CN116360175A - 一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关及其制备方法 - Google Patents

一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率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。从下到上依次由硅片衬底、二氧化硅下包层、氮化硅波导下芯层、条形结构的聚合物波导上芯层和聚合物上包层组成；沿光的传播方向，条形结构的聚合物波导上芯层由输入直波导、3‑dB Y分支分束器、两条平行的第一调制臂和第二调制臂、3‑dB Y分支耦合器和输出直波导组成；在聚合物上包层之上，在第一调制臂和第二调制臂的正上方分别制备有第一加热电极和第二加热电极。本发明中氮化硅下芯层中的光部分进入到聚合物加载条形波导之中，利用聚合物材料热光系数高的特点，可以有效降低器件开关状态下的功耗。

Description

一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关及其制 备方法
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、二氧化硅作为下包层、氮化硅作为波导下芯层，有机聚合物作为波导上芯层(加载条形波导)、有机聚合物作为波导上包层的能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关及其制备方法。
背景技术
近年来，随着5G通信、物联网、人工智能等新兴业务和相关技术的迅猛发展，人们对数据信息的传输速率和传输容量也提出了更高的要求，新一代具有可重构、成本低、功耗小和多功能的光通信网络得到了迅速发展。集成化和小型化的光子集成器件是光通信网络的核心，具有重要的地位，并得到了迅猛发展。其中，光波导器件凭借其体积较小、功能性强、集成度高等优点，已经成为光子集成器件中至关重要的一部分。在光通信网络中，基于光波导结构的快速、低功耗热调谐器件(如热光开关、热光可变光衰减器等)及其阵列作为核心器件可以实现光路的通断、转换、网络保护和实时监控等功能，在光通信网络中具有重要的应用。
热调谐器件的结构种类繁多，材料平台和制备工艺也各不相同，根据工作原理不同，又分为电光调制、热光调制、磁光调制和声光调制等。其中，热调谐器件凭借着其器件尺寸小、驱动功率低、长期稳定性好等优点，得到了人们的广泛关注。目前平面波导器件的材料体系主要有铌酸锂(LiNbO3)、Si3N4、Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体(InP，GaAs等)、SOI和有机物聚合物材料等。其中氮化硅材料具有传输损耗低、器件尺寸小、透明窗口宽、与CMOS工艺兼容等优点，是研究非线性微波光子学的良好平台，已经被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。
截止到目前，基于氮化硅波导的热光开关、波分复用器、模分复用器和微环谐振器等器件已经被成功研制或应用，但是由于氮化硅材料本身的热光系数较低(～10-5/K量级)，利用其制备的热调谐器件存在着调制效率低、驱动功耗大等问题，进而限制了氮化硅波导在热调谐器件和集成光子芯片中的应用和发展。另一方面，在所有光波导材料平台中，聚合物材料有着种类繁多、制作成本低、易于集成等优点，并具有无机材料所无法比拟的高热光系数(～10-4/K量级)等优点。本发明将利用聚合物热光系数高、热导率低的优势来弥补氮化硅波导热光系数低的不足，通过引入聚合物/氮化硅混合波导结构来提氮化硅波导的热调谐效率，降低器件的功耗，而且这种波导结构也可以减小器件的尺寸，提高器件的集成度。同时本发明提出的制备方法比较简单，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高性能热调谐器件。
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能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关及其制备方法。
