CN109491108B - 一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关及其制备方法 - Google Patents

一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关及其制备方法，属于有机聚合物平面光波导器件及其制备技术领域。整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导，3‑dB Y分支分束器，两条平行的第一干涉臂和第二干涉臂组成的器件调制区，3‑dB Y分支耦合器和输出直波导所构成；从下至上，MZI光波导结构器件调制区依次由硅片衬底、二氧化硅下包层、光波导芯层、石墨烯加热电极、加载条形波导、聚合物上包层和金属加热电极组成。本发明器件能够使电极产生的热场与波导中传输的光场充分重叠，可以有效地提高电极的加热效率，达到了降低热光开关器件功耗的目的。

Description

一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关及其制备 方法
技术领域
本发明属于有机聚合物平面光波导器件及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以有机聚合物作为光波导的芯层、包层和加载条形波导材料、以掩埋在光波导芯层和加载条形波导之间的石墨烯作为加热电极的加载条形波导热光开关及其制备方法。
背景技术
网络互联业务的蓬勃发展改变了通讯业的地位。目前，通讯在我们的生活中扮演着极其重要的角色，通讯技术和互联网的不断革新正在改善我们的生活、工作以及相互交流方式。但是，随着信息通信网络的信号处理量的迅猛增长，设备对能源的需求也在不断上升。目前，信息基础设施的能耗占全球能源总消耗的4％，随着数据量的增加预计到2025年信息技术设备用电量将占全球总量的15％，高能耗已成为制约信息技术可持续发展的主要瓶颈之一。光开关与光开关阵列是构建光通信网络的重要器件，特别是在采用密集波分复用技术(DWDM)的高速宽带通讯网的骨干线上，复杂的网络拓扑需要可靠、灵活的网络管理。光开关与光开关阵列在光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等功能，是插分复用器(OADM)与光交叉连接器(OXC)的核心技术，其性能的好坏将直接影响整个光网路的性能。
与其它类型的光开关相比，热光开关凭借着其器件尺寸小、驱动功率低、长期稳定性好等优点，得到了人们的广泛关注。目前，根据材料体系不同，热光开关主要可以分为两类：二氧化硅/硅(SOI)材料体系和有机聚合物材料体系的热光开关。由于二氧化硅与硅材料具有较大的热传导系数，基于SOI材料体系的热光开关在响应速度方面具有明显优势，但是器件的功耗一般较大，虽然可以通过设计悬浮臂波导结构来降低器件的功耗，但是同时也会增加器件的加工难度和制作成本。
与无机材料相比，有机聚合物材料具有热光系数大、热导率低等优点，进而使得利用其制备的波导型热光开关器件具有功耗低、制备工艺简单且灵活等优势，因而越来越受到人们的广泛关注。近年来，人们主要通过对波导材料和波导结构的优化来提高器件性能，所选用的电极也主要是金属电极(金、银、铝、铜、铬等)，一般将金属电极置于波导上包层的表面并与波导芯层相隔一定距离，主要是用来减少金属对光的吸收损耗。但是，与此同时也限制了金属电极的加热效率，金属电极产生的热量并不能有效地施加在传输光信号的波导芯层上，因此在降低器件功耗方面受到了一定的限制。
石墨烯作为近年来兴起的一种二维原子晶体薄膜材料，凭借着其卓越的电子、热学、光学和力学特性，在微纳光电子器件、复合材料、能源以及传感器件等诸多领域具有重要的应用价值。特别是石墨烯的透光特性，使其在透明导电薄膜领域具有重要应用，实验表明，单层石墨烯对光的吸收仅2.3％。本发明将利用石墨烯材料的导电性、导热性和透明性，并结合有机聚合物材料的加工灵活性，将石墨烯作为加热电极并将其置于光波导芯层和加载条形波导之间，提高热场和光场的重叠积分因子，有效提高电极的加热效率，降低热光开关器件的功耗，并且通过控制信号光的偏振模式，使得石墨烯电极的引入不会引起过大的光学吸收损耗；同时本发明提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率高，适合于批量生产可实际应用的低功耗聚合物热光开关器件。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关及其制备方法。
本发明采用硅片作为衬底，以热光系数较大的有机聚合物材料分别作为光波导的包层、芯层和加载条形波导材料，并将石墨烯加热电极放置于光波导芯层和加载条形波导之间，充分提高电极的加热效率，并利用有机聚合物材料热光系数大、易于加工的优势。同时，本发明所采用的制作工艺简单且与半导体工艺相兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
如附图1(a)所示，一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关，其特征在于：整个器件为Mach–Zehnder interferometer(MZI)光波导结构，从左到右，依次包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4组成的器件调制区，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6所构成；输入直波导1和输出直波导6结构相同，其长度a1和a1’为0.5～1.5cm，宽度为3～8μm；3-dB Y分支分束器2和3-dB Y分支耦合器5结构相同，其Y分支角度θ为0.5～1.5°，Y分支长度为1000～3000μm、宽度为3～8μm；两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4结构相同，其长度a2和a2’为0.5～2.0cm，宽度为3～8μm，两条平行干涉臂的中心间距d为30～80μm；
