CN115079448A - 一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关及其制备方法，属于平面光波导器件及其制备技术领域。本发明以硅片作为衬底，二氧化硅作为下包层材料，有机/无机混合集成双芯波导结构作为波导芯层，采用与芯层聚合物不同的聚合物作为上包层材料。本发明利用有机聚合物材料有着品类繁多、成本低廉、制备工艺简单，且具有无机材料所无法比拟的高热光系数(～10‑4/K)的优势，将氮化硅波导和聚合物波导进行混合集成，不仅可以解决氮化硅热光开关功耗高、调制效率低的问题，而且采用氮化硅材料也可以减小聚合物波导光开关器件的尺寸，提高器件的集成度，对于热光开关阵列的设计和制备有着重要的实际意义。
Description
技术领域
本发明属于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、以二氧化硅作为下包层、以有机/无机混合集成双芯波导结构为芯层、有机聚合物材料作为上包层的光波导型热光开关及其制备方法。
背景技术
现代社会对数据传输容量、速度等都有了更高要求，目前对于信息传输、通信技术日益增长的需求也促进了新的通信技术手段的研发，传统的电互联通信方式不再适用于当下的发展。相比于电互联，新一代具有高集成度、可重构、成本低、功耗小和多功能的集成光学器件更具优势。近年来，随着材料、工艺方面的技术积累以及产业的大量需求使得集成光学和光通信技术得到了快速发展，通信容量、速度、稳定性、可靠性等性能的提升对当代通信发展有着至关重要的意义。在光网络中，光开关器件可以自由实现光路的通断、切换等功能，是光通信系统中至关重要的器件之一。因此，通过结构设计来对光开关器件的插入损耗、功耗、工作速度、器件的尺寸和工作效率等进行优化具有重要的意义。
发展到目前为止，光开关的结构种类繁多，制备工艺也多种多样，使用的材料也各不相同。工作原理上可以分类为：机械光开关、微机电系统光开关和集成光波导式光开关，而根据不同的原理又分为电光开关、热光开关、磁光开关和声光开关等。在常用的光开关结构设计中，Mach–Zehnder interferometer(MZI)是一种最基本的器件结构，该结构功能稳定，工艺成熟，该器件主要由3-dB Y分支分束器/耦合器、两条平行的干涉臂组成。使用MZI结构进行热光开关器件设计的主要原理为，通过在波导表面的电极施加电流，产生的热量改变材料的折射率，实现对干涉臂波导中信号光相位的调控，进而达到调控输出光强的目的。
目前应用于平面波导器件制备的材料体系主要有铌酸锂(LiNbO3)、Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体(InP，GaAs等)、SOI、氮化硅和有机聚合物等。以氮化硅为例，具有较低的传输损耗、0.4～2.35μm的较宽透明波段、可实现高折射率差以及与CMOS工艺兼容等优点，近年来在集成光子学中的应用得到了迅速发展，已广泛应用于精密计量、通信、传感、成像、导航和量子物理等领域。在集成光学领域，氮化硅波导已成功用于光开关、波分复用/解复用器、延迟线等器件的研制中。但是，对于氮化硅波导热光开关而言，目前还存在着功耗较高、调制效率较低等问题，这主要是因为氮化硅有着较低的热光系数(～10-5/K)，需要的调制温度较高，进而导致了器件功耗较高。虽然人们通过增加调制臂波导的长度，或者将氮化硅波导密集排列以及优化电极结构等方式来提高调制效率、降低功耗，但是取得的效果并不是很明显，并且增加了器件的尺寸。这使得氮化硅的性能不能得到很好的发挥，限制了氮化硅波导热光开关器件的发展，阻碍了其在集成光学器件中的应用。
为解决上述问题，本发明提出一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，通过有机/无机混合集成的方式来降低氮化硅波导热光开关的功耗。相对于其他材料而言，有机聚合物材料有着品类繁多、成本低廉、制备工艺简单等优点，并且有机聚合物材料具有无机材料所无法比拟的高热光系数(～10-4/K)的优势。利用有机聚合物材料的这个优点，将氮化硅波导和聚合物波导进行混合集成，不仅可以解决氮化硅热光开关功耗高、调制效率低的问题，而且采用氮化硅材料也可以减小聚合物波导光开关器件的尺寸，提高器件的集成度，对于热光开关阵列的设计和制备有着重要的实际意义。
发明内容
为了克服氮化硅波导MZI型热光开关存在的热光系数低从而导致的器件功耗较高和调制效率低的问题，提高氮化硅波导热光开关器件的性能，本发明的目的在于提供一种通过在MZI型热光开关的两条调制臂引入有机/无机混合集成双芯波导结构，进而利用聚合物材料的高热光系数的优势，其余波导芯层部分采用氮化硅材料来设计一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关及其制备方法。
本发明的热光开关采用传统的MZI结构，在平面波导器件的设计中，MZI型开关是一种最基本的器件，由于其制备工艺简单，器件结构稳定，工作性能稳定，因此在波导器件中具有不可代替的应用价值，在光通信网络中有着重要地位。传统MZI热光开关主要由输入/输出波导、3-dB分束器/耦合器以及两条平行的调制臂波导组成，其调制原理为通过热光效应使得一条波导调制臂的材料折射率发生变化，从而导致被调制的波导臂的有效折射率发生变化，使光信号在传输时，相位发生变化，在输出端口两波导臂中的光信号存在一定的相位差，以此实现光开关的功能。本发明充分利用了聚合物的热光系数远大于氮化硅的特点，调制臂波导选用有机/无机混合集成双芯波导结构，利用聚合物材料的高热光系数的优势，来降低调制温度，提高加热效率；除此以外，相对于传统的3-dB Y分支分束/耦合器，本发明采用了更高效的锥形波导耦合方案来进行功率分配器/耦合器的设计，与传统的Y分支波导相比，本发明采用的方案在保证了很好的功率分配效果的前提下，还减小了功率分配器的尺寸，为大规模热光开关阵列的研发制备提供了一个能够减小器件尺寸、提高集成度的可行方案。
本发明以硅片作为衬底，二氧化硅作为下包层材料，有机/无机混合集成双芯波导结构作为波导芯层，采用与芯层聚合物不同的聚合物作为上包层材料，其中双芯波导结构的聚合物材料为具有高热光系数的聚合物材料。本发明充分利用了聚合物材料热光系数高，氮化硅波导尺寸小、透明窗口较大，以及二者共同拥有的制备工艺简单且与半导体工艺兼容、易于集成、适合大规模制备的优点，因此具有重要的实际意义。
