覆盖衬底(1)，再将样品放在匀胶机上。设定匀胶机的转速为3000r/min，旋涂时间为26s，然后开始旋涂，使P(MMA-GMA)均匀地覆盖在衬底(1)，使其厚度为10μm，将样品放入烘箱中，设置温度为120℃，加热固化120min，则完成了器件下包层(2)的制作。然后将样品与金放入金属蒸镀仪中，使用钼作为加热及承载金的器具，将钼制器具的两端连接在蒸镀仪的电极上，再将金放在钼制器具上，使样品悬于金上方20cm处，再关闭钟罩，并降低内部气压。当气压降至2.0×10-3Pa时，开启膜厚仪，并增加蒸镀仪的电流至90A。调整蒸镀仪的电流，使膜厚仪显示的金的蒸发速率保持在蒸镀厚度显示为20nm时，停止蒸发。
实施例3：PMMA掩膜层及芯层的制备
在实施例1的P(MMA-GMA)包层材料中加入34mL的乙酸丁酯作为溶剂进行稀释，混合搅拌，它的浓度为7wt％。使用匀胶机在蒸镀好金膜的样品上均匀旋涂1μm厚的P(MMA-GMA)掩膜层(8)，匀胶机的转速为4000r/min，旋涂时间为26s。再把样品放入烘箱中，设置温度为120℃，加热固化120min。然后在P(MMA-GMA)掩膜层(8)表面蒸镀250nm厚的铝膜(4)，再使用匀胶机在铝膜(4)上旋涂厚度为8μm的光刻胶(5)(BP218)，匀胶机转速为3000r/min，在放入烘箱中，将温度设置为85℃，加热固化25min；再将样品放在光刻机托盘上，将带有M-Z结构波导图形的掩膜板(7)放置在光刻机操作台上，调节托盘使样品与掩膜板紧贴，进行紫外曝光8s，由于掩膜板的遮挡作用，芯层区域外的光刻胶(5)被曝光；然后用质量分数5‰的NaOH溶液显影2min，去除被曝光的光刻胶(5)及其下方的铝膜(4)，此时波导图形就被转移到铝膜(4)上，得到与拟制备的芯层尺寸相同的铝掩膜。最后将制备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，此时以铝膜(4)为掩膜，将没有铝膜(4)覆盖的包层刻蚀掉，露出金层(3)。铝膜(4)在氧气气氛中进行感应耦合等离子体刻蚀时，铝会与氧气反应，在表面形成一层氧化铝，阻挡住氧气与其下面的包层聚合物(8)反应，没有铝膜(4)的部分继续被氧反应而刻蚀掉，因此铝膜(4)对包层聚合物(8)起到很好的掩膜作用。感应耦合等离子体刻蚀的源功率400W，偏置功率为30W，刻蚀气体O2流量为40sccm，腔室气压为1Pa，刻蚀时间为72s。这样就制备出符合设计要求的长周期表面等离子波导光开关的波导结构。
将经过感应耦合等离子体刻蚀的样品放在光刻机的托盘上，进行紫外曝光，时间为10s，再采用质量分数5‰的NaOH溶液显影3min，去除光刻胶(5)和铝掩膜(4)。配制用于湿法腐蚀无薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)保护的金的显影液，按1:4:100的质量比将I2，K2I与去离子水放入烧杯中，再用超声振荡使溶液能充分溶解。再将样品放入显影液中30s，取出后用去离子水轻轻地反复冲洗样片表面，这样无薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)保护的金就会被腐蚀掉，就得到了清晰的波导图形，即芯层(3)。
实施例4上包层的制备
在下包层(2)及P(MMA-GMA)掩膜层(8)的制作后，将实施例1的P(MMA-GMA)包层材料倒在样品上，使P(MMA-GMA)可完全覆盖样品，再将样品放在匀胶机上。设定匀胶机的转速为3000r/min，旋涂时间为26s，然后开始旋涂，使P(MMA-GMA)均匀地覆盖在样品上，厚度为10μm。再将样品放入烘箱中，设置温度为120℃，加热固化120min，则完成了器件上包层(10)的制作。
实施例5电极的制备
