CN110082001A

CN110082001A - 一种基于加载条形结构的非对称mzi光波导温度传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN110082001A
Application number: CN201910507792.4A
Authority: CN
Inventors: 张大明; 牛东海; 王希斌; 许强; 姜明慧; 王力磊
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2019-08-02

Abstract

一种基于加载条形结构的非对称MZI光波导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。从左至右，由输入直波导，3‑dB Y分支分束器，两条非对称参考臂和传感臂，3‑dB Y分支耦合器和输出直波导所构成；从下至上，参考臂和传感臂依次由硅片衬底、双波导凹槽结构的聚合物下包层、参考臂光波导芯层和传感臂光波导芯层、未曝光和曝光后的有机无机杂化材料平板、聚合物上包层组成。本发明可以通过光漂白传感臂表面的含有生色团分子的有机无机杂化材料使其折射率发生改变，进一步加大两干涉臂光传输时光模式场随环境改变的差异，加剧输出光强的改变，具有重要的实际应用价值。

Description

一种基于加载条形结构的非对称MZI光波导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、以有机无机杂化材料作为加载条形波导、以热光系数较大的有机聚合物作为波导芯层和包层的非对称Mach–Zehnder interferometer(MZI)光波导温度传感器及其制备方法。

背景技术

温度与人类生活的环境有着密切的关系，人们的日常生活、农产品种植、动物繁衍、科学研究等诸多领域都与温度测量有着重要的联系。因而，长期以来对温度的精准测量一直是一个重要的研究方向。随着科学的发展科技的进步，对温度的监测更向着高精度、大分辨率和好的稳定性方向发展。传感器作为一种有效获取信息的媒介，可以将各种物理量(温度、湿度、气体、压力、光波、液体折射率等)转换成便于传输和转换的物理参数，因而在关系国计民生的各个方面具有重要的应用价值，也成为了世界各国科研工作者的一个研究热点。与各种类型得到电学传感器相比，光学传感器具有一些独特的优势，诸如：体积小携带方便、抗电磁干扰、结构简单制作成本低廉及耐腐蚀等。平面光波导传感器作为光学传感器的一个重要组成部分，因其稳定性能高、材料选择多样、制备工艺与半导体工艺相兼容等优点而被广泛研究，并被大量的应用于航空航天、生物制药、环境监测及微生物培养等领域。目前，用于构成平面光波导传感器的材料主要有无机材料和有机聚合物材料两种。与无机材料相比较，有机聚合物材料具有种类多样、价格低廉、制备工艺与半导体工艺兼容、抗电磁干扰等优点，并且可以实现对其进行分子水平的设计进而获得最佳的光学指标。此外，有机聚合物材料还具有热光系数大，通过简单工序如：光照、加热等改变其折射率等特性，因而常被用于制作高性能光学传感器的理想材料。

Mach–Zehnder interferometer(MZI)作为是一种最基本的器件结构，被广泛应用于平面光波导器件的结构设计中，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结构是由两条平行的干涉臂、Y分支3-dB分束器/耦合器和输入和输出两根直波导所构成。但是，传统的MZI波导结构无法具有传感功能，因为当外界环境改变时两条平行的干涉臂传输的光的相位变化均相同，输出光强没有变化，因而无法检测外界环境的变化。常见的解决方案是引入刻蚀窗口，其工作原理是将其中一条干涉臂作为参考臂，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，使芯层材料暴露在外界环境中，随着外界环境的变化，该传感臂的有效折射率会随之改变，进而使其中的相位发生变化，并进一步调节输出光的强度。利用这种结构，已经成功制备得到了用于检测液体折射率的折射率传感器，生化传感器和加速度传感器等传感器件。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。但是在实际的应用中，MZI的两条干涉臂是同时处于相同的环境中的，两条干涉臂的有效折射率变化相同，从而无法实现对温度的监测功能，这一特性严重限制了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基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导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、以热光系数较大的聚合物材料作为MZI光波导传感臂和参考臂的芯层，并以DR1-SiO₂/TiO₂有机无机杂化材料构成加载条形结构。可以通过光漂白传感臂表面的含有生色团分子的有机无机杂化材料使其折射率发生改变，进一步加大两干涉臂光传输时光模式场随环境改变的差异，加剧输出光强的改变。这种结构充分利用了有机聚合物材料热光系数较大，稳定性较好和加工性强以及有机无机杂化材料折射率可调整的优势。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结构，其特征在于：整个器件为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2，两条非对称参考臂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，传感臂4中通过引入弯曲波导结构实现其长度大于参考臂3)，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，且输入直波导1、3-dB Y分支分束器2、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的宽度相同；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的长度a2为1～2.5cm，传感臂4的长度a2’为1.05～2.6cm，参考臂3和传感臂4之间最小中心间距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上制备的具有条形光波导结构的光波导芯层33、在光波导芯层33上制备的有机无机杂化材料平板35、在有机无机杂化材料平板35上制备的聚合物上包层37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’上制备的具有条形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(33、33’和34的材料相同)、在参考臂光波导芯层33’上制备的有机无机杂化材料平板35’(35和35’的材料相同)、在传感臂光波导芯层34上制备的曝光后的有机无机杂化材料平板36、在有机无机杂化材料平板35’和曝光后的有机无机杂化材料平板36上制备的聚合物上包层37组成；

