CN109799626B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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：

如附图1(a)所示，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，其特征在于：整个器件基于Mach–Zehnder interferometer(MZI)光波导结构，从左到右，依次包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4组成的器件调制区，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6所构成；输入直波导1和输出直波导6结构相同，其长度a₁和a₁’为0.5～1.5cm，宽度为3～7μm；3-dB Y分支分束器2和3-dB Y分支耦合器5结构相同，其Y分支角度θ为0.5～1.5°，Y分支的长度为1000～3000μm、宽度为3～7μm；两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4结构相同，其长度a₂和a₂’为0.5～1.5cm、宽度为3～7μm，两条平行干涉臂之间的中心间距d为30～100μm；且输入直波导1、3-dB Y分支分束器2、第一干涉臂3和第二干涉臂4、3-dB Y分支耦合器5和输出直波导的宽度均相同；

如图1(b)所示，为带有金属加热电极26(26’)和石墨烯加热电极24(或34)的低功耗脊型波导热光开关的平面结构示意图，金属加热电极26(26’)包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；有效加热区的长度L₁为1～2cm、宽度W₁为10～25μm，两个有效加热区的中心间距W₂为30～80μm，金属加热电极的输入和输出区的中心间距L₂为0.8～2cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L₃为0.3～1cm、宽度W₃为50～200μm，金属加热电极引脚的长度L₄为500～1500μm、宽度W₄为2000～5000μm；石墨烯加热电极24(34)的金属引脚8的长度L₅为2000～5000μm、宽度W₅为2000～5000μm；除金属引脚8的部分区域外，石墨烯加热电极24(或34)(包括有效加热区、输入和输出区、金属引脚三部分)的其余区域完全被金属加热电极26覆盖，两者间由聚合物上包层25(或35)和一部分光波导芯层23(或33)隔离开；

作为一种实施方式，如附图2(a)所示(图1(b)中剖视线AA’对应的剖面图)，一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗倒脊型波导热光开关，从下到上，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备具有波导凹槽结构的聚合物下包层22、在聚合物下包层22上制备具有倒脊型波导结构的光波导芯层23、在倒脊型光波导芯层23之中制备的石墨烯加热电极24、在光波导芯层23上制备的聚合物上包层25、在聚合物上包层25上制备的金属加热电极(同时作为加工石墨烯电极的刻蚀掩膜)26组成；硅片衬底21的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层22的厚度为4～7μm，在聚合物下包层22上的凹槽宽度为3～7μm、凹槽深度为0.5～2μm，光波导芯层23的总厚度为3～8μm，光波导芯层23的脊宽为3～7μm、脊高为0.5～2μm，石墨烯加热电极24的宽度为10～30μm，石墨烯加热电极24的厚度为0.4～1.7nm，聚合物上包层25的厚度为3～6μm，金属加热电极26的宽度10～30μm，金属加热电极26的厚度100～300nm；且聚合物下包层22、倒脊型光波导芯层23、石墨烯加热电极24、聚合物上包层25、金属加热电极26的宽度相同；

作为另一种实施方式，如附图2(b)所示(图1(b)中剖视线AA’对应的剖面图)，一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗正脊型波导热光开关，从下到上，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备的聚合物下包层32、在聚合物下包层32上制备的具有正脊型光波导结构的光波导芯层33、在正脊型光波导芯层33之中制备的石墨烯加热电极34、在光波导芯层33上制备聚合物上包层35、在聚合物上包层35上制备的金属加热电极(同时作为加工石墨烯电极形状的刻蚀掩膜)26组成；硅片衬底21的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层32的厚度为4～7μm，光波导芯层33的总厚度为3～8μm，光波导芯层23的脊宽为3～7μm、脊高为0.5～2μm，石墨烯加热电极34的宽度为10～30μm，石墨烯加热电极34的厚度为0.4～1.7nm，聚合物上包层35的厚度为3～6μm，金属加热电极26的宽度为10～30μm，金属加热电极26的厚度100～300nm；且聚合物下包层32、正脊型光波导芯层33、石墨烯加热电极34、聚合物上包层35、金属加热电极26的宽度相同；