在P(MMA-GMA)上包层(10)的表面使用蒸镀台蒸镀厚度为400nm厚的金(6)，再旋涂BP-218光刻胶(5)，85℃加热固化25min；然后将样品放在光刻机的托盘上，再将电极掩膜板放在光刻机的操作台上，通过调节样品与电极掩膜板的位置，与使电极的调制区可以覆盖M-Z结构的调制区的一臂，电极调制区的上边缘距离波导调制区的上边缘约为6μm，电极调制区的下边缘距离波导调制区的下边缘约为6μm，电极调制区的左边缘距离波导调制区的左边缘约为0.5mm电极调制区的右边缘距离波导调制区的右边缘约为0.5mm。然后调节托盘，使样品与电极掩膜板紧贴，再进行紫外曝光8s；最后采用质量分数为5‰的NaOH溶液显影3min，去除被曝光部分的光刻胶，则在光刻胶上显现出电极图形，再使用按I2:K2I:H2O＝1:4:100质量比配制的显影液，利用湿法腐蚀工艺去除无光刻胶保护的金膜，进行湿法腐蚀的时间为50s，得到有光刻胶附着的电极图形；去除电极掩膜板，将样品紫外曝光10s，再采用质量分数5‰的NaOH显影液去除电极上剩余的已曝光的光刻胶，即可获得清晰光洁的金电极，从而完成本发明所述器件的制备。

Claims (8)

1.一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关，从下至上各层依次为硅衬底(1)、下包层(2)、芯层波导(3)、掩膜层(8)、上包层(10)和热电极(6)；下包层(2)、掩膜层(8)和上包层(10)均使用聚合物P(MMA-GMA)制作，折射率为1.48～1.51，下包层(2)和上包层(10)的厚度为8～13μm，掩膜层(8)的厚度为1～2μm；其特征在于：芯层波导(3)为M-Z干涉仪结构的金膜，金膜的厚度为20～25nm，其复折射率为0.55-11.5i；芯层波导(3)由一体结构的第一输入/输出区、第一Y分支区、两臂结构的波导调制区、第二Y分支区和第二输入/输出区组成；光从第一输入/输出区输入，然后经过第一Y分支区被分成光功率相等的两路光，分别在波导调制区的两臂里传输，再通过第二Y分支区而合在一起，经由第二输入/输出区输出；掩膜层(8)同为M-Z干涉仪结构；M-Z干涉仪的两臂具有相同的长度，且在其中的一个臂的上包层上方镀有金属薄膜作为热电极(6)形成相位调节器。
2.如权利要求1所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关，其特征在于：芯层波导(3)的宽度为3～4μm，输入/输出区长度为3～5mm；Y分支区的长度为2～2.5mm，分支角度为0.1°～0.2°；波导调制区的长度为12～13mm，两臂间距为33～36μm。
3.如权利要求1所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关，其特征在于：热电极的长度为11～12mm，宽度为14～16μm，电极引脚的长度为1.3～1.5mm，宽度为0.6～0.8mm；热电极的电阻为50～80Ω，电极的厚度为400～600nm。
4.权利要求1所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方法，其步骤如下：
(1)基片的选择和清洗：选用硅片作为衬底(1)，首先用丙酮溶液清洗硅片，去除硅片表面的有机物杂质；再用乙醇溶液清洗硅片，去除上一步残留的丙酮；然后用去离子水反复冲洗，去除在硅片表面残留的乙醇；
(2)制备下包层：在清洗干净的衬底(1)上均匀旋涂厚度8～13μm、浓度65～80wt％、折射率1.48～1.51的P(MMA-GMA)作为下包层(2)，旋涂速度为3000～3500r/min，旋涂结束后，加热固化，温度为110～120℃，时间为120～150min；
(3)蒸镀金膜：在P(MMA-GMA)下包层(2)的表面蒸镀20～25nm厚的金膜，其复折射率为0.55-11.5i；
(4)制备P(MMA-GMA)掩膜层：在金膜上均匀旋涂厚度1～2μm、浓度为5～10wt％、折射率1.48～1.51的P(MMA-GMA)掩膜层(8)，旋涂速度为4000～4500r/min，旋涂结束后，将样品加热固化，温度为110～120℃，时间为120～150min；
