CN116430519A - 一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关 - Google Patents
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Abstract
一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，属于模式不敏感光开关技术领域。由衬底、聚合物波导下包层、矩形结构的聚合物光波导芯层、聚合物波导上包层、第一石墨烯电容器和第二石墨烯电容器组成；聚合物波导下包层制备在衬底之上，聚合物波导上包层制备在聚合物波导下包层之上，矩形结构的聚合物光波导芯层被包覆在聚合物波导下包层和聚合物波导上包层之中。本发明的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，通过设计石墨烯电容器电极结构和优化掩埋位置，能够实现对TE11、TE21、TE12和TE22模式进行同时调制和开关，制备工艺上可与传统的CMOS工艺相兼容、易于集成。
Description
技术领域
本发明属于模式不敏感光开关技术领域，具体涉及一种以硅作为衬底、有机聚合物作为波导芯层和包层、石墨烯作为调制电极的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关。
背景技术
近年来，随着全球宽带业务的飞速发展，信息传输的容量和速度需求不断增长，光纤通信速度从每秒Tbit量级提升到Pbit量级，导致单模光纤的传输容量逐渐接近其非线性香农极限。为了应对通信容量飞速增长的迫切需求，人们提出了模分复用技术以进一步提升光纤通信系统的信息容量，模分复用光波导器件得到越来越多的应用。在模分复用系统中，模式光开关的性能对系统中信号传输和处理有着重要意义。然而，目前的模式光开关只能实现基模与高阶模之间的相互转换，对不同的传输模式具有一定的敏感性，进而限制了其在模分复用系统中应用。
降低模式光开关的复杂度，在保证传输容量的同时减少并行信道数量具有重要应用价值，能够极大的降低系统成本、器件尺寸和插入损耗，提高系统可靠性和效率，是模式光开关的发展方向。聚合物光波导具有制备工艺简单、灵活的特点，被广泛应用于平面光波导器件研究中，特别是基于有机聚合物材料的光开关具有低功耗、低成本等优势，越来越受到人们的广泛关注。而石墨烯作为一种新兴的二维材料，具有超宽光谱范围、可调谐光吸收和高电子电导率等优点，已经广泛应用于光电子器件的研究中，实现对光信号的调控。聚合物波导的加工工艺简单、灵活的优势可以将石墨烯掩埋到聚合物光波导内部，进而加强其与光场的相互作用，制备出具有高集成度、低功耗和便于调谐的光电子器件。本发明专利主要利用石墨烯可调谐光吸收特性，发挥聚合物光波导工艺优势，实现一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关器件。
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基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关。本发明实现了通过调控掩埋石墨烯化学势在C波段内对少模波导中TE11、TE21、TE12和TE22四个模式同时进行调制和开关的效果，解决了以往模分复用系统中并行信道数量多、结构不紧凑，以及无法同时对多个模式进行调控等问题。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，使信号通道的传输容量大大增加。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关结构采用硅片作为衬底，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芯层内部，实现模式的不敏感调制和开关，充分利用了有机聚合物材料制备工艺简单、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。
本发明的方案如附图1所示，一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关垂直于光的传输方向的横截面结构示意图，其功能是能够对TE11、TE21、TE12和TE22模式同时进行调制和开关，其特征在于：由衬底1、聚合物波导下包层2、矩形结构的聚合物光波导芯层3、聚合物波导上包层5、第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6组成；聚合物波导下包层2制备在衬底1之上，聚合物波导上包层5制备在聚合物波导下包层2之上，矩形结构的聚合物光波导芯层3被包覆在聚合物波导下包层2和聚合物波导上包层5之中；聚合物波导上包层5和聚合物波导下包层2之间形成台阶结构，即在聚合物波导上包层5的左、右两侧各露出一定区域的聚合物波导下包层2；第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6位于聚合物光波导芯层3的内部，均为双层石墨烯结构，两者处于同一水平位置并具有一定的间距；第一石墨烯电容器4由下层的第一单层石墨烯43、中间的第一电介质绝缘层45、上层的第二单层石墨烯44、第一金属接触电极41和第二金属接触电极42组成；第二石墨烯电容器6由下层的第一单层石墨烯43、中间的第二电介质绝缘层63、上层的第三单层石墨烯62、第三金属接触电极61组成；在第一单层石墨烯43的右侧设置有与第一单层石墨烯43一体结构的第一石墨烯窄条，第一石墨烯窄条向右延伸出聚合物波导上包层5，在第一石墨烯窄条的表面上制备第一金属接触电极41；在第二单层石墨烯44的右侧设置有与第二单层石墨烯44一体结构的第二石墨烯窄条，第二石墨烯窄条向右延伸出聚合物波导上包层5，在第二石墨烯窄条上制备第二金属接触电极42；第一石墨烯窄条和第二石墨烯窄条由聚合物波导上包层5分隔开；在第三单层石墨烯62的左侧设置有与第三单层石墨烯62一体结构的第三石墨烯窄条，第三石墨烯窄条向左延伸出聚合物波导上包层5，在第三石墨烯窄条的表面上制备第三金属接触电极61；第一石墨烯窄条、第二石墨烯窄条、第三石墨烯窄条的长度小于第一单层石墨烯43、第二单层石墨烯44和第三单层石墨烯62的长度(长度方向为垂直于截面方向)。