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(为图2中A-A’位置的截面图)，一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，其特征在于：从下到上依次由硅片衬底31、在硅片衬底31上制备的二氧化硅下包层32、在二氧化硅下包层32上制备的氮化硅波导下芯层33、在氮化硅波导下芯层33上制备的条形结构的聚合物波导上芯层34、在氮化硅波导下芯层33和聚合物波导上芯层34上制备的聚合物上包层35组成；
如附图2所示，整个器件基于MZI光波导结构，从左到右沿光的传播方向，条形结构的聚合物波导上芯层34由输入直波导1、3-dB Y分支分束器2、两条平行的第一调制臂3和第二调制臂4、3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6组成；在聚合物上包层35之上，在第一调制臂3和第二调制臂4的正上方分别制备有第一加热电极7和第二加热电极8(第一加热电极7和第二加热电极8统称为加热电极36，电极材料包括金、银、铝、铜等)；输入直波导1和输出直波导6的结构相同，长度L1相等为0.8～1.5cm；3-dBY分支分束器2和3-dB Y分支耦合器5的结构相同，分支长度L2相等为1500～2500μm，分支端口间距L3相等为30～50μm；两条平行的第一调制臂3和第二调制臂4的结构相同，长度L4相等为1500～3000μm；第一加热电极7和第二加热电极8的结构相同，长度L5相等为1500～3000μm。
如附图1和图2所示，输入直波导1、3-dB Y分支分束器2、第一调制臂3、第二调制臂4、3-dB Y分支耦合器5、输出直波导6的宽度W1相等为1～3μm；第一加热电极7、第二加热电极8的宽度W2相等为10～15μm；第一调制臂3与第二调制臂4中心之间的间距和第一加热电极7与第二加热电极8中心之间的间距W3相等为30～50μm。
如附图1所示，硅片衬底31的厚度为0.6～1mm，二氧化硅下包层32的厚度为3～5μm，氮化硅波导下芯层33的厚度为0.2～0.6μm，聚合物波导上芯层34的厚度为2～3μm，聚合物波导上芯层34之上的聚合物上包层35的厚度为3～5μm，加热电极36的厚度为50～150nm。
本发明采用Mach–Zehnder interferometer(MZI)结构作为该器件的基本结构，由于其成熟的制备工艺、稳定的器件性能，在光子集成芯片和光通信网络中具有至关重要的价值。使用MZI结构进行热调谐器件设计的主要原理为：根据热光效应，通过在调制臂波导表面施加热场改变光波导介质折射率，从而改变MZI中参考臂和调制臂之间的相位差，以实现对信号光输出功率的调谐功能。
本发明采用硅片作为器件衬底，二氧化硅作为波导器件下包层材料，氮化硅作为下芯层，有机聚合物作为波导上芯层(加载条形波导)，采用与上芯层聚合物不同的聚合物材料作为波导的上包层。本发明充分发挥了聚合物材料热光系数大、种类多、制备工艺简单、以及氮化硅波导传输损耗低、透明窗口宽、器件尺寸小、集成度高的优势，并且这两种材料在制备混合集成波导器件方面还具备工艺成熟、相互兼容、便于制备混合集成器件、适合大规模制备生产，因而具有重要的应用前景。
本发明所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关的制备方法，如附图3所示，其步骤为：
A：二氧化硅下包层表面的清洁处理
在硅片衬底31的表面经过干氧氧化、湿氧氧化交替生长二氧化硅下包层32；使用沾有丙酮的棉球擦拭清理二氧化硅下包层32的表面，再使用沾有乙醇的棉球擦拭清理二氧化硅下包层32的表面，最后用去离子水冲洗使二氧化硅下包层32表面洁净，氮气吹干；
B：氮化硅下芯层制备
使用LPCVD方法，于750～850℃下在步骤A得到的二氧化硅下包层32表面沉积化学计量比为Si3N4、厚度为0.2～0.6μm的氮化硅波导下芯层33；
C：聚合物波导上芯层的制备
采用旋涂工艺将具有较大负热光系数的聚合物波导上芯层材料(该聚合物波导上芯层材料是包括EpoCore、EpoClad、SU-8 2002、SU-8 