如图1(b)所示，为带有金属加热电极27和石墨烯加热电极24的加载条形波导热光开关的平面结构示意图，金属加热电极27包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；有效加热区的长度L1为1～2cm、宽度W1为10～25μm，两个有效加热区的中心间距W2为30～80μm，金属加热电极的输入和输出区的中心间距L2为0.8～2cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L3为0.3～1cm、宽度W3为50～200μm，金属加热电极引脚的长度L4为500～1500μm、宽度W4为2000～5000μm；石墨烯加热电极24的金属引脚8的长度L5为2000～5000μm、宽度W5为2000～5000μm；除金属引脚8的部分区域外，石墨烯加热电极24的其余区域完全被金属加热电极27覆盖，两者间由聚合物上包层26隔离开；
如附图2所示(图1(b)中剖视线AA’对应的剖面图)，一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关，从下至上，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备的二氧化硅下包层22、在二氧化硅下包层22上制备的光波导芯层23、在光波导芯层23上制备的加载条形波导25、制备于光波导芯层23和加载条形波导25之间的石墨烯加热电极24、在加载条形波导25上制备的包覆加载条形波导25的聚合物上包层26、在聚合物上包层26上制备的金属加热电极(同时作为加工石墨烯加热电极的刻蚀掩膜)27组成；硅片衬底21的厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层22的厚度为3～7μm，光波导芯层23的厚度为2～6μm，加载条形波导25的厚度为2～6μm，加载条形波导25的宽度为3～6μm，石墨烯加热电极24的宽度与金属加热电极27的有效加热区的宽度W1相同，为10～25μm，石墨烯加热电极24的厚度为0.4～1.7nm，聚合物上包层26的厚度为4～9μm，金属加热电极27的厚度为100～400nm。
MZI光波导结构调制区以外区域(没有被金属加热电极覆盖的区域)，从下至上，结构依次由硅片衬底21、二氧化硅下包层22、光波导芯层23、加载条形波导25和聚合物上包层26所组成。
本发明所述的基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的制备方法，如图3所示，其步骤如下：
A：硅片衬底21的清洁处理
将解离好的符合设计尺寸大小(长：2～5cm；宽：1～4cm)的硅片衬底21浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～15分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片衬底表面，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干，再在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；
B：二氧化硅下包层22的制备
为了防止波导中的光场泄露到折射率较高的硅衬底中，需要在硅片上生长一层较厚的二氧化硅下限制层作为波导的下包层，采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长二氧化硅层，氧化温度保持在1100～1300℃；先干氧氧化20～40分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行5～8次；其中湿氧氧化时水气(H2O)的流量为5～15slm、氧气(O2)的流量为0.3～1.5slm，湿氧氧化的时间为50～70分钟；干氧氧化时只通入氧气(O2)，流量为3～10slm，干氧氧化的时间为20～40分钟，得到厚度为3～7μm的二氧化硅下包层22；
C：光波导芯层23的制备
采用旋涂工艺将具有抗丙酮腐蚀的有机聚合物芯层材料(该聚合物芯层是包括SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列可湿法刻蚀并且经过紫外照射和加热固化之后不溶于丙酮溶剂的紫外负性光刻胶材料，同时要求材料折射率大于光波导上包层和下包层材料的折射率)直接旋涂在二氧化硅下包层上形成薄膜，旋涂速度为2000～5000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在60℃～100℃条件下处理5～30分钟进行中烘；最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，从而在二氧化硅下包层上制得光波导芯层23；
D：在光波导芯层23上转移石墨烯并制备金属引脚
将商业上购买的带有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)支撑层的单层石墨烯(尺寸：1cm×1cm，购买于合肥微晶材料科技有限公司)置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到光波导芯层23表面，使单层石墨烯与光波导芯层23接触；接下来，自然晾干后在60℃～90℃条件下处理30～60分钟；然后，放置于盛有丙酮溶液的培养皿中去除PMMA支撑层，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，再自然晾干后在70℃～100℃条件下处理30～60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，接下来采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属(金或铜)引脚(厚度为100～300nm)，金属引脚8的长度L5为2000～5000μm、宽度W5为2000～5000μm；
E：加载条形波导25的制备
