[发明专利]一种基于加载条形结构的有源复合光波导及其制备方法

权利要求书

1.一种基于下加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：从下到上，由硅片衬底(16)、在硅片衬底(16)上制备的二氧化硅下包层(15)、在二氧化硅下包层(15)上制备的基于极化聚合物电光材料的光波导芯层(14)、在光波导芯层(14)上制备的基于有机光放大材料的具有MZI波导结构的加载条形波导(13)、在加载条形波导(13)上制备的聚合物上包层(12)、在聚合物上包层(12)上制备的共面波导CPW调制电极(11)组成；MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层(14)的材料折射率比MZI波导中间调制区的两条直波导和Y分支波导区域的光波导芯层(14)的材料折射率低0.002～0.028，MZI波导中间调制区的两条直波导分别与CPW调制电极(11)的中心电极和其中的一根地电极位置对应。

2.如权利要求1所述的一种基于下加载条形结构的有源复合光波导，其特征在于：硅片衬底的(16)厚度为0.5～1mm，二氧化硅下包层(15)的厚度为2～5μm，光波导芯层(14)的厚度为0.5～5μm，加载条形波导(13)的高度为2～6μm，加载条形波导(13)的宽度为3～8μm；聚合物上包层(12)的厚度为5～10μm；CPW调制电极(11)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20～50μm、80～150μm、5～30μm、200～500nm；MZI波导的输入、输出区直波导的长度a₁为0.5～1.5cm、宽度为3～8μm，Y分支的分支角度θ为0.5～2.5°，Y分支的分支长度为1500～3000μm、宽度为3～8μm，中间调制区的两条直波导长度a₂为1～2cm、宽度为3～8μm；CPW电极的中心电极111宽度、地电极112宽度、中心和地电极间距d₁、电极厚度分别为10～50μm、50～150μm、5～30μm、100～400nm。

3.权利要求1或2所述的一种基于下加载条形结构的有源复合光波导的制备方法，其步骤如下：

A：硅片衬底(16)的处理与下包层制备

将硅片衬底(16)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硅片衬底表面，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；接着，在清洗干净的硅片衬底表面采用热氧化方法制备出二氧化硅下包层(15)；

B：光波导芯层(14)的制备

采用旋涂工艺将极化聚合物电光材料旋涂在制备好的二氧化硅下包层(15)上形成薄膜，旋涂的速度为1000～5000转/分钟，然后将薄膜在80～140℃下烘烤1～3小时，得到光波导芯层(14)；

C：加载条形波导(13)的制备

采用旋涂工艺将主客掺杂型紫外光敏性有机光放大材料旋涂在波导芯层(14)上形成薄膜，旋涂的速度为2000～5000转/分钟；然后在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、70℃～110℃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，光刻掩膜版(18)的结构与需要制备的MZI波导芯层的结构互补，曝光时间为6～20秒，使需要制备的加载条形波导区域的有机光放大材料被曝光；除去波导掩膜板，在60℃～100℃条件下处理10～30分钟、70℃～110℃条件下处理10～30分钟进行中烘；待温度自然降至室温后，放在显影液中进行湿法刻蚀20～40秒，未曝光的有机光放大材料被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～160℃条件下处理20～40分钟进行后烘坚膜，便在波导芯层上制得了具有MZI波导结构的基于有机光放大材料的加载条形波导(13)；

D：聚合物上包层(12)的制备

采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在波导芯层及加载条形波导(13)上形成薄膜，旋涂的速度为3000～6000转/分钟，然后将薄膜在100～140℃下烘烤2～3小时，制得聚合物上包层，聚合物上包层(12)完全覆盖波导芯层(14)和加载条形波导(13)；

E：光漂白技术处理器件的输入和输出波导区域

在紫外波长为280～400nm、功率为50～300W的紫外灯下，将前面步骤得到器件与曝光掩膜板紧密接触进行紫外曝光，曝光时间为2～12小时，使器件的输入和输出区直波导进行紫外曝光，然后除去曝光掩膜板；掩膜版的结构是将MZI中间调制区波导和两个Y分支波导区域完全遮挡，使其不被紫外光照射，而输入和输出区域的直波导部分被紫外光充分照射；在整个曝光过程中，进行N₂保护，以防止聚合物芯层和包层薄膜被氧化，并降低器件的表面温度；经过紫外曝光的MZI波导输入和输出直波导区域的光波导芯层材料的折射率将会降低0.002～0.028，而MZI波导中间调制区的两条直波导和Y分支波导没有被紫外光照射，其折射率不会发生变化；

F：CPW电极(11)的制备

在聚合物上包层(12)上采用热蒸发工艺蒸镀Al膜，然后采用旋涂工艺在Al膜上旋涂正性光刻胶BP218(17)，在80～100℃条件下前烘10～30分钟；然后在光刻机上，将其与CPW电极掩膜板(19)紧密接触进行对版光刻，曝光时间为5～15秒，使不需要制备CPW电极区域的正性光刻胶曝光，除去CPW电极掩膜板19，经过10～25秒的BP218专用显影液显影后，将曝光的正性光刻胶除去；对版的原则是将CPW调制电极(11)的中心电极和其中一根地电极与MZI波导中间调制区的两根直波导中心对齐；在90～120℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶CPW电极图形；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；最后，再在光刻机下充分曝光6～30秒，并用BP218专用显影液去除CPW电极上面的光刻胶，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，完成CPW电极的制备，从而得到基于下加载条形结构的有源复合光波导器件的制备。