CN109883567A - 一种基于非对称mzi光波导的温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法，属于平面光波导传感器及其制备技术领域。整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由输入直波导，3‑dB Y分支分束器，两条平行的参考臂和传感臂，3‑dB Y分支耦合器组成；从上至上，依次由硅片衬底、在硅片衬底上制备的具有凹槽结构的聚合物下包层、在聚合物下包层上制备的具有倒脊型波导结构的光波导芯层、在光波导芯层上制备的聚合物上包层组成；本发明的波导型温度传感器结合了MZI光波导的干涉效应强和有机聚合物材料热光系数大的优势，通过将传统MZI波导温度传感器的传感臂和参考臂的光波导芯层采用热光系数不同的两种有机聚合物材料，达到了对实际外界环境温度检测的目的。

Description

一种基于非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于平面光波导传感器及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以热光系数不同的两种有机聚合物材料分别作为Mach–Zehnder interferometer(MZI)结构的两条平行干涉臂光波导芯层的光波导型温度传感器及其制备方法。

背景技术

温度测量是测控技术的一个重要组成部分，在国民经济的各个领域具有十分重要的地位。人们的日常生活、动植物的生存繁衍、工农业生产和科学研究实验等诸多方面都与温度测量有着十分密切的关系。因此，对温度的准确测量一直是一个重要的研究课题。随着科学技术的进步和生产力的发展，人们对温度的精确测量也提出了更高的要求。传感器作为信息传递的重要基础，可以将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)转换成便于传输和处理的另一种物理量，在温度、化学、生物等检测领域具有重要的应用价值。与传统的电学传感器相比，光学传感器具有抗电磁干扰能力强、体积小、结构简单、检测带宽大等优势，在各类传感检测领域应用十分广泛。作为光学传感器的一个重要分支，平面光波导传感器近年来发展迅猛，它不仅继承了光纤传感器的优点，而且器件的稳定性和可靠性更佳，能适应更加恶劣的工作环境，此外，器件的材料多种多样、制备工艺与半导体工艺相兼容，更有利于实现器件的功能化集成和批量生产，在环境保护、生命科学和航空航天等领域得到了广泛的应用。

目前，用于制备平面光波导传感器的材料主要由无机材料和有机聚合物材料两种，与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单且与半导体工艺兼容、抗电磁干扰能力强等优点，并且有机聚合物材料最突出的优点在于它可以在分子的水平上进行结构设计，从而获得最佳的光学特性，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础材料。此外，有机聚合物材料具有无机材料所无法比拟的高热光系数的独特优势，利用这个优点，可以使利用其制备的温度传感器具有较高的检测灵敏度。在平面光波导器件的结构设计中，Mach–Zehnder interferometer(MZI)是一种最基本的器件结构，也是最易于实现的波导干涉仪方案，在光通信领域和平面光波导传感器领域具有重要的应用价值。传统的MZI光波导主要由输入/输出直波导、Y分支3-dB分束器/耦合器和两条平行干涉臂所构成，MZI光波导传感器的工作原理是将其中一条平行干涉臂作为参考臂，另一条干涉臂作为传感臂，通过将传感臂的波导包层材料刻蚀出传感窗口，使其暴露在外界环境中，随着外界环境参量的变化，该干涉臂的有效折射率会随之发生改变，从而改变该干涉臂中光的相位，并进一步使得输出光的强度发生变化，这样，便可以通过监测波导的输出光强来检测外界环境参量的变化。利用该原理，已经成功制备出了基于MZI光波导结构的折射率传感器，加速度传感器和生化传感器等传感器件。而目前基于MZI光波导结构的温度传感器还只停留在实验室阶段，通常是在传感波导臂上制备出一条金属加热电极，通过改变经过电极的电流来调节传感臂波导的温度，进而来模拟外界环境温度的变化，但是在实际的环境温度检测中，MZI波导的参考臂和传感臂将同时处于待检测环境之中，两条波导臂的有效折射率会随着外界环境温度的变化而发生相同的变化，这样便使其失去了对温度的传感功能，进而严重限制了MZI光波导结构温度传感器的实际应用。