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；
所述聚合物波导下包层2和聚合物波导上包层5的材料相同，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；聚合物光波导芯层3的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)中的一种。聚合物光波导芯层的折射率大于聚合物包层的折射率。
所述聚合物波导下包层2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；聚合物波导上包层5的宽度(x轴方向)为100～1500μm，厚度(y轴方向)为15～20μm(包括第一石墨烯窄条和第二石墨烯窄条间聚合物波导上包层5的厚度)，聚合物波导上包层5的宽度小于聚合物波导下包层2的宽度；聚合物光波导芯层3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4和第二石墨烯电容器6中的第一单层石墨烯43、第二单层石墨烯44、第三单层石墨烯62分别平行于衬底1的表面且厚度相同，为0.35～0.7nm；第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6的有效宽度为5～15μm，掩埋于聚合物光波导芯层3的内部；第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6共用第一单层石墨烯43，第一单层石墨烯43位于聚合物波导下包层2的上表面之上，第二单层石墨烯44和第三单层石墨烯62位于同一平面内；在聚合物光波导芯层3内部第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6的间距为0.1～2μm。
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相同为5～20nm，电介质绝缘层掩埋于各石墨烯电容器的双层石墨烯之间，其宽度与各石墨烯电容器的有效宽度相同。
进一步的，所述的第一金属接触电极41、第二金属接触电极42和第三金属接触电极61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光波导芯层3中心位置的距离为100～800μm(沿长度方向，第一金属接触电极41和第二金属接触电极42相互错开一定距离设置，相互不接触)；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)。
本发明属于模式不敏感光开关技术领域，具体工作原理如下：器件主要利用石墨烯可调控光吸收特性，通过对石墨烯施加偏置电压调控其对TE11、TE21、TE12和TE22模式的光吸收强度。同时，优化石墨烯电容器的掩埋位置，使其与TE11、TE21、TE12和TE22各模式的相互作用强度相近，从而实现对这四个模式不敏感开关的功能。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，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，通过设计石墨烯电容器电极结构和优化掩埋位置，在直接与少模波导相连接时能实现对TE11、TE21、TE12和TE22模式进行同时调制和开关，充分利用了聚合物材料种类多样，易于制备加工等优势，并且设计石墨烯电容器结构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数量大大减少，在提高系统集成度的同时有效的增加了通信容量。
附图说明
图1为本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关沿光的传输方向的横截面结构示意图。
图2为本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的光场分布模拟图。
图3为本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的TE11、TE21、TE12和TE22模式功率衰减随石墨烯化学势能变化的示意图。
图4为本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的TE11、TE21、TE12和TE22模式功率衰减在C波段内变化示意图。
如附图1所示，本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的横截面结构示意图，其功能是能够对波导中TE11、TE21、TE12和TE22模式同时进行调制和开关。各部位名称为：衬底1、聚合物波导下包层2、聚合物光波导芯层3、聚合物波导上包层5、在聚合物光波导芯层3中制备的第一石墨烯电容器4、下层的第一单层石墨烯43、第一电介质绝缘层45、上层的第二单层石墨烯44、第一金属接触电极41和第二金属接触电极42；在聚合物光波导芯层3结构中制备的第二石墨烯电容器6、下层的第一单层石墨烯43、第二电介质绝缘层63、上层的第二单层石墨烯62、第三金属接触电极61，第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6中间具有一定间距，共用下层的第一单层石墨烯43。
