基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法

基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法
【专利摘要】一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方法，属于波导光开关及其制备【技术领域】。从下至上各层依次为：硅衬底(1)、下包层(2)、芯层波导(3)、掩膜层(8)、上包层(10)和热电极(6)；下包层(2)、掩膜层(8)和上包层(10)均使用聚合物P(MMA-GMA)制作，折射率为1.48～1.51，下包层(2)和上包层(10)的厚度为8～13μm，掩膜层(8)的厚度为1～2μm；芯层波导(3)为M-Z干涉仪结构的金膜，金膜的厚度为20～25nm，其复折射率为0.55-11.5i。本发明的器件及其制作方法不仅能够有效改善LRSPP波导表面形貌，且无需利用LRSPP波导本身作为热电极，增强了开关结构的可靠性及寿命，器件成品率高，适合大批量生产。
【专利说明】基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关及其制备方 法

【技术领域】
[0001] 本发明属于波导光开关及其制备【技术领域】，具体涉及一种采用金/聚合物等离 子体波导结构，利用与聚合物包层材料相同的聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸环氧丙酯 ((P (MMA-GMA))作为掩膜，结合半导体干法刻蚀和湿法腐蚀技术制备的基于长周期金属表 面等离子体的波导热光开关及其制备方法。

【背景技术】
[0002] 随着光电子技术的快速发展，高速化、集成化、小型化已经成为发展方向，但传统 电子回路带宽小和发热高等问题在一定程度上限制了其发展及应用。光子集成回路具有 速度快、带宽高、抗电磁干扰能力强和功耗小等优点，已广泛应用于大容量数字信息传输 中。其中，基于表面等离子激元（Surface plasmon polariton，SPP)的表面等离子体波导 (Surface plasmonic waveguide, SPW)是目前数据传输解决方案研究热点之一。SPP是光 场和金属表面自由电子相互作用形成的一种纵向电荷谐振，可沿金属与介质表面传播，此 时光被紧缚在金属表面，在相邻介质中的穿透深度小于半波长，这种特性可以超越光的衍 射极限，实现亚波长尺度的光子回路。但由于金属中产生的阻尼振荡，SPP传输损耗较大。 实验中，人们发现当覆盖金属条形波导上下表面的介质相同时，会在金属两侧形成对称的 模式，构成长周期表面等离子体（Long-range surface plasma polariton，LRSPP)波导，其 传输损耗随金属波导厚度减小而下降，并在金属波导两侧介质若干微米内呈现对称的场分 布，可实现厘米级的光传输。相比于化合物半导体、硅和聚合物波导，LRSPP波导具有较大 的模场尺寸，具有一定宽度的LRSPP波导所支持的模场可与单模波导相匹配，更容易获得 与光纤间的低耦合损耗，从而在光互联等领域具有良好的应用潜能。本发明将基于聚合物 包层介质的LRSPP结构光波导器件应用于光开关的制作，以实现等离子体波导与其他类型 材料波导的集成。
[0003] 在不要求高开关速度的应用领域中（ms量级的开关速度即可满足需要），热光开 关凭借其尺寸小、驱动功率低和长期稳定性高等优点，受到了广泛的关注，并在近些年取得 了显著进展。热光开关的原理是当波导温度变化时，波导的有效折射率发生变化，通常采用 M-Z干涉仪、多模干涉和定向耦合等波导结构，使光相位的变化转变成光振幅的变化，从而 实现开关功能。一般在波导上方制备薄膜金属电极作为微加热源，采用硅衬底作为热沉。
[0004] 制备波导型热光开关的材料主要包括硅/二氧化硅（SOI)和聚合物等材料。相比 于SOI材料，聚合物具有热光系数大、种类多、成本低和工艺简单等优点。此外，由于聚合物 具有可剪裁性，采用聚合物材料制备的热光开关器件不仅驱动功率较小，而且器件的尺寸 能够得到有效控制。
[0005] 目前，LRSPP波导的制备主要采用超声剥离法，其工艺相对复杂，且对金属在包层 表面的附着力有较高要求，波导边缘存在鳍状凸起，不利于模场控制和降低损耗。传统的湿 法腐蚀工艺，虽然金属薄膜的侧壁陡直度很好，但是LRSPP波导表面残留的光刻胶无法完 全去除，光刻胶掩膜也不易从聚合物表面剥离，去胶剂还会对聚合物产生侵蚀作用，破坏金 属波导周围的折射率分布，影响LRSPP的传播。


