CN110308572B - 一种倒三角形波导结构的m-z型聚合物热光开关及其制备方法 - Google Patents

一种倒三角形波导结构的m-z型聚合物热光开关及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种倒三角形M‑Z型波导结构的聚合物热光开关及其制备方法，属于光波导型热光开关制备技术领域。具体包括制备带有间隔层的掩膜板，采用间隔掩模版对光波导芯层进行光写入，而后旋涂上包层材料、蒸发金属膜、旋涂光刻胶、对版光刻、显影制备电极图形，而后解理即可实现在衬底上制备倒三角形M‑Z型波导结构的聚合物热光开关。倒三角形结构波导相比矩形结构波导更容易实现单模，可在短波长实现单模波导，解决M‑Z型开关在短波长消光比低的问题。本发明采用光漂白的方法制备波导，波导的芯层和包层不存在互溶，且表面光滑平整，降低了波导的散射损耗。本发明工艺流程简单，可大幅提升波导器件的制备效率，且光写入的方法具备良好的制备精度。

Description

一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关及其制备 方法
技术领域
本发明属于光波导型热光开关制备技术领域，具体涉及一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关及其制备方法。
背景技术
光开关是光通信领域的重要器件，热光开关利用材料的热光效应，实现开关功能。波导型热光开关具有结构紧凑，可大规模集成等优势。现有波导型热光开关主要采用金属电极加热，通过电极发热，实现温度的变化，利用温度带来的热光效应，对波导材料折射率进行改变，从而实现开关功能。
从光波导热光开关材料划分，热光开关可以分为聚合物热光开关和无机热光开关，聚合物材料相比于无机材料具有更大的热光系数，所以聚合物热光开关可以在低功耗下实现开关效果。相比于聚合物材料，无机材料其导热系数更大，所以无机热光开关相比于聚合物热光开关，可以实现更快的开关时间。另外一种结构采用有机聚合物作为波导芯层材料，无机材料作为衬底，这种结构在开关时间和功耗方面性能均衡。
现有热光开关结构中，波导主要采用光刻、刻蚀方法，其波导结构一般为矩形结构，矩形结构的波导在通信波段(1550nm)可以实现单模波导，实现良好的消光比，但是在短波长通信波段(650nm和532nm)很难实现单模，器件受模式影响，难以实现高消光比。另外，波导要实现单模，需要材料较低的芯层和包层折射率差，而过低的折射率差调控困难，且在器件制备的过程中容易发生互溶现象。
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，研制倒三角形波导替代矩形波导，采用Mach–Zehnder(M-Z)结构，实现有机无机混合集成热光开关。该开关具备如下优势：
第一，倒三角形结构波导相比矩形结构波导更容易实现单模，可在短波长实现单模波导，解决M-Z型开关在短波长消光比低的问题。第二，相同厚度的倒三角形结构波导相比于矩形结构波导，光场在垂直方向被向上压缩，该结构与顶电极结构结合，具备更高的加热效率，从而可实现开关功耗的降低。第三，本发明采用光漂白的方法制备波导，波导的芯层和包层不存在互溶，且表面光滑平整，降低了波导的散射损耗。第四，本发明的三角形结构波导工艺流程简单，可大幅提升波导器件的制备效率，且光写入的方法具备良好的制备精度。
本发明具体包括制备带有间隔层的掩膜板，采用间隔掩模版对光波导芯层进行光写入，而后旋涂上包层材料，蒸发金属膜，旋涂光刻胶，对版光刻、显影制备电极图形，而后解理，即可实现在衬底上制备倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关。
本发明所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其步骤如下，工艺流程图如附图1、附图2所示：
(1)厚度0.5～100μm的间隔层掩模版(10)的制备
用二氧化碳激光器(1)在垂直基底表面切割出矩形结构聚合物基底(2)；在聚合物基底(2)上真空蒸镀20～200nm厚的铝膜(3)，在铝膜(3)上旋涂正性或负性光刻胶，固化后得到0.5～2μm厚(为保证光刻精度，因此厚度不超过2μm)的光刻胶薄膜(4)；采用光刻掩模版(5)对光刻胶薄膜(4)进行掩膜曝光，光刻掩模版(5)的结构与M-Z型波导结构相同或与M-Z型波导结构互补，M-Z型波导的宽度为2～100μm；
去除光刻掩模版(5)，将曝光的聚合物基底(2)和铝膜(3)置于光刻胶显影液中显影(质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液)，显影后用去离子水冲洗，即在聚合物基底(2)上得到M-Z型波导结构的光刻胶波导图形(6)；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，而后继续置于质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶波导图形(6)覆盖的铝膜(3)，在光刻胶波导图形(6)下面得到M-Z型波导结构的铝波导图形(7)；再次曝光之后置于去胶剂中，去除光刻胶波导图形(6)，后烘后在聚合物基底(2)上得到铝波导图形(7)；