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两条干涉臂波导采用不同热光系数的芯层材料的非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法。

本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为波导的下包层、以热光系数不同的两种有机聚合物材料分别作为MZI光波导传感臂和参考臂的光波导芯层，充分利用了有机聚合物材料种类多样、加工性强和热光系数大的优势。同时，本发明所采用的制备工艺简单且与半导体工艺兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的实际应用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

如附图1所示，一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的参考臂3和传感臂4(参考臂3和传感臂4共同构成MZI光波导结构的两条干涉臂，即传感区)，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的长度a₁和a₁’为0.5～1.5cm，3-dB Y分支分束器和3-dB Y分支耦合器的Y分支角度θ为0.5～1.5°，参考臂3和传感臂4的长度a₂和a₂’为1～2.5cm，两条平行干涉臂之间的中心间距d为30～100μm；

如附图2(a)所示(为图1中A-A’位置的截面图)，一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：从下到上，输入直波导1和输出直波导6、3-dB Y分支分束器2和3-dB Y分支耦合器5依次由硅片衬底31、在硅片衬底31上制备的具有波导凹槽结构的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的具有倒脊型波导结构的光波导芯层33、在光波导芯层33上制备的聚合物上包层35组成；

如附图2(b)所示(为图1中B-B’位置的截面图)，一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：从下到上，MZI结构的参考臂3和传感臂4依次由硅片衬底31、在硅片衬底31上制备的具有双波导凹槽结构的聚合物下包层32’(32和32’的材料相同)、在聚合物下包层32’上制备的具有倒脊型光波导结构的参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34(参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34的材料热光系数不同，但参考臂光波导芯层33’和光波导芯层33的材料相同)、在参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34上制备的聚合物上包层35组成；

硅片衬底的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层32和32’的厚度相同为3～6μm，光波导芯层33、参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34的厚度相同为2～6μm，光波导芯层33、参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34的宽度相同为3～6μm，波导凹槽结构的高度为0.5～2.0μm，聚合物上包层35的厚度为3～6μm。

本发明所述的基于非对称MZI光波导的温度传感器的制备方法，其制备工艺流程见附图4，具体叙述为：

A：硅片衬底的清洁处理

将硅片衬底31浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10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，再在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；

B：聚合物下包层及其上面凹槽的制备

采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底31上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后在100～150℃条件下烘烤2～3小时，制得厚度为3～6μm的聚合物下包层(聚合物下包层材料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)；然后，采用蒸镀工艺在制备好的聚合物下包层上蒸镀一层厚度为50～200nm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BP212，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与波导掩膜板紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，曝光时间为5～10秒，除去波导掩膜板，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BP212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波导凹槽图形；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；然后，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60～240秒，从而在聚合物下包层(32、32’)上刻蚀出凹槽结构(波导凹槽结构的高度为0.5～2.0μm)；最后，在光刻机下充分曝光10～20秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，再用质量浓度为5～8‰的NaOH溶液去除残余的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，最后在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；

C：器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和参考臂3光波导芯层33(33’)的制备

采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料(该聚合物芯层是包括SU-82002、SU-8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料，聚合物芯层材料的折射率高于聚合物上/下包层材料的折射率)旋涂在下包层上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版为图2(b)中传感臂4凹槽结构上方区域对应的长方形结构，其长度为传感臂4的长度，其宽度为参考臂3和传感臂4间的中线到与其平行的衬底底边的距离，曝光时间为10～50秒，使需要制备的器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器和参考臂3的光波导芯层区域的聚合物芯层材料被紫外曝光；除去波导掩膜板，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温以后，再在光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将传感臂4凹槽结构中及其上方区域的聚合物芯层材料去除；然后将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和聚合物芯层材料，再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30～90分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层上制得器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器、参考臂3的光波导芯层33(33’)和未被光波导芯层33(33’)覆盖的传感臂4的凹槽结构及其上方区域；