采用旋涂工艺将具有负热光系数的有机聚合物光刻胶材料(该聚合物是包括SU-82002、SU-8 2005、EpoClad、EpoCore、Norland Optical Adhesives 61(NOA61)、NorlandOptical Adhesives 63(NOA63)、Norland Optical Adhesives 73(NOA73)等在内的可以紫外固化并进行湿法刻蚀的光刻胶材料，同时要求材料折射率大于光波导上包层和下包层材料、并小于光波导芯层材料的折射率)旋涂在石墨烯上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在60℃～90℃条件下处理5～30分钟、70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻(光刻掩膜版的结构与需要制备的MZI结构的波导芯层的结构互补)，曝光时间为6～15秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层区域的有机聚合物材料被曝光；除去光刻掩膜板，在60℃～90℃条件下处理10～30分钟、70℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温后，在专用显影液中湿法刻蚀20～50秒，未曝光的有机聚合物光刻胶材料(负性光刻胶)被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～150℃条件下处理20～50分钟进行后烘坚膜，这样便在石墨烯上制得了具有MZI结构的加载条形波导25；
F：聚合物上包层26的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(聚合物上包层是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在光波导芯层23、石墨烯、金属引脚和加载条形波导25上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将薄膜在100～140℃下烘烤2～3小时，制得厚度为4～9μm的上包层，聚合物上包层26完全覆盖整个MZI(包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6)的加载条形波导25、光波导芯层23以及覆盖在光波导芯层23上的单层石墨烯薄膜上；
G：金属加热电极(刻蚀掩膜)27的制备
采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层26上蒸镀一层厚度为100～400nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5～2.0μm的正性光刻胶BP218，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板(结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚)有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区(第一干涉臂3和第二干涉臂4)的中心对齐(如图1(b)所示)，曝光时间为5～15秒，除去电极掩膜板，经过10～30秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP218被除去；再在90～110℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形(如图1(b)中27和27’所示的图形)；接着将其放在质量浓度为5～8‰的NaOH溶液中50～90秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；
H：石墨烯加热电极24的制备
将样片在感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，刻蚀时间为120～480秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极27作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极所覆盖的波导上包层26和单层石墨烯薄膜通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出波导芯层23，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的上包层26不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极24(石墨烯加热电极24的形状和如图1(b)所示的虚线框内的金属加热电极7的形状相同)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚8露出，金属引脚8与金属加热电极7之间有一层聚合物上包层26，不直接发生接触，金属引脚8的长度L5为2000～5000μm、宽度W5为2000～5000μm。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关器件不仅利用了有机聚合物材料热光系数大的优势，同时利用有机聚合物材料加工灵活的优势将石墨烯加热电极置于光波导芯层和加载条形波导中间，使电极产生的热场与波导中传输的光场充分重叠，可以有效地提高了电极的加热效率，达到了降低热光开关器件功耗的目的，并且石墨烯电极的引入的光学吸收损耗很小；另外，器件的制作工艺比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率高，适合于批量生产可实际应用的低功耗热光开关器件。
附图说明
图1(a)：基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的MZI波导平面结构示
意图；
图1(b)：基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的平面结构示意图；
图2：基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的调制区横截面示意图；