在铝波导图形(7)的表面旋涂光敏性聚合物材料(如SU-8、EPO等)，形成厚度为0.5～100μm的光敏聚合物间隔层薄膜(8)，而后固化光敏性聚合物；对固化后的光敏聚合物间隔层薄膜(8)进行掩膜曝光，采用长度小于聚合物基底(2)的长度、宽度大于聚合物基底(2)的宽度的硅片(9)作为掩膜版，硅片(9)放置在光敏聚合物间隔层薄膜(8)上；曝光后经后烘、显影去掉未曝光的光敏性聚合物，从而在聚合物基底(2)上得到两端有光敏性聚合物矩形结构凸起、中间露出铝波导图形(7)的间隔层掩模版(10)；
聚合物基底(2)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，其厚度为1～2mm，长边边长为3～5cm，短边边长为2～3cm；激光器的切割功率为40～60W，走刀速度为1～100mm/s；
正性光刻胶曝光后该材料可通过显影去除曝光的部分，如BP212、BP218等系列光刻胶；负性光刻胶曝光后该材料可通过显影去除未曝光的部分，如SU-8-2002、SU-8-2005等系列光刻胶；
旋涂正性或负性光刻胶是将正性或负性光刻胶滴在铝膜(3)上，而后置于旋转涂覆机上，在1000～5000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20～60秒，使光刻胶材料均匀涂在铝膜(3)上；而后通过烘箱或热板加热(加热时间、温度与材料相关)的方式使得光刻胶材料由液态变为固态进行固化，形成光刻胶薄膜(4)；
当使用正性光刻胶时，光刻掩模版(5)的结构与M-Z型波导结构相同，光刻掩膜板的M-Z型波导结构区域为不透光区域，而其余区域为透光区域；当使用负性光刻胶时，光刻掩模版(5)的结构与M-Z型波导结构互补，光刻掩膜板的M-Z型波导结构区域为透光区域，而其余区域为不透光区域。
M-Z型波导结构由输入和输出区(a)、输入和输出Y分支区(b)及干涉臂直波导区(c)组成，干涉臂直波导区(c)为二个；输入和输出区(a)为直波导，长度为1～1.5cm；输入和输出Y分支区(b)的两个分支臂为相同的余弦形函数曲线波导(余弦形函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低)，分支臂函数的曲线方程为：y＝(1-cosπx/L)·h，其中x为余弦形函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦形函数曲线沿垂直波导方向的坐标，h＝20～50μm为余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度；L＝1～400mm为余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影长度；干涉臂直波导区(c)的长度为0.5～2cm，两条干涉臂间的距离为2*h(h＝20～50μm，见附图3光波导位置关系及参数图)；
曝光光刻胶薄膜(4)的时间为2～200s，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；曝光后经10～30秒的显影液显影后，被曝光的光刻胶材料被除去；显影后得到的光刻胶波导图形(6)的截面为矩形结构，横截面高0.5～2μm(由光刻胶薄膜(4)的旋涂厚度决定)；光刻胶波导图形(6)的宽度为光刻掩膜板(5)图形的宽度，也即M-Z型波导的宽度，为2～100μm；
后烘光刻胶薄膜(4)的温度为80～100℃，后烘的时间20～60分钟；去胶剂为无水乙醇等；
旋涂光敏聚合物间隔层材料是将光敏聚合物间隔层材料滴在铝波导图形(7)的表面上，而后置于旋转涂覆机上，在1000～8000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20～60秒，使光敏聚合物间隔层材料均匀涂在铝波导图形(7)的表面上；而后通过烘箱或热板加热(加热时间、温度与材料相关)的方式使得光敏聚合物间隔层材料由液态变为固态进行固化，形成光敏聚合物间隔层薄膜(8)；
硅片(9)在平行于M-Z结构直波导的方向短于聚合物基底(2)的长度，在垂直于M-Z结构直波导的方向大于等于聚合物基底(2)的宽度；即平行于M-Z结构直波导的矩形边长L为2.2～3.8cm，垂直M-Z结构直波导的矩形边长W为3～5cm，两端预留宽度L'为0.8～1.2cm；硅片(9)的尺寸及与聚合物基底(2)的位置关系及参数如附图4；
曝光光敏聚合物间隔层薄膜(8)的时间为4～300s，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；后烘光敏聚合物间隔层薄膜(8)的温度为60～180℃，后烘时间10～30分钟；后烘后经5～180秒的专用显影液显影后，未被曝光的光敏聚合物被除去；
(2)三角形波导的制作