硅片衬底31的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层32和32’的厚度相同为4～6μm，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2～4μm，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2～6μm，有机无机杂化材料平板35’和曝光后的有机无机杂化材料平板36的厚度相同为0.5～1.5μm，聚合物上包层37的厚度为2～6μm。

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，用氮气吹干后在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上，旋涂速度为3000～6000转/分钟，然后将聚合物薄膜在100～150℃条件下烘烤2～3小时，制得厚度为4～6μm的聚合物下包层(32、32’，聚合物下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)；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100～200nm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(其中，传感臂4对应的掩膜区域为弯曲波导结构，参考臂3对应的掩膜区域为直波导结构，从而使传感臂4的长度略大于参考臂3的长度)，曝光时间为3～10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(InductivelyCoupled 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100～240秒，从而在聚合物下包层(32、32’)上刻蚀出凹槽结构(凹槽结构的高度为2～4μm)；最后，在光刻机下再充分曝光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、参考臂3光波导芯层33(33’)和传感臂4光波导芯层34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Norland Optical Adhesives 73(NOA 73)、Norland Optical Adhesives 61(NOA 61)、Norland Optical Adhesives 63(NOA 63)、SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列紫外负性光刻胶材料，聚合物芯层材料的折射率大于聚合物上/下包层材料的折射率，并且与光漂白前后的有机无机杂化材料的折射率具有较好的匹配度)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4～6μm；然后在功率为450W的紫外固化灯下曝光3～5分钟，曝光的同时将硅片置于60℃～100℃的热板上固化；最后，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10～20sccm，SF₆气流量为30～60sccm，CF₄气流量为5～10sccm，刻蚀时间为300～500秒以去除聚合物芯层材料的平板部分；这样便在聚合物下包层的凹槽中制得器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器、参考臂3的光波导芯层33(33’)和传感臂4的光波导芯层34；

D：加载条形结构的平板层材料有机无机杂化材料35(35’)的制备

以有机无机杂化材料DR1/TiO₂-SiO₂作为加载条形结构的平板层材料；采用旋涂工艺将DR1/TiO₂-SiO₂涂覆在制得的器件表面，旋涂速度为1000～2000转/分钟，薄膜厚度为0.5～1.5μm；然后，在80～100℃条件下烘烤1～3小时进行坚膜；

有机无机杂化材料DR1/TiO₂-SiO₂可通过溶胶-凝胶法制备得到；制备过程中选用的材料包括：硅源：正硅酸乙酯(TEOS)；钛源：钛酸四丁酯(TBOT)，可以进行折射率的调节；酸性催化剂：质量分数10～36％的盐酸，用于催化反应；共溶剂：C₂H₅OH(乙醇)；发色团：DR1，可以被SiO₂形成的无机三维网格所束缚，且性价比较高；降低薄膜刚性的3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(KH560)，增强材料薄膜的耐水性、疏水性、热稳定性和光透过率；具体的合成步骤归纳如下：

