CN114296183B - 一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关及其制备方法，属于集成光电子器件领域。由衬底、聚合物下包层、矩形结构的光波导芯层、聚合物上包层和石墨烯电容器组成，或由衬底、聚合物下包层、矩形结构的光波导芯层、台阶结构的聚合物上包层、光波导芯层中心位置制备的第一石墨烯电容器、聚合物上包层中在第一石墨烯电容器的正上方位置制备的第三石墨烯电容器、在第一石墨烯电容器的左右两边制备的第二石墨烯电容器和第四石墨烯电容器组成。本发明以石墨烯作为调制电极并将其掩埋在波导内部的不同位置，充分发挥了有机聚合物材料加工工艺简单、灵活的优势。本发明方法与半导体工艺兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子器件领域，具体涉及了一种以硅作为衬底、有机聚合物材料作为波导芯层和包层材料、石墨烯作为调制电极的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关及其制备方法。
背景技术
近年来，随着大数据、云计算等技术的不断发展和应用，需要处理的数据量持续增加，使得人们对通信容量的需求在飞速增长。然而，目前的单模光纤由于受到光纤非线性效应、光纤融合效应和香农极限等因素的影响，其通信容量已经逼近其理论传输极限而无法继续提升。为了进一步提升光纤通信系统的信息容量，新的技术不断开发出来，而模分复用技术被认为是其中最具前景的技术。模分复用属于空分复用技术，从空间维度的角度出发，利用少模/多模光纤来提升光纤通信系统的信息容量，将在少模光纤中稳定存在的不同模式作为独立信道来传输信息。
在模分复用系统中，模分复用器/解复用器是关键的器件，用于模式的分离和复用，以实现对各个模式进行调制、开关或者衰减的选择调控。在发射端，需要利用模分复用器将基模转换为高阶模后耦合到少模光纤中进行传输，在传输过程中又需要利用模分解复用器将少模光纤中各信道的高阶模式转换基模。在这些过程中，通过使用多个单独的光调制器或者光开关在不同的空间模式上进行选择调控，将不同的数据信道调制到相应的载波，最后再利用模分复用器将每个调制通道多路复用到少模光纤中。相比于传统的空间光路型、光纤型模分复用/解复用器，虽然平面光波导型模分复用/解复用器具有结构紧凑、转换效率高和易于集成等优点，但其仍然存在模间色散、串扰、高插入损耗等问题，并且模分复用系统复杂，需要一系列有源和无源器件的支撑，进而使得系统成本增加、器件尺寸变大。
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模式可选择调制的聚合物波导光开关及其制备方法。本发明实现了通过调控掩埋石墨烯化学势在C+L波导内对少模波导中TE11、TE21和TE12三个模式分别进行独立调制和开关的效果。本发明能极大地有利于扩展聚合物基集成光电子器件的集成程度和应用场景，使信号通道的选择调控更加灵活。
本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料作为波导的芯层和包层材料、以石墨烯作为调制电极并将其掩埋在波导内部的不同位置，实现模式的选择调制和开关，充分利用了有机聚合物材料加工工艺简单、灵活的优势。同时，本发明所采用的制备工艺与半导体工艺兼容、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(a)所示，一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的横截面结构示意图，其功能是能够对波导中TE11模式进行调制和开关，其特征在于：由衬底21、聚合物下包层22、矩形结构的光波导芯层23、聚合物上包层29和石墨烯电容器24组成；聚合物下包层22制备在衬底21之上，聚合物上包层29制备在聚合物下包层22之上，矩形结构的光波导芯层23被包覆在聚合物下包层22和聚合物上包层29之中；石墨烯电容器24位于光波导芯层23的中心位置，为双层石墨烯结构，由下层的第一单层石墨烯244、中间的电介质绝缘层245、上层的第二单层石墨烯243、第一金属接触电极241和第二金属接触电极242组成；第一单层石墨烯244和第二单层石墨烯243所在的平面分别平行于衬底21的表面；聚合物上包层29和聚合物下包层22间形成台阶结构，即在聚合物上包层29的两侧各露出一定区域的聚合物下包层22；如图1(b)所示为器件无上包层时的俯视图，与第一单层石墨烯244一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层29至聚合物下包层22露出的一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第一金属接触电极241；与第二单层石墨烯243一体结构的另一石墨烯窄条向另一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层29至聚合物下包层22露出的另一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条的表面上制备第二金属接触电极242；第一单层石墨烯244和第二单层石墨烯243所在平面构成聚合物下包层22和聚合物上包层29的层间分界面。
衬底21为二氧化硅、氮化硅、硅中的一种，其宽度(x轴方向)为1～3mm，厚度(y方向)为300～800μm；聚合物下包层22和聚合物上包层29的材料可选择为EpoCore、EpoClad、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)中的一种，聚合物下包层22的厚度为10～20μm，宽度与衬底21的宽度相同；矩形结构的光波导芯层23为少模波导，材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)中的一种，支持TE11、TE21和TE12三种模式，但只对TE11模式有调制作用，其宽度为5～15μm、厚度为5～15μm；聚合物上包层29的厚度为15～20μm，宽度为100～1500μm；第一单层石墨烯244和第二单层石墨烯243的厚度相同为0.35～0.7nm，石墨烯电容器24的有效宽度的0.5～2μm(有效宽度即第一单层石墨烯244和第二单层石墨烯243间交叠区的宽度)，电介质绝缘层245的厚度为5～20nm，其宽度为0.5～2μm，与石墨烯电容器24的有效宽度相等；第一金属接触电极241和第二金属接触电极242的材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种金属组成的合金，厚度相同为100～300nm，宽度相同为50～100μm，长度相同为50～100μm(与石墨烯窄条的长度相同)，它们与光波导芯层23中心位置的距离为100～800μm。