将生长有厚度为2～5μm二氧化硅层的矩形硅片(长3～5cm，宽2～3cm)作为衬底(11)，二氧化硅层相当于波导器件的下包层；在二氧化硅层表面旋涂光敏性聚合物芯层材料(如SU-8、EPO等)，形成芯层薄膜(12)，而后固化光敏性聚合物芯层材料(芯层材料厚度1～100μm)；
采用间隔层掩模版(10)对芯层薄膜(12)进行掩膜曝光，间隔层掩模版(10)两端的光敏性聚合物矩形结构凸起与芯层薄膜(12)的上表面相接触；曝光后再在烘箱或热板上后烘，降至室温后在衬底(11)上得到具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)；
光敏性聚合物芯层材料为SU-8(Microchen公司)、EPO(micro resist technologyGembH公司)等；曝光时间为4～300s，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；后烘温度60～180℃，后烘时间10～30分钟；
(3)旋涂上包层材料
在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上旋涂聚合物上包层材料，固化后形成聚合物上包层(14)；
所述的聚合物上包层材料为甲基丙烯酸甲酯溶液，将甲基丙烯酸甲酯溶解在环戊酮溶液中(质量百分数为0.3％～2％)，然后滴在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上，再置于旋转涂覆机上，在1000～6000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20～60秒，使甲基丙烯酸甲酯材料均匀涂在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上；再通过后烘固化甲基丙烯酸甲酯材料，通过烘箱或热板加热使得甲基丙烯酸甲酯薄膜由液态变为固态(后烘温度为100～140℃，后烘时间为10～30分钟)，形成厚度为2～10μm的聚合物上包层(14)；
(4)制备电极
在聚合物上包层(14)上真空蒸镀厚度为20～200nm的铝膜(15)，再在铝膜(15)上旋涂光刻胶，固化后得到1～10μm厚的光刻胶薄膜(16)；再采用电极掩模版对光刻胶薄膜(16)进行对版曝光，使电极掩模版的有效加热区与M-Z型波导结构的一个干涉臂对应，电极加热区位于该干涉臂正上方，有效加热区中心线与该干涉臂中心线重合，对版后进行光刻而后显影；显影后在铝膜(15)上得到光刻胶电极图形(17)，采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，再在质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形(17)覆盖的铝膜(15)，在光刻胶电极图形(17)下层得到铝电极(18)；而后将带有光刻胶电极图形(17)和铝电极(18)的硅片整体曝光，之后置于去胶剂中去除铝电极(18)上的光刻胶电极图形(17)；而后用去离子水冲洗，烘箱或热板后烘后在聚合物上包层(14)上得到铝电极(18)；
电极掩模版为三段式结构，由有效加热区(a')、输入和输出区(b')和金属加热电极引脚区(c')三部分组成，其中输入和输出区(b')和金属加热电极引脚区(c')均为二个，输入和输出区(b')与有效加热区(a')相垂直，输入区、金属加热电极引脚区、有效加热区、金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区(b')在有效加热区(a')同侧，有效加热区(a')的长度L1为1～3cm、宽度W1为10～50μm；输入和输出区(b')的长度L3为0.3～1cm、宽度W2为50～200μm；金属加热电极引脚区(c')的长度L4为500～1500μm、宽度W3为2000～5000μm；
后烘温度为80～100℃，后烘时间为20～60分钟；曝光时间为2～200s，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2，光刻胶电极图形(17)的截面为矩形结构，横截面高1～10μm(由光刻胶薄膜(16)的旋涂厚度决定)，去胶剂为无水乙醇(CH3CH2OH)等。
(5)解理端面：最后垂直于光波导方向进行切割解理，即得到倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关。
进一步重复步骤1)和2)，只需要改变光敏性聚合物材料的种类和旋涂转速，可制备具有不同间隔层高度的掩膜板以及不同角度和尺寸结构的聚合物光波导。
步骤1)中所使用的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA基底2是甲基丙烯酸甲酯MMA与甲基丙烯酸环氧丙酯GMA的共聚物，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，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，可以控制材料的折射率在1.48～1.51之间，该材料可自主合成，也可商用购买表面抛光的成品。
Figure BDA0002120755840000051