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)、附图1(b)所示，一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由氮化硅输入直波导1，第一氮化硅锥形波导2，第二氮化硅锥形波导3，第三氮化硅锥形波导4(第二氮化硅锥形波导3和第三氮化硅锥形波导4关于第一氮化硅锥形波导2对称设置，构成3-dB功率分配器)，第一氮化硅弯曲波导5，第二氮化硅弯曲波导6，第四氮化硅锥形波导7，第五氮化硅锥形波导8，平行的第一氮化硅条形波导9和第二氮化硅条形波导10，平行的第一聚合物条形波导11和第二聚合物条形波导12，第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14(第四氮化硅锥形波导7和第一聚合物条形波导11构成第一过渡区；第五氮化硅锥形波导8和第二聚合物条形波导12构成第二过渡区；第六氮化硅锥形波导13和第一聚合物条形波导11构成第三过渡区；第七氮化硅锥形波导14和第二聚合物条形波导12构成第四过渡区；第四氮化硅锥形波导7、第一氮化硅条形波导9和第六氮化硅锥形波导13被位于之上的第一聚合物条形波导11完全包覆，共同构成第一调制臂；第五氮化硅锥形波导8、第二氮化硅条形波导10和第七氮化硅锥形波导14被位于之上的第二聚合物条形波导12完全包覆，共同构成第二调制臂)，第三氮化硅弯曲波导15，第四氮化硅弯曲波导16，第八氮化硅锥形波导17，第九氮化硅锥形波导18，第十氮化硅锥形波导19(第八氮化硅锥形波导17和第九氮化硅锥形波导18关于第十氮化硅锥形波导19对称设置，构成3-dB功率耦合器)，氮化硅输出直波导20、第一加热电极21和第二加热电极22所构成；
输入直波导1和输出直波导20的长度相等(为L1＝0.8～1.5cm)，第一氮化硅锥形波导2、第二氮化硅锥形波导3、第三氮化硅锥形波导4、第八氮化硅锥形波导17、第九氮化硅锥形波导18、第十氮化硅锥形波导19的长度相等(为L2＝5～50μm)，第一氮化硅弯曲波导5、第二氮化硅弯曲波导6、第三氮化硅弯曲波导15、第四氮化硅弯曲波导16的长度相等(为L3＝20～100μm)，第一氮化硅弯曲波导5和第二氮化硅弯曲波导6之间、以及第三氮化硅弯曲波导15和第四氮化硅弯曲波导16之间的分支角度相等(为θ＝2～8°)；第四氮化硅锥形波导7、第五氮化硅锥形波导8、第六氮化硅锥形波导13、第七氮化硅锥形波导14的长度相等(为L4＝50～400μm)，平行的第一聚合物条形波导11和第二聚合物条形波导12、第一加热电极21、第二加热电极22的长度相等(为L5＝L6+2*L4＝2100～3300μm)，平行的第一氮化硅条形波导9和第二氮化硅条形波导10的长度相等(为L6＝2000～2500μm)，第一加热电极21、第二加热电极22覆盖在第一聚合物条形波导11、第二聚合物条形波导12之上，且第一加热电极21和第二加热电极22中心位置分别与第一聚合物条形波导11和第二聚合物条形波导12中心位置对应。
如附图2、附图1(a)、附图1(b)所示，氮化硅输入直波导1和氮化硅输出直波导20的宽度，第一氮化硅锥形波导2、第二氮化硅锥形波导3、第三氮化硅锥形波导4、第八氮化硅锥形波导17、第九氮化硅锥形波导18、第十氮化硅锥形波导19、第四氮化硅锥形波导7、第五氮化硅锥形波导8、第六氮化硅锥形波导13、第七氮化硅锥形波导14较宽侧的宽度，第一氮化硅弯曲波导5、第二氮化硅弯曲波导6、第三氮化硅弯曲波导16、第四氮化硅弯曲波导17的宽度相等(为W0＝0.5～2.5μm)；第一氮化硅锥形波导2、第二氮化硅锥形波导3、第三氮化硅锥形波导4、第八氮化硅锥形波导17、第九氮化硅锥形波导18、第十氮化硅锥形波导19较窄侧的宽度相等(为W1＝0.1～0.5μm)；平行的第一氮化硅条形波导9和第二氮化硅条形波导10的宽度，第四氮化硅锥形波导7、第五氮化硅锥形波导8、第六氮化硅锥形波导13、第七氮化硅锥形波导14较窄侧的宽度相等(为W2＝0.02～0.2μm)。
第二氮化硅锥形波导3和第一氮化硅锥形波导2之间的距离、第三氮化硅锥形波导4和第一氮化硅锥形波导2之间的距离、第八氮化硅锥形波导17和第十氮化硅锥形波导19之间的距离、第九氮化硅锥形波导18和第十氮化硅锥形波导19之间的距离相等(为W3＝0.1～1μm)；第一氮化硅条形波导9与第二氮化硅条形波导10之间的距离、第一聚合物条形波导11与第二聚合物条形波导12之间的距离相等(为W4＝10～50μm)；第一聚合物条形波导11和第二聚合物条形波导12的宽度相等(为W5＝1.5～5μm)；第一加热电极21和第二加热电极22的宽度相等(为W6＝10～20μm)。
光从氮化硅直波导1输入，经由3-dB功率分配器将输入光分成功率相同的两束光，分别进入到第一氮化硅弯曲波导5和第二氮化硅弯曲波导6中；两束光分别经由第一过渡区、第二过渡区进入到第一调制臂和第二调制臂中；第一调制臂和第二调制臂中的两束光分别经由第三过渡区、第四过渡区进入到第三氮化硅弯曲波导15和第四氮化硅弯曲波导16中；第三氮化硅弯曲波导15和第四氮化硅弯曲波导16中的两束光进入到3-dB功率耦合器中，将两束光耦合后输入到输出氮化硅直波导20。
如附图3(a)所示(为图1(b)中A-A’位置的截面图)，一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：氮化硅直波导输入1、第一氮化硅锥形波导2、第二氮化硅锥形波导3、第三氮化硅锥形波导4、第一氮化硅弯曲波导5、第二氮化硅弯曲波导6、第一氮化硅弯曲波导15、第二氮化硅弯曲波导16、第八氮化硅锥形波导17、第九氮化硅锥形波导18、第十氮化硅锥形波导19、输出氮化硅直波导20，从下到上依次由硅片衬底31、位于硅片衬底31之上的二氧化硅下包层32、位于二氧化硅下包层32之上的氮化硅波导芯层33、位于二氧化硅下包层32和氮化硅波导芯层33之上的聚合物上包层35组成，氮化硅波导芯层33完全被包覆在聚合物上包层35之中。
如附图3(b)所示(为图1(b)中B-B’位置的截面图)，一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：第四氮化硅锥形波导7、第五氮化硅锥形波导8、第一氮化硅条形波导9、第二氮化硅条形波导10、第一聚合物条形波导11、第二聚合物条形波导12、第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14，从下到上依次由硅片衬底31、位于硅片衬底31之上的二氧化硅下包层32、位于二氧化硅下包层32之上的氮化硅波导芯层33和聚合物波导芯层34、位于聚合物波导芯层34之上的聚合物上包层35组成；氮化硅波导芯层33完全被包覆在聚合物波导芯层34之中，聚合物波导芯层34完全被包覆在聚合物上包层35之中；聚合物上包层35之上在与聚合物波导芯层34对应的位置制备有Al电极36。
硅片衬底31的厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层32的厚度为13～17μm，氮化硅波导芯层33的厚度为0.2～0.4μm，聚合物波导芯层34的厚度为1～5μm，上包层35的厚度为3～10μm，Al电极36的厚度为50～150nm。
本发明所述的基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关的制备方法，其制备工艺流程见附图3，具体叙述为：
A：二氧化硅下包层表面的清洁处理
以带有二氧化硅下包层的硅片为基底，用沾有丙酮的棉球反复擦拭二氧化硅下包层表面，再用沾有乙醇的棉球反复擦拭二氧化硅下包层表面，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封；
B：氮化硅薄膜制备
在二氧化硅下包层表面，采用LPCVD方法在750～850℃条件下沉积化学计量比为Si3N4的氮化硅薄膜，薄膜厚度为0.2～0.4μm；
C：氮化硅波导的制备