D：传感臂光波导芯层34的制备

采用旋涂工艺将另一种不同热光系数的聚合物芯层材料(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)、NorlandOptical Adhesives 73(NOA73)、Norland Optical Adhesives 61(NOA61)、NorlandOptical Adhesives 63(NOA63)、EpoCore、EpoClad、SU-8 2005、SU-8 2002等在内的热光系数与参考臂3芯层材料不同，且折射率高于波导包层材料的一系列透明性良好的有机聚合物材料)旋涂在传感臂4的凹槽结构中及其上方区域，同时也覆盖了步骤C得到的光波导芯层33(33’)，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在100～140℃条件下烘烤1～3小时进行坚膜；最后，采用ICP刻蚀工艺将光波导芯层33(33’)上的平板聚合物层刻蚀掉，进而完成器件传感臂4的光波导芯层34制备；

E：聚合物上包层的制备

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33(33’、34)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3～6μm的上包层，上包层完全覆盖光波导芯层，从而制备得到本发明所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器。

与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的波导型温度传感器结合了MZI光波导的干涉效应强和有机聚合物材料热光系数大的优势，通过将传统MZI波导温度传感器的传感臂和参考臂的光波导芯层采用热光系数不同的两种有机聚合物材料，达到了对实际外界环境温度检测的目的，另外，器件制作工艺比较简单，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平面光波导温度传感器件。

附图说明

图1：本发明所述的基于非对称MZI光波导的温度传感器的平面结构示意图；

图2(a)：图1中A-A’位置的横截面示意图；

图2(b)：图1中B-B’位置的横截面示意图；

图3(a)：基于非对称MZI光波导温度传感器的参考臂3的光场分布模拟图；

图3(b)：基于非对称MZI光波导温度传感器的传感臂4的光场分布模拟图；

图4：基于非对称光MZI波导的温度传感器的制备工艺流程图；

图5(a)：基于非对称MZI光波导温度传感器的参考臂3的横截面显微镜照片；

图5(b)：基于非对称MZI光波导温度传感器的传感臂4的横截面显微镜照片；

图6：实施例1制备的传感器输出光功率随温度的变化关系曲线；

图7：实施例2制备的传感器输出光功率随温度的变化关系曲线；

图8：实施例2制备的器件的加热电极结构示意图；

图9：实施例2制备的传感器输出光功率随温度变化的时间响应特性曲线；

如图1所示，基于非对称MZI光波导的温度传感器的平面结构示意图，各部件的名称为：输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的参考臂3和传感臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6。

如图2所示，(a)图为图1中A-A’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31，聚合物下包层32，具有倒脊型波导结构的光波导芯层33，聚合物上包层35；(b)图为图1中B-B’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31，聚合物下包层32’(32和32’的材料相同)，具有倒脊型波导结构的参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34(参考臂光波导芯层33’和传感臂光波导芯层34的材料热光系数不同，但参考臂光波导芯层33’和光波导芯层33的材料相同)，聚合物上包层35。

如图3所示，(a)图为基于非对称MZI光波导温度传感器的参考臂3的光场分布模拟图，(a)图为基于非对称MZI光波导温度传感器的传感臂4的光场分布模拟图；在模拟过程中，我们选用实施例2中所选用的材料和波导尺寸，从两幅模拟图中可以明显看出，光场主要集中在倒脊型波导之中，并且光场模斑的形状没有太大差别，有效折射率很接近，进而可以保证光信号在传感臂4中有效进行传输。

如图4所示，图中的31为硅衬底，32为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导下包层，33为基于有机聚合物材料的参考臂的光波导芯层，34为基于有机聚合物材料的传感臂的光波导芯层，35为通过旋涂工艺制备的有机聚合物光波导上包层。

如图5所示，(a)图基于非对称MZI光波导温度传感器的参考臂3的横截面显微镜照片，参考臂3的芯层材料的总厚度为4μm，平板层厚度为2.5μm；(b)图为基于非对称MZI光波导温度传感器的传感臂4的横截面显微镜照片，传感臂4的芯层材料的总厚度为4μm，平板层厚度为2.5μm。