图3：基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的制备工艺流程图；
图4：基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的调制区光场模拟图；
图5：加载条型波导中的石墨烯加热电极引起的损耗模拟结果(C+L波段)；
图6：制备完加载条形波导后的器件横截面扫描电子显微镜(SEM)照片；
图7(a)：基于金属加热电极的加载条型波导热光开关的输出光功率随施加电功率的变化关系曲线；
图7(b)：基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的输出光功率随施加电功率的变化关系曲线；
图8：基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的时间响应特性曲线。
如图1(a)所示，基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的波导平面结构示意图，各部件的名称为：输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的干涉臂3和干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6。
如图1(b)所示，基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的平面结构示意图，各部件的名称为：输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，3-dB Y分支耦合器5，输出直波导6，金属加热电极27(27’)、石墨烯加热电极的金属引脚8，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4位于金属加热电极27和27’的正下方，并且中心对齐。
如图2所示，为基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的调制区横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底21，二氧化硅下包层22，有机聚合物光波导芯层23，石墨烯加热电极24，加载条形波导25，聚合物上包层26，金属加热电极27。
如图3所示，为基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的制备工艺流程图，图中的21为硅片衬底，22为在硅片衬底21上采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法制备的二氧化硅下包层，23为采用旋涂工艺制备的有机聚合物光波导芯层，24为石墨烯加热电极，25为采用旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的加载条形波导，26为采用旋涂工艺制备的聚合物上包层，27为用于对比实验的金属加热电极。
如图4所示，为基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的调制区的光场模拟图，其中(a)图为TM偏振模式下的光场模拟图，(b)图为TE偏振模式下的光场模拟图，从图中可以看出，光场能量被很好地限制在光波导的加载条波导和加载条波导下面的波导芯层之中，进而可以保证石墨烯加热电极产生的热场与波导中的光场之间很好地重叠，提高加热效率。
如图5所示，为加载条型波导中石墨烯加热电极引起的损耗模拟结果，从模拟结果可以看出，在工作波长为C+L波段的范围内，石墨烯电极对TE偏振模式的光信号都具有较大的吸收损耗，而在TM偏振工作模式下，石墨烯加热电极引起的光学损耗低于1dB/cm，对整个器件的损耗的影响很小，因此器件工作在TM偏振模式下，石墨烯电极的引入并没有带来过大的额外损耗。
如图6所示，为制备完加载条形波导后的器件横截面SEM照片，波导芯层的厚度为2μm，加载条形波导的厚度为4μm，加载条形波导的宽度为4.5μm。
如图7所示，为基于石墨烯加热电极和金属加热电极的加载条型波导热光开关的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线，从图中可以看出，基于石墨烯加热电极的热光开关器件的功耗明显要低于金属加热电极的器件功耗，由6.94mW减小到2.12mW，器件的消光比为25.9dB。
如图8所示，为基于石墨烯加热电极的加载条型波导热光开关的时间响应特性曲线，开关的上升和下降时间分别为52.34μs和44.80μs。
具体实施方式
实施例1
硅片衬底21的清洁处理：将解离好的符合设计尺寸大小(长：3.5cm；宽：2cm)的硅片衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，在110℃条件下烘烤2小时去除水气。
制备二氧化硅下包层22：采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法在硅片衬底上来生长二氧化硅下包层，氧化温度保持在1200℃，先干氧氧化30分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行6次(湿、干、湿、干、湿、干、湿、干、湿、干、湿、干)，其中湿氧氧化时的水气(H2O)流量为10slm、氧气(O2)流量为0.5slm，湿氧氧化的时间为60分钟；干氧氧化时只通入氧气(O2)，流量为5.5slm，干氧氧化的时间为30分钟，最终制得厚度为4μm的二氧化硅下包层。
采用旋涂工艺制备光波导芯层23：采用旋涂工艺将具有负热光系数的有机聚合物光波导芯层材料SU-8 2002旋涂在二氧化硅下包层上形成薄膜，旋涂速度为2500转/分钟，薄膜厚度为2μm；然后在85℃条件下处理10分钟进行前烘，再在波长为365nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在90℃条件下处理10分钟进行中烘；最后，在140℃条件下处理60分钟进行后烘坚膜，这样便在二氧化硅下包层22上制得了光波导芯层23。
