[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

摘要

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。

主权项

1.一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：(1)衬底的选择及清洗；将硅基二氧化硅作为衬底(1)，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；在二氧化硅层表面旋涂光敏性聚合物芯层材料，旋涂的转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s；之后在恒温平台上进行前烘，前烘温度为60～90℃，前烘时间为30～60min，前烘后在二氧化硅层表面得到厚度1～100μm的光敏性聚合物芯层薄膜(2)；采用与需要制备的MZI型光波导的结构相同或互补的光刻掩模版(3)对芯层薄膜(2)进行紫外曝光，曝光强度为20～200mW/cm²，曝光时间为4～300s，曝光波长为360～370nm；曝光后在恒温平台上进行后烘，后烘温度为60～90℃，后烘时间为30～60min；然后置于显影液中进行显影，湿法刻蚀除掉部分曝光或未曝光的芯层薄膜(2)，之后用去离子水冲洗；再对剩下的芯层薄膜(2)进行坚膜，坚膜温度为60～150℃，坚膜时间为30～60min；最后降至室温，从而在衬底(1)上得到截面为矩形的MZI型光波导芯层(4)，芯层宽度为3～10μm，高度为2～10μm；(3)旋涂上包层材料；在MZI型光波导芯层(4)上高速旋涂聚合物上包层材料，旋涂的转速为2000～10000r/min，旋涂时间为20～60s，之后在恒温平台上进行固化，固化温度为100～140℃，固化时间为10～120min，固化后形成梯形的厚度h₁为0.5～3μm、厚度h₂为1～8μm的聚合物上包层(5)；其中h₁为MZI型光波导芯层(4)的正上方位置处的聚合物上包层(5)的厚度，h₂为MZI型光波导芯层(4)的两侧位置处的聚合物上包层(5)的厚度；(4)制备电极；在聚合物上包层(5)上真空蒸镀厚度为20～200nm的铝电极膜(6)，再在铝电极膜(6)上旋涂光刻胶，预匀转速为300～600r/min，旋涂时间为4～6s，然后转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s；之后放在恒温平台上进行固化，固化温度为60～90℃，固化时间为30～60min，固化后在铝电极膜(6)上得到光刻胶薄膜(7)；再采用电极掩模版(8)对光刻胶薄膜(7)进行对版曝光，得到铝电极(9)；电极掩模版(8)为三段式结构，由有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分组成；其中输入和输出区、金属加热电极引脚区均为二个，金属加热电极引脚区分别记为第一金属加热电极引脚区和第二金属加热电极引脚区；输入和输出区与有效加热区相垂直，输入区、第一金属加热电极引脚区、有效加热区、第二金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区在有效加热区同侧，有效加热区的长度L₁为1～3cm、宽度W₁为10～50μm；输入和输出区的长度L₂为50～200μm、宽度W₂为0.3～1cm；金属加热电极引脚区的长度L₃为2000～5000μm、宽度W₃为500～1500μm；(5)解理端面；最后垂直于光波导方向进行切割解理，即得到石墨烯掺杂梯形包层的MZI型光波导混合集成热光开关。