【发明内容】

[0006] 本发明要解决的技术问题就是克服【背景技术】的不足，寻找一种增加长周期表面等 离子体（LRSPP)金属波导表面平整度和侧壁陡直度的方法，通过简便的湿法腐蚀工艺制备 一种基于长周期表面等离子体的波导热光开关，提高基于不同材料的二维/三维光子芯片 的集成度。
[0007] 如图3a所示，本发明所述的长周期表面等离子体波导热光开关，从下向上各层依 次为：硅衬底（1)、下包层（2)、芯层波导（3)、P(MMA-GMA)掩膜层（8)、上包层（10)和热电 极（6)。上包层与下包层均使用聚合物材料P(MMA-GMA)制作，折射率为1. 48?1. 51，厚度 为8?13 μ m。芯层波导（3)为M-Z (Mach-Zehnder)干涉仪结构的金膜，如图8所示，金膜 的厚度为20?25nm，其复折射率为0.55-11. 5i ;芯层波导（3)由一体结构的第一输入/输 出区、第一 Y分支区、两臂结构的波导调制区、第二Y分支区和第二输入/输出区组成；光从 第一输入/输出区输入，然后经过第一 Y分支区被分成光功率相等的两路光，分别在波导调 制区的两臂里传输，再通过第二Y分支区而合在一起，经由第二输入/输出区输出。芯层波 导⑶的宽度为3?4μ m，输入/输出区长度为3?5mm ;Y分支区的长度为2?2. 5mm，分 支角度为0.1°?0.2° ;波导调制区的长度为12?13mm，两臂间距为33?36 μ moM-Z干 涉仪两臂的波导具有相同的长度，且在其中的一个臂的上包层上方镀有金属薄膜作为热电 极（6)形成相位调节器，热电极的长度为11?12mm，宽度为14?16 μ m，电极引脚的长度 为1. 3?1. 5mm，宽度为0. 6?0. 8mm。当电极未通电时，输入信号经过两个Y分支在输出 端口发生相干加强而输出；由于光波导的包层是由热光材料制成的，其折射率随温度变化 而变化。当电极开始工作时，由于有电流通过，电极会产生热量，使M-Z干涉仪的一个臂的 上包层被加热，当从电极到芯层波导之间存在350?320K的温度梯度时，会使两个分支波 导的有效折射率不同，当两支波导的折射率差值为6. 45 X ΚΓ5?6. 46 X ΚΓ5,会使光信号发 生了大小为η的相移，则输出信号将发生干涉相消，从而通过控制加热器即可实现波导的 开关。
[0008] 本发明所使用的上、下包层材料是一种易于合成的聚合物材料一甲基丙烯酸甲 酯ΜΜΑ与甲基丙烯酸环氧丙酯GMA的共聚物（P (MMA-GMA))，该材料具有光损耗低、成膜性 好和价格低廉等优点。其分子结构式如通式（I )所示，GMA与ΜΜΑ的摩尔比为m :n = 1 : 10。通式（II )为折射率调节剂，在包层材料（I )中加入折射率调节剂（II )，调节折射 率调节剂在整个材料中的含量，可以控制包层材料的折射率在1. 48?1. 51之间，从而提高 了 LRSPP波导结构设计的灵活性。
[0009]