对于如图2(a)所示的基于石墨烯加热电极的低功耗倒脊型波导热光开关，MZI光波导结构调制区以外区域(没有被金属加热电极26覆盖的区域)，从下至上，结构依次由硅片衬底21、聚合物下包层22、倒脊型光波导芯层23和聚合物上包层25所组成。

对于如图2(b)所示的基于石墨烯加热电极的低功耗正脊型波导热光开关，MZI光波导结构调制区以外区域(没有被金属加热电极26覆盖的区域)，从下至上，结构依次由硅片衬底21、聚合物下包层32、正脊型光波导芯层33和聚合物上包层35所组成。

本发明所述的基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关的制备方法见附图3，具体叙述分别如下：

(一)基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗倒脊型波导热光开关的制备方法为：

A：硅片衬底21的清洁处理

将解离好的符合设计尺寸大小(长：2～5cm；宽：2～4cm)的硅片衬底21浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～12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，再在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；

B：聚合物下包层22及其上面凹槽的制备

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上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将得到的聚合物薄膜在100～150℃条件下烘烤2～3小时，制得厚度为4～7μm的聚合物下包层(聚合物下包层材料是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)；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，将其与光刻掩膜板紧密接触进行对版光刻(光刻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，使需要制备的MZI结构的波导芯层区域的正性光刻胶BP212被曝光；除去光刻掩膜板，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(Inductively Coupled Plasma，ICP)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30～240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；得到的凹槽的宽度为3～7μm、深度为0.5～2μm；

C：光波导芯层23的制备

采用旋涂工艺将抗丙酮腐蚀的有机聚合物芯层材料(该聚合物芯层是包括SU-82002、SU-8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列经过紫外光照射和加热固化之后不溶于丙酮溶剂的紫外负性光刻胶材料，同时要求芯层材料折射率大于光波导上包层和下包层材料的折射率)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1～4μm；然后在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行中烘；最后，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上制得了光波导芯层23’；

D：在光波导芯层23’上转移石墨烯并制备金属引脚8

将商业上购买的带有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)支撑层的悬空自转移单层石墨烯(购买于合肥微晶材料科技有限公司)置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到制备完光波导芯层23’的样品表面，使单层石墨烯与光波导芯层23’接触，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在60℃～90℃条件下处理30～60分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在70℃～100℃条件下处理30～60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，并采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属(金或铜)(厚度为100～400nm)，金属引脚的长度L₅为2000～5000μm、宽度W₅为2000～5000μm；

E：光波导芯层23”的制备

采用旋涂工艺将光波导芯层23”的材料(光波导芯层23”与光波导芯层23’是同种有机聚合物材料，共同组成光波导芯层23)旋涂在光波导芯层23’、石墨烯和金属引脚8上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为1～4μm；然后在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行中烘；最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜，这样便将石墨烯薄膜制备于倒脊型光波导的芯层23之中；

F：聚合物上包层25的制备

采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(聚合物上包层是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在光波导芯层23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，制得厚度为3～6μm的聚合物上包层25，聚合物上包层25完全覆盖整个MZI(包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6)的光波导芯层23；

G：金属加热电极(刻蚀掩膜)26的制备

采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层25上蒸镀一层厚度为100～300nm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BP218，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板(结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚)有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区(第一干涉臂3和第二干涉臂4)的中心对齐(如图1(b)所示)，曝光时间为5～15秒，除去电极掩膜板，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BP218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掩膜图形(如图1(b)中26和26’所示的图形)；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，得到宽度为10～30μm的金属加热电极26(同时作为刻蚀掩膜)；

H：石墨烯加热电极24的制备

在ICP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，氩气流量为1～5sccm，刻蚀时间为150～600秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极26作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极26和金属引脚8所覆盖的波导上包层25、光波导芯层23、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层22通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底21，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层25、光波导芯层23和聚合物下包层22不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极24(石墨烯加热电极24的形状和如图1(b)所示的虚线框内的金属加热电极26的形状相同)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚8露出，金属引脚8与金属加热电极26之间有一层聚合物上包层25和光波导芯层23”，不直接发生接触，金属引脚8的长度L₅为2000～5000μm、宽度W₅为2000～5000μm。