在光波导芯层23上转移石墨烯并制备金属引脚：将商业上购买的带有PMMA支撑层的单层石墨烯(尺寸：1cm×1cm，购买于合肥微晶材料科技有限公司)置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到制备完光波导芯层的样品表面，石墨烯与光波导芯层接触，PMMA薄膜位于石墨烯的上方；接下来，将其自然晾干后在80℃条件下处理40分钟；然后，将样片放置于盛有丙酮溶液的培养皿中去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在90℃条件下处理50分钟；最后，采用金属“+”形状的掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，接下来采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属(金)(厚度为200nm)，金属引脚的长度L5为3000μm、宽度W5为3000μm。
在石墨烯薄膜上制备加载条形波导25：采用旋涂工艺将具有负热光系数的有机聚合物材料EpoClad旋涂在石墨烯上形成薄膜，旋涂速度为4500转/分钟，薄膜厚度为4μm；然后在65℃条件下处理15分钟、90℃条件下处理20分钟进行前烘，再在波长为365nm的紫外光下进行对版光刻(光刻掩膜版的结构与需要制备的波导芯层的结构互补)，曝光时间为12秒，使需要制备的波导芯层区域的有机聚合物材料被曝光；除去波导掩膜板，在65℃条件下处理15分钟、95℃条件下处理20分钟进行中烘；待温度自然降至室温后，在专用显影液中湿法刻蚀40秒，未曝光的有机聚合物材料被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在130℃条件下处理30分钟进行后烘坚膜，这样便在石墨烯薄膜上制得了具有MZI结构的加载条形波导25(其中，输入直波导1和输出直波导6的长度a1和a1’为0.8cm，宽度为4.5μm；3-dB Y分支分束器2和3-dBY分支耦合器5的Y分支角度θ为1°，Y分支的长度为2000μm、宽度为4.5μm；两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4的长度a2和a2’为1.5cm、宽度为4.5μm，两条平行干涉臂的中心间距d为50μm)；在湿法刻蚀制备加载波导的过程中，石墨烯薄膜并没有受到破坏，而是保持完整的一片薄膜；
聚合物上包层26的制备：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料PMMA旋涂在石墨烯薄膜和加载条形波导上形成薄膜，旋涂速度为3000转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2.5小时，制得总厚度为6μm的上包层(加载条形波导25上面的上包层厚度为2μm)，聚合物上包层26完全覆盖整个MZI(包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6)的加载条形波导25和光波导芯层23以及覆盖在光波导芯层23上的单层石墨烯薄膜；
金属加热电极27的制备：采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层上蒸镀一层厚度为200nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为1μm的正性光刻胶BP218，在90℃条件下烘烤20分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板(结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极的引脚)的有效加热区与MZI光波导的调制臂(第一干涉臂3和第二干涉臂4)对应(如图1(b)所示)，曝光时间为8秒，除去电极掩膜板，经过20秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP218被除去；再在100℃条件下烘烤10分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形(如图1(b)中27和27’所示的图形)；接着将其放在质量浓度为6‰的NaOH溶液中70秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；其中，有效加热区的长度L1为1.5cm、宽度W1为15μm，两个加热区的中心间距W2为50μm，金属加热电极的输入和输出区的中心间距L2为1.0cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L3为0.6cm、宽度W3为100μm，金属加热电极的引脚长度L4为1200μm、宽度W4为3000μm；
石墨烯加热电极24的制备：将样片在感应耦合等离子体(Inductively CoupledPlasma，ICP)刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400W，偏置功率为40W，氧气流量为50sccm，刻蚀时间为360秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极27作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以内的区域没有被金属加热电极所覆盖的波导上包层26和单层石墨烯薄膜通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出波导芯层23，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的上包层26不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极24(石墨烯加热电极24的形状和如图1(b)所示的虚线框内的金属加热电极7的形状相同)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚8露出，金属引脚8与金属加热电极27之间有一层聚合物上包层26，不直接发生接触，金属引脚8的长度L5为3000μm、宽度W5为3000μm。