如附图2所示，本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的TE11、TE21、TE12和TE22模式光场分布模拟图。图2(a)为TE11光场分布模拟图、图2(b)为TE21光场分布模拟图、图2(c)为TE12光场分布模拟图、图2(d)为TE22光场分布模拟图。从图2(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2(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左右位置处。从图2(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上下位置处。从图2(d)中可以看出TE22模式光场形状良好，光场较强处位于波导芯层四个顶角位置处。结合图2(a)(b)(c)(d)可知，TE11模式光场在波导内部中间水平方向与TE21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TE12模式光场有重叠区域，TE11模式光场在波导内部上方与TE22模式光场有重叠区域，TE12模式光场与TE21和TE22模式光场在波导芯层四个顶角区域有重叠区域。
如附图3所示，本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的TE11、TE21、TE12和TE22模式功率衰减随石墨烯化学势能变化的示意图。从图3中可知，波导中TE11、TE21、TE12和TE22的模式功率衰减有着几乎一致的变化趋势，并且在相同化学势能下各模式的模式功率衰减数值差异较小，表明调控第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6(通过对石墨烯上制备的金属电极施加电压，达到对石墨烯电容器施加电压调控的目的，石墨烯的化学势会随着施加电压的改变而改变，公式
(πa0|Vg-VDirac|)描述了这一调控过程，公式中/>
为简约普朗克常量，vF为费米速度，VDirac为自然掺杂引起的偏压，a0＝ε0εr/de是由简单的平板电容模型得到的(ε0为空气的相对介电常数，εr和d分别是电介质的电介质常数和厚度，e是单位电荷量))时可以对TE11、TE21、TE12和TE22四种模式同时进行调制和开关，并达到近乎一致的调制效果。当化学势为0.3ev时各模式的模式功率衰减达到了最大值，即波导对光信号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时各模式功率衰减迅速降低，之后平稳的维持在一个很低的水平，此时光波导中传输的光信号几乎可以无损通过，对应器件“ON”的工作状态。
如附图4所示，本发明所述的基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关的TE11、TE21、TE12和TE22模式在μ＝0eV时(不对石墨烯施加偏置电压时石墨烯的化学势)模式功率衰减在C波段内的变化示意图。从图4中可知TE11、TE21、TE12和TE22模式当化学势为0eV时，即器件处于强吸收工作状态时，在C波段内的模式功率衰减变化不明显，即第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6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：
本发明的方案如附图1所示，一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其功能是能够对TE11、TE21、TE12和TE22模式同时进行调制和开关，其特征在于：由衬底1、聚合物波导下包层2、矩形结构的聚合物光波导芯层3、聚合物波导上包层5、第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6组成；聚合物波导下包层2制备在衬底1之上，聚合物波导上包层5制备在聚合物波导下包层2之上，矩形结构的聚合物光波导芯层3被包覆在聚合物波导下包层2和聚合物波导上包层5之中；聚合物波导上包层5和聚合物波导下包层2之间形成台阶结构，即在聚合物波导上包层5的左、右两侧各露出一定区域的聚合物波导下包层2；第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6位于聚合物光波导芯层3的内部，均为双层石墨烯结构，两者处于同一水平位置并具有一定的间距；第一石墨烯电容器4由下层的第一单层石墨烯43、中间的第一电介质绝缘层45、上层的第二单层石墨烯44、第一金属接触电极41和第二金属接触电极42组成；第二石墨烯电容器6由下层的第一单层石墨烯43、中间的第二电介质绝缘层63、上层的第三单层石墨烯62、第三金属接触电极61组成；在第一单层石墨烯43的右侧设置有与第一单层石墨烯43一体结构的第一石墨烯窄条，第一石墨烯窄条向右延伸出聚合物波导上包层5，在第一石墨烯窄条的表面上制备第一金属接触电极41；在第二单层石墨烯44的右侧设置有与第二单层石墨烯44一体结构的第二石墨烯窄条，第二石墨烯窄条向右延伸出聚合物波导上包层5，在第二石墨烯窄条上制备第二金属接触电极42；第一石墨烯窄条和第二石墨烯窄条由聚合物波导上包层5分隔开；在第三单层石墨烯62的左侧设置有与第三单层石墨烯62一体结构的第三石墨烯窄条，第三石墨烯窄条向左延伸出聚合物波导上包层5，在第三石墨烯窄条的表面上制备第三金属接触电极61；第一石墨烯窄条、第二石墨烯窄条、第三石墨烯窄条的长度小于第一单层石墨烯43、第二单层石墨烯44和第三单层石墨烯62的长度(长度方向为垂直于截面方向)。