Figure BDA0002120755840000061
与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
1、本发明提出采用间隔光写入方法制备三角形波导，解决三角形结构的M-Z型光波导在短波长的模式问题，提高器件的消光比。
2、本发明的三角形波导其光场被向顶电极方向压缩，相比于矩形波导，在同样上包层材料厚度的情况下，具有更高的加热效率。
3、采用间隔光写入的方法本发明不需要显影，其表面光滑，芯层和包层不存在互溶。
4、本发明研制的三角形波导其折射率差可通过后烘温度调整，实现折射率差的控制。
附图说明
图1：制备间隔层掩模版的工艺流程图；
图2：制备倒三角形M-Z型波导结构、旋涂上包层、制备电极的工艺流程图；
图3：M-Z型波导结构的示意图；
图4：硅片9掩膜版与聚合物基底2的位置关系示意图；
图5：铝电极18的结构及与M-Z型波导结构的位置关系示意图；
图6：不同间隔层厚度和对应掩膜板上的不同波导宽度形成的倒三角形M-Z型波导结构的显微照片。
表1：倒三角形结构的角度(三角形结构两个相同的底角定义为θ)与间隔层的厚度以及对应掩膜板中波导宽度的关系数据
Figure BDA0002120755840000062
具体实施方式
实施例1：
用二氧化碳激光器(1)切割表面抛光的PMMA基底薄片，在垂直薄片表面切割出矩形结构的聚合物基底(2)；表面抛光的PMMA基底薄片的厚度为1mm，激光器的切割功率为40W，走刀速度为20mm/s，得到的矩形结构的聚合物基底(2)的长边长为4cm，短边长为2cm；
在聚合物基底(2)上真空蒸镀厚度为100nm的铝膜(3)；在铝膜(3)上旋涂光刻胶BP212材料，在3000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光刻胶BP212材料均匀涂在聚合物基底(2)上，膜厚度为0.5μm；置于热板上87℃加热20min，降至室温后形成光刻胶薄膜(4)；采用M-Z型波导结构的光刻掩模版(5)掩模(M-Z型波导的输入和输出区的直波导长度为1.5cm，Y分支结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度h为30μm，在平行于直波导方向上的投影长度L为3mm；干涉臂直波导区的长度为0.5cm，两条干涉臂间的距离为60μm)，在365nm波长的汞灯下对版光刻，曝光强度40mW/cm2，曝光时间为2s。
去除光刻掩模版(5)，置于5‰的氢氧化钠溶液中显影5秒钟，显影后在铝膜(3)上得到光刻胶波导图形(6)；置于热板上95℃加热10min，降至室温后继续置于5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶波导图形(6)覆盖的铝膜(3)，在光刻胶波导图形(6)下面得到M-Z型波导结构的铝波导图形(7)；将带有光刻胶波导图形(6)和铝波导图形(7)的样片进行整体曝光，曝光时间为2s，曝光强度40mW/cm2，曝光波长为365nm。然后置于无水乙醇中，去除铝波导图形(7)上的光刻胶波导图形(6)，用去离子水冲洗后，置于热板上90℃加热10分钟后，即可在聚合物基底(2)上得到铝波导图形(7)；
在铝波导图形(7)上，旋涂光敏性聚合物SU-8-2015材料，在3500转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光敏性聚合物芯层材料均匀涂在有铝波导图形(7)的一面上，热板60℃加热10min，而后90℃加热20min，降至室温后形成光敏聚合物间隔层薄膜(8)，膜厚度为14μm；然后对光敏聚合物间隔层薄膜(8)进行区域选择曝光，将硅片(9)(沿着M-Z结构直波导方向的矩形边长L为2.2cm，垂直于M-Z结构直波导方向的矩形边长W为3cm)直接放置在光敏聚合物间隔层薄膜(8)的上表面，进行整体曝光，曝光强度40mW/cm2，曝光波长为365nm，曝光时间为10s。在热板上65℃加热10min，95℃加热20min然后冷却至室温，然后放入丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影液中湿法刻蚀10s，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导，再用热空气烘干，即在聚合物基底(2)上形成两端有光敏性聚合物SU-8-2015的矩形结构凸起、中间露出铝波导图形(7)的间隔层掩模版(10),间隔层掩模版(10)可代替掩膜光刻板在光刻过程中保持芯层聚合物薄膜与光刻板之间的间距为14μm不变；间隔层掩模版(10)中M-Z型光波导的宽度为光刻掩模版(5)图形宽度，选择10μm；
将生长有3μm厚的二氧化硅层的矩形硅片(长：4cm；宽2cm)作为衬底(11)，在衬底(11)带有二氧化硅层的一面，旋涂光敏性聚合物芯层材料SU-8-2005，在6000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光敏性聚合物芯层材料均匀涂在衬底(11)上；热板60℃加热10分钟，然后90℃加热20分钟，降至室温后形成4μm厚的材料为SU-8-2005的芯层薄膜(12)；
