[发明专利]一种基于非对称MZI光波导的温度传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：整个器件基于MZI光波导结构，从左到右，依次由输入直波导(1)，3-dB Y分支分束器(2)，两条平行的参考臂(3)和传感臂(4)，3-dB Y分支耦合器(5)和输出直波导(6)所构成；

从下到上，输入直波导(1)和输出直波导(6)、3-dB Y分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(5)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的具有单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)、在单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)上制备的具有倒脊型光波导结构的器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)、在器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)上制备的聚合物上包层(35)组成；

从下到上，MZI结构的参考臂(3)和传感臂(4)依次由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的具有双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)、在双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)上制备的具有倒脊型光波导结构的参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)、在参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)上制备的聚合物上包层(35)组成；

具有单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)和具有双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)的材料和厚度相同，参考臂光波导芯层(33’)和器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)的材料相同；器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)、参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)的厚度和宽度相同；参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)的材料热光系数不同，器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)和传感臂光波导芯层(34)材料的折射率高于聚合物下包层(32、32’)和聚合物上包层(35)材料的折射率。

2.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导(6)的长度a₁和a₁^’为0.5～1.5cm，3-dB Y分支分束器(2)和3-dB Y分支耦合器(5)的Y分支角度θ为0.5～1.5°，参考臂(3)和传感臂(4)的长度a₂和a₂’为1～2.5cm，参考臂(3)和传感臂(4)的中心间距d为30～100μm。

3.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm，单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)和双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)的厚度为3～6μm，器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)、参考臂光波导芯层(33’)和传感臂光波导芯层(34)的厚度为2～6μm、宽度为3～6μm，波导凹槽结构的高度为0.5～2.0μm，聚合物上包层(35)的厚度为3～6μm。

4.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：单波导凹槽结构的聚合物下包层(32)和双波导凹槽结构的聚合物下包层(32’)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯。

5.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器光波导芯层(33)和参考臂光波导芯层(33’)的材料为SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore或EpoClad。

6.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：传感臂光波导芯层(34)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、NOA73、NOA61、NOA63、EpoCore、EpoClad、SU-8 2005或SU-8 2002。

7.如权利要求1所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器，其特征在于：聚合物上包层(35)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯。

8.权利要求1～7任何一项所述的一种基于非对称MZI光波导的温度传感器的制备方法，其步骤如下：

A：硅片衬底的清洁处理

将硅片衬底(31)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，再在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；

B：聚合物下包层及其上面凹槽结构的制备

采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底(31)上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后在100～150℃条件下烘烤2～3小时；然后，采用蒸镀工艺在制备好的聚合物下包层上蒸镀一层厚度为50～200nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5～2.0μm的正性光刻胶BP212，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与波导掩膜板紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补，曝光时间为5～10秒，除去波导掩膜板，经过10～30秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP212被除去；再在90～110℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶波导凹槽图形；接着将其放在质量浓度为5～8‰的NaOH溶液中50～90秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；然后，在感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，刻蚀时间为60～240秒，从而在聚合物下包层上刻蚀出凹槽结构；最后，在光刻机下充分曝光10～20秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，再用质量浓度为5～8‰的NaOH溶液去除残余的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，最后在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；

C：器件输入/输出直波导、Y分支分束器/耦合器和参考臂3光波导芯层的制备

采用旋涂工艺将具有负热光系数的聚合物芯层材料旋涂在下包层上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在60℃～100℃条件下处理5～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行对版光刻，波导掩膜版的形状为传感臂(4)凹槽结构上方区域对应的长方形结构，其长度为传感臂(4)的长度，其宽度为参考臂(3)和传感臂(4)间的中线到与其平行的衬底底边的距离，曝光时间为10～50秒，使需要制备的器件输入/输出区、Y分支分束器/耦合器和参考臂(3)的光波导芯层区域的聚合物芯层材料被紫外曝光；除去波导掩膜板，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、75℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温以后，再在光刻胶相应的专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，将传感臂(4)凹槽结构中及其上方区域的聚合物芯层材料去除；然后将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和聚合物芯层材料，再用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层(32、32’)上制得器件输入/输出区和Y分支分束器/耦合器的光波导芯层(33)、参考臂(3)光波导芯层(33’)和未被光波导芯层(33、33’)覆盖的传感臂(4)的凹槽结构及其上方区域；

D：传感臂光波导芯层(34)的制备

采用旋涂工艺将另一种不同热光系数的聚合物芯层材料旋涂在传感臂(4)的凹槽结构中及其上方区域，同时也覆盖了步骤C得到的光波导芯层(33、33’)，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为2～6μm；然后在100～140℃条件下烘烤1～3小时进行坚膜；最后，采用ICP刻蚀工艺将光波导芯层(33、33’)上的平板聚合物层刻蚀掉，进而完成器件传感臂(4)光波导芯层(34)的制备；

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光波导芯层(33、33’、34)上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将薄膜在100～140℃下烘烤2～3小时，上包层完全覆盖光波导芯层，从而制备得到基于非对称MZI光波导的温度传感器。