如附图2(a)、(b)、(c)所示，一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的横截面结构示意图，其功能是能够对波导中TE11、TE21和TE12三个模式分别进行独立调制和开关，其特征在于：由衬底21、聚合物下包层22、矩形结构的光波导芯层23、台阶结构的聚合物上包层28、光波导芯层23中心位置制备的第一石墨烯电容器24’、聚合物上包层28中在第一石墨烯电容器24’的正上方位置制备的第三石墨烯电容器26、在第一石墨烯电容器24’的左右两边制备的第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27组成；聚合物上包层28和聚合物下包层22间形成台阶结构，即在聚合物上包层28的两侧各露出一定区域的聚合物下包层22；第一石墨烯电容器24’位于矩形结构的光波导芯层23的中心位置，第一石墨烯电容器24’、第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27处于同一水平位置(向外延伸的仅为与单层石墨烯相连接的石墨烯窄条，而不是单层石墨烯的全部；石墨烯窄条可以连接在单层石墨烯的不同位置处，因此可以保证向同一方向延伸的多个石墨烯窄条间不会重叠，进而不会使制备在不同石墨烯窄条上的不同金属接触电极相互影响)；矩形结构的光波导芯层23、第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27被包覆在聚合物下包层22和聚合物上包层28之中。
第一石墨烯电容器24’横截面示意图为附图2(a)，第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27横截面示意图为附图2(b)，第三石墨烯电容器26横截面示意图为附图2(c)；第一石墨烯电容器24’为双层石墨烯结构，由下层的第一单层石墨烯244’、中间的第一电介质绝缘层245’、上层的第二单层石墨烯243’、第一金属接触电极241’和第二金属接触电极242’组成；与第一单层石墨烯244’一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层28至聚合物下包层22露出的一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第一金属接触电极241’；与第二单层石墨烯243’一体结构的另一石墨烯窄条向另一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层28至聚合物下包层22露出的另一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条的表面上制备第二金属接触电极242’；第一单层石墨烯244’和第二单层石墨烯243’所在平面构成聚合物下包层22和聚合物上包层28的层间分界面；
第二石墨烯电容器25为双层石墨烯结构，由下层的第三单层石墨烯254、中间的第二电介质绝缘层255、上层的第四单层石墨烯253、第三金属接触电极251和第四金属接触电极252组成；与第三单层石墨烯254一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层28至聚合物下包层22露出的一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第三金属接触电极251；与第四单层石墨烯253一体结构的另一石墨烯窄条向同一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层28至聚合物下包层22露出的一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条上制备第四金属接触电极252；向该侧延伸的多个石墨烯窄条间制备有聚合物上包层；
第三石墨烯电容器26为双层石墨烯结构，由下层的第五单层石墨烯264、中间的第三电介质绝缘层265、上层的第六单层石墨烯263、第五金属接触电极262和第六金属接触电极261组成；与第五单层石墨烯264一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出聚合物上包层28至聚合物上包层28台阶结构的表面边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第五金属接触电极262；与第六单层石墨烯263一体结构的另一石墨烯窄条向另一侧延伸出聚合物上包层28至聚合物上包层28台阶结构的表面边缘处，在该另一石墨烯窄条的表面上制备第六金属接触电极262。
第四石墨烯电容器27为双层石墨烯结构，由下层的第七单层石墨烯274、中间的第四电介质绝缘层275、上层的第八单层石墨烯273、第七金属接触电极271和第八金属接触电极272组成；与第七单层石墨烯274一体结构的石墨烯窄条向另一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层28至聚合物下包层22露出的另一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第七金属接触电极271；与第八单层石墨烯273一体结构的另一石墨烯窄条向同一侧延伸出光波导芯层23和聚合物上包层28至聚合物下包层22露出的一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条上制备第八金属接触电极272；向该侧延伸的多个石墨烯窄条间制备有聚合物上包层；
各石墨烯电容器主要区别在于放置的位置不同，以及单层石墨烯宽度和电介质绝缘层宽度不同；电极241’和242’用于调控第一石墨烯电容器24’，电极261和262用于调控第三石墨烯电容器26，电极251和252用于调控第二石墨烯电容器25，电极271和272用于调控第四石墨烯电容器27。
聚合物波导下包层22和聚合物波导上包层28的材料相同；
所述衬底层材料为二氧化硅、氮化硅、硅中的一种，其宽度(x轴方向)为1～3mm，厚度(y方向)为300～800μm；
聚合物下包层22和聚合物上包层28的材料可选择为EpoCore、EpoClad、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)中的一种；聚合物芯层23的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)中的一种。
进一步的，所述聚合物下包层22的宽度与衬底的宽度相同(x轴方向)为1～3mm，厚度(y轴方向)为10～20μm。
进一步的，所述聚合物上包层28的宽度(x轴方向)为100～1500μm，厚度(y轴方向)为15～20μm，聚合物上包层28的宽度小于聚合物下包层22的宽度。
进一步的，所述聚合物芯层23的宽度(x轴方向)为5～15μm，厚度为5～15μm。