本发明研究了间隔层的不同厚度对形成三角形波导的角度的影响，曝光过程采用以制备的具有不同间隔层厚度的间隔层掩模版(10)，对芯层薄膜(12)进行曝光(曝光强度40mW/cm2，曝光时间为4s，曝光波长为365nm)；在热板上65℃加热10min，95℃加热20min而后冷却至室温，然后放入丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影液中湿法刻蚀45s，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导凹槽结构，再用热空气烘干，即可以在芯层薄膜(12)上得到不同尺寸的三角形结构的凹槽(不同间隔层厚度以及对应掩膜板上不同波导宽度形成的三角形结构波导凹槽的显微镜照片以及角度如附图6和表1所示)。最后本发明依据对形成的三角形波导凹槽的尺寸模拟的最优结果，选择在间隔层厚度为14微米、对应掩膜板上波导的宽度为10微米时进行光漂白的实验；对芯层薄膜(12)进行掩膜曝光，曝光过程采用已制备具有14μm厚度的间隔层掩膜板(10)，其中间隔层掩模版(10)带有间隔层薄膜的一面与芯层薄膜(12)接触，光刻(曝光强度40mW/cm2，曝光时间为13s，曝光波长为365nm)；然后在热板上150°加热30分钟，降至室温后得到具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)。
在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上旋涂甲基丙烯酸甲酯(质量比1％)，在3000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使甲基丙烯酸甲酯均匀涂在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上，膜厚度为2μm，置于热板上120℃加热30min，降至室温后形成聚合物上包层(14)。
在聚合物上包层(14)一侧真空蒸镀厚度为100nm的铝膜(15)。然后将有铝膜(15)的一面朝上，在铝膜(15)上旋涂光刻胶BP212，在1000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光刻胶材料BP212均匀涂在铝膜(15)上，膜厚度为1μm，置于热板上87℃加热20min，降至室温后形成光刻胶薄膜(16)；
对光刻胶薄膜(16)进行曝光，曝光过程采用条形电极结构的光刻掩膜版(有效加热区的长度L1为1.5cm、宽度W1为10μm，金属加热电极的输入和输出区的长度L2为0.3cm、宽度W2为50μm，金属加热电极引脚的长度L3为1000μm、宽度W3为3000μm)。在光刻机上，将光刻胶薄膜(16)与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板的有效加热区与MZI光波导的其中一个调制臂对应，电极加热区位于波导正上方，图形中心重合，进行光刻(曝光强度40mW/cm2,曝光时间为2秒，曝光波长为365nm)；然后将光刻出电极结构的光刻胶薄膜(16)置于质量分数为5‰的氢氧化钠溶液中去除铝膜(15)上的被曝光的BP212部分得到光刻胶电极图形(17)，显影的时间为2s。然后置于95℃热板上加热10分钟后降至室温，继续放入质量分数5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形(17)覆盖的铝膜(15)得到铝电极(18)，显影的时间为1分钟，用去离子水冲洗后再用热空气烘干，即可在聚合物上包层(14)上得到光刻胶电极图形(17)和铝电极(18)；将样品进行整体曝光(曝光时间为2s，曝光强度40mW/cm2,曝光波长为365nm)，然后置于无水乙醇(CH3CH2OH)中去除铝电极(18)上的光刻胶电极图形(17)，用去离子水冲洗后在热板上90℃加热10分钟，降至室温后即在聚合物上包层(14)上得到铝电极(18)；
最后垂直于光传输方向(光波导方向)，采用刀片切割解理，即得到倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关。输入、输出采用石英光纤耦合(芯径9μm)，一端输入光纤输入功率1mW，另外一端用光纤耦合输出，输出的另外一端连接光功率计测量芯片输出光纤的损耗，波导的损耗约为1.5dB/cm。该倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的开关性能良好，在532nm波段的波长下实现了开关时间分别为110μs和130μs，消光比为4dB以及器件的功耗为7.5mW。
实施例2：
用二氧化碳激光器(1)切割表面抛光的PMMA基底薄片，在垂直薄片表面切割出矩形结构的聚合物基底(2)；表面抛光的聚合物基底薄片的厚度为1mm，激光器的切割功率为40W，走刀速度为20mm/s，得到的矩形结构的聚合物基底(2)的长边长为4cm，短边长为2cm；