如图6所示，当两条干涉臂光波导芯层选用的两种有机聚合物材料的热光系数差值为0.68×10^-4K^-1，外界加热温度变化2℃时，器件输出光功率由39.99μW下降到4.59μW，计算得到其传感灵敏度为-17.46μW/℃。

如图7所示，当两条干涉臂光波导芯层选用的两种有机聚合物材料的热光系数差值为1.82×10^-4K^-1，外界加热温度变化0.8℃时，器件输出光功率由39.99μW下降到4.60μW，计算得到其传感灵敏度为-45.57μW/℃。

如图8所示，是为了模拟器件对外界环境温度变化的时间响应特性，设计的铝加热电极7的结构示意图，电极同时覆盖MZI波导的两条干涉臂，以保证两条干涉臂的变化温度相同；

如图9所示，为采用铝加热电极来模拟外界环境温度变化时，实施例2制备的器件对外界温度变化的时间响应特性曲线，通过在器件上面制备加热电极(加热电极覆盖两条干涉臂波导，可以保证同时受热)，并向加热电极施加交流信号来模拟外界温度的动态变化，从测试结果可以看出，器件对外界环境温度上升和下降的响应时间分别为642.8μs和617.6μs。

具体实施方式

实施例1

硅衬底的清洁处理：将硅衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗8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，用氮气吹干，最后在110℃条件下烘烤1.5小时去除水气。

采用旋涂工艺制备聚合物波导下包层：将聚合物材料PMMA旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度控制在3000转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2.5小时，得到厚度为4μm的波导下包层。

采用标准的光刻和干法刻蚀工艺制备波导凹槽：首先，在制备好的聚合物下包层上蒸镀一层厚度为100nm的Al掩膜，采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为2μm的正性光刻胶BP212，在85℃条件下前烘20分钟；其次，在光刻机上，将其与波导掩膜板紧密接触进行对版光刻，波导版上具有MZI光波导结构图形，曝光光刻胶时间为7秒，除去波导掩膜板，经过12秒的专用显影液显影后，在100℃条件下烘烤10分钟，从而在Al膜上得到所需要的波导图形；再次，将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中60秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；然后，将样片放入感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的天线射频功率为400W，偏置功率为40W，氧气流量为30sccm，刻蚀时间为150秒；最后，将刻蚀完成的样片放在光刻机下充分曝光15秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，并用质量浓度为5‰的NaOH溶液去除下包层上面的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，便制得了波导凹槽(32和32’)，凹槽的宽度和深度分别为4μm和1.5μm。

采用标准的光刻工艺制备器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和参考臂3的光波导芯层33(33’)：采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料EpoClad(EpoClad的热光系数为-1.18×10^-4K^-1，参见文献：Applied Optics,55(5),969-973,2016.)旋涂在聚合物下包层上形成倒脊形光波导，旋涂速度控制在4000转/分钟，得到厚度为4μm的薄膜；然后将样片放在烤胶机上进行70℃(15分钟)、90℃(10分钟)的前烘，再在波长为365nm的紫外光刻机下进行对版光刻，波导掩膜版为图2(b)中传感臂4凹槽结构上方区域对应的长方形结构，其长度为传感臂4的长度，其宽度为参考臂3和传感臂4间的中线到与其平行的衬底底边的距离，曝光时间为30秒，使需要制备的器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器和参考臂3的光波导芯层区域的光刻胶被紫外曝光；除去波导掩膜板，接着在烤胶机上进行70℃(20分钟)、95℃(10分钟)的中烘；待薄膜自然降至室温后，将其放入EpoClad专用显影液PGMEA中湿法刻蚀35秒，将未曝光的传感臂4凹槽结构中及其上方区域的聚合物芯层材料去除；再将其放入异丙醇溶液中清洗去除残留显影液和聚合物芯层材料，然后用去离子水反复冲洗样片去除残液，并在用氮气吹干之后，在135℃条件下后烘坚膜30分钟，便制得了器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器、参考臂3的光波导芯层33(33’)和未被光波导芯层33(33’)覆盖的传感臂4的凹槽结构及其上方区域，参考臂3的光波导芯层的厚度(包括凹槽部分)为4μm。