进一步的，所述第一石墨烯电容器24’、第二石墨烯电容器25、第三石墨烯电容器26、第四石墨烯电容器27中的单层石墨烯层厚度相同，为0.35～0.7nm；第一石墨烯电容器24’的有效宽度为0.5～3μm，掩埋于聚合物波导芯层23的水平中间位置处；第三石墨烯电容26的有效宽度为0.5～5μm，位于聚合物波导芯层23上表面的上方，与聚合物波导芯层23上表面的距离为0～5μm；第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27的有效宽度为0.5～4μm，位于聚合物波导芯层23的左右两侧，其上、下单层石墨烯分别与第一石墨烯电容器24’的上、下单层石墨烯位于同一平面内，与聚合物波导芯层23边缘的距离为0～4μm；
进一步的，各石墨烯电容器中所述电介质绝缘层的材料为三氧化二铝、六方氮化硼、二氧化硅中的一种，所述电介质绝缘层的厚度为5～20nm，电介质绝缘层掩埋于各石墨烯电容器双层石墨烯之间，其宽度与各石墨烯电容器的有效宽度相同。
进一步的，所述电极241’、242’、251、252、261、262、271、272的材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种金属组成的合金，所述各电极与聚合物芯层23中心位置的距离为100～800μm；所述各电极宽度相同为50～100μm，厚度相同为100～300nm，长度相同为50～100μm(与石墨烯窄条的长度相同)。
本发明所述的第一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的制备方法，其制备工艺流程见附图7(a)，具体叙述为：
1、衬底层硅片的清洗处理：先将解离的硅片放在丙酮溶液中超声震荡10～15分钟，再用沾有丙酮和乙醇的棉球依次擦拭硅片表面，之后用去离子水将硅片表面冲洗干净，并用氮气吹干硅片表面的去离子水，最后在100～150℃下烘烤1～2小时去除硅片表面残留的水汽；
2、旋涂工艺制作聚合物下包层22’：采用旋涂方式将聚合物下包层材料旋涂在清洗处理过的衬底层上，旋涂速度为2500～4000转/分钟，旋涂后置于120～150℃条件下烘烤2.5～3小时，从而制备得到厚度为10～20μm的聚合物下包层22’；
3、湿法刻蚀工艺制作聚合物芯层23’：采用旋涂方式将聚合物芯层材料旋涂在聚合物下包层22’的上表面，旋涂速度为2000～3000转/分钟，聚合物芯层厚度为5～15μm；然后于50～65℃条件下10～15分钟、90～100℃条件下20～30分钟进行前烘，再于50～65℃条件下10～15分钟、95～100℃条件下20～30分钟进行中烘；降至室温后，在光刻机下使用掩膜版进行光刻，掩膜版的形状为需要制备的光波导芯层23的矩形结构；光刻后将器件在60～65℃条件下10～15分钟、95～100℃条件下20～30分钟进行加热，之后在聚合物芯层材料专用显影溶液中浸泡30～40秒，被掩膜版遮挡的未曝光的聚合物芯层材料被刻蚀掉；再将其放入异丙醇溶液中除去残留的显影液，然后用去离子水反复冲洗去除残液，用洗耳球吹干表面液体后放置在120～130℃条件下20～30分钟进行后烘；最后采用感应耦合等离子体刻蚀机将聚合物芯层的厚度刻蚀至2～7μm，从而在聚合物下包层22’上制备得到矩形结构的聚合物芯层23’；
4、采用旋涂工艺将与步骤2相同的聚合物下包层材料旋涂在矩形结构的聚合物芯层23’和聚合物下包层22’上，旋涂速度为2000～3000转/分钟，然后放置在120～150℃下烘烤2.5～3小时；再对该聚合物下包层采用感应耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，得到与矩形结构的聚合物芯层23’厚度相同的聚合物平板层22”，聚合物下包层22’和聚合物平板层22”共同构成聚合物下包层22；
5、在聚合物芯层23’上转移制备石墨烯电容器24的第一单层石墨烯244：制备流程如图7(c)所示，首先将一单层石墨烯转移到聚合物芯层23’和聚合物平板层22”的表面，将聚合物PMMA旋涂在该单层石墨烯的表面得到聚合物PMMA薄膜，然后电子束光刻以定义出制备第一单层石墨烯244连同窄条石墨烯结构的区域，光刻的聚合物PMMA薄膜部分被显影掉，其下面的单层石墨烯暴露出来；再采用氧等离子体干法刻蚀，使暴露出来的石墨烯层被刻蚀掉，从而得到表面覆盖有PMMA薄膜的带有窄条石墨烯结构的第一单层石墨烯244；最后放置于丙酮溶液中去除聚合物PMMA薄膜，用去离子水去除残余的丙酮溶液，再在70～140℃条件下烘烤，从而得到带有窄条石墨烯结构的第一单层石墨烯244；
6、制备第一金属电极241：制备流程如图7(d)所示，在步骤5器件的表面上旋涂聚合物材料PMMA达到全部覆盖，得到聚合物PMMA薄膜；然后电子束光刻以定义出蒸镀第一金属电极241的区域，光刻的聚合物PMMA薄膜被显影掉，其下面的窄条石墨烯结构暴露出来；最后采用电子束蒸发镀膜设备在器件的表面蒸镀金属Au层达到全部覆盖，再将聚合物PMMA薄膜及其上的金属Au层剥离(金属剥离工艺：Lift-off)，从而在窄条石墨烯结构上制备得到第一金属电极241；
7、转移第二单层石墨烯243：在转移第二单层石墨烯层243之前，需要在第一单层石墨烯层241上蒸镀沉积电介质绝缘层245；然后进行第二单层石墨烯层243转移和制备，其工艺流程与转移第一单层石墨烯244的工艺流程相同；
8、制备第二金属电极242：其工艺流程与制备第一金属电极241相同；第一单层石墨烯244、第二单层石墨烯243、电介质绝缘层245、第一金属电极241和第二金属电极242构成石墨烯电容器24；
9、采用旋涂工艺结合感应耦合等离子体刻蚀机在聚合物芯层23’上制备与聚合物芯层23’相同结构的聚合物芯层23”，聚合物芯层23’和聚合物芯层23”共同构成聚合物芯层23；应用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在聚合物芯层23”和聚合物下包层22上，旋涂速度为3000～4000转/分钟，然后放置在120～150℃下烘烤2.5～3小时，制备厚度15～20μm的聚合物上包层29；聚合物上包层29两侧各露出一定区域的聚合物下包层22，形成台阶结构，从而制备得到第一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关。
本发明所述的第二种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的制备方法，其制备工艺流程见附图7(b)，具体叙述为：