在聚合物基底(2)上真空蒸镀厚度为100nm的铝膜(3)；在铝膜(3)上旋涂光刻胶BP212材料，在3000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光刻胶BP212材料均匀涂在聚合物基底(2)上，膜厚度为0.5μm；置于热板上87℃加热20min，降至室温后形成光刻胶薄膜(4)；采用M-Z型波导结构的光刻掩模版(5)掩模(M-Z型波导的输入和输出区的直波导长度为1.5cm，Y分支结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度h为30μm，在平行于直波导方向上的投影长度L为3mm；干涉臂直波导区的长度为0.5cm，两条干涉臂间的距离为60μm)，在365nm波长的汞灯下对版光刻，曝光强度40mW/cm2，曝光时间为2s。
去除光刻掩模版(5)，然后将样片置于5‰的氢氧化钠溶液中显影5秒钟，显影后在铝膜(3)上得到光刻胶波导图形(6)；置于热板上95℃加热10min，降至室温后继续置于5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶波导图形(6)覆盖的铝膜(3)，在光刻胶波导图形(6)下面得到M-Z型波导结构的铝波导图形(7)；将带有光刻胶波导图形(6)和铝波导图形(7)的样片进行整体曝光(曝光时间为2s，曝光强度40mW/cm2，曝光波长为365nm)，然后置于无水乙醇中，去除铝波导图形(7)上的光刻胶波导图形(6)，得到铝波导图形(7)，用去离子水冲洗后，置于热板上90℃加热10分钟，降至室温后即可在聚合物基底(2)上得到铝波导图形(7)；
在铝波导图形(7)上，旋涂光敏性聚合物材料SU-8-2000.5，在1000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光敏性聚合物芯层材料均匀涂在有铝波导图形(7)的一面上，膜厚度为1μm，置于热板60℃加热10min，而后90℃加热20min，降至室温后形成光敏聚合物间隔层薄膜(8)；对光敏聚合物间隔层薄膜(8)进行区域选择曝光，将硅片(9)(沿着M-Z结构直波导方向的矩形边长L为2.2cm，垂直于M-Z结构直波导方向的矩形边长W为3cm)直接放置在光敏聚合物间隔层薄膜(8)上，进行整体曝光(曝光强度40mW/cm2，曝光时间为10s，曝光波长为365nm)；然后置于热板上65℃加热10min，95℃加热20min后冷却至室温，然后放入丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影液中湿法刻蚀10s，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导，再用热空气烘干，即在聚合物基底(2)上形成两端有光敏性聚合物SU-8-2000.5的矩形结构凸起、中间露出铝波导图形(7)的间隔层掩模版(10),间隔层掩模版(10)可代替掩膜光刻板在光刻过程中保持芯层聚合物薄膜与光刻板之间的间距为1μm不变；间隔层掩模版(10)中M-Z型光波导的宽度为光刻掩模版(5)图形宽度，选择10μm；
将生长有3μm厚的二氧化硅层的矩形硅片(长：4cm；宽2cm)作为衬底(11)，在衬底(11)带有二氧化硅层的一面，旋涂光敏性聚合物芯层材料SU-8-2005，在6000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光敏性聚合物芯层材料均匀涂在衬底(11)上；置于热板上60℃加热10分钟，然后90℃加热20分钟后，形成4μm厚的芯层材料为SU-8-2005的芯层薄膜(12)；
对芯层薄膜(12)进行曝光，曝光过程采用已制备具有1μm厚度的间隔层掩模版(10)，其中间隔层掩模版(10)带有间隔层薄膜的一面与芯层薄膜(12)接触，光刻(曝光强度40mW/cm2，曝光时间为13s，曝光波长为365nm)；然后置于热板上150°加热30分钟，降至室温后得到具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)，此时波导结接近矩形构。
在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上旋涂甲基丙烯酸甲酯(质量比1％)，在3000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使甲基丙烯酸甲酯均匀涂在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上，膜厚度为2μm，置于热板上120℃加热30min，降至室温形成聚合物上包层(14)。
在聚合物上包层(14)一侧真空蒸镀厚度为100nm的铝膜(15)。然后将有铝膜(15)的一面朝上，在铝膜(15)上旋涂光刻胶BP212，在1000转/分的转速下旋转基底进行涂膜，旋涂的时间为20秒，使光刻胶材料均匀涂在铝膜(15)上，膜厚度为1μm，置于热板上87℃加热20min，降至室温后形成光刻胶薄膜(16)；