使用旋涂工艺将正性光刻胶BP218旋涂在氮化硅薄膜上，匀胶机参数首先设置为300～600rpm，加速时间2～5s，匀速时间10～15s；再将转速设置为转速为1000～2000rpm，加速时间为5～10s，匀速时间为10～30s；再设置减速到0的时间为10～30s；完成旋涂后将衬底放到加热台上进行前烘，采用阶梯升温的办法在60～80℃加热1～2分钟，然后在110～130℃加热2～3分钟，加热结束后放置在室温条件下自然降温1～2小时；对光刻胶薄膜进行对版光刻，本发明中采用接触式光刻机进行曝光，工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间设置为10～25s，掩模版为需要制备的氮化硅波导芯层的结构(如图1(a)所示)，使得氮化硅波导芯层以外的区域被充分曝光；光刻结束后将衬底取下进行后烘，采用阶梯升温的办法在60～80℃加热1～2分钟，然后在120～140℃加热2～3分钟，加热结束后放置在室温条件下自然降温1～2小时；降温结束后进行显影，将衬底放置到BP218光刻胶显影液中进行湿法刻蚀，时间为20～30秒，将曝光部分的光刻胶去除，显影结束后需立即将衬底取出，用去离子水多次冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)，洗去衬底上残留的显影液等杂质，最后用氮气吹干衬底上残余的去离子水；最后将清洗干净的衬底放置在烘干台上进行烘干操作，这一步称为坚膜，增强光刻胶的附着力，同时提高剩余部分光刻胶在后续加工步骤中的稳定性(有更强的抗腐蚀能力)，也会使光刻胶接近熔融状态，边缘轮廓清晰，坚膜时间设定为2～4分钟，坚膜温度设置为100～140℃，加热完成后在室温条件下自然降温1～2小时；
完成坚膜后开始进行RIE刻蚀(反应离子刻蚀，同时具有各向异性和选择性强的优点)对衬底进行加工，选用三氟甲烷(CHF3)作为刻蚀气体，选用的气体流量为80～130sccm，刻蚀功率为110～160W，腔内压强为2.4Pa，刻蚀时间为12～15分钟，刻蚀完成后对衬底进行去胶操作，将衬底放入到有机溶剂中浸泡2～3分钟，同时轻轻晃动衬底，之后用去离子水对衬底进行清洗并用氮气将衬底上残留的去离子水吹干；然后利用氧等离子体在电场加速下轰击氮化硅波导芯层上残余的光刻胶，进一步去除光刻胶，气体流量为60～75sccm，刻蚀功率为75～90W，腔内压强为8～12Pa，刻蚀时间为9～13分钟；氧等离子体刻蚀后需将衬底再次用去离子水清洗，并用氮气将衬底上残余的去离子水吹净，这样就在二氧化硅下包层上制备出目标结构的氮化硅波导芯层；
D：聚合物波导芯层的制备
采用旋涂的工艺将具有较大负热光系数的波导芯层材料(该光波导芯层是包括EpoCore、EpoClad、SU-8 2002、SU-8 2005、NOA在内的一系列可湿法刻蚀的紫外负性光刻胶材料，光波导芯层材料的折射率高于聚合物上包层折射率)旋涂在制备好氮化硅波导芯层上，胶机参数首先设置为800～1500rpm，加速时间2～5s，匀速时间10～15s；再将转速设置为转速为2000～4000rpm，加速时间为5～10s，匀速时间为10～30s；再设置减速到0的时间为10～30s；形成的聚合物薄膜厚度为1～5μm；对旋涂芯层薄膜的衬底进行前烘加热，采用阶梯升温流程，在60～100℃加热5～25分钟，然后在100～140℃温度下加热20～30分钟，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为1～2小时；对聚合物薄膜进行光刻，采用接触式光刻机进行曝光，工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间设置为10～25秒，掩膜版为与需要制备的聚合物波导芯层互补的结构，使聚合物波导芯层结构区域的材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行后烘，在50℃～100℃加热10～30分钟，然后在90℃～140℃温度下加热20～30分钟，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为1～2小时；降温完毕后对衬底进行显影，将衬底放置在对应的显影液中湿法刻蚀15～30s，将未被曝光的区域去除，然后放入异丙醇溶液中洗去衬底表面残留的光波导芯层材料和显影液，最后用去离子水顺着波导方向进行反复冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)，去除硅片表面的异丙醇等杂质，再用氮气吹干；最后进行坚膜，在110～140℃加热30～60分钟，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为1～2小时，这样就制得了厚度为1～5μm的目标结构的聚合物波导芯层，从而在硅片衬底上制备得到有机/无机混合集成双芯波导结构，氮化硅波导芯层完全被包覆在聚合物波导芯层之中；
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(该聚合物上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)旋涂在已经制备好的有机/无机混合集成双芯波导结构及二氧化硅下包层上，旋涂转速为2000～6000rpm，然后在120～150℃条件下加热20～50分钟，聚合物上包层厚度为3～10μm；聚合物波导芯层完全被包覆在聚合物上包层之中；
F：Al电极的制备
采用蒸镀工艺在聚合物上包层的表面蒸镀出一层厚度为50～150nm的Al薄膜，然后利用旋涂工艺，在铝薄膜上旋涂出一层正性光刻胶BP212薄膜，设定转速为1500～3500rpm；对旋涂BP212薄膜的衬底进行前烘，设定温度为70～110℃温度下加热25～30分钟，加热结束后将衬底放置在室温环境下自然冷却1～2小时，得到厚度为0.5～2.0μm的BP212薄膜；对光刻胶BP212薄膜进行对版光刻，掩模版的形状为需要制备的电极的结构(如图1(b)所示)，曝光时间为1～4s，使得除了电极以外区域的光刻胶均被充分曝光；
结束曝光后将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中10～30s，去除被曝光的光刻胶，然后用去离子水顺着电极方向多次冲洗，直至冲洗干净并用氮气吹干；对衬底进行坚膜，即在70～100℃加热10～20分钟，加热完毕后在室温下自然冷却1～2小时；降至室温后进行Al电极的显影，将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中1～20分钟，将电极以外区域的Al膜部分去除，之后用去离子水反复冲洗，并用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中5～15s，去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，从而得到本发明所述的基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关充分发挥了有机聚合物材料热光系数大、MZI型结构干涉效应强、氮化硅波导尺寸小和透明窗口大的优势，通过对MZI结构的调制臂进行调制实现提高了氮化硅波导热光开关调制效率的目的；另外，采用聚合物材料使得器件的制备工艺比较简单，需要的工艺目前已经十分成熟，只需要旋涂、光刻等常规工艺，不需要难度较高的工艺，同时还具有生产成本低、效率高、能够大批量生产以及能够与CMOS工艺相兼容等优势，而且所制备的有机/无机混合集成双芯波导结构MZI型热光开关能够在实际中得到很好的应用。