传感臂4的光波导芯层制备：采用旋涂工艺将另一种不同热光系数的聚合物芯层材料SU-8 2005(SU-8 2005的热光系数为-1.86×10^-4K^-1，参见文献：OpticsCommunications,285,3758-3762,2012.)旋涂在制得的传感臂4的凹槽结构中及其上方区域，同时也覆盖了上一步骤得到的光波导芯层33(33’)，旋涂速度为4500转/分钟，形成倒脊形光波导，然后将样片放在烤胶机上进行65℃(10分钟)、90℃(10分钟)的前烘，再在波长为365nm的紫外光刻机下进行曝光，曝光时间为20秒，接着在烤胶机上进行65℃(10分钟)、95℃(10分钟)的中烘，再在140℃条件下后烘坚膜20分钟，并采用ICP刻蚀工艺将紫外负性光刻胶芯层材料上的平板聚合物层刻蚀掉，进而完成器件传感臂4的光波导芯层制备，传感臂4光波导芯层的厚度(包括凹槽部分)为4μm。

采用旋涂工艺制备聚合物上包层35：将聚合物材料PMMA旋涂在制备好的光波导芯层33(33’、34)上，旋涂速度控制在3000转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2.5小时，得到厚度为4μm的波导上包层。

这样便制备出符合设计要求的基于非对称MZI光波导的温度传感器。在制备完成后，对实施例1中所制备的基于非对称MZI光波导的温度传感器进行了温度传感性能的测试，测试仪器包括提供信号光的可调谐半导体激光器(波长调节范围为1510nm～1590nm)、用于调节光纤与光波导对准的五维微调架、控制器件温度变化的温度控制器、用于观测波导输出光斑的红外摄像机、用于测量器件输出光功率大小的光功率计、用于测量器件输出光谱的光谱仪，在1550nm信号光波长下，测得器件的插入损耗为12.3dB；然后通过控制温度控制器改变整个器件的外界温度，并通过监测器件的输出光功率的变化来计算器件的传感灵敏度，图6给出了器件的输出光谱随外界温度变化的关系曲线，通过计算得到该器件的传感灵敏度为-17.46μW/℃。

实施例2

硅衬底的清洁处理：将硅衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗8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，用氮气吹干，最后在110℃条件下烘烤1.5小时去除水气。

采用旋涂工艺制备聚合物波导下包层：将聚合物材料PMMA旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度控制在3000转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2.5小时，得到厚度为4μm的波导下包层。

采用标准的光刻和干法刻蚀工艺制备波导凹槽：首先，在制备好的聚合物下包层上蒸镀一层厚度为100nm的Al掩膜，采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为2μm的正性光刻胶BP212，在85℃条件下前烘20分钟；其次，在光刻机上，将其与波导掩膜板紧密接触进行对版光刻，波导版上具有MZI光波导结构图形，曝光光刻胶时间为7秒，除去波导掩膜板，经过12秒的专用显影液显影后，在100℃条件下烘烤10分钟，从而在Al膜上得到所需要的波导图形；再次，将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中60秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；然后，将样片放入感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的天线射频功率为400W，偏置功率为40W，氧气流量为30sccm，刻蚀时间为150秒；最后，将刻蚀完成的样片放在光刻机下充分曝光15秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，并用质量浓度为5‰NaOH溶液去除下包层上面的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，便制得了波导凹槽(32和32’)，凹槽的宽度和深度分别为4μm和1.5μm。