2005、NOA、poly(S-r-DIB)等在内的一系列透明性良好的聚合物光波导材料，聚合物波导上芯层材料的折射率高于聚合物上包层材料的折射率)旋涂在氮化硅波导下芯层33上，即先将匀胶机转速设置为1000～1500rpm，加速时间为2～5s，匀速时间为10～20s；再将转速设置为2000～3500rpm，加速时间为5～10s，匀速时间为20～30s；最后设置减速为0rpm的时间为20～30s，形成厚度为2～3μm的聚合物波导上芯层薄膜；对旋涂过后的衬底进行加热，即采用阶梯升温的方法，在60℃～80℃下加热10～15分钟，然后在100℃～120℃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；对聚合物波导上芯层薄膜进行光刻，即采用接触式光刻进行加工，光刻机的工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间为5～10秒，掩膜版的形状为需要制备的聚合物波导上芯层结构，使需要制备的聚合物波导上芯层结构区域内的材料被曝光；光刻后完成后对衬底进行后烘加热，即在60～100℃加热10～15分钟，再在100～130℃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；降温后对衬底进行显影，即将衬底放置在聚合物波导上芯层薄膜对应的显影液中进行湿法刻蚀，显影时间为15～30秒，将未被曝光的非保留区域(聚合物波导上芯层结构以外的部分)去除，再将衬底放入异丙醇溶液中洗去衬底表面残留的聚合物波导上芯层薄膜和显影液；用去离子水顺着波导方向进行多次冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导被破坏)，去除衬底表面的异丙醇等杂质，然后用氮气吹干；最后进行坚膜操作，即在120～140℃下加热20～40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1～2小时，这样就在氮化硅波导下芯层33上制得了2～3μm厚的聚合物波导上芯层34，即聚合物加载条形波导；
D：聚合物上包层35的制备
采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(聚合物上包层材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、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)旋涂在氮化硅波导下芯层33和聚合物波导上芯层34之上，旋涂转速为2000～4000转/分钟，然后在120～150℃条件下加热20～40分钟，得到聚合物上包层35，聚合物波导上芯层34之上的聚合物上包层35的厚度为2～6μm；
E：加热电极的制备
在聚合物上包层35之上蒸镀一层厚度为50～150nm的金属薄膜，之后利用旋涂工艺，在金属薄膜上旋涂一层正性光刻胶BP212薄膜，转速为1500～3500rpm；对旋涂了BP212薄膜的衬底进行前烘，即设定温度为80～120℃，设置加热时间为15～25分钟，完成加热后，将衬底置于室温环境下进行自然冷却1～2小时，得到1～2μm厚的BP212薄膜；对BP212薄膜进行对版光刻，掩膜版的形状为需要制备的加热电极结构(如图2所示)，曝光时间为2～4秒，使除了加热电极结构以外区域的BP212薄膜被充分曝光；
结束曝光后将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中20～30秒，洗去被曝光的光刻胶，然后用去离子水顺着电极方向多次冲洗，直至衬底表面除了所需制备的电极结构以及覆盖在其上面的光刻胶以外其他部分被冲洗干净，之后使用氮气吹干衬底；对衬底进行加热坚膜，即在80～110℃加热10～20分钟，加热完毕后在室温下自然冷却1～2小时；降至室温后进行金属薄膜显影，即将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中15～20分钟，将加热电极以外区域的金属薄膜部分去除，之后用去离子水反复冲洗，并用氮气吹干；最后将衬底整体曝光2～5秒，曝光后的衬底放入乙醇中5～15秒，进而去除加热电极上被曝光的光刻胶BP212薄膜，再用去离子水冲洗衬底，氮气吹干，从而得到本发明所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关充分发挥了有机聚合物材料较高的热光系数、MZI型结构性能稳定、结构干涉效应强、氮化硅波导透明窗口大而且尺寸较小以及聚合物材料和氮化硅材料加工工艺成熟且相兼容的优势。相比较于传统氮化硅热光开关而言，在本发明中氮化硅下芯层中的光部分进入到聚合物加载条形波导之中，利用聚合物材料热光系数高的特点，可以有效降低器件开关状态下的功耗；另外，该发明的工艺具有简单、成熟、稳定的特点，只需要旋涂、光刻等常规工艺，不需要难度较高的电子束光刻、刻蚀等工艺，而且该发明弥补了氮化硅平台热光开关效率低、制备工艺要求高等问题，拓展了氮化硅平台的应用，使得氮化硅平台的集成光学器件在兼顾氮化硅本身的优秀光学性质外，还同时还具有效率高，生产成本低，可大批量生产等优势，该发明也在氮化硅平台波导MZI型热光开关降低功耗问题上提供了一种新的思路。