附图说明
图1(a)：本发明所述的基于有机/无机混合集成双芯波导结构热光开关的部分结构示意图；
图1(b)：本发明所述的基于有机/无机混合集成双芯波导结构热光开关的整体结构示意图；
图2：图1(a)中3-dB功率分配器的结构示意图；
图3(a)：图1(b)中A-A’位置的横截面示意图；
图3(b)：图1(b)中B-B’位置的横截面示意图；
图4：基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关的制备工艺流程图；
图5(a)：氮化硅波导3-dB功率分配器的光场传输模拟图；
图5(b)：输入氮化硅芯层波导中的光场分布模拟图；
图6：经过3-dB功率分配器进入到第一(第二)过渡区的光场传输模拟图；
图7：调制臂波导的光场分布模拟图；
图8：经过调制臂进入到第三(第四)过渡区的光场传输模拟图；
图9：输出氮化硅芯层波导中的光场分布模拟图；
图10(a)：器件在“关”状态下的光场传输模拟图；
图10(b)：器件在“开”状态下的光场传输模拟图。
如图1(a)、(b)所示，基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关的结构示意图，各部件的名称为：氮化硅输入直波导1，第一氮化硅锥形波导2，第二氮化硅锥形波导3，第三氮化硅锥形波导4，第一氮化硅弯曲波导5，第二氮化硅弯曲波导6，第四氮化硅锥形波导7，第五氮化硅锥形波导8，平行的第一氮化硅条形波导9和第二氮化硅条形波导10，平行的第一聚合物条形波导11和第二聚合物条形波导12，第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14，第三氮化硅弯曲波导15，第四氮化硅弯曲波导16，第八氮化硅锥形波导17，第九氮化硅锥形波导18，第十氮化硅锥形波导19，氮化硅输出直波导20以及第一加热电极21、第二加热电极22；
如图2所示，为图1(a)中3-dB功率分配器部分的器件结构示意图，与3-dB功率耦合器相对称，结构尺寸相同；
如图3(a)图所示，为图1(b)中A-A’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31、位于硅片衬底31之上的二氧化硅下包层32、位于二氧化硅下包层32之上的氮化硅波导芯层33、位于二氧化硅下包层32和氮化硅波导芯层33之上的聚合物上包层35；图3(b)图为图1(b)中B-B’位置的横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底31、位于硅片衬底31之上的二氧化硅下包层32、位于二氧化硅下包层32之上的氮化硅波导芯层33和聚合物波导芯层34、位于聚合物波导芯层34之上的聚合物上包层35、氮化硅波导芯层33完全被包覆在聚合物波导芯层34之中，在聚合物上包层35之上与聚合物波导芯层34对应的位置制备有电极36(电极材料为Al)，分别对应第一加热电极21和第二加热电极22。
如图4所示，图中31为硅衬底，32为位于硅衬底上的二氧化硅下包层，33为通过LPCVD法生长、光刻、RIE刻蚀工艺制备的氮化硅波导芯层，34为通过旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的聚合物波导芯层，35为通过旋涂工艺制备的聚合物上包层，36为加热电极；
如图5(a)所示，为输入基模光时氮化硅输入直波导1和3-dB功率分配器部分的光场传输模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，3-dB功率分配器实现了对光功率分配比50：50的功能；
如图5(b)所示，为输入基模光时氮化硅波导芯层中光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，可以看出基模的光可以在这个结构尺寸材料的波导中稳定传输；
如图6所示，为输入基模光经过3-dB功率分配器进入到第一(第二)过渡区的光场传输模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，过渡区实现了氮化硅波导到调制臂中基模光过渡的功能；
如图7所示，为输入基模光经过3-dB功率分配器和第一(第二)过渡区进入到第一(第二)调制臂后，调制臂内的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，调制臂中的光为基模；
如图8所示，为输入基模光经过3-dB功率分配器和第一(第二)过渡区进入到第一(第二)调制臂后进入到第三(第四)过渡区光场传输模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，过渡区实现了调制臂到氮化硅波导中基模过渡的功能；
如图9所示，为输入基模光经过3-dB功率分配器和第一(第二)过渡区进入到第一(第二)调制臂后进入到第三(第四)过渡区后进入到第三(第四)氮化硅弯曲波导15(16)后的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，经过调制臂后氮化硅波导中传输的光为基模；
如图10(a)所示，为输入基模光时，对第一调制臂进行调制，即在第一加热电极21上施加7.5V电压，对第二调制臂不进行调制，即在第二加热电极22上的电压为0V，器件整体的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，光场图为加调制时，器件整体在开关的关状态，无基模光输出的光场分布图；
如图10(b)所示，为输入基模光时对第一调制臂、第二调制臂不调制时，即对第一加热电极21、第二加热电极22施加电压均为0V，器件整体的光场分布模拟图，在模拟过程中，我们选用实施例1中所选用的材料和波导尺寸，在选用这个结构参数和材料的条件下，光场图为不加调制时器件整体在开关的开状态，输出端为基模光的光场分布图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例结构如图1(a)、图1(b)所示，氮化硅输入直波导1和氮化硅输出直波导20的长度L1为1cm，第一氮化硅锥形波导2，第二氮化硅锥形波导3，第三氮化硅锥形波导4，第八氮化硅锥形波导17，第九氮化硅锥形波导18，第十氮化硅锥形波导19的长度L2相等为15μm；第一氮化硅弯曲波导5，第二氮化硅弯曲波导6，第三氮化硅弯曲波导16，第四氮化硅弯曲波导17弯曲长度L3相等为40μm，分支角度θ相等为5.957°；第四氮化硅锥形波导7，第五氮化硅锥形波导8，第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