(二)基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗正脊型波导热光开关的制备方法为：

A：硅片衬底21的清洁处理

将解离好的符合设计尺寸大小(长：2～5cm；宽：2～4cm)的硅片衬底21浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～12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，再在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；

B：聚合物下包层32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21上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，然后将薄膜在100～150℃条件下烘烤2～3小时，制得厚度为4～7μm的聚合物下包层(聚合物下包层是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)；

C：光波导芯层33’的制备

采用旋涂工艺将抗丙酮腐蚀的有机聚合物芯层材料(该聚合物芯层是包括SU-82002、SU-8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列经过紫外照射和加热固化之后不溶于丙酮溶剂的紫外负性光刻胶材料，同时要求芯层材料折射率大于光波导上包层和下包层材料的折射率)直接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1～4μm；然后在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘；最后，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上制得了光波导芯层33’；

D：在光波导芯层33’上转移石墨烯并制备金属引脚8

将商业上购买的带有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)支撑层的悬空自转移单层石墨烯(购买于合肥微晶材料科技有限公司)置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到制备完光波导芯层33’的样品表面，使单层石墨烯与光波导芯层33’接触，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在60℃～90℃条件下处理30～60分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在70℃～100℃条件下处理30～60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，并采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属(金或铜)(厚度为100～400nm)，得到金属引脚8的长度L₅为2000～5000μm、宽度W₅为2000～5000μm；

E：光波导芯层33”及脊型波导的制备

采用旋涂工艺将光波导芯层33”的材料(光波导芯层33”与光波导芯层33’是同种有机聚合物材料，共同组成光波导芯层33)旋涂在光波导芯层33’、石墨烯和金属引脚8上形成薄膜，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为1～4μm；然后在70℃～100℃条件下处理5～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来在70℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘坚膜；然后，采用蒸镀工艺在制备好的光波导芯层33”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芯层结构相同)，曝光时间为5～10秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层以外区域的正性光刻胶BP212被曝光；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掩膜图形；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(InductivelyCoupled Plasma，ICP)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30～240秒，从而在光波导芯层33”上制备出正脊型波导结构(脊的宽度为3～7μm、高度为0.5～2μm，高度要小于波导芯层33”的总厚度，以免破坏石墨烯)；最后，在光刻机下将样片充分曝光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，最后将样片在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气；这样便将石墨烯置于正脊型光波导芯层33之中；

F：聚合物上包层35的制备

采用旋涂工艺将聚合物上包层材料(聚合物上包层是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料)旋涂在光波导芯层上形成薄膜，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，制得厚度为3～6μm的上包层，聚合物上包层35完全覆盖整个MZI(包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6)的光波导芯层33；

G：金属加热电极26的制备

采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层35上蒸镀一层厚度为100～300nm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BP218，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板(结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚)有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区(第一干涉臂3和第二干涉臂4)的中心对齐(如图1(b)所示)，曝光时间为5～15秒，除去电极掩膜板，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BP218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掩膜图形(如图1(b)中26和26’所示的图形)；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，得到宽度为10～30μm的金属加热电极26(同时作为刻蚀掩膜)；

H：石墨烯加热电极34的制备

在ICP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，氩气流量为1～5sccm，刻蚀时间为150～600秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极26作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极26和金属引脚8所覆盖的波导上包层35、光波导芯层33、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层32通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底21，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层35、光波导芯层33和聚合物下包层32不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极34(石墨烯加热电极34的形状和如图1(b)所示的虚线框内的金属加热电极26的形状相同)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚8露出，金属引脚8与金属加热电极26之间有一层聚合物上包层35和光波导芯层33”，不直接发生接触，金属引脚8的长度L₅为2000～5000μm、宽度W₅为2000～5000μm。