1、在一个清洗干净的锥形瓶中，依次加入DR1、TEOS、TBOT、C₂H₅OH、KH560、10～36％浓盐酸，摩尔比为DR1:KH560:TEOS:TBOT:C₂H₅OH:HCl＝(0.01～0.04):(0.5～1):(0.5～1):(0.2～0.8):(5～18):(1～5.6)；

2、将盛有原材料的锥形瓶放在温控磁力搅拌器上，在10～20℃下均匀搅拌5～20min，制得溶胶溶液；

3、由于搅拌完成的溶液是溶胶状态，可以利用0.11～0.22μm的有机滤膜过滤之后再旋涂；

E：光波导芯层34上方有机无机杂化材料36的制备

在光刻机上，将制得的器件与波导掩膜板紧密接触进行对版，掩膜板的结构与制备得到的MZI传感臂4的结构互补；利用功率为200～400W的紫外灯对器件进行曝光处理，曝光时间为8～10小时，使其内部的生色团结构发生变化，进而改变光波导芯层34上方有机无机杂化材料36的折射率。

F：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)旋涂在有机无机杂化材料35(35’、36)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2～6μm的上包层，上包层完全覆盖有机无机杂化材料平板层，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以及通过在传统MZI波导温度传感器的传感臂和参考臂的波导芯层上制备一层折射率可调，含有多种生色团的有机无机杂化材料，在紫外光照射下生色团的结构发生改变进而改变传感臂有效折射率这一特性，可以将参考臂和传感臂的有效折射率随外界环境温度的变化进一步加大，进而改变输出光的强度，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度的制备技术，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MZI光波导温度传感器的制备工艺流程图；

图5(a)：DR1/TiO₂-SiO₂杂化材料薄膜折射率与掺入的TEOS和TBOT不同摩尔比例的关系曲线；

图5(b)：DR1/TiO₂-SiO₂杂化材料的折射率与紫外光曝光时间的关系曲线；

图6：基于非对称MZI光波导温度传感器的横截面显微镜照片；

图7：实施例中制备的器件输出光功率随温度的变化关系曲线；

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2，两条非对称的参考臂3和传感臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6，其中传感臂4中通过引入弯曲波导结构实现其长度大于参考臂3。

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，具有条形光波导结构的光波导芯层33，有机无机杂化材料平板35，聚合物上包层37；(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),具有条形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(33、33’和34的材料相同),有机无机杂化材料平板35’(35和35’的材料相同),曝光后的有机无机杂化材料平板36,聚合物上包层37。

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，(b)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，我们选用实施例中的材料和波导尺寸，从图(a)中可以看出光场主要集中加载条形区域；而图(b)中光场主要集中在条形波导芯中。从而说明了光漂白传感臂上方的有机无机杂化材料后对光的模式场产生了影响，进而导致光在参考臂3和传感臂4中传输时的模式场不同。

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光波导芯层，34为基于有机聚合物材料的传感臂光波导芯层，35为参考臂光波导芯层上方有机无机杂化材料薄膜，36为传感臂光波导芯层上方有机无机杂化材料薄膜，37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)图为DR1/TiO₂-SiO₂杂化材料的折射率与掺入的TEOS和TBOT比例的关系曲线，(b)图为DR1/TiO₂-SiO₂杂化材料的折射率与紫外光照时间的关系曲线。

如图6所示，基于非对称MZI光波导温度传感器的传感臂4横截面显微镜照片，传感臂4的条形芯层材料的厚度为3.5μm，杂化材料平板层厚度为1μm。

如图7所示，当外界温度由25.0℃变化到27.2℃，器件输出光功率由-11.6dBm下降到-22.9dBm，计算得到其传感灵敏度为-5.252dB/℃。

具体实施方式

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100℃条件下烘烤1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4000转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2小时，得到厚度为6μm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，波导版上具非对称MZI光波导结构图形，波导掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，传感臂4对应的掩膜区域为弯曲波导结构，参考臂3对应的掩膜区域为直波导结构，从而使传感臂4的长度略大于参考臂3的长度，曝光光刻胶时间为3.5秒，除去波导掩膜板，经过10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，将器件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120秒；最后，将刻蚀完成的器件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，凹槽的宽度和深度分别为6μm和2.5μm。