对光刻胶薄膜(16)进行曝光，曝光过程采用条形电极结构的光刻掩膜版(有效加热区的长度L1为1.5cm、宽度W1为10μm，金属加热电极的输入和输出区的长度L2为0.3cm、宽度W2为50μm，金属加热电极引脚的长度L3为1000μm、宽度W3为3000μm)。在光刻机上，将光刻胶薄膜(16)与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板的有效加热区与MZI光波导的其中一个调制臂对应，电极加热区位于波导正上方，图形中心重合，进行光刻(曝光强度40mW/cm2,曝光时间为2秒，曝光波长为365nm)；然后将光刻出电极结构的光刻胶薄膜(16)置于质量分数5‰的氢氧化钠溶液中去除铝膜(15)上的被曝光的BP212部分得到光刻胶电极图形(17)，显影的时间为2s，然后置于95℃热板上加热10分钟后降至室温，继续放入质量分数为5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形(17)覆盖的铝膜(15)得到铝电极(18)，显影的时间为1分钟，用去离子水冲洗后再用热空气烘干，即可在聚合物上包层(14)上得到光刻胶电极图形(17)和铝电极(18)；将样品进行整体曝光(曝光时间为2s，曝光强度40mW/cm2，曝光波长为365nm)，然后置于无水乙醇(CH3CH2OH)中去除铝电极(18)上的光刻胶电极图形(17)，用去离子水冲洗后置于90℃热板上加热10分钟，降至室温后即可在聚合物上包层(14)上得到铝电极(18)；
最后垂直于光传输方向(光波导方向)，采用刀片切割解理，即得具有一定角度的近乎矩形结构热光开光成品。输入、输出采用石英光纤耦合(芯径9μm)，一端输入光纤输入功率1mW，另外一端用光纤耦合输出，输出的另外一端连接光功率计测量芯片输出光纤的损耗，波导的损耗约为1.5dB/cm。该近乎矩形结构的热光开关的开关性能良好，在532nm波段的波长下实现了开关时间分别为120μs和160μs，消光比为1dB以及器件的功耗为8mW。

Claims (8)

1.一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其步骤如下：
步骤1，厚度0.5～100μm的间隔层掩模版(10)的制备
用二氧化碳激光器(1)在垂直基底表面切割出矩形结构聚合物基底(2)；在聚合物基底(2)上真空蒸镀20～200nm厚的铝膜(3)，在铝膜(3)上旋涂正性或负性光刻胶，固化后得到0.5～2μm厚的光刻胶薄膜(4)；采用光刻掩模版(5)对光刻胶薄膜(4)进行掩膜曝光，光刻掩模版(5)的结构与M-Z型波导结构相同或与M-Z型波导结构互补，M-Z型波导的宽度为2～100μm；
去除光刻掩模版(5)，将曝光的聚合物基底(2)和铝膜(3)置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，即在聚合物基底(2)上得到M-Z型波导结构的光刻胶波导图形(6)；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，而后置于质量分数为4‰～10‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶波导图形(6)覆盖的铝膜(3)，在光刻胶波导图形(6)下面得到M-Z型波导结构的铝波导图形(7)；再次曝光之后置于去胶剂中，去除光刻胶波导图形(6)，后烘后在聚合物基底(2)上得到铝波导图形(7)；
在铝波导图形(7)的表面旋涂光敏性聚合物材料，形成厚度0.5～100μm的光敏聚合物间隔层薄膜(8)，而后固化光敏性聚合物；对固化后的光敏聚合物间隔层薄膜(8)进行掩膜曝光，采用长度小于聚合物基底(2)长度、宽度大于聚合物基底(2)宽度的硅片(9)作为掩膜版，硅片(9)放置在光敏聚合物间隔层薄膜(8)上；曝光后经后烘、显影去掉未曝光的光敏性聚合物，从而在聚合物基底(2)上得到两端有光敏性聚合物矩形结构凸起、中间露出铝波导图形(7)的间隔层掩模版(10)；
步骤2，三角形波导的制作
将生长有厚度为2～5μm二氧化硅层的矩形硅片作为衬底(11)，在二氧化硅层表面旋涂光敏性聚合物芯层材料，形成芯层薄膜(12)，而后固化光敏性聚合物芯层材料；采用间隔层掩模版(10)对芯层薄膜(12)进行掩膜曝光，间隔层掩模版(10)两端的光敏性聚合物矩形结构凸起与芯层薄膜(12)的上表面相接触；曝光后再在烘箱或热板上后烘，降至室温后在衬底(11)上得到具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)；
步骤3，旋涂上包层材料
在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上旋涂聚合物上包层材料，固化后形成厚度为2～10μm的聚合物上包层(14)；
步骤4，制备电极