与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：本发明的基于掩埋石墨烯加热电极的脊型波导热光开关器件不仅利用了有机聚合物材料热光系数大的优势，同时利用有机聚合物材料加工灵活的优势将石墨烯加热电极置于光波导芯层之中，可以有效地提高了电极的加热效率，达到了降低热光开关器件功耗的目的，并且石墨烯电极引入的光学吸收损害很小；另外，器件的制作工艺比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率较高，适合于批量生产可实际应用的低功耗热光开关器件。

附图说明

图1(a)：基于掩埋石墨烯加热电极的脊型波导热光开关的MZI波导平面结构示意图；

图1(b)：基于掩埋石墨烯加热电极的脊型波导热光开关的平面结构示意图

图2(a)：基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的调制区截面示意图；

图2(b)：基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的调制区截面示意图；

图3(a)：基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的制备工艺流程图；

图3(b)：基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的制备工艺流程图；

图4(a)：基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的调制区光场模拟图；

图4(b)：基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的调制区光场模拟图；

图5(a)：倒脊型波导中的石墨烯加热电极引起的损耗模拟结果(C+L波段)；

图5(b)：正脊型波导中的石墨烯加热电极引起的损耗模拟结果(C+L波段)；

图6(a)：制备完波导芯层后的倒脊型波导横截面显微镜照片；

图6(b)：制备完波导芯层后的正脊型波导横截面显微镜照片；

图7(a)：基于掩埋石墨烯加热电极和金属加热电极的倒脊型波导热光开关的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线；

图7(b)：基于掩埋石墨烯加热电极和金属加热电极的正脊型波导热光开关的输出光功率随施加电功率的变化关系曲线；

图8(a)：基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的时间响应特性曲线；

图8(b)：基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的时间响应特性曲线；

如图1(a)所示，基于掩埋石墨烯加热电极的脊型波导热光开关的波导平面结构示意图，各部件的名称为：输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行干涉臂3和4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6。

如图1(b)所示，基于掩埋石墨烯加热电极的脊型波导热光开关的平面结构示意图，各部件的名称为：输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，3-dB Y分支耦合器5，输出直波导6，金属加热电极26(26’)、石墨烯加热电极的金属引脚8，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4位于金属加热电极26和26’的正下方，并且中心对齐。

如图2所示，(a)图为基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的调制区横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底21，聚合物下包层22，具有倒脊型波导结构的光波导芯层23，掩埋于光波导芯层23中的石墨烯加热电极24，聚合物上包层25，金属加热电极26(同时作为加工石墨烯电极形状的刻蚀掩膜)；(b)图为基于石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的调制区横截面示意图，各部件名称为：硅片衬底21，聚合物下包层32，具有正脊型波导结构的光波导芯层33，掩埋于光波导芯层33中的石墨烯加热电极34，聚合物上包层35，金属加热电极26(同时作为加工石墨烯电极形状的刻蚀掩膜)。

如图3所示，(a)图为基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的制备工艺流程图，图中的21为硅片衬底，22为采用旋涂工艺在硅衬底21上制备的带有波导凹槽结构的聚合物下包层，23’为采用旋涂工艺制备的倒脊型波导芯层，23”为采用旋涂工艺制备的光波导芯层，23’和23”为相同的有机聚合物波导芯层材料、共同组成光波导芯层23，24石墨烯加热电极，25为采用旋涂工艺制备的聚合物上包层，26为金属加热电极并同时作为加工石墨烯电极形状的刻蚀掩膜；(b)图为基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的制备工艺流程图，图中的21为硅片衬底，32为采用旋涂工艺在硅衬底21上制备的聚合物下包层，33’为采用旋涂工艺制备的聚合物光波导芯层，33”为采用旋涂、光刻和刻蚀工艺制备的脊型波导芯层，33’和33”为相同的有机聚合物波导芯层材料、共同组成光波导芯层33，34石墨烯加热电极，35为采用旋涂工艺制备的聚合物上包层，26为金属加热电极并同时作为加工石墨烯电极形状的刻蚀掩膜。

如图4所示，(a)图为基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关在TM偏振下模式下的调制区光场模拟图，(b)图为基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关在TM偏振模式下的调制区光场分布模拟图，从图中可以看出，光场能量主要集中在脊型结构的光波导芯层之中，与石墨烯加热电极产生的热场充分重叠，进而可以提高加热效率、降低器件功耗。