附图说明
图1：本发明所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关沿光的传输方向横截面示意图(图2中A-A’位置)；
图2：本发明所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关的结构示意图；
图3：本发明所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关的制备工艺流程图；
图4：本发明所述的热光开关氮化硅波导下芯层33和聚合物波导上芯层34中传输的基模光场分布图；
图5：传统结构的氮化硅MZI型热光开关(氮化硅作为波导芯层、二氧化硅作为波导包层)和本发明所述的热光开关的输出光功率和电极加热温度关系曲线图；
图6：本发明所述的热光开关在施加调制(关状态，虚线)和不施加调制(开状态，实线)时的输出光功率与波长关系仿真曲线；
图7(a)：本发明所述的热光开关在不施加调制时(开状态，ΔT＝0K)光场传输模拟图；
图7(b)：本发明所述的热光开关在施加调制时(关状态，ΔT＝26K)光场传输模拟图。
如图1所示，各部件名称为：硅片衬底31、二氧化硅下包层32、氮化硅波导下芯层33、聚合物波导上芯层34、聚合物上包层35、Al加热电极36；
如图2所示，各部件的名称为：基于氮化硅/聚合物混合集成波导结构的输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一聚合物调制臂3和第二聚合物调制臂4，聚合物3-dB Y分支耦合器5，输出直波导6，第一加热电极7以及第二加热电极8；
如图3所示，图中31为硅片衬底，32为二氧化硅下包层，33为通过LPCVD法生长、光刻、RIE刻蚀工艺制备的氮化硅波导下芯层，34为通过旋涂、光刻、湿法刻蚀工艺制备的聚合物波导上芯层，35为通过旋涂工艺制备的聚合物上包层，36为Al加热电极；
如图4所示，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，在选用这个结构和材料的条件下，氮化硅波导下芯层33和聚合物波导上芯层34中传输的基模光场分布图，从图示中可以看出，光场能量很好的被限制在聚合物波导上芯层34和聚合物波导上芯层34下面的氮化硅波导下芯层33之中，进而可以保证加热电极产生的热场与聚合物波导上芯层中的光场很好地重叠，提高了加热效率；
如图5所示，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，在选用这个结构和材料的条件下，传统氮化硅MZI型热光开关(虚线)、本发明所述的热光开关(实线)分别在其中一个加热电极与环境温度(298K)差为ΔT＝62K、ΔT＝26K实现了“关”的功能，分别为38.3dB、26.3dB，可见本发明所述的热光开关实现开关功能所需要的调制电极温度远低于相同结构的传统氮化硅MZI型热光开关；
如图6所示，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，在选用这个结构和材料的条件下，可以看出本发明所述的热光开关在1500nm～1620nm波段内的最低消光比为25.12dB，在1571nm处的最大消光比为71.1dB；
如图7(a)所示，为模拟的输入基模光时，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，在选用这个结构和材料的条件下，可以看出本发明所述的热光开关实现了“开”的功能；
如图7(b)所示，为模拟的输入基模光时，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，在选用这个结构和材料的条件下，可以看出本发明所述的热光开关实现了“关”的功能。
具体实施方式
实施例1
如附图1所示(为图2中A-A’位置的截面图)，一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，从下至上由硅片衬底31、在硅片衬底31上制备的二氧化硅下包层32、在二氧化硅下包层32上制备氮化硅波导下芯层33、在氮化硅波导下芯层33上制备的条形结构的聚合物波导上芯层34、在聚合物波导上芯层34上制备的PMMA上包层35组成；在PMMA上包层35上，在第一调制臂3和第二调制臂4的正上方对应位置处分别制备有第一加热电极7和第二加热电极8，电极材料为Al。本实施例中第一加热电极7和第二加热电极8合称Al加热电极36；氮化硅波导下芯层33和条形结构的聚合物波导上芯层34构成氮化硅/聚合物混合集成波导结构。