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2和聚合物波导上包层5采用低折率聚合物材料，选择为EpoClad。
本实施例中，聚合物波导下包层2的厚度为12μm，宽度与衬底层宽度相同，为1.9mm。
本实施例中，聚合物波导上包层5的厚度为15μm，宽度为500μm。
本实施例中，聚合物光波导芯层3材料选择为SU-8 2002。
本实施例中，聚合物光波导芯层3的厚度为10.5μm，宽度为10μm。
本实施例中，聚合物光波导芯层3位于聚合物波导下包层2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4中宽度为4.5μm，在第二石墨烯电容器6中宽度为4.5μm。
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4有效区域长度为4.5μm，放置于聚合物光波导芯层3的水平中间位置上方2.84μm处；第二石墨烯电容器4有效区域长度为4.5μm，位于聚合物光波导芯层3的水平中间位置上方2.84μm处；第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6中间间距为1μm。
本实施例中，将各石墨烯电容器放置在聚合物光波导芯层3内部实现TE11、TE21、TE12和TE22四种模式进行同时调制和开关功能。
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。
由该模式不敏感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4和6中WG都为4.5μm，L为单层石墨烯长度，均取为800μm；总电容Ctotal＝ε0εrS/d，S＝L×W为双层石墨烯有效区域的平板电容面积，ε0为空气相对介电常数，εr为电介质绝缘层相对介电常数。由3-dB调制带宽公式f＝1/(2πRtotalCtotal)得到第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6的3-dB带宽均为1.84GHz，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0.7eV对应的外加偏执电压范围，为2.35V，则求得石墨烯电容器4和6的功耗均为25pJ/bit。
实施例2：
本发明的基于有机聚合物波导的模式不敏感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波导下包层2：采用旋涂方式将聚合物波导下包层材料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的聚合物波导下包层2；
3、湿法刻蚀工艺制作聚合物光波导芯层3：采用旋涂方式将聚合物SU-82002旋涂在聚合物波导下包层2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光波导芯层薄膜厚度刻蚀到7.16μm。通过上述工艺就在聚合物波导下包层2上制备了聚合物光波导芯层3；
4、采用旋涂工艺将聚合物波导下包层材料EpoClad旋涂在矩形结构的聚合物光波导芯层3和聚合物波导下包层2上形成薄膜，旋涂速度为1500转/分钟，然后放置在120℃下烘烤2.5小时，厚度为8μm；再对聚合物波导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，其高度与聚合物光波导芯层3高度相等；
5、聚合物光波导芯层3上转移第一石墨烯电容器4和第二石墨烯电容器6的公共第一单层石墨烯43：制备流程如下，将购买的商用单层石墨烯转移到制备完成的聚合物光波导芯层3和聚合物平板层的表面，第一单层石墨烯层43与聚合物光波导芯层3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43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43；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43；
6、制备第一金属电极41：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41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41；
7、转移第二单层石墨烯44和第三单层石墨烯62：在转移第二单层石墨烯44和第三单层石墨烯62之前，需要在第一单层石墨烯层43上蒸镀沉积电介质绝缘层63和45，然后干法垂直刻蚀电介质绝缘层得到中间的缝隙；然后进行第二单层石墨烯44和第三单层石墨烯62转移和制备，其工艺流程与转移第一单层石墨烯43的工艺流程相同，在定义石墨烯图案时制备出中间的缝隙；
8、制备第二金属电极42和第三金属电极61：其工艺流程与制备第一金属电极41相同；第一单层石墨烯43、第二单层石墨烯44、电介质绝缘层45、第一金属电极41和第二金属电极42构成石墨烯电容器4；第一单层石墨烯43、第三单层石墨烯62、电介质绝缘层63、第一金属电极41和第三金属电极61构成石墨烯电容器6；
