一种基于有机聚合物材料的有源复合光波导及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于聚合物平面光波导及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以有机光放大材料作为波导芯层、以极化聚合物电光材料作为波导包层的有源复合光波导及其制备方法。
【背景技术】
[0002]光通信器件是构建光通信系统与网络的基础，针对新一代高速、大容量全光信息网络的重大需求，光通信系统中采用的发送、接收、调制、交换、放大和动态补偿等光器件也将提出更加苛刻的要求:高性能、小尺寸、低功耗、高可靠和低成本。因此，根据光通信系统和网络的对光通信器件的要求，设计光电子器件的集成和单一光电子器件的多功能化是其必然的技术发展方向，而光子集成技术可以有效地解决这一问题。
[0003]自从1969年“集成光学”的概念被提出以来，人们就期望将所有不同功能的光学元件像集成电路那样集成在同一芯片上。虽然人们已经在导波光学、微光学和集成模块方面进行了大量的研宄，以促进集成光学器件的发展，但是由于各种光学元件所需要的材料、器件结构和制备工艺都有所不同，光子集成技术一直没有得到长足的进步。特别是无机光波导器件，在平面光波导集成方面具有一定的局限性。而与无机材料相比，有机聚合物材料具有种类繁多、成本低廉、制备工艺简单且与半导体工艺兼容、抗电磁干扰能力强以及无机材料所无法比拟的高热光系数和高电光系数等优点，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础材料。因此，利用有机聚合物材料探索和研宄高性能、多功能、小型化和集成化的集成光波导器件具有重要的理论意义和实际价值，市场前景广阔。
[0004]研宄新型有机聚合物材料、发展聚合物基光子器件及相关集成技术，目前已成为各发达国家的重点支持领域，并取得了一定的研宄进展。近年来，由于优良的光电特性，极化聚合物电光材料已被逐渐用于高速电光调制器/电光开关的研制。此外，作为有机聚合物材料的另一个重要应用领域一掺铒光波导放大器(EDWA)，近年来也逐渐成为国际上的研宄热点。EDWA是继掺铒光纤放大器(EDFA)以后又一极具前途的光放大器，它兼具EDFA的偏振串扰无关性、低噪声指数等优点，并且具有体积小、结构紧凑的重要优势，在实现光纤到户(FTTH)的短距离传输中具有重要的应用，有效地弥补了 EDFA的不足。但是目前的光学器件结构和功能都比较单一，而基于有机聚合物材料的集成芯片也都是一些关于无源器件的简单集成，如何将上述几种聚合物有源光波导器件与其它无源器件集成到同一芯片中，并通过结构设计来实现多功能复合，在单片多功能集成芯片和片上光互联技术应用中具有非常重大的意义。
[0005]基于有机聚合物材料的有源复合光波导结合了有机聚合物材料在集成光学器件，特别是在高速电光调制器/开关和有机光波导放大器方面的优势，充分挖掘其在高密度集成、器件小型化和多功能化方面的潜力，通过设计以极化聚合物电光材料作为波导包层、有机光放大材料作为波导芯层的有源复合光波导结构，来实现单一波导的功能复合。这种有源复合光波导结构，不仅为多功能光波导及其集成芯片的研发提供一个新思路和新方法，同时也将为我国在有机聚合物平面光波导集成芯片的快速发展打下良好的基础，市场前景广阔。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种基于有机聚合物材料的有源复合光波导及其制备方法。
[0007]本发明采用硅片作为衬底，以极化聚合物电光材料作为波导包层、以有机光放大材料作为波导芯层来制备有源复合光波导，不但解决了传统光波导功能比较单一的问题，而且有效地利用了两种材料的优势。同时，本发明所采用的制备工艺简单且与半导体工艺兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用价值。
[0008]本发明的有源复合光波导，是将对信号光的放大和调制功能集成在同一根波导上，突破传统波导的功能单一化，实现了单一波导的功能化集成，进而可以实现光波导器件的小型化、集成化和多功能化，同时充分利用了有机聚合物材料在高速电光调制器/电光开关和光波导放大器方面的优势。本发明为了测试器件的增益特性和电光调制特性，分别设计了直波导和Mach-Zehnder Interferometer (MZI)型光波导结构，并根据芯层光放大材料的不同，分别设计了条形和倒脊型的光波导结构，同时根据光场分布特性分别采用共面波导(Coplanar Waveguide,CPff)和微带线(Microstrip Line,MSL)电极结构，其器件结构见附图1。整个器件的制备是以硅片作为衬底，并采用标准的平面半导体加工工艺，制备工艺比较简单，有利于将来实现光电混合集成。