14长度L4相等为80μm；平行的第一聚合物条形波导9，第二聚合物条形波导10，第一加热电极21，第二加热电极22长度L5相等为2200μm；第一氮化硅条形波导9、第二氮化硅条形波导10长度L6相等为2040μm；如图1(a)、图一(b)、图2所示，输入氮化硅直波导1和输出氮化硅直波导20的宽度与第一氮化硅锥形波导2，第二氮化硅锥形波导3，第三氮化硅锥形波导4，第八氮化硅锥形波导17，第九氮化硅锥形波导18，第十氮化硅锥形波导19较宽侧的宽度，以及第四氮化硅锥形波导7，第五氮化硅锥形波导8，第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14较宽侧的宽度，以及第一氮化硅弯曲波导5，第二氮化硅弯曲波导6，第三氮化硅弯曲波导15，第四氮化硅弯曲波导16的宽度W0相等为1.2μm；第一氮化硅锥形波导2，第二氮化硅锥形波导3，第三氮化硅锥形波导4，第八氮化硅锥形波导17，第九氮化硅锥形波导18，第十氮化硅锥形波导19较窄侧的宽度W1相等为0.2μm；平行的第一氮化硅条形波导9，第二氮化硅条形波导10的宽度与第四氮化硅锥形波导7，第五氮化硅锥形波导8，第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14较窄侧的宽度W2相等为0.05μm；第二氮化硅锥形波导3和第一氮化硅锥形波导2之间间距、第三氮化硅锥形波导4和第一氮化硅锥形波导2之间间距、第八氮化硅锥形波导17和第十氮化硅锥形波导19之间间距、第九氮化硅锥形波导18和第十氮化硅锥形波导19之间间距W3相等为0.3μm；第一氮化硅条形波导9与第二氮化硅条形波导10之间间距，第一聚合物条形波导11与第二聚合物条形波导12之间间距W4相等为20.5μm；第一聚合物条形波导11，第二聚合物条形波导12宽度W5，相等为2μm；第一加热电极21、第二加热电极22宽度W6相等为12μm。
如附图3(a)所示(为图1(b)中A-A’位置的截面图)，一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：氮化硅直波导输入1、第一氮化硅锥形波导2、第二氮化硅锥形波导3、第三氮化硅锥形波导4、第一氮化硅弯曲波导5、第二氮化硅弯曲波导6、第一氮化硅弯曲波导15、第二氮化硅弯曲波导16、第八氮化硅锥形波导17、第九氮化硅锥形波导18、第十氮化硅锥形波导19、输出氮化硅直波导20，从下到上依次由硅片衬底31、位于硅片衬底31之上的二氧化硅下包层32、位于二氧化硅下包层32之上的氮化硅波导芯层33、位于二氧化硅下包层32和氮化硅波导芯层33之上的聚合物上包层35组成，氮化硅波导芯层33完全被包覆在聚合物上包层35之中。
如附图3(b)所示(为图1(b)中B-B’位置的截面图)，一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：第四氮化硅锥形波导7、第五氮化硅锥形波导8、第一氮化硅条形波导9、第二氮化硅条形波导10、第一聚合物条形波导11、第二聚合物条形波导12、第六氮化硅锥形波导13，第七氮化硅锥形波导14，从下到上依次由硅片衬底31、位于硅片衬底31之上的二氧化硅下包层32、位于二氧化硅下包层32之上的氮化硅波导芯层33和聚合物波导芯层34、位于聚合物波导芯层34之上的聚合物上包层35组成；氮化硅波导芯层33完全被包覆在聚合物波导芯层34之中，聚合物波导芯层34完全被包覆在聚合物上包层35之中；聚合物上包层35之上在与聚合物波导芯层34对应的位置制备有Al电极36。
硅片衬底31的厚度为1mm，二氧化硅下包层32的厚度为15μm，氮化硅波导芯层33的厚度为0.4μm，NOA波导芯层34的厚度为2μm，聚合物PMMA上包层35的厚度为4μm，Al电极36的厚度为50nm。
光从氮化硅直波导1输入，经由3-dB功率分配器(功率分配器是按照50:50(强度)进行分光)将输入光分成两束光分别进入到第一氮化硅弯曲波导5，第二氮化硅弯曲波导6当中；第一氮化硅弯曲波导5，第二氮化硅弯曲波导6当中的两束光分别经由第一过渡区、第二过渡区进入到第一调制臂、第二调制臂中；第一调制臂、第二调制臂中的两束光分别经由两臂的第三、第四过渡区进入到第三氮化硅弯曲波导15，第四氮化硅弯曲波导16中，再进入到3-dB耦合器中将两束光耦合后输入到输出氮化硅直波导20。
如图5(a)所示，输入基模光时氮化硅直波导1和3-dB功率分配器部分的光场传输模拟图，该部分实现了对基模光的3-dB功率分配的功能。
如图5(b)所示，输入基模光时氮化硅芯层波导中光场分布模拟图，基模光可以在该尺寸参数下的波导内稳定传输。
如图6所示，输入基模光经过3-dB功率分配器进入到第一(第二)过渡区的光场传输模拟图，基模光经过3-dB功率分配器进入到第一(第二)过渡区，光由氮化硅锥形波导尖端过渡至NOA条形波导内，且过渡后光模式为基模，过渡区实现了氮化硅波导到NOA条形波导中基模光过渡的功能。
如图7所示，输入基模光经过3-dB功率分配器和过渡区进入到第一(第二)调制臂后，调制臂内的光场分布模拟图，耦合后的基模的光在调制臂内稳定传输。
如图8所示，输入基模光经过3-dB功率分配器、第一(第二)过渡区、第一(第二)调制臂后进入到第三(第四)过渡区的光场传输模拟图，且过渡后的光模式为基模，过渡区实现了调制臂到氮化硅波导中基模光过渡的功能。
如图9所示，输入基模光经过3-dB功率分配器、第一(第二)过渡区、第一(第二)调制臂、第三(第四)过渡区后进入到第三(第四)氮化硅弯曲波导15(16)的光场分布模拟图，此时光仍为基模。
如图10(a)所示，为输入基模光时，对第一调制臂调制，对第一加热电极21施加电压7.5V时，第二加热电极22不施加电压，光场图为加调制时器件整体在开关的关状态下，即无基模光输出时的光场分布图。
如图10(b)所示，为输入基模光时对第二调制臂不调制，对第一、第二加热电极21、22均不施加电压时，光场图为不调制时器件整体在开关的开状态下，即输出光为基模光时的光场分布图。
实施例2
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
二氧化硅下包层表面的清洁处理：以带有二氧化硅下包层的硅片为基底，用沾有丙酮的棉球反复擦拭二氧化硅下包层表面，再用沾有乙醇的棉球反复擦拭二氧化硅下包层表面，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封；
在二氧化硅下包层表面，采用LPCVD方法在800℃条件下沉积化学计量比为Si3N4的氮化硅薄膜，氮化硅波导芯层厚度为400nm。