9、采用旋涂工艺结合感应耦合等离子体刻蚀机在聚合物光波导芯层3上制备与聚合物光波导芯层3相同结构厚度的聚合物光波导芯层；应用旋涂工艺将聚合物波导上包层材料旋涂在聚合物光波导芯层3和聚合物波导下包层2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的聚合物波导上包层5；聚合物波导上包层5两侧各露出一定区域的聚合物波导下包层2，形成台阶结构，从而制备得到基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关。
Claims (7)
1.一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其特征在于：从下至上由衬底(1)、聚合物波导下包层(2)、矩形结构的聚合物光波导芯层(3)、聚合物波导上包层(5)、第一石墨烯电容器(4)和第二石墨烯电容器(6)组成；聚合物波导下包层(2)制备在衬底(1)之上，聚合物波导上包层(5)制备在聚合物波导下包层(2)之上，矩形结构的聚合物光波导芯层(3)被包覆在聚合物波导下包层(2)和聚合物波导上包层(5)之中；聚合物波导上包层(5)和聚合物波导下包层(2)之间形成台阶结构，在聚合物波导上包层(5)的左、右两侧各露出一定区域的聚合物波导下包层(2)；第一石墨烯电容器(4)和第二石墨烯电容器(6)位于聚合物光波导芯层(3)的内部，均为双层石墨烯结构，两者处于同一水平位置并具有一定的间距；第一石墨烯电容器(4)由下层的第一单层石墨烯(43)、中间的第一电介质绝缘层(45)、上层的第二单层石墨烯(44)、第一金属接触电极(41)和第二金属接触电极(42)组成；第二石墨烯电容器(6)由下层的第一单层石墨烯(43)、中间的第二电介质绝缘层(63)、上层的第三单层石墨烯(62)、第三金属接触电极(61)组成；在第一单层石墨烯(43)的右侧设置有与第一单层石墨烯(43)一体结构的第一石墨烯窄条，第一石墨烯窄条向右延伸出聚合物波导上包层(5)，在第一石墨烯窄条的表面上制备第一金属接触电极(41)；在第二单层石墨烯(44)的右侧设置有与第二单层石墨烯(44)一体结构的第二石墨烯窄条，第二石墨烯窄条向右延伸出聚合物波导上包层(5)，在第二石墨烯窄条上制备第二金属接触电极(42)；第一石墨烯窄条和第二石墨烯窄条由聚合物波导上包层(5)分隔开；在第三单层石墨烯(62)的左侧设置有与第三单层石墨烯(62)一体结构的第三石墨烯窄条，第三石墨烯窄条向左延伸出聚合物波导上包层(5)，在第三石墨烯窄条的表面上制备第三金属接触电极(61)。
2.如权利要求1所述的一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其特征在于：第一石墨烯窄条、第二石墨烯窄条、第三石墨烯窄条的长度小于第一单层石墨烯(43)、第二单层石墨烯(44)和第三单层石墨烯(62)的长度。
3.如权利要求1所述的一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其特征在于：衬底(1)的材料为二氧化硅、氮化硅、硅中的一种；聚合物波导下包层(2)和聚合物波导上包层(5)的材料相同，为EpoCore、EpoClad、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯中的一种；聚合物光波导芯层(3)的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯、聚酰亚胺中的一种。
4.如权利要求1所述的一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其特征在于：衬底(1)的宽度为1～3mm，厚度为300～800μm；聚合物波导下包层(2)的宽度与衬底的宽度相同为1～3mm，厚度为10～20μm；聚合物波导上包层(5)的宽度为100～1500μm，厚度为15～20μm，且聚合物波导上包层(5)的宽度小于聚合物波导下包层(2)的宽度；聚合物光波导芯层(3)的宽度为5～15μm，厚度为5～15μm。
5.如权利要求1所述的一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其特征在于：第一单层石墨烯(43)、第二单层石墨烯(44)、第三单层石墨烯(62)分别平行于衬底(1)的表面且厚度相同，为0.35～0.7nm；第一石墨烯电容器(4)和第二石墨烯电容器(6)的有效宽度为5～15μm，掩埋于聚合物光波导芯层(3)的内部；第一石墨烯电容器(4)和第二石墨烯电容器(6)共用第一单层石墨烯(43)，第一单层石墨烯(43)位于聚合物波导下包层(2)的上表面之上，第二单层石墨烯(44)和第三单层石墨烯(62)位于同一平面内；在聚合物光波导芯层(3)内部第一石墨烯电容器(4)和第二石墨烯电容器(6)的间距为0.1～2μm。
6.如权利要求1所述的一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，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，厚度相同为5～20nm，电介质绝缘层掩埋于各石墨烯电容器的双层石墨烯之间，其宽度与各石墨烯电容器的有效宽度相同。
7.如权利要求1所述的一种基于有机聚合物波导的模式不敏感光开关，其特征在于：第一金属接触电极(41)、第二金属接触电极(42)和第三金属接触电极(61)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光波导芯层(3)中心位置的距离为100～800μm；沿长度方向，第一金属接触电极(41)和第二金属接触电极(42)相互错开一定距离设置，相互不接触；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。
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