采用旋涂、干法刻蚀制备器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器、参考臂3的光波导芯层33(33’)和传感臂4的光波导芯层34；采用旋涂工艺将一种具有负热光系数的聚合物芯层材料(该聚合物芯层是NOA73紫外固化胶，因为该聚合物材料性质稳定，折射率大于包层材料的折射率，并且与光漂白前后的有机无机杂化材料的折射率很好的匹配在一起)旋涂在下包层上形成薄膜，旋涂速度为5000转/分钟，薄膜厚度为4μm；然后在功率为450W紫外固化灯下曝光3分钟，曝光的同时将硅片置于75℃的热板上烘烤；最后，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400W，偏置功率为35W，氧气流量为10sccm，SF₆气流量为40sccm，CF₄气流量为5sccm，刻蚀时间为500秒以去除聚合物芯层材料的平板部分；最终，形成参考臂3的长度为1cm，传感臂的长度为1.09cm。从而形成了输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和参考臂/传感臂的光波导芯层。

采用溶胶/凝胶法制备DR1/TiO₂-SiO₂有机无机杂化材料，并通过旋涂的方式制备加载条形的平板层结构35(35’)，旋涂速度为2000转/分钟，厚度为1μm，再在100℃条件下烘烤2小时进行坚膜；然后，在光刻机上，将制得的器件与波导掩膜板紧密接触进行对版，掩膜板的结构与制备得到的MZI传感臂结构互补；利用功率为400W的紫外灯对器件进行曝光处理，曝光时间为10小时，使其内部的生色团结构发生变化，进而降低传感臂光波导芯层上方有机无机杂化材料36的折射率。

有机无机杂化材料DR1/TiO₂-SiO₂可通过溶胶-凝胶法制备得到；制备过程中选用的材料包括：硅源：正硅酸乙酯(TEOS)；钛源：钛酸四丁酯(TBOT)，可以进行折射率的调节；酸性催化剂：36％的盐酸，用于催化反应；共溶剂：C₂H₅OH(乙醇)；发色团：DR1，可以被SiO₂形成的无机三维网格所束缚，且性价比较高；降低薄膜刚性的3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(KH560)，增强材料薄膜的耐水性、疏水性、热稳定性和光透过率；具体的合成步骤归纳如下：

1、在一个清洗干净的锥形瓶中，依次加入DR1、TEOS、TBOT、C₂H₅OH、KH560、36％浓盐酸，摩尔比为DR1:KH560:TEOS:TBOT:C₂H₅OH:HCl＝0.04:1:1:0.8:18:5.6；

2、将盛有原材料的锥形瓶，放在温控磁力搅拌器上，在20℃下均匀搅拌20min，制得溶胶溶液；

3、由于搅拌完成的溶液是溶胶状态，可以利用0.22μm的有机滤膜过滤之后再旋涂在器件中。

采用旋涂工艺制备聚合物上包层37：将聚合物材料PMMA旋涂在制备好的在有机无机杂化材料35(35’、36)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2μm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，对上述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，在1550nm信号光波长下，在25℃条件下，测得器件的插入损耗为-11.6dB；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功率的变化来计算器件的传感灵敏度，图7给出了器件输出光功率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-5.252dB/℃。

Claims

1.一种基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导温度传感器，其特征在于：

整个器件为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)，两条非对称参考臂(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，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，输入直波导(1)、3-dB Y分支分束器(2)、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)的宽度相同；

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)上制备的具有条形光波导结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)上制备的有机无机杂化材料平板(35)、在有机无机杂化材料平板(35)上制备的聚合物上包层(37)组成；参考臂(3)和传感臂(4)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底上制备的具有双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)，在聚合物下包层(32’)上制备的具有条形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’)上制备的有机无机杂化材料平板35’、在传感臂光波导芯层(34)上制备的曝光后的有机无机杂化材料平板(36)、在有机无机杂化材料平板(35’)和曝光后的有机无机杂化材料平板(36)上制备的聚合物上包层(37)组成；