氮化硅芯层波导的制备：使用旋涂工艺将正性光刻胶BP218旋涂在氮化硅薄膜上，匀胶机参数首先设置为600rpm，加速时间5s，匀速时间15s；再将转速设置为转速为1500rpm，加速时间为10s，匀速时间为20s，再设置减速到0的时间为20s，完成旋涂后将衬底放到加热台上进行加热前烘，采用阶梯升温的办法70℃加热1.5分钟，然后120℃加热2分钟，加热结束后放置在室温条件下自然降温2小时，对光刻胶薄膜进行对版光刻，本实施例中采用接触式光刻机进行曝光，工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间设置为15s，掩模版为需要制备的氮化硅波导芯层的结构(如图1所示)，使得氮化硅波导芯层以外的区域被充分曝光；光刻结束后将衬底取下进行后烘，采用阶梯升温的办法在70℃加热2分钟，然后在130℃加热2分钟，加热结束后放置在室温条件下自然降温2小时，降温结束后进行显影，将衬底放置到BP218光刻胶显影液中进行湿法刻蚀，时间为25s，将曝光部分的光刻胶去除，显影结束后需立即将衬底取出，用流动的去离子水顺着波导方向进行冲洗，洗去衬底上残留的显影液等杂质，最后用氮气吹干衬底上残余的去离子水；最后将清洗干净的衬底放置在烘干台上进行烘干操作，这一步称为坚膜，增强光刻胶的附着力，同时提高剩余部分光刻胶在后续加工步骤中的稳定性(有更强的抗腐蚀能力)，也会使光刻胶接近熔融状态，边缘轮廓清晰，坚膜时间设定为3分钟，坚膜温度设置为130℃，加热完成后在室温条件下自然降温2小时。
完成坚膜后开始进行RIE刻蚀对衬底进行加工，选用三氟甲烷(CHF3)作为刻蚀气体，选用的气体流量为100sccm，刻蚀功率为140W，腔内压强为2.4Pa，刻蚀时间为13分钟，刻蚀完成后对衬底进行去胶操作，将衬底放入到有机溶剂中浸泡2分钟，同时轻轻晃动衬底，之后用去离子水对衬底进行清洗并用氮气将衬底上残留的去离子水吹干；然后利用氧等离子体在电场加速下轰击氮化硅波导上残余的的光刻胶，进一步去除光刻胶，气体流量为65sccm，刻蚀功率为80W，腔内压强为10Pa，刻蚀时间为10分钟；氧等离子体刻蚀后需将衬底再次用去离子水清洗，并用氮气将衬底上残余的去离子水吹净，这样就在二氧化硅下包层上制备出目标结构的氮化硅波导芯层；
聚合物波导芯层的制备：采用旋涂的工艺将具有较大负热光系数的波导芯层材料NOA旋涂在制备好氮化硅波导的衬底上，胶机参数首先设置为1300rpm，加速时间5s，匀速时间10s；再将转速设置为转速为3000rpm，加速时间为8s，匀速时间为20s；再设置减速到0的时间为20s；形成的聚合物薄膜厚度为3μm；对旋涂芯层薄膜的衬底进行前烘加热，采用阶梯升温流程，在90℃加热20分钟，然后在130℃温度下加热30分钟，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为2小时；对聚合物薄膜进行光刻，采用接触式光刻机进行曝光，曝光时间设置为15s，掩膜版为与需要制备的聚合物波导芯层互补的结构，使聚合物波导芯层结构区域的材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行后烘，在80℃加热20分钟，然后在120℃温度下加热30分钟，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为2小时；降温完毕后对衬底进行显影，将衬底放置在对应的显影液中湿法刻蚀15s，将未被曝光的非保留区域(除了第一调制臂和第二调制臂以外的部分)去除，然后放入异丙醇溶液中洗去衬底表面残留的光波导芯层材料和显影液，是用去离子水顺着波导方向进行多次反复冲洗(防止波导形貌被破坏)，去除硅片表面的异丙醇等杂质，最后用氮气吹干；最后进行坚膜，在140℃加热40分钟，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为2小时，这样就在二氧化硅下包层上制得了2μm厚的条形结构的光波导芯层，从而在硅片衬底上制备得到有机/无机混合集成双芯波导结构，氮化硅波导芯层完全被包覆在聚合物波导芯层之中；
聚合物上包层的制备：采用旋涂工艺将PMMA旋涂在已经制备好的有机/无机混合集成双芯波导结构及二氧化硅下包层上，旋涂转速为4000rpm，然后在130℃条件下加热30分钟，聚合物上包层厚度为4μm；聚合物波导芯层完全被包覆在聚合物上包层之中；
Al电极的制备：采用蒸镀、光刻、湿法刻蚀工艺制备Al电极36，在制备完聚合物上包层的衬底上蒸镀一层厚度为50nm的Al掩膜，然后采用旋涂工艺在Al掩膜上旋涂得到正性光刻胶BP212薄膜，转速为2500rpm，厚度为2μm；对旋涂的光刻胶BP212薄膜进行前烘，然后在85℃温度下加热20分钟，加热完毕后在室温下降温处理2小时；在光刻机上进行光刻，工作波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，掩模版的形状为需要制备的电极的结构(如图1所示)，曝光时间为2.2s，使除调制臂电极及其电极引脚以外的区域被曝光；将光刻完的硅片从光刻机上取下，放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中15s，去除表面的浮胶，用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；对光刻胶BP212薄膜进行坚膜，95℃加热10分钟，加热完毕后在室温下降温处理2小时；降温完毕后进行Al电极的显影，将硅片放入质量浓度为5‰的NaOH溶液中10分钟，将被曝光的非电极部分去除，然后用去离子水反复冲洗干净并用氮气吹干；整体曝光15秒，然后放入乙醇中5s，去除Al电极上的光刻胶BP212，然后用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干，制得的第一加热电极、第二加热电极长度为2200μm、宽度为12μm的电极。
从而制备出符合本发明所述的基于有机/无机混合集成双芯波导结构光开关。应当指出的是，具体的实施方式只是本发明具有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形，例如无机材料采用铌酸锂、硅等波导材料，聚合物芯层材料采用SU-8 2002等，上包层材料采用包括聚碳酸酯、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料。本领域的技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议得到的，都属于本专利所要保护的范围。
Claims (7)
1.一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由氮化硅输入直波导(1)，第一氮化硅锥形波导(2)，第二氮化硅锥形波导(3)，第三氮化硅锥形波导(4)，第一氮化硅弯曲波导(5)，第二氮化硅弯曲波导(6)，第四氮化硅锥形波导(7)，第五氮化硅锥形波导(8)，平行的第一氮化硅条形波导(9)和第二氮化硅条形波导(10)，平行的第一聚合物条形波导(11)和第二聚合物条形波导(12)，第六氮化硅锥形波导(13)，第七氮化硅锥形波导(14)，第三氮化硅弯曲波导(15)，第四氮化硅弯曲波导(16)，第八氮化硅锥形波导(17)，第九氮化硅锥形波导(18)，第十氮化硅锥形波导(19)，氮化硅输出直波导(20)，第一加热电极(21)和第二加热电极(22)构成；第二氮化硅锥形波导(3)和第三氮化硅锥形波导(4)关于第一氮化硅锥形波导(2)对称设置，构成3-dB功率分配器；第八氮化硅锥形波导(17)和第九氮化硅锥形波导(18)关于第十氮化硅锥形波导(19)对称设置，构成3-dB功率耦合器；第四氮化硅锥形波导(7)和第一聚合物条形波导(11)构成第一过渡区，第五氮化硅锥形波导(8)和第二聚合物条形波导(12)构成第二过渡区，第六氮化硅锥形波导(13)和第一聚合物条形波导(11)构成第三过渡区，第七氮化硅锥形波导(14)和第二聚合物条形波导(12)构成第四过渡区；第四氮化硅锥形波导(7)、第一氮化硅条形波导(9)和第六氮化硅锥形波导(13)被位于之上的第一聚合物条形波导(11)完全包覆，共同构成第一调制臂；第五氮化硅锥形波导(8)、第二氮化硅条形波导(10)和第七氮化硅锥形波导(14)被位于之上的第二聚合物条形波导(12)完全包覆，共同构成第二调制臂；