如附图2所示，整个器件基于MZI光波导结构，从左到右沿光的传播方向，条形结构的聚合物波导上芯层34由输入直波导1、3-dB Y分支分束器2、两条平行的第一调制臂3和第二调制臂4、3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6组成；输入直波导1和输出直波导6的结构相同，长度L1相等为1cm；3-dBY分支分束器2和3-dB Y分支耦合器5的结构相同，分支长度L2相等为2000μm，分支端口间距L3相等为40μm；两条平行的第一调制臂3和第二调制臂4的结构相同，长度L4相等为2000μm；第一加热电极7和第二加热电极8的结构相同，长度L5相等为2000μm。
如图1所示，输入直波导1、3-dB Y分支分束器2、第一调制臂3、第二调制臂4、3-dBY分支耦合器5、输出直波导6的宽度W1相等为1.6μm；第一加热电极7、第二加热电极8的宽度W2相等为12μm；第一调制臂3与第二调制臂4中心之间的间距和第一加热电极7与第二加热电极8中心之间的间距W3相等为40μm。
硅片衬底31的厚度为1mm，二氧化硅下包层32的厚度为5μm，氮化硅波导下芯层33的厚度为0.4μm，聚合物波导上芯层34的厚度为2.4μm，聚合物波导上芯层34之上的聚合物PMMA上包层35的厚度为5μm，Al加热电极35的厚度为50nm。
在不施加调制时，光从输入直波导1输入，经由3-dB Y分支分束器2(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调制臂3和第二调制臂4当中，第一调制臂、第二调制臂中的两束光相位未发生改变，经由3-dBY分支耦合器5进入到输出直波导6，由于相位相同，两束光相干加强，开关达到“开”的状态。
在施加调制时，光从输入直波导1输入，经由3-dB Y分支分束器2(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调制臂3和第二调制臂4当中，对某一调制臂中的光进行调制时，使第一调制臂、第二调制臂中调制后的两束光相位差达到π，经由3-dBY分支耦合器5进入到输出直波导6，两束光干涉相消，开关达到“关”的状态。
实施例2
如图3所示，一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关的制备步骤如下：
A：二氧化硅下包层表面的清洁处理：使用带有丙酮的棉球擦拭清理二氧化硅衬底，再使用沾有乙醇的棉球擦拭清理二氧化硅衬底，最后用去离子水冲洗衬底使得衬底表面洁净，之后用氮气吹干衬底，并放入干净培养皿中密封；
B：氮化硅下芯层制备：使用LPCVD方法沉积氮化硅薄膜下芯层，在温度达到800℃的时候沉积化学计量比为Si3N4的氮化硅波导下芯层，沉积的氮化硅波导下芯层厚度为0.4μm；
C：聚合物波导上芯层的制备：采用旋涂工艺将具有较大负热光系数的聚合物波导材料poly(S-r-DIB)旋涂在制备好氮化硅下芯层波导的衬底上，匀胶机转速先设置为1300rpm，设置加速时间为5s，匀速时间为15s；再将转速设置为2800rpm，设置加速时间为8s，匀速时间为25s；再设置减速到0的时间为25s；形成的聚合物薄膜厚度为2.4μm；对旋涂过后的衬底进行加热，采用阶梯升温的方法，在70℃加热12分钟，然后在110℃温度下加热25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，采用接触式光刻进行加工，光刻机的工作波长为350～400nm的紫外光，曝光时间设置为6秒，掩膜版为需要制备的聚合物加载条形波导结构，使需要的聚合物加载条形波导区域的材料被曝光；衬底完成光刻后从取下，对衬底进行后烘加热，在80℃加热15分钟，然后在120℃温度下加热25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1.5小时；完成降温，对衬底进行显影，将衬底放置在对应的显影液中进行湿法刻蚀，显影时间为18秒，将未被曝光的非保留区域(聚合物加载条形波导以外的部分)去除，再将衬底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多次冲洗(冲洗时应顺着波导方向冲洗，防止波导形貌被破坏)，去除硅片表面的异丙醇等杂质，然后用氮气吹干；最后进行坚膜操作，在130℃加热30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1.5小时，这样就在氮化硅平板波导芯层上制得了2.4μm的聚合物波导上芯层；