采用标准的光刻工艺制备器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和参考臂3的光波导芯层33(33’)：采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料EpoClad(EpoClad的热光系数为-1.18×10^-4K^-1，参见文献：Applied Optics,55(5),969-973,2016.)旋涂在聚合物下包层上形成倒脊形光波导，旋涂速度控制在4000转/分钟，得到厚度为4μm的薄膜；然后将样片放在烤胶机上进行70℃(15分钟)、90℃(10分钟)的前烘，再在波长为365nm的紫外光刻机下进行对版光刻，波导掩膜版为图2(b)中传感臂4凹槽结构上方区域对应的长方形结构，其长度为传感臂4的长度，其宽度为参考臂3和传感臂4间的中线到与其平行的衬底底边的距离，曝光时间为30秒，使需要制备的器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和干涉臂3的光波导芯层区域的光刻胶被紫外曝光；除去波导掩膜板，接着在烤胶机上进行70℃(20分钟)、95℃(10分钟)的中烘；待薄膜自然降至室温后，将其放入EpoClad专用显影液PGMEA中湿法刻蚀35秒，将未曝光的传感臂4凹槽结构中及其上方区域的聚合物芯层材料去除；再将其放入异丙醇溶液中清洗去除残留显影液和聚合物芯层材料，然后用去离子水反复冲洗样片去除残液，并在用氮气吹干之后，在135℃条件下后烘坚膜30分钟，便制得了器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器、参考臂3的光波导芯层33(33’)和未被光波导芯层33(33’)覆盖的传感臂4的凹槽结构及其上方区域，参考臂3的光波导芯层的厚度(包括凹槽部分)为4μm，其波导端面显微镜结构如图5(a)所示。

传感臂4的光波导芯层制备：采用旋涂工艺将另一种不同热光系数的聚合物芯层材料NOA73(NOA73的热光系数为-3.0×10^-4K^-1，参见文献：Optics Communications,283,2133-2135,2010.)旋涂在制得的传感臂4的凹槽结构中及其上方区域，同时也覆盖了上一步骤得到的光波导芯层33(33’)，旋涂速度为5000转/分钟，形成倒脊形光波导，然后将样片在120℃条件下烘烤2.5小时，并采用ICP刻蚀工艺将紫外负性光刻胶芯层材料上的平板聚合物层刻蚀掉，进而完成器件传感臂4的光波导芯层制备，传感臂4光波导芯层的厚度(包括凹槽部分)为4μm，其波导端面显微镜结构如图5(b)所示；

采用旋涂工艺制备聚合物上包层35：将聚合物材料PMMA旋涂在制备好的光波导芯层33(33’、34)上，旋涂速度控制在3000转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2.5小时，得到厚度为4μm的波导上包层。

这样便制备出符合设计要求的基于非对称MZI光波导的温度传感器。在制备完成后，对实施例2中所制备的基于非对称MZI光波导的温度传感器进行了温度传感性能的测试，测试仪器包括提供信号光的可调谐半导体激光器(波长调节范围为1510nm～1590nm)、用于调节光纤与光波导对准的五维微调架、控制器件温度变化的温度控制器、用于观测波导输出光斑的红外摄像机、用于测量器件输出光功率大小的光功率计、用于测量器件输出光谱的光谱仪、提供电信号的函数信号发生器以及用于观测器件时间响应的数字示波器，在1550nm信号光波长下，测得器件的插入损耗为12.6dB；然后通过控制温度控制器改变整个器件的外界温度，并通过监测器件的输出光谱的变化来计算器件的传感灵敏度，图7给出了器件的输出光谱随外界温度变化的关系曲线，通过计算得到该器件的传感灵敏度为-45.57μW/℃，与实施例1中的器件相比，灵敏度有了明显提高，这主要是由于两条干涉臂光波导芯层的材料的热光系数差别较大造成的。因此，在设计和制备该类型的平面光波导温度传感器时，应该选用热光系数差值较大的两种有机聚合物光波导芯层材料。

同时，我们进一步设计并制备了如图8所示的铝加热电极来模拟外界环境温度的变化，铝加热电极同时覆盖两条干涉臂，并测量了器件的时间响应特性曲线，测试结果如图9所示，测得该器件对外界环境温度上升和下降的响应时间分别为642.8μs和617.6μs。

Claims (8)

1.一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由输入直波导(1)，3-dB Y分支分束器(2)，两条平行的参考臂(3)和传感臂(4)，3-dB Y分支耦合器(5)和输出直波导(6)所构成；