光从氮化硅直波导(1)输入，经由3-dB功率分配器将输入光分成功率相同的两束光，分别进入到第一氮化硅弯曲波导(5)和第二氮化硅弯曲波导(6)中；两束光再分别经由第一过渡区、第二过渡区进入到第一调制臂和第二调制臂中；第一调制臂和第二调制臂中的两束光分别经由第三过渡区、第四过渡区进入到第三氮化硅弯曲波导(15)和第四氮化硅弯曲波导(16)中；第三氮化硅弯曲波导(15)和第四氮化硅弯曲波导(16)中的两束光进入到3-dB功率耦合器中，将两束光耦合后输入到输出氮化硅直波导(20)。
2.如权利要求1所述的一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：氮化硅直波导输入(1)、第一氮化硅锥形波导(2)、第二氮化硅锥形波导(3)、第三氮化硅锥形波导(4)、第一氮化硅弯曲波导(5)、第二氮化硅弯曲波导(6)、第一氮化硅弯曲波导(15)、第二氮化硅弯曲波导(16)、第八氮化硅锥形波导(17)、第九氮化硅锥形波导(18)、第十氮化硅锥形波导(19)、输出氮化硅直波导(20)，从下到上依次由硅片衬底(31)、位于硅片衬底(31)之上的二氧化硅下包层(32)、位于二氧化硅下包层(32)之上的氮化硅波导芯层(33)、位于二氧化硅下包层(32)和氮化硅波导芯层(33)之上的聚合物上包层(35)组成，氮化硅波导芯层(33)完全被包覆在聚合物上包层(35)之中；第四氮化硅锥形波导(7)、第五氮化硅锥形波导(8)、第一氮化硅条形波导(9)、第二氮化硅条形波导(10)、第一聚合物条形波导(11)、第二聚合物条形波导(12)、第六氮化硅锥形波导(13)、第七氮化硅锥形波导(14)，从下到上依次由硅片衬底(31)、位于硅片衬底(31)之上的二氧化硅下包层(32)、位于二氧化硅下包层(32)之上的氮化硅波导芯层(33)和聚合物波导芯层(34)、位于聚合物波导芯层(34)之上的聚合物上包层(35)组成；氮化硅波导芯层(33)完全被包覆在聚合物波导芯层(34)之中，聚合物波导芯层(34)完全被包覆在聚合物上包层(35)之中；聚合物上包层(35)之上在与聚合物波导芯层(34)对应的位置制备有Al电极(36)；硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层(32)的厚度为13～17μm，氮化硅波导芯层(33)的厚度为0.2～0.4μm，聚合物波导芯层(34)的厚度为1～5μm，聚合物上包层(35)的厚度为3～10μm，Al电极(36)的厚度为50～150nm。
3.如权利要求1所述的一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导(20)的长度相等，为L1＝0.8～1.5cm；第一氮化硅锥形波导(2)、第二氮化硅锥形波导(3)、第三氮化硅锥形波导(4)、第八氮化硅锥形波导(17)、第九氮化硅锥形波导(18)、第十氮化硅锥形波导(19)的长度相等，为L2＝5～50μm；第一氮化硅弯曲波导(5)、第二氮化硅弯曲波导(6)、第三氮化硅弯曲波导(15)、第四氮化硅弯曲波导(16)的长度相等，为L3＝20～100μm；第一氮化硅弯曲波导(5)和第二氮化硅弯曲波导(6)之间、第三氮化硅弯曲波导(15)和第四氮化硅弯曲波导(16)之间的分支角度相等，为θ＝2～8°；第四氮化硅锥形波导(7)、第五氮化硅锥形波导(8)、第六氮化硅锥形波导(13)、第七氮化硅锥形波导(14)的长度相等，为L4＝50～400μm；平行的第一聚合物条形波导(11)和第二聚合物条形波导(12)、第一加热电极(21)、第二加热电极(22)的长度相等，为L5＝L6+2*L4＝2100～3300μm；平行的第一氮化硅条形波导(9)和第二氮化硅条形波导(10)的长度相等，为L6＝2000～2500μm；第一加热电极(21)和第二加热电极(22)分别覆盖在第一聚合物条形波导(11)和第二聚合物条形波导(12)之上，且第一加热电极(21)和第二加热电极(22)的中心位置分别与第一聚合物条形波导(11)和第二聚合物条形波导(12)的中心位置对应。
4.如权利要求1所述的一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：氮化硅输入直波导(1)和氮化硅输出直波导(20)的宽度，第一氮化硅锥形波导(2)、第二氮化硅锥形波导(3)、第三氮化硅锥形波导(4)、第八氮化硅锥形波导(17)、第九氮化硅锥形波导(18)、第十氮化硅锥形波导(19)、第四氮化硅锥形波导(7)、第五氮化硅锥形波导(8)、第六氮化硅锥形波导(13)、第七氮化硅锥形波导(14)较宽侧的宽度，第一氮化硅弯曲波导(5)、第二氮化硅弯曲波导(6)、第三氮化硅弯曲波导(16)、第四氮化硅弯曲波导(17)的宽度相等，为W0＝0.5～2.5μm；第一氮化硅锥形波导(2)、第二氮化硅锥形波导(3)、第三氮化硅锥形波导(4)、第八氮化硅锥形波导(17)、第九氮化硅锥形波导(18)、第十氮化硅锥形波导(19)较窄侧的宽度相等，为W1＝0.1～0.5μm；平行的第一氮化硅条形波导(9)和第二氮化硅条形波导(10)的宽度，第四氮化硅锥形波导(7)、第五氮化硅锥形波导(8)、第六氮化硅锥形波导(13)、第七氮化硅锥形波导(14)较窄侧的宽度相等，为W2＝0.02～0.2μm。
5.如权利要求1所述的一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关，其特征在于：第二氮化硅锥形波导(3)和第一氮化硅锥形波导(2)之间的距离、第三氮化硅锥形波导(4)和第一氮化硅锥形波导(2)之间的距离、第八氮化硅锥形波导(17)和第十氮化硅锥形波导(19)之间的距离、第九氮化硅锥形波导(18)和第十氮化硅锥形波导(19)之间的距离相等，为W3＝0.1～1μm；第一氮化硅条形波导(9)与第二氮化硅条形波导(10)之间的距离、第一聚合物条形波导(11)与第二聚合物条形波导(12)之间的距离相等，为W4＝10～50μm；第一聚合物条形波导(11)和第二聚合物条形波导(12)的宽度相等，为W5＝1.5～5μm；第一加热电极(21)和第二加热电极(22)的宽度相等，为W6＝10～20μm。
6.权利要求1～5任何一项所述的一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关的制备方法，其步骤如下：
A：二氧化硅下包层表面的清洁处理