D：聚合物上包层的制备：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料PMMA旋涂在已经制备完聚合物加载条形波导的衬底上，旋涂转速为3800转/分钟，然后在130℃条件下加热30分钟，聚合物上包层厚度为3.5μm；
E：Al加热电极的制备：使用蒸镀的工艺在制备完聚合物上包的衬底上表面形成一层厚度为100nm的金属Al薄膜，之后利用旋涂工艺，在铝薄膜上旋涂出一层正性光刻胶BP212薄膜，设定转速为2500rpm；对旋涂了BP212薄膜的衬底进行前烘，设定温度为95℃，设置加热20分钟，完成加热后，将衬底置于室温环境下进行自然冷却1.5小时，得到1.5μm的BP212薄膜；对BP212薄膜进行对版光刻，掩膜版的形状为所需制备的聚合物加载条形波导上方加热电极的结构(如图1所示，电极在两个平行的第一调制臂3、第二调制臂4的正上方)，曝光时间为2.4秒，使除了电极以外的区域的BP212薄膜均被充分曝光；
曝光结束后，将器件放入质量浓度为4‰的NaOH溶液中25秒，洗去被曝光的光刻胶，然后用去离子水顺着电极方向多次冲洗，直至衬底表面除了所需制备的电极以及覆盖在上面的光刻胶以外其他部分被冲洗干净，之后使用氮气吹干衬底；之后对衬底进行加热坚膜，即在95℃加热15分钟，加热完毕后在室温下自然冷却1.5小时；降至室温后进行Al加热电极的显影，将衬底放入质量浓度为4‰的NaOH溶液中17分钟，将电极以外区域的Al薄膜部分去除，之后用用去离子水反复冲洗，并用氮气吹干；最后将器件整体曝光3秒，然后曝光后的基片放入乙醇中8秒，去除Al加热电极上剩余的光刻胶BP212薄膜，然后用去离子水冲洗基片，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2000μm、宽度为12μm，从而得到本发明所述一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关。
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，例如下芯层材料采用铌酸锂、硅等波导材料，聚合物芯层材料采用EpoCore、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 (6)

1.一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，其特征在于：从下到上依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的二氧化硅下包层(32)、在二氧化硅下包层(32)上制备的氮化硅波导下芯层(33)、在氮化硅波导下芯层(33)上制备的条形结构的聚合物波导上芯层(34)、在氮化硅波导下芯层(33)和聚合物波导上芯层(34)上制备的聚合物上包层(35)组成；沿光的传播方向，条形结构的聚合物波导上芯层(34)基于MZI光波导结构，由输入直波导(1)、3-dB Y分支分束器(2)、两条平行的第一调制臂(3)和第二调制臂(4)、3-dB Y分支耦合器(5)和输出直波导(6)组成；在聚合物上包层(35)之上，在第一调制臂(3)和第二调制臂(4)的正上方分别制备有第一加热电极7和第二加热电极(8)。
2.如权利要求1所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导6的结构相同，长度L1相等为0.8～1.5cm；3-dBY分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(5)的结构相同，分支长度L2相等为1500～2500μm，分支端口间距L3相等为30～50μm；两条平行的第一调制臂(3)和第二调制臂(4)的结构相同，长度L4相等为1500～3000μm；第一加热电极(7)和第二加热电极(8)的结构相同，长度L5相等为1500～3000μm。