在图7(a)所示制备聚合物芯层23”的工艺流程基础上，应用步骤7～10在与第一石墨烯电容器24同一水平位置、聚合物芯层23之外的两侧制备第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27；应用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在聚合物芯层23”、第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27上，旋涂速度为2000～3000转/分钟，然后放置在120～150℃下烘烤2.5～3小时，制备厚度为5～10μm的聚合物上包层28’；再采用感应耦合等离子体刻蚀机使聚合物上包层28’的厚度为2～7μm；然后应用工艺流程7(a)的步骤7～10在聚合物上包层28’上第一石墨烯电容器24的上方位置制备第三墨烯电容器26，应用旋涂工艺在第三墨烯电容器26上旋涂聚合物上包层28”，聚合物上包层28’和聚合物上包层28”共同构成聚合物上包层28；聚合物上包层28”两侧各露出一定区域的聚合物上包层28’，形成台阶结构，从而制备得到第二种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关，采用聚合物材料进行波导结构的设计，以石墨烯作为调制电极并将其掩埋在波导内部的不同位置，通过优化石墨烯电容器的宽度和放置位置，在直接与少模波导相连接时能实现TE11、TE21和TE12模式的选择调制和开关，充分利用了聚合物材料种类多样，易于制备加工等优势，并且在制备工艺方面更容易实现，制备工艺上可与传统的CMOS工艺相兼容、易于集成。
本发明能极大地扩展聚合物光子集成器件的集成程度和应用场景，使模分复用系统中信号通道的选择调控更加灵活。
附图说明
图1(a)：第一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的结构示意图；
图1(b)：第一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关无上包层的俯视图；
图2：第二种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的结构示意图；
图3：基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12模式光场分布模拟图；
图4：基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12的归一化电场分布模拟图；
图5：基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12模式功率衰减(MPA)随石墨烯化学势的变化关系曲线；
图6：基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12模式在μ＝0.3eV时模式功率衰减在C波段内的变化关系曲线；
图7：基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的工艺制备流程图。
如附图1所示，一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的结构示意图，其功能是能够对波导中TE11模式进行调制和开关。各部位名称为：衬底21，聚合物下包层22，光波导芯层23，聚合物上包层29，在光波导芯层23中心位置制备的第一石墨烯电容器24，下层的第一单层石墨烯244，电介质绝缘层245、上层的第二单层石墨烯243、第一金属接触电极241和第二金属接触电极242。
如附图2所示，一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的结构示意图，其功能是能够对波导中TE11、TE21和TE12三个模式分别进行独立调制和开关。图2(a)(b)(c)为各位置石墨烯电容器的结构示意图。
如附图2(a)所示，为包含第一石墨烯电容器24’横截面示意图，各部件名称为：衬底21，聚合物下包层22，矩形结构的光波导芯层23，聚合物上包层28，在光波导芯层23中心位置制备的第一石墨烯电容器24’，在光波导芯层23上方位置制备的第三石墨烯电容器26，电介质绝缘层245’，上层的第二单层石墨烯243’，下层的第一单层石墨烯244’，金属接触电极241’、242’、251、252、261、262、271、272。
如附图2(b)所示，为包含第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27横截面示意图，各部件名称为：衬底21，聚合物下包层22，矩形结构的光波导芯层23，聚合物上包层28，在光波导芯层23中心位置制备的第一石墨烯电容器24’，在光波导芯层23上方位置制备的第三石墨烯电容器26，在光波导芯层23水平中心左右位置制备的第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27，电介质绝缘层275和255，上层的第四单层石墨烯253和第八单层石墨烯273，下层的第三单层石墨烯254第七单层石墨烯和274，金属接触电极251、252、261、262、271、272。
如附图2(c)所示，为包含第三石墨烯电容器26横截面示意图，各部件名称为：衬底21，聚合物下包层22，矩形结构的光波导芯层23，聚合物上包层28，在光波导芯层23中心位置制备的第一石墨烯电容器24’，在光波导芯层23上方位置制备的第三石墨烯电容器26，在光波导芯层23水平中心左右位置制备的第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27，电介质绝缘层265，上层的第六单层石墨烯263，下层的第五单层石墨烯264，金属接触电极261和金属接触电极262。
如图3所示，为实施例使用COMSOL软件模拟的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12光场分布模拟图，图3(a)为TE11光场分布模拟图、图3(b)为TE21光场分布模拟图、图3(c)为TE12光场分布模拟图。从图3(a)中可以看出TE11模式光场形状良好，光场较强处位于波导芯层中心位置处。从图3(b)中可以看出TE21模式光场形状良好，光场较强处位于波导芯层上下位置处。从图3(c)中可以看出TE12模式光场形状良好，光场较强处位于波导芯层左右位置处。结合图3(a)(b)(c)可知，TE11模式光场在波导内部中间水平方向与TE12模式光场有重叠区域，TE11模式光场在波导内部中间竖直方向与TE21模式光场有重叠区域，TE12模式光场与TE21模式光场在波导芯层四个顶角区域有重叠区域。