从下到上，输入直波导(1)和输出直波导(6)、3-dB Y分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(5)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的具有单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)、在单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)上制备的具有倒脊型波导结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)上制备的聚合物上包层(35)组成；

MZI结构的参考臂(3)和传感臂(4)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的具有双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)、在双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)上制备的具有倒脊型光波导结构的参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)、在参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)上制备的聚合物上包层(35)组成；

具有单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)和具有双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)的材料和厚度相同，参考臂光波导芯层(33’)和光波导芯层(33)的材料和厚度相同；光波导芯层(33)、参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)的厚度和宽度相同；参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)的材料热光系数不同，光波导芯层(33)和传感臂光波导芯层(34)材料的折射率高于聚合物下包层(32、32’)和聚合物上包层(35)材料的折射率。

2.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，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，3-dB Y分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(3)的Y分支角度θ为0.5～1.5°，参考臂(3)和传感臂(4)的长度a₂和a₂’为1～2.5cm，参考臂(3)和传感臂(4)的中心间距d为30～100μm。

3.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)和双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)的厚度为3～6μm，光波导芯层(33)、参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)的厚度为2～6μm、宽度为3～6μm，波导凹槽结构的高度为0.5～2.0μm，聚合物上包层(35)的厚度为3～6μm。

4.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)和双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯。

5.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：光波导芯层(33)和参考臂光波导芯层(33’)的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore或EpoClad，且折射率高于聚合物上包层和下包层材料的折射率。

6.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：传感臂光波导芯层(34)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、NOA73、NOA61、NOA63、EpoCore、EpoClad、SU-8 2005或SU-8 2002。

7.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：聚合物上包层(35)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯。

8.权利要求1～7任何一项所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器的制备方法，其步骤如下：

A：硅片衬底的清洁处理

将硅片衬底(31)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10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，再在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；

B：聚合物下包层及其上面凹槽结构的制备

采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底(31)上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后在100～150℃条件下烘烤2～3小时；然后，采用蒸镀工艺在制备好的聚合物下包层上蒸镀一层厚度为50～200nm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BP212，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与波导掩膜板紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，曝光时间为5～10秒，除去波导掩膜板，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BP212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波导凹槽图形；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；然后，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60～240秒，从而在聚合物下包层上刻蚀出凹槽结构；最后，在光刻机下充分曝光10～20秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，再用质量浓度为5～8‰的NaOH溶液去除残余的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，最后在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；

C：器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和参考臂3光波导芯层的制备

采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料旋涂在下包层上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版的形状为传感臂(4)凹槽结构上方区域对应的长方形结构，其长度为传感臂(4)的长度，其宽度为参考臂(3)和传感臂(4)间的中线到与其平行的衬底底边的距离，曝光时间为10～50秒，使需要制备的器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器和参考臂(3)的光波导芯层区域的聚合物芯层材料被紫外曝光；除去波导掩膜板，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温以后，再在光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将传感臂(4)凹槽结构中及其上方区域的聚合物芯层材料去除；然后将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和聚合物芯层材料，再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30～90分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层(32、32’)上制得器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器的光波导芯层(33)、参考臂(3)光波导芯层(33’)和未被光波导芯层(33、33’)覆盖的传感臂(4)的凹槽结构及其上方区域；

D：传感臂光波导芯层(34)的制备

采用旋涂工艺将另一种不同热光系数的聚合物芯层材料旋涂在传感臂(4)的凹槽结构中及其上方区域，同时也覆盖了步骤C得到的光波导芯(33、33’)，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在100～140℃条件下烘烤1～3小时进行坚膜；最后，采用ICP刻蚀工艺将光波导芯层(33、33’)上的平板聚合物层刻蚀掉，进而完成器件传感臂(4)光波导芯层(34)的制备；

E：聚合物上包层的制备

采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在光波导芯层(33、33’、34)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，上包层完全覆盖光波导芯层，从而制备得到基于非对称MZI光波导的温度传感器。