如图5所示，(a)图为倒脊型波导中石墨烯加热电极引起的损耗模拟结果，(b)图为正脊型波导中的石墨烯加热电极引起的损耗模拟结果。从模拟结果可以看出，在工作波长为C+L波段的范围内，两种结构中的石墨烯电极对TE偏振模式的光信号都具有较大的吸收损耗，而在TM偏振工作模式下，石墨烯加热电极产生的光学损耗在0.15dB/cm以下，对整个器件的损耗几乎没有影响，因此可以使器件工作在TM偏振模式下。

如图6所示，(a)图为基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的波导横截面显微镜照片，波导芯层的总厚度为4μm，平板层厚度为3μm，凹槽的深度为1μm，凹槽的宽度为4μm；(b)图为基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的波导横截面显微镜照片，波导芯层的总厚度为4.2μm，平板层厚度为3.2μm，脊的宽度为4μm。

如图7所示，(a)图为基于掩埋石墨烯加热电极和金属加热电极的倒脊型波导热光开关的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线，(b)图为基于掩埋石墨烯加热电极和金属加热电极的正脊型波导热光开关的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线，从测试结果可以看出，基于掩埋石墨烯加热电极的热光开关器件的功耗明显要低于金属加热电极的器件功耗，分别由4.76mW减小到0.61mW和4.35mW减小到0.64mW，消光比分别为25.5dB和24.9dB。

如图8所示，(a)图为基于掩埋石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关的时间响应特性曲线，开关的上升和下降时间分别为191.0μs和203.8μs；(b)图为基于掩埋石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关的时间响应特性曲线，开关的上升和下降时间分别为220μs和240μs。

具体实施方式

实施例1

硅片衬底21的清洁处理：将解离好的符合设计尺寸大小(长：3.2cm；宽：1.8cm)的硅片衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片表面，并用去离子水冲洗干净，最后再用氮气吹干后，在110℃条件下烘烤2小时去除水气。

采用旋涂工艺制备聚合物下包层22：采用旋涂工艺将聚合物材料PMMA旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度为2500转/分钟，然后将薄膜在120℃条件下烘烤2.5小时，制得厚度为4.5μm的聚合物下包层22。

采用标准的光刻和干法刻蚀工艺制备波导凹槽：首先，采用蒸镀工艺在制备好的聚合物下包层22上蒸镀一层厚度为100nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为1μm的正性光刻胶BP212，在85℃条件下烘烤20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(光刻掩膜板的结构与需要制备的MZI芯层结构互补)，曝光时间为8秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层区域的正性光刻胶BP212被曝光；除去波导掩膜板，经过15秒的光刻胶专用显影液显影后，被曝光的正性光刻胶BP212被除去；再在100℃条件下烘烤10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‰的NaOH溶液中60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(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400W，偏置功率为40W，氧气流量为40sccm，刻蚀时间为50秒，从而在聚合物下包层上刻蚀出凹槽结构；最后，在光刻机下将样片充分曝光15秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，再用质量浓度为5‰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，最后将样片在110℃条件下烘烤1.5小时去除水气，这样便制得了波导凹槽，凹槽的宽度和深度分别为4μm和1μm。

采用旋涂工艺制备光波导芯层23’：采用旋涂工艺将丙酮溶剂腐蚀的有机聚合物芯层材料SU-8 2002旋涂在下包层的凹槽中形成薄膜，旋涂速度为2500转/分钟，薄膜厚度为2.5μm；然后在85℃条件下处理10分钟进行前烘，再在波长为350nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在90℃条件下处理10分钟进行中烘；最后，在140℃条件下处理60分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层上制得了光波导芯层23’。

在光波导芯层23’上贴石墨烯并制备金属引脚8：将商业上购买的带有PMMA支撑层悬空自转移单层石墨烯(尺寸：1cm×1cm，购买于合肥微晶材料科技有限公司)置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到光波导芯层23’的样品表面，石墨烯与光波导芯层接触，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在80℃条件下处理40分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在90℃条件下处理60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，接下来采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属(金)(厚度为250nm)，金属引脚的长度L₅为3000μm、宽度W₅为3000μm。