如图4所示，为实施例使用COMSOL软件模拟的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12归一化电场分布模拟图，图4(a)为波导芯层中间水平方向TE11归一化电场分布模拟图、图4(b)为波导芯层中间垂直方向TE21归一化电场分布模拟图、图4(c)为波导芯层中间水平方向TE12归一化电场分布模拟图、图4(d)为波导芯层中间垂直方向TE11归一化电场分布模拟图。由图4(a)可知将第一石墨烯电容器24’掩埋于波导芯层中间水平位置，石墨烯宽度设置为1μm时(图中虚线间距离)，能够保证石墨烯电容器与TE11模式的强相互作用，放置位置对应图4(b)中x＝15.25μm处，对TE21模式有着10％左右的电场强度相互作用，对其影响较低，对图4(c)中TE12模式有着10％左右的电场强度相作用，对其影响较低。由图4(b)可知将第三石墨烯电容器26放置于距离波导芯层上方2μm处(图中虚线位置处)，石墨烯宽度设置为4μm时，能够保证石墨烯电容器与TE21模式的相互作用，放置位置对应图4(d)中x＝20μm处，对TE11模式有着10％以下的电场强度相互作用，对其影响较低，此位置与TE12模式光场几乎没有接触对其影响非常低。由图4(c)可知将第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27放置于距离波导芯层左右2μm处，石墨烯宽度设置为3μm时(图中左侧虚线间距为左侧石墨烯层距离，右侧虚线间距为右侧石墨烯层距离)，能够保证石墨烯电容器与TE12模式的相互作用，对图4(a)中TE11模式有着10％以下的电场强度相互作用，对其影响较低，对图4(b)中TE21模式影响非常低(石墨烯电容器与其光场接触极少)。
如图5所示，为实施例使用COMSOL软件模拟的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12模式功率衰减随石墨烯化学势变化关系曲线，图5(a)为单独调控第一石墨烯电容器24’时各模式的功率衰减随石墨烯化学势变化关系曲线，图5(b)为单独调控第三石墨烯电容器26时各模式的功率衰减随石墨烯化学势变化关系曲线，图5(c)为单独调控第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27时各模式的功率衰减随石墨烯化学势变化关系曲线。从图5(a)可以看出当化学势为0.3ev时TE11模式的MPA达到了最大值，即波导对光的吸收效率达到了最大值，对应器件“OFF”的工作状态；当化学势大于0.5ev时MPA迅速降低，平稳的维持在一个很低的水平，此时光波导中传输的光几乎可以无损通过，对应器件“ON”的工作状态，而其它位置石墨烯电容器化学势设为为0.6eV，可以看出TE21、TE12的MPA在第一石墨烯电容器24’进行调制时保持恒定，基本没有发生变化，表明单独调控第一石墨烯电容器24’时对其他两个模式影响很小。从图5(b)可以看出当化学势为0.3ev时TE21模式的MPA达到了最大值，即波导对光的吸收效率达到了最大值，对应器件“OFF”的工作状态；当化学势大于0.5ev时MPA迅速降低，平稳的维持在一个很低的水平，此时光波导中传输的光几乎可以无损通过，对应器件“ON”的工作状态，而其它位置石墨烯电容器化学势设为为0.6eV，可以看出TE21、TE12的MPA在第三石墨烯电容器26进行调制时保持恒定，基本没有发生变化，表明单独调控第三石墨烯电容器26时对其他两个模式影响很小。从图5(c)可以看出当化学势为0.3ev时TE12模式的MPA达到了最大值，即波导对光的吸收效率达到了最大值，对应器件“OFF”的工作状态；当化学势大于0.5ev时MPA迅速降低，平稳的维持在一个很低的水平，此时光波导中传输的光几乎可以无损通过，对应器件“ON”的工作状态，而其它位置石墨烯电容器化学势设为为0.6eV，可以看出TE21、TE12的MPA在第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27进行调制时保持恒定，基本没有发生变化，表明单独调控第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27时对其他两个模式影响很小。
如图6所示，为实施例使用COMSOL软件模拟的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的TE11、TE21、TE12模式当μ＝0.3eV时模式功率衰减在C波段内变化关系曲线，从图中可以看出三种模式当化学势为0.3eV时，即器件处于“OFF”工作状态，在C波段内的MPA变化不明显，即各石墨烯电容器的光吸收能力保持稳定，表明器件能够适用于宽波段工作并保持稳定的调控功能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1:
如附图2所示，一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关，其功能是能够对波导中TE11、TE21和TE12三个模式分别进行独立调制和开关，由衬底层21、聚合物波导下包层22、聚合物波导芯层23、聚合物波导上包层28、第一石墨烯电容器24’、第二石墨烯电容器25、第三石墨烯电容器26、第四石墨烯电容器27、电极241’、242’、251、252、261、262、271、272组成；聚合物波导上包层28的宽度小于聚合物波导下包层22的宽度；聚合物波导芯层23位于聚合物波导下包层22的中间偏上位置，聚合物波导上包层28的宽度(x方向)小于聚合物波导下包层22的宽度；第一石墨烯电容器24’设置于聚合物波导芯层23的水平中间位置处；第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27位于聚合物波导芯层23的左右两侧一段距离处，即聚合物波导芯层23的水平中间左右位置处；在聚合物波导芯层23的上表面上方一段距离处设置第三石墨烯电容器26；各石墨烯电容器下层石墨烯上表面低于上层石墨烯的下表面，两者间有一定区域的交叠，交叠的宽度与各石墨烯电容器电介质绝缘层宽度相同；各石墨烯电容器电介质绝缘层设置在下层石墨烯和上层石墨烯之间；电极241’和242’用于调控第一石墨烯电容器24’、电极251和252用于调控第二石墨烯电容器25、电极261和262用于调控第三石墨烯电容器26、电极271和272用于调控第四石墨烯电容器27；各电极位于各石墨烯电容器下层石墨烯和上层石墨烯露出延伸部分的上表面。
本实施例中，采用硅片做为衬底层，其厚度为500μm，宽度为1.9mm。
本实施例中，聚合物波导下包层22和聚合物波导上包层28采用低折率聚合物材料，选择为EpoClad。
本实施例中，聚合物下包层22的厚度为12μm，宽度与衬底层宽度相同，为1.9mm。
本实施例中，聚合物上包层28的厚度为15μm，宽度为500μm。
本实施例中，聚合物波导芯层23材料选择为SU-8 2002。
本实施例中，聚合物波导芯层23的厚度为6.5μm，宽度为6μm。
本实施例中，聚合物波导芯层23位于聚合物波导下包层22的x方向中间偏上位置上。
本实施例中，各石墨烯电容器中的电介质绝缘层上面和下面的石墨烯均为单层石墨烯。
本实施例中，电介质绝缘层采用的材料为三氧化二铝，其厚度为20nm，在第一石墨烯电容器24’中宽度为1μm，在第二石墨烯电容器25中宽度为3μm，在第三石墨烯电容器26中宽度为4μm，在第四石墨烯电容器27中宽度为3μm。