这样便制备出符合设计要求的基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关器件。在制备完成后，对实施例1中所制备的基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的功耗和时间响应特性进行了测试，测试仪器包括提供交流电信号的函数信号发生器、提供直流电信号的直流电源、提供输入光信号的可调谐半导体激光器(波导调节范围为1510nm-1590nm)、用于调节光纤与光波导对准的五维微调架、用于观测波导输出光斑的红外摄像机、用于测量器件插入损耗的光功率计以及用于观测器件响应的数字示波器。在1550nm信号光波长下，测得器件在TM偏振模式下的插入损耗为10.2dB；然后，分别通过改变施加在石墨烯加热电极和金属加热电极两端电压的大小来控制通过加热电极电流的大小，并通过光功率计来监测器件输出光功率的大小，图7给出了器件的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线，分别测得基于金属电极的器件的功耗为6.94mW，基于石墨烯加热电极的器件的功耗为2.12mW，基于石墨烯加热电极的器件功耗要明显低于基于金属电极的器件功耗；最后，通过对基于石墨烯加热电极的器件施加方波交流信号测试响应时间，测得器件的上升和下降时间分别为52.34μs和44.80μs。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关，其特征在于：
整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导(1)，3-dB Y分支分束器(2)，两条平行的第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)组成的器件调制区，3-dB Y分支耦合器(5)和输出直波导(6)所构成；输入直波导(1)和输出直波导(6)结构相同，3-dB Y分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(5)结构相同，第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)结构相同；
从下至上，MZI光波导结构器件调制区依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备的二氧化硅下包层(22)、在二氧化硅下包层(22)上制备的光波导芯层(23)、在光波导芯层(23)上制备的加载条形波导(25)、制备于光波导芯层(23)和加载条形波导(25)之间的石墨烯加热电极(24)、在加载条形波导(25)上制备的包覆加载条形波导(25)的聚合物上包层(26)、在聚合物上包层(26)上制备的金属加热电极(27)组成；
MZI光波导结构器件调制区以外区域，从下至上，结构依次由硅片衬底(21)、二氧化硅下包层(22)、光波导芯层(23)、加载条形波导(25)和聚合物上包层(26)所组成；
金属加热电极(27)包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；除石墨烯加热电极(24)金属引脚(8)的部分区域外，石墨烯加热电极(24)和金属加热电极(27)的结构相同，石墨烯加热电极(24)的其余区域完全被金属加热电极(27)覆盖，两者间由聚合物上包层(26)隔离开。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导(6)的长度a1和a1’为0.5～1.5cm，宽度为3～8μm；3-dB Y分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(5)的Y分支角度θ为0.5～1.5°，Y分支长度为1000～3000μm、宽度为3～8μm；第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)的长度a2和a2’为0.5～2.0cm，宽度为3～8μm，两条平行干涉臂的中心间距d为30～80μm；硅片衬底(21)的厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层(22)的厚度为3～7μm，光波导芯层(23)的厚度为2～6μm，加载条形波导(25)的厚度为2～6μm，加载条形波导(25)的宽度为3～6μm，石墨烯加热电极(24)的宽度与金属加热电极(27)的有效加热区的宽度W1相同，为10～25μm；石墨烯加热电极(24)的厚度为0.4～1.7nm，聚合物上包层(26)的厚度为4～9μm，金属加热电极(27)的厚度为100～400nm。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关，其特征在于：金属加热电极(27)有效加热区的长度L1为1～2cm、宽度W1为10～25μm，两个有效加热区的中心间距W2为30～80μm，金属加热电极的输入和输出区的中心间距L2为0.8～2cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L3为0.3～1cm、宽度W3为50～200μm，金属加热电极引脚的长度L4为500～1500μm、宽度W4为2000～5000μm；石墨烯加热电极(24)金属引脚(8)的长度L5为2000～5000μm、宽度W5为2000～5000μm。
4.权利要求1所述的一种基于石墨烯加热电极的加载条形波导热光开关的制备方法，其步骤如下：
A：硅片衬底(21)的清洁处理
将解离好的长2～5cm、宽1～4cm的硅片衬底(21)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～15分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片衬底表面，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干，再在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；