采用旋涂工艺制备光波导芯层23”：采用旋涂工艺将另一层SU-8 2002旋涂在石墨烯上形成薄膜，旋涂速度为3500转/分钟，薄膜厚度为1.5μm；然后在85℃条件下处理10分钟进行前烘，再在波长为350nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在85℃条件下处理10分钟进行中烘；最后，在140℃条件下处理60分钟进行后烘坚膜，这样便将石墨烯置于倒脊型光波导的芯层之中。

采用旋涂工艺制备聚合物上包层：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料PMMA旋涂在光波导芯层23上形成薄膜，旋涂速度为3500转/分钟，然后将薄膜在120℃下烘烤2.5小时，制得厚度为4μm的聚合物上包层25，聚合物上包层25完全覆盖整个MZI(包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6)的光波导芯层23。

金属加热电极26的制备：采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层25上蒸镀一层厚度为200nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为1.5μm的正性光刻胶BP218，在90℃条件下烘烤20分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板(结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚)有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区(第一干涉臂3和第二干涉臂4)的中心对齐(如图1(b)所示)，曝光时间为8秒，除去电极掩膜板，经过20秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP218被除去；再在100℃条件下烘烤10分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形(如图1(b)中26和26’所示的图形)；接着将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中50秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜，得到宽度为16μm的金属加热电极26(同时作为刻蚀掩膜)；

石墨烯加热电极24的制备：将样片在ICP刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400W，偏置功率为50W，氧气流量为40sccm，氩气流量为2sccm，刻蚀时间为480秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极26作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极26和金属引脚8所覆盖的波导上包层25、光波导芯层23、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层22通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底21，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层25、光波导芯层23和聚合物下包层22不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极24(石墨烯加热电极24的形状和如图1(b)所示的虚线框内的金属加热电极26的形状相同)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚8露出，金属引脚8与金属加热电极26之间有一层聚合物上包层25和光波导芯层23”，不直接发生接触，金属引脚8的长度L₅为3000μm、宽度W₅为3000μm。

这样便制备出符合设计要求的基于石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关器件，同时也制备出了位于波导上包层表面的传统金属加热电极。在制备完成后，对实施例1中所制备的基于石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关进行了功耗和时间响应特性的测试，测试仪器包括提供交流电信号的函数信号发生器、提供直流电信号的直流电源、提供输入光信号的可调谐半导体激光器(波导调节范围为1510nm-1590nm)、用于调节光纤与光波导对准的五维微调架、用于观测波导输出光斑的红外摄像机、用于测量器件***损耗的光功率计以及用于观测器件响应的数字示波器。在1550nm信号光波长下，测得器件在TM偏振模式下的***损耗为12.1dB；然后，通过分别改变施加在石墨烯加热电极两端和金属加热电极两端的电压大小来控制通过石墨烯加热电极和金属加热电极电流的大小，并通过光功率计来监测器件输出光功率的大小，图7(a)给出了器件的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线，分别测得基于金属电极的器件的功耗为4.76mW，基于石墨烯加热电极的器件的功耗为0.61mW，石墨烯加热电极的引入有效地降低了器件的功耗；最后，通过对基于石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关器件施加方波交流信号测试响应时间，测得器件开关的上升和下降时间分别为191.0μs和203.8μs，如图8(a)所示。

实施例2

硅片衬底21的清洁处理：将解离好的符合设计尺寸大小(长：3.0cm；宽：1.8cm)的硅片衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭硅片表面，并用去离子水冲洗干净，最后再用氮气吹干后，在110℃条件下烘烤2小时去除水气。

采用旋涂工艺制备聚合物下包层32：采用旋涂工艺将聚合物材料PMMA旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度为2500转/分钟，然后将薄膜在120℃条件下烘烤2.5小时，制得厚度为4.5μm的聚合物下包层32。