本实施例中，各石墨烯电容器中上层石墨烯和下层石墨烯的厚度为0.7nm，第一石墨烯电容器24’有效区域长度为1μm，放置于聚合物波导芯层23的水平中间位置；第二石墨烯电容器25有效区域长度为3μm，距离聚合物波导芯层23右侧距离为2μm；第三石墨烯电容器26有效区域长度为4μm，距离聚合物波导芯层23上方距离为2μm；第四石墨烯电容器27有效区域长度为3μm，距离聚合物波导芯层23左侧距离为2μm。
本实施例中，将各石墨烯电容器放置在聚合物波导芯层23内部及周围不同位置实现TE11、TE21、TE12三种模式的选择调制和开关功能。
本实施例中，金属电极选用的材料为金，其宽度为100μm，厚度为200nm，长度为80μm。
由该模式可选择光开关电极结构的等效电路可知，总电阻Rtotal＝2Rs×(WG/L)+2Rc/L，其中Rs＝200Ω/□为石墨烯层电阻，Rc＝100Ω-μm为金属电极与石墨烯的接触电阻，WG为石墨烯电容器的有效区域宽度，石墨烯电容器24’、25、26、27中WG分别取为1μm、3μm、4μm、3μm，L为单层石墨烯长度，均取为800μm；Ctotal＝ε0εrS/d，S＝L×W为双层石墨烯有效区域的平板电容面积。由3-dB调制带宽公式f＝1/(2πRtotalCtotal)得到石墨烯电容器24’、25、26、27的3-dB带宽分别为为9.27GHz，0.69GHz，1.97GHz，0.69GHz，器件计算驱动功耗公式为Ebit＝Ctotal(△U)2/4，其中△U为石墨烯化学势0.3eV到0.6eV对应的外加偏执电压范围，为1.58V，则求得石墨烯电容器24’、25、26、27的功耗分别为2.51pJ/bit、15.11pJ/bit、10.08pJ/bit、15.11pJ/bit。
实施例2：
结合附图7详细说明本发明的基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的具体制备流程，制备步骤如下：
1、衬底层硅片的清洗处理：先将解离的硅片放在丙酮溶液中超声震荡，再用沾有丙酮和乙醇的棉球依次擦拭硅片表面，之后用去离子水将表面冲洗干净，并用氮气吹干表面的去离子水，最后在高温下烘烤去除表面残留水汽；
2、旋涂工艺制作聚合物下包层22’：采用旋涂方式将聚合物下包层材料EpoClad旋涂在清洁过的衬底层上，旋涂速度为2500转/分钟，旋涂后置于烘箱中120℃条件下烘烤2.5小时，制备厚度为10μm的聚合物下包层22’；
3、湿法刻蚀工艺制作聚合物芯层23’：采用旋涂方式将聚合物SU-8 2002旋涂在聚合物下包层22’上表面，旋涂速度为2500转/分钟，薄膜厚度为10μm；然后放置在65℃条件下15分钟、90℃条件下20分钟，进行前烘；然后再放置于65℃条件下15分钟、95℃条件下20分钟，进行中烘；降至室温后，在光刻机下使用掩膜版进行光刻操作，然后将器件放置在加热板上加热放置于65℃条件下10分钟，95℃条件下20分钟，然后在聚合物SU-8 2002专用显影溶液中浸泡40秒，未曝光的部分SU-8 2002被刻蚀掉；再将其放入异丙醇溶液中除去残留的显影液，然后用去离子水反复冲洗去除残液，用洗耳球吹干表面液体后放置在120℃条件下30分钟，进行后烘；采用感应耦合等离子体刻蚀机将聚合物芯层薄膜厚度刻蚀到3μm。通过上述工艺就在聚合物下包层22’上制备了聚合物芯层23’；
4、采用旋涂工艺将聚合物下包层材料EpoClad旋涂在矩形结构的聚合物芯层23’和聚合物下包层22’上形成薄膜，旋涂速度为2000转/分钟，然后放置在120℃下烘烤2.5小时，厚度为5μm；再对聚合物下包层采用感应耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀得到聚合物平板层22”，其高度与聚合物芯层23’高度相等；聚合物下包层22’和聚合物平板层22”共同构成聚合物下包层22；
5、聚合物芯层23’上转移第一石墨烯电容器24的第一单层石墨烯244：制备流程如图7(c)所示，将购买的商用单层石墨烯转移到制备完成的聚合物芯层23’和聚合物平板层22”的表面，第一单层石墨烯层244与聚合物芯层23’接触，将聚合物PMMA旋涂在该单层石墨烯的表面得到聚合物PMMA薄膜，然后电子束光刻以定义出制备第一单层石墨烯244连同窄条石墨烯结构的区域，光刻的聚合物PMMA薄膜部分被显影掉，其下面的单层石墨烯暴露出来；再采用氧等离子体干法刻蚀，使暴露出来的石墨烯层被刻蚀掉，从而得到表面覆盖有PMMA薄膜的带有窄条石墨烯结构的第一单层石墨烯244；最后放置于丙酮溶液中去除聚合物PMMA薄膜，用去离子水去除残余的丙酮溶液，再在90℃条件下烘烤，从而得到带有窄条石墨烯结构的第一单层石墨烯244；
6、制备第一金属电极241：制备流程如图7(d)所示，在步骤5器件的表面上旋涂聚合物材料PMMA达到全部覆盖，得到聚合物PMMA薄膜；然后电子束光刻以定义出蒸镀第一金属电极241的区域，光刻的聚合物PMMA薄膜被显影掉，其下面的窄条石墨烯结构暴露出来；最后采用电子束蒸发镀膜设备在器件的表面蒸镀金属Au层达到全部覆盖，再将聚合物PMMA薄膜及其上的金属Au层剥离(金属剥离工艺：Lift-off)，从而在窄条石墨烯结构上制备得到第一金属电极241；
7、转移第二单层石墨烯243：在转移第二单层石墨烯层243之前，需要在第一单层石墨烯层241上蒸镀沉积电介质绝缘层245；然后进行第二单层石墨烯层243转移和制备，其工艺流程与转移第一单层石墨烯244的工艺流程相同；
8、制备第二金属电极242：其工艺流程与制备第一金属电极241相同；第一单层石墨烯244、第二单层石墨烯243、电介质绝缘层245、第一金属电极241和第二金属电极242构成石墨烯电容器24；
9、采用旋涂工艺结合感应耦合等离子体刻蚀机在聚合物芯层23’上制备与聚合物芯层23’相同结构的聚合物芯层23”，聚合物芯层23’和聚合物芯层23”共同构成聚合物芯层23；应用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在聚合物芯层23”和聚合物下包层22上，旋涂速度为3500转/分钟，然后放置在140℃下烘烤3小时，制备厚度18μm的聚合物上包层29；聚合物上包层29两侧各露出一定区域的聚合物下包层22，形成台阶结构，从而制备得到第一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关。