B：二氧化硅下包层(22)的制备
采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法在硅片衬底(21)表面来生长二氧化硅层下包层(22)，氧化温度保持在1100～1300℃；先干氧氧化20～40分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行5～8次；其中湿氧氧化时水气(H2O)的流量为5～15slm、氧气(O2)的流量为0.3～1.5slm，湿氧氧化的时间为50～70分钟；干氧氧化时只通入氧气(O2)，流量为3～10slm，干氧氧化的时间为20～40分钟，得到二氧化硅下包层(22)；
C：光波导芯层(23)的制备
采用旋涂工艺将具有抗丙酮腐蚀的有机聚合物芯层材料直接旋涂在二氧化硅下包层(22)上形成薄膜，旋涂速度为2000～5000转/分钟，薄膜厚度为2～7μm；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在60℃～100℃条件下处理5～30分钟进行中烘；最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，从而在二氧化硅下包层(22)上制得光波导芯层(23)；
D：在光波导芯层(23)上转移石墨烯并制备金属引脚
将1cm×1cm带有聚甲基丙烯酸甲酯支撑层的单层石墨烯置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到光波导芯层(23)表面，使单层石墨烯与光波导芯层(23)接触；接下来，自然晾干后在60℃～90℃条件下处理30～60分钟；然后，放置于盛有丙酮溶液的培养皿中去除聚甲基丙烯酸甲酯支撑层，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，再自然晾干后在70℃～100℃条件下处理30～60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，接下来采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属，作为金属引脚(8)；
E：加载条形波导(25)的制备
采用旋涂工艺将具有负热光系数的有机聚合物光刻胶材料旋涂在石墨烯上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在60℃～90℃条件下处理5～30分钟、70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻(光刻掩膜版的结构与需要制备的MZI结构的波导芯层的结构互补)，曝光时间为6～15秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层区域的有机聚合物材料被曝光；除去光刻掩膜板，在60℃～90℃条件下处理10～30分钟、70℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温后，在专用显影液中湿法刻蚀20～50秒，未曝光的有机聚合物光刻胶材料被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～150℃条件下处理20～50分钟进行后烘坚膜，这样便在石墨烯上制得了具有MZI结构的加载条形波导(25)；
F：聚合物上包层(26)的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在光波导芯层(23)、石墨烯、金属引脚(8)和加载条形波导(25)上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将薄膜在100～140℃下烘烤2～3小时，制得聚合物上包层(26)；
G：金属加热电极(27)的制备
采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层(26)上蒸镀Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5～2.0μm的正性光刻胶BP218，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区的两条干涉臂中心对齐，曝光时间为5～15秒，除去电极掩膜板，经过10～30秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP218被除去；再在90～110℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形；接着将其放在质量浓度为5～8‰的NaOH溶液中50～90秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；
H：石墨烯加热电极(24)的制备
将样片在感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，刻蚀时间为120～480秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极(27)作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极所覆盖的聚合物上包层(26)和单层石墨烯薄膜通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出光波导芯层(23)，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层(26)不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极(24)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚(8)露出。
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