(5)制备P(MMA-GMA)的金属掩膜：在P(MMA-GMA)掩膜层(8)表面蒸镀200～300nm厚的铝膜(4)，再在铝膜(4)上旋涂厚度6～8μm的光刻胶(5)，85～90℃加热固化20～25min，再将带有M-Z干涉仪结构波导图形的掩膜板放置在固化后的光刻胶上，紫外曝光8～10s，由于掩膜板的遮挡作用，M-Z结构对应的芯层区域外的光刻胶(5)被曝光；然后用质量分数5～7‰的NaOH溶液显影1～3min，去除被曝光的光刻胶(5)及其下方的铝膜(4)，此时M-Z干涉仪结构波导图形就转移到铝膜(4)上，得到与拟制备的M-Z干涉仪结构相同的铝掩膜；
(6)制备LRSPP波导：采用ICP刻蚀方法，将无铝掩膜覆盖的P(MMA-GMA)掩膜层(8)去除；然后将样品紫外曝光8～10s，并采用质量分数5～7‰的NaOH溶液显影1～3min，去除光刻胶(5)和铝掩膜(4)；再按I2:K2I:H2O＝1～1.5:4～4.5:100的质量比配制去金显影液，最后，利用湿法腐蚀工艺去除无薄P(MMA-GMA)掩膜层(8)保护的金膜，湿法腐蚀的时间为20s～30s，得到清晰的M-Z结构波导图形，即芯层波导(3)，并且在其上面保留有与芯层波导(3)结构和尺寸相同的P(MMA-GMA)掩膜层(8)；
(7)制备上包层：再在下包层(2)和P(MMA-GMA)掩膜层(8)上均匀旋涂厚度8～13μm、浓度65～80wt％、折射率1.48～1.51的P(MMA-GMA)作为上包层(10)，旋涂速度为3000～3500r/min，旋涂结束后，加热固化，温度为110～120℃，时间为120～150min；
(8)制备热电极：在P(MMA-GMA)上包层(10)的表面蒸镀厚度为400～600nm的金(6)，再旋涂厚度为6～8μm的光刻胶(5)，85～90℃加热固化20～25min；然后将样品放在光刻机的托盘上，再将具有电极及电极引脚结构图形的电极掩膜板放在光刻机的操作台上，通过调节样品与电极掩膜板的位置，使电极的调制区可以覆盖M-Z结构的波导调制区的一臂；然后调节托盘，使样品与电极掩膜板紧贴，进行紫外曝光8～10s；最后采用质量分数5～7‰的NaOH溶液显影1～3min，去除曝光部分的BP-218光刻胶，再使用按I2:K2I:H2O＝1～1.5:4～4.5:100量比配制的去金显影液，利用湿法腐蚀工艺去除无光刻胶保护的金膜，湿法腐蚀的时间为45s～50s，得到有光刻胶附着的电极图形；去除电极掩膜板，将样品紫外曝光8～10s，再采用质量分数5～7‰的NaOH显影液去除电极上剩余的已曝光的光刻胶，即可获得清晰光洁的热电极，从而完成周期金属表面等离子体波导热光开关的制备。
5.如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的旋涂P(MMA-GMA)下包层(2)，是指将数均分子量为0.9×105～1×105聚合物P(MMA-GMA)均匀地旋转涂覆在硅衬底(1)表面。
6.如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述的旋涂光刻胶(5)是指将紫外正性光刻胶BP218滴在铝膜(4)上，然后置于旋转涂覆机上，在3000～3500rpm的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为25-35s，使光刻胶(5)均匀涂在铝膜(4)上。
7.如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(5)及步骤(6)是用365nm紫外光进行曝光。
8.如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方法，其特征在于：上述方法步骤(6)ICP刻蚀的源功率为400～420W，偏置功率为30～35W，刻蚀气体O2流量为38～40secm，腔室气压为0.9～1Pa，刻蚀时间为70～72s。
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