3.如权利要求1所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，其特征在于：输入直波导(1)、3-dB Y分支分束器(2)、第一调制臂(3)、第二调制臂(4)、3-dB Y分支耦合器(5)、输出直波导(6)的宽度W1相等为1～3μm；第一加热电极(7)、第二加热电极(8)的宽度W2相等为10～15μm；第一调制臂(3)与第二调制臂(4)中心之间的间距和第一加热电极(7)与第二加热电极(8)中心之间的间距W3相等为30～50μm。
4.如权利要求1所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，其特征在于：硅片衬底(31)的厚度为0.6～1mm，二氧化硅下包层(32)的厚度为3～5μm，氮化硅波导下芯层(33)的厚度为0.2～0.6μm，聚合物波导上芯层(34)的厚度为2～3μm，聚合物波导上芯层(34)之上的聚合物上包层(35)的厚度为3～5μm，第一加热电极(7)和第二加热电极(8)的厚度为50～150nm。
5.如权利要求1所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关，其特征在于：第一加热电极(7)和第二加热电极(8)的材料为金、银、铝或铜，聚合物波导上芯层(34)的材料为EpoCore、EpoClad、SU-8 2002、SU-8 2005、NOA或poly(S-r-DIB)，聚合物上包层(35)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺或聚苯乙烯。
6.权利要求1～5任何一项所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关的制备方法，其步骤为：
A：二氧化硅下包层表面的清洁处理
在硅片衬底(31)的表面经过干氧氧化、湿氧氧化交替生长二氧化硅下包层(32)；然后使用沾有丙酮的棉球擦拭清理二氧化硅下包层(32)的表面，再使用沾有乙醇的棉球擦拭清理二氧化硅下包层(32)的表面，最后用去离子水冲洗使二氧化硅下包层(32)表面洁净，氮气吹干；
B：氮化硅下芯层制备
使用LPCVD方法，于750～850℃下在步骤A得到的二氧化硅下包层(32)表面沉积化学计量比为Si3N4的氮化硅波导下芯层(33)；
C：聚合物波导上芯层的制备
采用旋涂工艺将聚合物波导上芯层材料旋涂在氮化硅波导下芯层(33)上，形成聚合物波导上芯层薄膜；对旋涂过后的衬底进行加热，加热结束后将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理；对聚合物波导上芯层薄膜进行光刻，掩膜版的形状为需要制备的聚合物波导上芯层结构，使需要制备的聚合物波导上芯层结构区域内的材料被曝光；光刻后完成后对衬底进行后烘加热，加热结束后，将衬底放置在室温条件下进行自然冷却处理；降温后对衬底进行显影，将未被曝光的非保留区域去除，再将衬底放入异丙醇溶液中洗去衬底表面残留的聚合物波导上芯层薄膜和显影液；用去离子水顺着波导方向进行多次冲洗，去除衬底表面的杂质，然后用氮气吹干；最后进行坚膜操作，从而在氮化硅波导下芯层(33)上制得聚合物波导上芯层(34)；
D：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氮化硅波导下芯层(33)和聚合物波导上芯层(34)之上，然后在120～150℃条件下加热20～40分钟，得到聚合物上包层(35)；
E：加热电极的制备
在聚合物上包层(35)之上蒸镀金属薄膜，之后利用旋涂工艺，在金属薄膜上旋涂一层正性光刻胶BP212薄膜；对旋涂了BP212薄膜的衬底进行前烘，完成加热后将衬底置于室温环境下进行自然冷却得到BP212薄膜；对BP212薄膜进行对版光刻，掩膜版的形状为需要制备的加热电极结构，使除了加热电极结构以外区域的BP212薄膜被充分曝光；
结束曝光后将衬底放入质量浓度为3～5‰的NaOH溶液中20～30秒，洗去被曝光的光刻胶，然后用去离子水顺着电极方向多次冲洗，直至衬底表面除了所需制备的电极结构以及覆盖在其上面的光刻胶以外其他部分被冲洗干净，之后使用氮气吹干衬底；对衬底进行加热坚膜，加热完毕后在室温下自然冷却；降至室温后进行金属薄膜显影，将加热电极以外区域的金属薄膜部分去除，之后用去离子水反复冲洗，并用氮气吹干；最后将衬底整体曝光，曝光后的衬底放入乙醇中进而去除加热电极上被曝光的光刻胶BP212薄膜，再用去离子水冲洗衬底，氮气吹干，从而得到所述的一种能够有效提高氮化硅波导热调谐效率的热光开关。
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