10、在图7(a)所示制备聚合物芯层23”的工艺流程基础上，应用工艺流程7(a)的步骤7～10在与第一石墨烯电容器24同一水平位置、聚合物芯层23之外的两侧制备第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27；应用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在聚合物芯层23”、第二石墨烯电容器25和第四石墨烯电容器27上，旋涂速度为2500转/分钟，然后放置在140℃下烘烤2.5小时，制备厚度为8μm的聚合物上包层28’；再采用感应耦合等离子体刻蚀机使聚合物上包层28’的厚度为4μm；然后应用工艺流程7(a)的步骤7～10在聚合物上包层28’上第一石墨烯电容器24的上方位置制备第三墨烯电容器26，应用旋涂工艺在第三墨烯电容器26上旋涂聚合物上包层28”，聚合物上包层28’和聚合物上包层28”构成聚合物上包层28；聚合物上包层28”两侧各露出一定区域的聚合物上包层28’，形成台阶结构，从而制备得到第二种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关。
Claims (5)
1.一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关，其特征在于：由衬底(21)、聚合物下包层(22)、矩形结构的光波导芯层(23)、台阶结构的聚合物上包层(28)、在光波导芯层(23)中心位置制备的第一石墨烯电容器(24’)、聚合物上包层(28)中在第一石墨烯电容器(24’)的正上方位置制备的第三石墨烯电容器(26)、第一石墨烯电容器(24’)的左右两边制备的第二石墨烯电容器(25)和第四石墨烯电容器(27)组成；聚合物上包层(28)和聚合物下包层(22)间形成台阶结构，即在聚合物上包层(28)的两侧各露出一定区域的聚合物下包层(22)；第一石墨烯电容器(24’)、第二石墨烯电容器(25)和第四石墨烯电容器(27)处于同一水平位置；第一石墨烯电容器(24’)位于矩形结构的光波导芯层(23)的中心位置，矩形结构的光波导芯层(23)、第二石墨烯电容器(25)和第四石墨烯电容器(27)被包覆在聚合物下包层(22)和聚合物上包层(28)之中；
第一石墨烯电容器(24’)为双层石墨烯结构，由下层的第一单层石墨烯(244’)、中间的第一电介质绝缘层(245’)、上层的第二单层石墨烯(243’)、第一金属接触电极(241’)和第二金属接触电极(242’)组成；与第一单层石墨烯(244’)一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出光波导芯层(23)和聚合物上包层(28)至聚合物下包层(22)露出的一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第一金属接触电极(241’)；与第二单层石墨烯(243’)一体结构的另一石墨烯窄条向另一侧延伸出光波导芯层(23)和聚合物上包层(28)至聚合物下包层(22)露出的另一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条的表面上制备第二金属接触电极(242’)；第一单层石墨烯(244’)和第二单层石墨烯(243’)所在平面构成聚合物下包层(22)和聚合物上包层(28)的层间分界面；
第二石墨烯电容器(25)为双层石墨烯结构，由下层的第三单层石墨烯(254)、中间的第二电介质绝缘层(255)、上层的第四单层石墨烯(253)、第三金属接触电极(251)和第四金属接触电极(252)组成；与第三单层石墨烯(254)一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出光波导芯层(23)和聚合物上包层(28)至聚合物下包层(22)露出的一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第三金属接触电极(251)；与第四单层石墨烯(253)一体结构的另一石墨烯窄条向同一侧延伸出光波导芯层(23)和聚合物上包层(28)至聚合物下包层(22)露出的一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条上制备第四金属接触电极(252)；
第三石墨烯电容器(26)为双层石墨烯结构，由下层的第五单层石墨烯(264)、中间的第三电介质绝缘层(265)、上层的第六单层石墨烯(263)、第五金属接触电极(262)和第六金属接触电极(261)组成；与第五单层石墨烯(264)一体结构的石墨烯窄条向一侧延伸出聚合物上包层(28)至聚合物上包层(28)台阶结构的表面边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第五金属接触电极(262)；与第六单层石墨烯(263)一体结构的另一石墨烯窄条向另一侧延伸出聚合物上包层(28)至聚合物上包层(28)台阶结构的表面边缘处，在该另一石墨烯窄条的表面上制备第六金属接触电极(262)；
第四石墨烯电容器(27)为双层石墨烯结构，由下层的第七单层石墨烯(274)、中间的第四电介质绝缘层(275)、上层的第八单层石墨烯(273)、第七金属接触电极(271)和第八金属接触电极(272)组成；与第七单层石墨烯(274)一体结构的石墨烯窄条向另一侧延伸出光波导芯层(23)和聚合物上包层(28)至聚合物下包层(22)露出的另一侧上表面靠近边缘处，在该石墨烯窄条的表面上制备第七金属接触电极(271)；与第八单层石墨烯(273)一体结构的另一石墨烯窄条向同一侧延伸出光波导芯层(23)和聚合物上包层(28)至聚合物下包层(22)露出的一侧上表面靠近边缘处，在该另一石墨烯窄条上制备第八金属接触电极(272)。
2.如权利要求1所述的一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关，其特征在于：衬底(21)为二氧化硅、氮化硅、硅中的一种，其宽度为1～3mm，厚度为300～800μm；聚合物下包层(22)和聚合物上包层(28)的材料为EpoCore、EpoClad、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯中的一种；聚合物芯层(23)的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯、聚酰亚胺中的一种；聚合物下包层(22)的宽度与衬底的宽度相同)为1～3mm，厚度为10～20μm；聚合物上包层28的宽度为100～1500μm，厚度为15～20μm，聚合物上包层(28)的宽度小于聚合物下包层(22)的宽度；聚合物芯层(23)的宽度为5～15μm，厚度为5～15μm。
3.如权利要求1所述的一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关，其特征在于：第一石墨烯电容器(24’)、第二石墨烯电容器(25)、第三石墨烯电容器(26)、第四石墨烯电容器(27)中的单层石墨烯层厚度相同，为0.35～0.7nm；第一石墨烯电容器(24’)的有效宽度为0.5～3μm，掩埋于聚合物波导芯层23的水平中间位置处；第三石墨烯电容(26)的有效宽度为0.5～5μm，位于聚合物波导芯层(23)上表面的上方，与聚合物波导芯层(23)上表面的距离为0～5μm；第二石墨烯电容器(25)和第四石墨烯电容器(27)的有效宽度为0.5～4μm，位于聚合物波导芯层(23)的左右两侧，其上、下单层石墨烯分别与第一石墨烯电容器24’的上、下单层石墨烯位于同一平面内，与聚合物波导芯层(23)边缘的距离为0～4μm。