以带有二氧化硅下包层的硅片为基底，用沾有丙酮的棉球反复擦拭二氧化硅下包层表面，再用沾有乙醇的棉球反复擦拭二氧化硅下包层表面，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干放入到干净的培养皿中并密封；
B：氮化硅薄膜制备
在二氧化硅下包层表面，采用LPCVD方法在750～850℃条件下沉积化学计量比为Si3N4的氮化硅薄膜；
C：氮化硅波导的制备
使用旋涂工艺将正性光刻胶BP218旋涂在氮化硅薄膜上，匀胶机参数首先设置为300～600rpm，加速时间2～5s，匀速时间10～15s；再将转速设置为转速为1000～2000rpm，加速时间为5～10s，匀速时间为10～30s；再设置减速到0的时间为10～30s；完成旋涂后将衬底放到加热台上进行前烘，采用阶梯升温的办法在60～80℃加热1～2分钟，然后在110～130℃加热2～3分钟，加热结束后放置在室温条件下自然降温1～2小时；对光刻胶薄膜进行对版光刻，本发明中采用接触式光刻机进行曝光，工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间设置为10～25s，掩模版为需要制备的氮化硅波导芯层的结构，使得氮化硅波导芯层以外的区域被充分曝光；光刻结束后将衬底取下进行后烘，采用阶梯升温的办法在60～80℃加热1～2分钟，然后在120～140℃加热2～3分钟，加热结束后放置在室温条件下自然降温1～2小时；降温结束后进行显影，将衬底放置到BP218光刻胶显影液中进行湿法刻蚀，时间为20～30秒，将曝光部分的光刻胶去除，显影结束后需立即将衬底取出，用去离子水多次冲洗，洗去衬底上残留的显影液等杂质，最后用氮气吹干衬底上残余的去离子水；最后将清洗干净的衬底放置在烘干台上进行烘干操作，这一步称为坚膜，增强光刻胶的附着力，同时提高剩余部分光刻胶在后续加工步骤中的稳定性，也会使光刻胶接近熔融状态，边缘轮廓清晰，坚膜时间设定为2～4分钟，坚膜温度设置为100～140℃，加热完成后在室温条件下自然降温1～2小时；
完成坚膜后开始进行RIE刻蚀对衬底进行加工，选用三氟甲烷作为刻蚀气体，选用的气体流量为80～130sccm，刻蚀功率为110～160W，腔内压强为2.4Pa，刻蚀时间为12～15分钟，刻蚀完成后对衬底进行去胶操作，将衬底放入到有机溶剂中浸泡2～3分钟，同时轻轻晃动衬底，之后用去离子水对衬底进行清洗并用氮气将衬底上残留的去离子水吹干；然后利用氧等离子体在电场加速下轰击氮化硅波导芯层上残余的光刻胶，进一步去除光刻胶，气体流量为60～75sccm，刻蚀功率为75～90W，腔内压强为8～12Pa，刻蚀时间为9～13分钟；氧等离子体刻蚀后需将衬底再次用去离子水清洗，并用氮气将衬底上残余的去离子水吹净，这样就在二氧化硅下包层上制备出目标结构的氮化硅波导芯层；
D：聚合物波导芯层的制备
采用旋涂的工艺将具有较大负热光系数的波导芯层材料旋涂在制备好氮化硅波导芯层上，胶机参数首先设置为800～1500rpm，加速时间2～5s，匀速时间10～15s；再将转速设置为转速为2000～4000rpm，加速时间为5～10s，匀速时间为10～30s；再设置减速到0的时间为10～30s；形成的聚合物薄膜厚度为1～5μm；对旋涂芯层薄膜的衬底进行前烘加热，采用阶梯升温流程，在60～100℃加热5～25分钟，然后在100～140℃温度下加热20～30分钟，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为1～2小时；对聚合物薄膜进行光刻，采用接触式光刻机进行曝光，工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间设置为10～25秒，掩膜版为与需要制备的聚合物波导芯层互补的结构，使聚合物波导芯层结构区域的材料被紫外曝光；光刻完成后从光刻机上取下进行后烘，在50℃～100℃加热10～30分钟，然后在90℃～140℃温度下加热20～30分钟，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为1～2小时；降温完毕后对衬底进行显影，将衬底放置在对应的显影液中湿法刻蚀15～30s，将未被曝光的区域去除，然后放入异丙醇溶液中洗去衬底表面残留的光波导芯层材料和显影液，最后用去离子水顺着波导方向进行反复冲洗，去除硅片表面的异丙醇等杂质，再用氮气吹干；最后进行坚膜，在110～140℃加热30～60分钟，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理，冷却时间为1～2小时，这样就制得了厚度为1～5μm的目标结构的聚合物波导芯层，从而在硅片衬底上制备得到有机/无机混合集成双芯波导结构，氮化硅波导芯层完全被包覆在聚合物波导芯层之中；
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已经制备好的有机/无机混合集成双芯波导结构及二氧化硅下包层上，旋涂转速为2000～6000rpm，然后在120～150℃条件下加热20～50分钟，聚合物上包层厚度为3～10μm；聚合物波导芯层完全被包覆在聚合物上包层之中；
F：Al电极的制备
采用蒸镀工艺在聚合物上包层的表面蒸镀出一层厚度为50～150nm的Al薄膜，然后利用旋涂工艺，在铝薄膜上旋涂出一层正性光刻胶BP212薄膜，设定转速为1500～3500rpm；对旋涂BP212薄膜的衬底进行前烘，设定温度为70～110℃温度下加热25～30分钟，加热结束后将衬底放置在室温环境下自然冷却1～2小时，得到厚度为0.5～2.0μm的BP212薄膜；对光刻胶BP212薄膜进行对版光刻，掩模版的形状为需要制备的电极的结构，曝光时间为1～4s，使得除了电极以外区域的光刻胶均被充分曝光；
结束曝光后将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中10～30s，去除被曝光的光刻胶，然后用去离子水顺着电极方向多次冲洗，直至冲洗干净并用氮气吹干；对衬底进行坚膜，即在70～100℃加热10～20分钟，加热完毕后在室温下自然冷却1～2小时；降至室温后进行Al电极的显影，将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中1～20分钟，将电极以外区域的Al膜部分去除，之后用用去离子水反复冲洗，并用氮气吹干，最后将硅片放入乙醇中5～15s，去除Al电极上未曝光的光刻胶BP212薄膜，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，从而得到所述的基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关。
7.如权利要求6所述的一种基于有机/无机混合集成双芯波导结构的热光开关的制备方法，其特征在于：波导芯层材料为EpoCore、EpoClad、SU-8 2002、SU-8 2005或NOA中的一种，聚合物上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯或聚酯中的一种，光波导芯层材料的折射率高于聚合物上包层折射率。
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