【权利要求】
1. 一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关，其特征在于：从下至上各层依 次为硅衬底（1)、下包层（2)、芯层波导（3)、掩膜层（8)、上包层（10)和热电极（6);下包层 (2) 、掩膜层（8)和上包层（10)均使用聚合物P(MMA-GMA)制作，折射率为1. 48?1. 51，下 包层⑵和上包层（10)的厚度为8?13 μ m，掩膜层⑶的厚度为1?2 μ m ;芯层波导（3) 为M-Z干涉仪结构的金膜，金膜的厚度为20?25nm，其复折射率为0. 55-11. 5i ;芯层波导 (3) 由一体结构的第一输入/输出区、第一Y分支区、两臂结构的波导调制区、第二Y分支区 和第二输入/输出区组成；光从第一输入/输出区输入，然后经过第一 Y分支区被分成光功 率相等的两路光，分别在波导调制区的两臂里传输，再通过第二Y分支区而合在一起，经由 第二输入/输出区输出；掩膜层（8)同为M-Z干涉仪结构；M-Z干涉仪的两臂具有相同的长 度，且在其中的一个臂的上包层上方镀有金属薄膜作为热电极（6)形成相位调节器。
2. 如权利要求1所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关，其特征 在于：芯层波导（3)的宽度为3?4μ m，输入/输出区长度为3?5mm ;Y分支区的长度为 2?2. 5mm，分支角度为0.1°?0.2° ;波导调制区的长度为12?13mm，两臂间距为33? 36 μ m〇
3. 如权利要求1所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关，其特征在 于：热电极的长度为11?12mm，宽度为14?16 μ m，电极引脚的长度为L 3?L 5mm，宽度 为0· 6?0· 8mm ;热电极的电阻为50?80 Ω，电极的厚度为400?600nm。
4. 权利要求1所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方法， 其步骤如下： (1) 基片的选择和清洗：选用硅片作为衬底（1)，首先用丙酮溶液清洗硅片，去除硅片 表面的有机物杂质；再用乙醇溶液清洗硅片，去除上一步残留的丙酮；然后用去离子水反 复冲洗，去除在硅片表面残留的乙醇； (2) 制备下包层：在清洗干净的衬底（1)上均匀旋涂厚度8?13 μ m、浓度65? 80wt%、折射率1.48?1.51的P(MMA-GMA)作为下包层（2)，旋涂速度为3000?3500r/ min，旋涂结束后，加热固化，温度为110?120°C，时间为120?150min; ⑶蒸镀金膜：在P(MMA-GMA)下包层⑵的表面蒸镀20?25nm厚的金膜，其复折射 率为 0· 55-1L 5i ; (4) 制备P(MMA-GMA)掩膜层：在金膜上均匀旋涂厚度1?2μπι、浓度为5?10wt%、 折射率1. 48?1. 51的P(MMA-GMA)掩膜层（8)，旋涂速度为4000?4500r/min，旋涂结束 后，将样品加热固化，温度为110?120°C，时间为120?150min ; (5) 制备P(MMA-GMA)的金属掩膜：在P(MMA-GMA)掩膜层（8)表面蒸镀200?300nm 厚的铝膜（4)，再在铝膜（4)上旋涂厚度6?8 μ m的光刻胶（5)，85?90°C加热固化20? 25min，再将带有M-Z干涉仪结构波导图形的掩膜板放置在固化后的光刻胶上，紫外曝光 8?10s，由于掩膜板的遮挡作用，M-Z结构对应的芯层区域外的光刻胶（5)被曝光；然后 用质量分数5?7%。的NaOH溶液显影1?3min，去除被曝光的光刻胶（5)及其下方的铝膜 (4) ，此时M-Z干涉仪结构波导图形就转移到铝膜（4)上，得到与拟制备的M-Z干涉仪结构 相同的铝掩膜； (6) 制备LRSPP波导：采用ICP刻蚀方法，将无铝掩膜覆盖的P(MMA-GMA)掩膜层（8)去 除；然后将样品紫外曝光8?10s，并采用质量分数5?7%。的NaOH溶液显影1?3min，去 除光刻胶（5)和铝掩膜（4);再按I2:K2I:H20 = 1?1.5:4?4. 5:100的质量比配制去金显 影液，最后，利用湿法腐蚀工艺去除无薄P(MMA-GMA)掩膜层（8)保护的金膜，湿法腐蚀的时 间为20s?30s，得到清晰的M-Z结构波导图形，即芯层波导（3)，并且在其上面保留有与芯 层波导（3)结构和尺寸相同的P(MMA-GMA)掩膜层（8); (7) 制备上包层：再在下包层⑵和P(MMA-GMA)掩膜层⑶上均匀旋涂厚度8? 13以111、浓度65?8(^%、折射率1.48?1.51的？(_-6麻）作为上包层（10)，旋涂速度 为3000?3500r/min，旋涂结束后，加热固化，温度为110?120°C，时间为120?150min ; (8) 制备热电极：在P(MMA-GMA)上包层（10)的表面蒸镀厚度为400?600nm的金（6)， 再旋涂厚度为6?8 μ m的光刻胶（5)，85?90°C加热固化20?25min ;然后将样品放在光 刻机的托盘上，再将具有电极及电极引脚结构图形的电极掩膜板放在光刻机的操作台上， 通过调节样品与电极掩膜板的位置，使电极的调制区可以覆盖M-Z结构的波导调制区的一 臂；然后调节托盘，使样品与电极掩膜板紧贴，进行紫外曝光8?10s ;最后采用质量分数 5?7%。的NaOH溶液显影1?3min，去除曝光部分的BP-218光刻胶，再使用按I2:K 2I:H20 =1?1.5:4?4. 5:100量比配制的去金显影液，利用湿法腐蚀工艺去除无光刻胶保护的 金膜，湿法腐蚀的时间为45s?50s，得到有光刻胶附着的电极图形；去除电极掩膜板，将样 品紫外曝光8?10s，再采用质量分数5?7%。的NaOH显影液去除电极上剩余的已曝光的光 刻胶，即可获得清晰光洁的热电极，从而完成周期金属表面等离子体波导热光开关的制备。
5. 如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备 方法，其特征在于：步骤（2)中所述的旋涂P(MMA-GMA)下包层（2)，是指将数均分子量为 0. 9X 105?IX 105聚合物P(MMA-GMA)均匀地旋转涂覆在硅衬底⑴表面。
6. 如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方 法，其特征在于：步骤（5)中所述的旋涂光刻胶（5)是指将紫外正性光刻胶BP218滴在铝膜 (4)上，然后置于旋转涂覆机上，在3000?3500rpm的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时 间为25-35s，使光刻胶（5)均匀涂在铝膜（4)上。
7. 如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方 法，其特征在于：步骤（5)及步骤（6)是用365nm紫外光进行曝光。
8. 如权利要求4所述的一种基于长周期金属表面等离子体的波导热光开关的制备方 法，其特征在于：上述方法步骤（6) ICP刻蚀的源功率为400?420W，偏置功率为30?35W， 刻蚀气体02流量为38?40secm，腔室气压为0. 9?IPa，刻蚀时间为70?72s。
【文档编号】G02F1/01GK104297948SQ201410468374
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月14日 优先权日:2014年9月14日
【发明者】刘通, 孙小强, 张大明, 王菲, 陈长鸣, 衣云骥, 王希斌 申请人:吉林大学