[发明专利]一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法

说明书

一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法，属于聚合物平面光波导器件及其制备技术领域。整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导，3‑dB Y分支分束器，两条平行的第一干涉臂和第二干涉臂组成的器件调制区，3‑dB Y分支耦合器和输出直波导构成；本发明采用硅片作为衬底，以热光系数较大的有机聚合物材料分别作为光波导的上包层、下包层和芯层材料，并将石墨烯加热电极置于光波导芯层之中，充分提高加热电极的加热效率并利用有机聚合物材料热光系数大、易于加工的优势。同时，本发明所采用的制作工艺比较简单且与半导体工艺相兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于聚合物平面光波导器件及其制备技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以有机聚合物作为光波导的芯层和包层、以掩埋在聚合物光波导芯层之中的石墨烯作为加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法。

背景技术

随着社会的不断发展，信息通信网络的信号处理量也在迅猛增长，进而使得设备对能源的需求也在不断上升。目前，信息基础设施的能耗占全球能源总消耗的4％，随着数据量的增加预计到2025年信息技术设备用电量将占全球总量的15％，高能耗已成为制约信息技术可持续发展的主要瓶颈之一。光开关与光开关阵列是构建光通信网络的重要器件，特别是在采用密集波分复用技术(DWDM)的高速宽带通讯网的骨干线上，复杂的网络拓扑需要可靠、灵活的网络管理。光开关与光开关阵列在光网络中起着光域优化、路由、保护以及自愈等功能，是插分复用器(OADM)与光交叉连接器(OXC)的核心技术，其性能的好坏将影响整个光网路的性能。

热光开关凭借着其器件尺寸小、驱动功率低、长期稳定性好等优点，受到了人们的广泛关注，近年来取得了很大进展。目前，根据材料体系不同，热光开关主要可以分为两类：二氧化硅/硅(SOI)材料体系和有机聚合物材料体系的热光开关。由于二氧化硅与硅材料具有较大的热传导系数，因此SOI材料体系的热光开关在响应速度方面具有明显优势，但是器件的功耗一般较大，虽然可以通过设计悬浮臂波导结构来降低器件的功耗，但是同时也会增加器件的加工难度和制作成本。

与无机材料相比，有机聚合物材料具有热光系数大、热导率低等优点，进而使得利用其制备的热光开关器件具有功耗低、制备工艺简单且灵活等优势，因而越来越受到人们的广泛关注。近年来，人们主要通过对波导材料和波导结构的优化来提高器件性能，所选用的电极也主要是金属电极(金、银、铝、铜、铬等)，一般置于波导上包层的表面并与波导芯层相隔一定距离，主要是用来减少金属对光的吸收损耗。但是，与此同时也限制了金属电极的加热效率，金属电极产生的热量并不能有效地传导在传输光信号的波导芯层上，因此在降低器件功耗方面也受到了一定的限制。

石墨烯作为近年来新兴的一种二维原子晶体薄膜材料，凭借着其卓越的电子、热学、光学和力学特性，在微纳光电子器件、复合材料、能源以及传感器件等诸多领域具有重要的应用前景。特别是石墨烯的透光特性，使其在透明导电薄膜领域具有重要应用，实验表明，单层石墨烯对光的吸收仅2.3％。本专利将利用石墨烯材料优良的导电性、导热性和透明性，并结合有机聚合物材料的加工灵活性，将石墨烯作为加热电极并将其置于脊型波导的芯层之中，可以通过控制信号光的偏振模式使得石墨烯电极的引入不会引起过大的光学吸收损耗，并能够提高电极的加热效率，降低器件的功耗；同时本专利提出的制备方法避免了对石墨烯加热电极的直接加工，可以减少对石墨烯薄膜的损伤，保证石墨烯加热电极的完整性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关及其制备方法。

本发明采用硅片作为衬底，以热光系数较大的有机聚合物材料分别作为光波导的上包层、下包层和芯层材料，并将石墨烯加热电极置于光波导芯层之中，充分提高加热电极的加热效率并利用有机聚合物材料热光系数大、易于加工的优势。同时，本发明所采用的制作工艺比较简单且与半导体工艺相兼容、易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：