在聚合物上包层(14)上真空蒸镀厚度为20～200nm的铝膜(15)，再在铝膜(15)上旋涂光刻胶，固化后得到1～10μm厚的光刻胶薄膜(16)；再采用电极掩模版对光刻胶薄膜(16)进行对版曝光，电极掩模版为三段式结构，由有效加热区a'、输入和输出区b'和金属加热电极引脚区c'三部分组成；使电极掩模版的有效加热区与M-Z型波导结构的一个干涉臂对应，电极加热区位于该干涉臂正上方，有效加热区中心线与该干涉臂中心线重合，对版后进行光刻而后显影；显影后在铝膜(15)上得到光刻胶电极图形(17)，采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，再在质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形(17)覆盖的铝膜(15)，在光刻胶电极图形(17)下层得到铝电极(18)；而后将带有光刻胶电极图形(17)和铝电极(18)的硅片整体曝光，之后置于去胶剂中去除铝电极(18)上的光刻胶电极图形(17)；而后用去离子水冲洗，烘箱或热板后烘后即在聚合物上包层(14)上得到铝电极(18)；
步骤5，解理端面：最后垂直于光波导方向进行切割解理，即得到倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关。
2.如权利要求1所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的聚合物基底(2)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率在1.48～1.51之间；激光器的切割功率为40～60W，走刀速度为1～100mm/s。
3.如权利要求1所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的M-Z型波导结构由输入和输出区a、输入和输出Y分支区b及干涉臂直波导区c组成，干涉臂直波导区c为二个；输入和输出区a为直波导，长度为1～1.5cm；输入和输出Y分支区b的两个分支臂为相同的余弦形函数曲线波导，余弦形函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低，分支臂函数的曲线方程为：y＝(1-cosπx/L)·h，其中x为余弦形函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦形函数曲线沿垂直波导方向的坐标，h＝20～50μm为余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度；L＝1～400mm为余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影长度；干涉臂直波导区c的长度为0.5～2cm，两条干涉臂间的距离为2*h，h＝20～50μm。
4.如权利要求1所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的硅片(9)在沿着M-Z结构直波导的方向短于聚合物基底(2)的长度，在垂直于M-Z结构直波导的方向大于等于聚合物衬底(2)的宽度。
5.如权利要求1所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其特征在于：步骤2中光敏性聚合物芯层材料为SU-8或EPO；曝光时间为4～300s，曝光波长为360～370nm，曝光强度为20～200mW/cm2；后烘温度60～180℃，后烘时间10～30分钟。
6.如权利要求1所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其特征在于：步骤3所述的聚合物上包层材料为甲基丙烯酸甲酯溶液，是将甲基丙烯酸甲酯溶解在环戊酮溶液中，质量百分数为0.3％～2％，然后滴在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上，再置于旋转涂覆机上，在1000～6000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20～60秒，使甲基丙烯酸甲酯材料均匀涂在具有倒三角形波导的M-Z型结构的芯层薄膜(13)上；再通过后烘固化甲基丙烯酸甲酯材料，形成厚度为2～10μm的聚合物上包层(14)。
7.如权利要求1所述的一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关的制备方法，其特征在于：步骤4中所述的电极掩模版的输入和输出区b'和金属加热电极引脚区c'均为二个，输入和输出区b'与有效加热区a'相垂直，输入区、金属加热电极引脚区、有效加热区、金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区b'在有效加热区a'同侧，有效加热区a'的长度L1为1～3cm、宽度W1为10～50μm；输入和输出区b'的长度L3为0.3～1cm、宽度W2为50～200μm；金属加热电极引脚区c'的长度L4为500～1500μm、宽度W3为2000～5000μm。
8.一种倒三角形波导结构的M-Z型聚合物热光开关，其特征在于：是由权利要求1～7任何一项所述的方法制备得到。
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