[0009]如附图1(a)所示，一种基于有机聚合物材料的有源复合光波导结构，其特征在于:从下到上，由硅片衬底15、在硅片衬底15上生长的二氧化硅下包层14、在二氧化硅下包层14上制备的基于有机光放大材料的直波导131结构和MZI波导132结构的光波导芯层13、在光波导芯层上制备的基于极化聚合物电光材料的上包层12、在上包层12上制备的共面波导CPW调制电极11组成；硅片衬底的厚度为0.5?1mm，二氧化硅下包层的厚度为2?5 μm，波导芯层的厚度为2?6 μm，波导芯层的宽度为3?8 μπι;波导上包层的厚度为3?6 μπι ;CPW调制电极的中心电极宽度、地电极宽度、中心和地电极间距、电极厚度分别为20 ?50 μm、80 ?150 μπι、5 ?30 μπι、200 ?400nm ;直波导 131 的长度 S1SCLS ?3cm ；MZI波导132输入、输出区直波导的长度&2为0.5?1.5cm，Y分支的分支角度Θ为0.5?1.5°，中间调制区的波导长度&3为I?2cm MI波导中间调制区的两条直波导分别与CPW调制电极的中心电极和其中的一根地电极位置对应，而CPW调制电极的另一根地电极不需要与MZI波导相对应，如图2 (a)所示。
[0010]另外一种基于有机聚合物材料的有源复合光波导结构如附图1(b)所示，其特征在于:从下到上，由硅片衬底15、在硅片衬底15蒸镀的Al下电极24、在下电极24上制备的具有直波导和MZI波导凹槽结构的基于掺有生色团分子的主客掺杂型极化聚合物电光材料的复合波导的下包层23、在下包层23上制备的具有倒脊型直波导和MZI波导结构的基于铒镱纳米颗粒掺杂的有机/无机杂化光放大材料的波导芯层22、在波导芯层22上制备的基于掺有生色团分子的主客掺杂型极化聚合物电光材料的复合波导的上包层23、在上包层23制备的MSL型上电极21 ;硅片衬底的厚度为0.5?1mm，下电极的厚度为200?400nm，下包层的厚度为3?6 μ m，波导芯层的厚度(包括凹槽部分)为2?6 μ m，波导芯层的脊宽度为3?8 μm，波导上包层的厚度为2?5 μπι，MSL型上电极的宽度、厚度分别为20?30 μ m、200?400nm ;直波导221的长度&1为0.5?3cm ；MZI波导222输入、输出区直波导长度七为0.5?1.5cm，Y分支的分支角度Θ为0.5?1.5°，中间调制区的波导长度a 3为I?2cm MI波导中间调制区的两条直波导与MSL电极的两根电极分别对应，如图2 (b)所示。
[0011]本发明所述的基于有机聚合物材料的有源复合光波导的制备方法，其制备工艺流程见附图3，具体叙述为:在处理好的硅衬底上，针对不同光波导芯层的光放大材料，器件采用两种制备方法，第一种是针对芯层材料刻蚀比较容易的光放大材料，可以通过湿法刻蚀的方法进行波导制备，波导采用条形光波导结构，电极采用CPW电极结构，具体制备工艺流程见附图3(a);第二种是针对芯层材料刻蚀比较困难的光放大材料，采用倒脊形光波导结构，电极采用MSL电极结构，具体制备工艺流程见附图3(b)，分别描述如下:
[0012](一 )基于有机聚合物材料的条形有源复合光波导器件的制备方法为:
[0013]A:主客掺杂型紫外光敏性有机光放大材料的制备
[0014]将铒镱共掺氟化物纳米颗粒(LaF3:2?5mol % Er 3+，20?25mol % Yb3+或NaYF 4:2 ?5mol % Er3+，20 ?25mol % Yb3+或 BaYF 5:2 ?5mol % Er 3+，20 ?25mol % Yb3+或 LiYF 4:2?5mol% Er3+，20?25mol % Yb3+)客体加入到甲苯有机溶剂之中，然后将溶液掺入到主体材料(包括 SU-82002、SU-82005、Norland Optical Adhesives 61 (N0A61)、NorlandOptical Adhesives 63 (N0A63)、Norland Optical Adhesives 73 (N0A73)等在内的可以紫外固化并进行湿法刻蚀的光刻胶材料)中并充分搅拌18?24小时，纳米颗粒是主体材料质量的1%。?4%。，然后将上述混合物溶液通过0.22 μ m?0.45 μ m孔径的分子筛过滤，便制得了主客掺杂型紫外光敏性有机光放大材料；
[0015]B:主客掺杂型极化聚合物电光材料的制备
[0016]将具有电光活性的生色团分子(包括分散红I (DRl)、分散红19(DR19)、分散红13(DR13)等)加入到环戊酮有机溶剂之中，加热搅拌30?60分种，使其充分溶解，然后通过0.22 μπι?0.45 μπι孔径的分子筛将其过滤后掺入到主体聚合物材料中(生色团分子是聚合物主体材料质量的5%?25%，主体材料是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(ΡΙ)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系