有机无机杂化材料为DR1/TiO₂-SiO₂，由如下步骤制备得到，

①在反应容器中依次加入DR1、TEOS、TBOT、C₂H₅OH、KH560、质量分数10～36％的盐酸，摩尔比为DR1:KH560:TEOS:TBOT:C₂H₅OH:HCl＝(0.01～0.04):(0.5～1):(0.5～1):(0.2～0.8):(5～18):(1～5.6)；

②将该容器在10～20℃下均匀搅拌5～20min，制得溶胶溶液；

③将溶胶溶液利用0.11～0.22μm的有机滤膜过滤。

2.如权利要求1所述的一种基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导温度传感器，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)的长度a2为1～2.5cm，传感臂(4)的长度a2’为1～2.6cm，参考臂(3)和传感臂(4)之间最小中心间距d为30～100μm；硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(32、32’)的材料和厚度相同，厚度为4～6μm；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)的材料和厚度相同，厚度为2～4μm；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2～6μm，有机无机杂化材料平板(35’)和曝光后的有机无机杂化材料平板(36)的厚度相同为0.5～1.5μm，聚合物上包层(37)的厚度为2～6μm。

3.权利要求1所述的一种基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导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

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上，旋涂速度为3000～6000转/分钟，然后将聚合物薄膜在100～150℃条件下烘烤2～3小时，制得聚合物下包层(32、32’)；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100～200nm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，传感臂(4)对应的掩膜区域为弯曲波导结构，参考臂(3)对应的掩膜区域为直波导结构，从而使传感臂(4)的长度大于参考臂(3)的长度；曝光时间为3～10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，从而在聚合物下包层(32、32’)上刻蚀出高度为2～4μm的凹槽结构；最后，在光刻机下再充分曝光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、参考臂(3)光波导芯层(33、33’)和传感臂(4)光波导芯层(34)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4～6μm；然后在功率为450W的紫外固化灯下曝光3～5分钟，曝光的同时将硅片置于60℃～100℃的热板上固化；最后，在感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，以去除聚合物芯层材料的平板部分；这样便在聚合物下包层的凹槽中制得器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器、参考臂(3)的光波导芯层(33、33’)和传感臂(4)的光波导芯层(34)；

D：加载条形结构的平板层材料有机无机杂化材料(35、35’)的制备

以有机无机杂化材料DR1/TiO₂-SiO₂作为加载条形结构的平板层材料；采用旋涂工艺将DR1/TiO₂-SiO₂涂覆在制得的器件表面，旋涂速度为1000～2000转/分钟；然后，在80～100℃条件下烘烤1～3小时进行坚膜；

E：光波导芯层(34)上方有机无机杂化材料(36)的制备

在光刻机上，将制得的器件与波导掩膜板紧密接触进行对版，掩膜板的结构与制备得到的MZI传感臂(4)的结构互补；利用功率为200～400W的紫外灯对器件进行曝光处理，曝光时间为8～10小时，使其内部的生色团结构发生变化，进而改变光波导芯层(34)上方有机无机杂化材料(36)的折射率。

F：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有机无机杂化材料(35、35’、36)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(37)，上包层完全覆盖有机无机杂化材料平板层，从而制备得到基于非对称MZI光波导的温度传感器。

4.如权利要求3所述的一种基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导温度传感器的制备方法，其特征在于：聚合物下包层(32、32’)材料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯；聚合物芯层(33)材料是NOA 73、NOA 61、NOA 63、SU-82002、SU-8 2005、EpoCore或EpoClad；聚合物上包层(37)材料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯。

5.如权利要求3所述的一种基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导温度传感器的制备方法，其特征在于：步骤C中感应耦合等离子体刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，刻蚀时间为100～240秒。

6.如权利要求3所述的一种基于加载条形波导结构的非对称MZI光波导温度传感器的制备方法，其特征在于：步骤C中感应耦合等离子体刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为10～20sccm，SF₆气流量为30～60sccm，CF₄气流量为5～10sccm，刻蚀时间为300～500秒。