4.如权利要求1所述的一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关，其特征在于：电介质绝缘层的材料为三氧化二铝、六方氮化硼、二氧化硅中的一种，电介质绝缘层的厚度为5～20nm，电介质绝缘层掩埋于各石墨烯电容器双层石墨烯之间，其宽度与各石墨烯电容器的有效宽度相同；电极(241’、242’、251、252、261、262、271、272)为银、金、铝、铂中的一种或者多种金属组成的合金，各电极与聚合物芯层(23)中心位置的距离为100～800μm；各电极宽度相同为50～100μm，厚度相同为100～300nm，长度相同为50～100μm。
5.权利要求1～4任何一项所述的一种基于模式可选择调制的聚合物波导光开关的制备方法，其步骤如下：
1)衬底层硅片的清洗处理：先将解离的硅片放在丙酮溶液中超声震荡10～15分钟，再用沾有丙酮和乙醇的棉球依次擦拭硅片表面，之后用去离子水将硅片表面冲洗干净，并用氮气吹干硅片表面的去离子水，最后在100～150℃下烘烤1～2小时去除硅片表面残留的水汽；
2)旋涂工艺制作聚合物下包层(22’)：采用旋涂方式将聚合物下包层材料旋涂在清洗处理过的衬底层上，旋涂速度为2500～4000转/分钟，旋涂后置于120～150℃条件下烘烤2.5～3小时，从而制备得到厚度为10～20μm的聚合物下包层(22’)；
3)湿法刻蚀工艺制作聚合物芯层(23’)：采用旋涂方式将聚合物芯层材料旋涂在聚合物下包层(22’)的上表面，旋涂速度为2000～3000转/分钟，聚合物芯层厚度为5～15μm；然后于50～65℃条件下10～15分钟、90～100℃条件下20～30分钟进行前烘，再于50～65℃条件下10～15分钟、95～100℃条件下20～30分钟进行中烘；降至室温后，在光刻机下使用掩膜版进行光刻，掩膜版的形状为需要制备的光波导芯层(23)的矩形结构；光刻后将器件在60～65℃条件下10～15分钟、95～100℃条件下20～30分钟进行加热，之后在聚合物芯层材料专用显影溶液中浸泡30～40秒，被掩膜版遮挡的未曝光的聚合物芯层材料被刻蚀掉；再将其放入异丙醇溶液中除去残留的显影液，然后用去离子水反复冲洗去除残液，用洗耳球吹干表面液体后放置在120～130℃条件下20～30分钟进行后烘；最后采用感应耦合等离子体刻蚀机将聚合物芯层的厚度刻蚀至2～7μm，从而在聚合物下包层(22’)上制备得到矩形结构的聚合物芯层(23’)；
4)采用旋涂工艺将与步骤2)相同的聚合物下包层材料旋涂在矩形结构的聚合物芯层(23’)和聚合物下包层(22’)上，旋涂速度为2000～3000转/分钟，然后放置在120～150℃下烘烤2.5～3小时；再对该聚合物下包层采用感应耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，得到与矩形结构的聚合物芯层(23’)厚度相同的聚合物平板层(22”)，聚合物下包层(22’)和聚合物平板层(22”)共同构成聚合物下包层(22)；
5)在聚合物芯层(23’)上转移制备石墨烯电容器(24)的第一单层石墨烯(244)：首先将一单层石墨烯转移到聚合物芯层(23’)和聚合物平板层(22”)的表面，将聚合物PMMA旋涂在该单层石墨烯的表面得到聚合物PMMA薄膜，然后电子束光刻以定义出制备第一单层石墨烯(244)连同窄条石墨烯结构的区域，光刻的聚合物PMMA薄膜部分被显影掉，其下面的单层石墨烯暴露出来；再采用氧等离子体干法刻蚀，使暴露出来的石墨烯层被刻蚀掉，从而得到表面覆盖有PMMA薄膜的带有窄条石墨烯结构的第一单层石墨烯(244)；最后放置于丙酮溶液中去除聚合物PMMA薄膜，用去离子水去除残余的丙酮溶液，再在70～140℃条件下烘烤，从而得到带有窄条石墨烯结构的第一单层石墨烯(244)；
6)制备第一金属电极(241)：在步骤5)器件的表面上旋涂聚合物材料PMMA达到全部覆盖，得到聚合物PMMA薄膜；然后电子束光刻以定义出蒸镀第一金属电极(241)的区域，光刻的聚合物PMMA薄膜被显影掉，其下面的窄条石墨烯结构暴露出来；最后采用电子束蒸发镀膜设备在器件的表面蒸镀金属Au层达到全部覆盖，再将聚合物PMMA薄膜及其上的金属Au层剥离，从而在窄条石墨烯结构上制备得到第一金属电极(241)；
7)转移第二单层石墨烯(243)：在转移第二单层石墨烯层(243)之前，需要在第一单层石墨烯层(241)上蒸镀沉积电介质绝缘层(245)；然后进行第二单层石墨烯层(243)转移和制备，其工艺流程与转移第一单层石墨烯(244)的工艺流程相同；
8)制备第二金属电极(242)：其工艺流程与制备第一金属电极(241)相同；第一单层石墨烯(244)、第二单层石墨烯(243)、电介质绝缘层(245)、第一金属电极(241)和第二金属电极(242)构成第一石墨烯电容器(24)；
9)采用旋涂工艺结合感应耦合等离子体刻蚀机在聚合物芯层(23’)上制备与聚合物芯层(23’)相同结构的聚合物芯层(23”)，聚合物芯层(23’)和聚合物芯层(23”)共同构成聚合物芯层(23)；
10)应用步骤7)～9)在与第一石墨烯电容器(24)同一水平位置、聚合物芯层(23)之外的两侧制备第二石墨烯电容器(25)和第四石墨烯电容器(27)；应用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在聚合物芯层(23”)、第二石墨烯电容器(25)和第四石墨烯电容器(27)上，旋涂速度为2000～3000转/分钟，然后放置在120～150℃下烘烤2.5～3小时，制备厚度为5～10μm的聚合物上包层(28’)；采用感应耦合等离子体刻蚀机使聚合物上包层(28’)的厚度为2～7μm；
11)应用步骤7)～9)在聚合物上包层(28’)上第一石墨烯电容器(24)的上方位置制备第三墨烯电容器(26)，应用旋涂工艺在第三墨烯电容器(26)上旋涂聚合物上包层(28”)，聚合物上包层(28’)和聚合物上包层(28”)共同构成聚合物上包层(28)；聚合物上包层(28”)两侧各露出一定区域的聚合物上包层(28’)，形成台阶结构，从而制备得到基于模式可选择调制的聚合物波导光开关。
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| Tianhang Lian.一种基于石墨烯埋入聚合物波导的电吸光调制器.《IEEE Photonics Journal》.2020,第12卷(第4期),1-10. * |
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