[发明专利]石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关及其制备方法

说明书

一种石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关及其制备方法，属于光波导型热光开关制备技术领域。本发明是在二氧化硅衬底上旋涂光敏聚合物芯层材料，采用掩模版对光敏聚合物芯层材料进行光刻得到光波导芯层，然后旋涂石墨烯掺杂的聚合上包层材料、蒸镀金属膜、旋涂光刻胶、对版光刻、显影制备电极图形，最后解理，从而在衬底上制备出石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关。本发明以梯形的包层结构代替平整的包层结构，提高了电极的加热效率。采用掺杂单层石墨烯分散液的聚合物材料代替传统聚合物材料，解决聚合物热导率低导致的功耗大和开关时间长的问题。本发明具有工艺流程简单、制备精度良好等优异效果。

技术领域

本发明属于光波导型热光开关制备技术领域，具体涉及一种石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关及其制备方法。

背景技术

光开关是光通信领域的重要器件，热光开关利用材料的热光效应，实现开关功能。波导型热光开关具有结构紧凑，可大规模集成等优势。现有波导型热光开关主要采用金属电极加热，通过电极发热，实现温度的变化，利用温度带来的热光效应，对波导材料折射率进行改变，从而实现开关功能。

从光波导热光开关材料划分，热光开关可以分为聚合物热光开关和无机热光开关。聚合物材料相比于无机材料具有更大的热光系数，所以聚合物热光开关可以在低功耗下实现开关效果。相比于聚合物材料，无机材料其导热系数更大，所以无机热光开关相比于聚合物热光开关，可以实现更快的开关时间。另外一种混合集成结构采用有机聚合物作为波导芯层材料，无机材料作为衬底，这种结构在开关时间和功耗方面性能均衡。

现有混合集成结构通常采用聚合物作为芯层，受工艺限制，其上包层材料通常为聚合物材料。聚合物材料由于其热导率不如无机材料，因此会导致热量在波导包层分布消耗，导致器件的功耗增大。另外由于其低的热导率，散热和加热过程需要较长的响应时间，因此开关时间增加。为了解决上述问题，研究人员从材料和结构方面优化包层结构。研究人员通过有机无机杂化的方式，在包层聚合物中掺杂无机网格结构，实现开关功耗的降低，同时降低反应时间，但是该研究掺杂的无机材料的导热系数对有机材料提升有限。在结构方面，研究人员提出了空气槽结构，减少电极热量在包层的损耗，从而解决电极的加热效率问题，但是该结构需要制备波导芯层包层后再刻蚀空气槽，加工过程复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服背景技术的不足，研制梯形的包层结构代替平整的包层结构，提高电极加热效率。采用掺杂单层石墨烯分散液的聚合物材料代替传统聚合物材料，解决聚合物热导率低导致的功耗大和开关时间长的问题，结构示意图如附图1所示。

本发明所述的热光开关具备如下优势：

第一，梯形包层结构只需要控制包层的粘度和厚度，不需要额外附加工艺即可降低芯片的功耗。第二，掺杂石墨烯的聚合物包层减小了电极在波导包层的功耗，提升了电极加热效率，同时提高了包层的传热和散热特性，因此开关时间有所减少。第三，本发明波导开关工艺流程简单，具备良好的制备精度。

本发明具体包括在二氧化硅衬底上旋涂光敏聚合物芯层材料，采用掩模版对光敏聚合物芯层材料进行光刻得到光波导芯层，然后旋涂石墨烯掺杂上包层材料、蒸镀金属膜、旋涂光刻胶、对版光刻、显影制备电极图形，最后解理，从而在衬底上制备出石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关。

本发明所述的一种石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关的制备方法，其步骤如下，工艺流程图如附图2所示：

(1)衬底的选择及清洗；

将硅基二氧化硅作为衬底1(二氧化硅层厚度3～10μm)，对衬底表面进行清洁处理；首先将衬底用丙酮溶液清洗以去除衬底表面的有机杂质，然后使用乙醇溶液清洗衬底以去除残留的丙酮溶液，最后使用去离子水反复冲洗衬底，去除衬底表面的乙醇溶液，再吹掉基片表面的去离子水；

(2)制备波导芯层；