采用旋涂工艺制备光波导芯层33’：采用旋涂工艺将抗丙酮溶剂腐蚀的有机聚合物芯层材料SU-8 2002旋涂在下包层上形成薄膜，旋涂速度为2500转/分钟，薄膜厚度为1.5μm；然后在85℃条件下处理10分钟进行前烘，再在波长为350nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在85℃条件下处理10分钟进行中烘；最后，在140℃条件下处理60分钟进行后烘坚膜，这样便在聚合物下包层32上制得了光波导芯层33’。

在光波导芯层33’上贴石墨烯并制备金属引脚8：将商业上购买的带有PMMA支撑层悬空自转移单层石墨烯(尺寸：1cm×1cm，购买于合肥微晶材料科技有限公司)置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到光波导芯层33’的样品表面，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在80℃条件下处理40分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在90℃条件下处理60分钟；最后，采用“+”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，接下来采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属(金)(厚度为250nm)，金属引脚的长度L₅为3000μm、宽度W₅为3000μm。

采用旋涂工艺制备光波导芯层33”：采用旋涂工艺将另一层SU-8 2002旋涂在石墨烯上形成薄膜，旋涂速度为2500转/分钟，薄膜厚度为2.7μm；然后在85℃条件下处理10分钟进行前烘，再在波长为350nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在85℃条件下处理10分钟进行中烘；最后，在140℃条件下处理60分钟进行后烘坚膜。

采用蒸镀、旋涂、光刻和刻蚀工艺制备正脊型芯层波导33：首先，采用蒸镀工艺在制备好的光波导芯层33”上蒸镀一层厚度为100nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为1μm的正性光刻胶BP212，在85℃条件下烘烤20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芯层结构相同)，曝光时间为8秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层以外区域的正性光刻胶BP212被曝光；除去波导掩膜板，经过15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100℃条件下烘烤10分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形；接着将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中60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(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400W，偏置功率为40W，氧气流量为30sccm，刻蚀时间为50秒，从而在光波导芯层33”上制备出正脊型波导结构(脊的高度为1μm，宽度为4μm)；最后，在光刻机下将样片充分曝光15秒，使剩余的正性光刻胶BP212全部曝光，再用质量浓度为5‰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，最后将样片在110℃条件下烘烤1.5小时去除水气；这样便将石墨烯置于正脊型光波导芯层33之中。

采用旋涂工艺制备聚合物上包层35：采用旋涂工艺将聚合物上包层材料PMMA旋涂在光波导芯层上形成薄膜，旋涂速度为2500转/分钟，然后将薄膜在100～140℃下烘烤2.5小时，制得厚度为4μm的聚合物上包层，聚合物上包层35完全覆盖整个MZI(包括输入直波导1，3-dB Y分支分束器2，两条平行的第一干涉臂3和第二干涉臂4，3-dB Y分支耦合器5和输出直波导6)的光波导芯层33。

金属加热电极26的制备：采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层35上蒸镀一层厚度为200nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为1.5μm的正性光刻胶BP218，在90℃条件下烘烤20分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板(结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚)有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区(第一干涉臂3和第二干涉臂4)的中心对齐(如图1(b)所示)，曝光时间为8秒，除去电极掩膜板，经过20秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP218被除去；再在100℃条件下烘烤10分钟，从而在Al膜上得到所需要的光刻胶掩膜图形(如图1(b)中26和26’所示的图形)；接着将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中50秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜，得到宽度为16μm的金属加热电极26(同时作为刻蚀掩膜)；

石墨烯加热电极34的制备：将样片在ICP刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为400W，偏置功率为50W，氧气流量为40sccm，氩气流量为2sccm，刻蚀时间为480秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极26作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将如图1(b)所示的石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极26和金属引脚8所覆盖的波导上包层35、光波导芯层33、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层32通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底21，而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层35、光波导芯层33和聚合物下包层32不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极34(石墨烯加热电极34的形状和如图1(b)所示的虚线框内的金属加热电极26的形状相同)的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚8露出，金属引脚8与金属加热电极26之间有一层聚合物上包层35和光波导芯层33”，不直接发生接触，金属引脚8的长度L₅为3000μm、宽度W₅为3000μm

这样便制备出符合设计要求的基于石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关器件，同时也制备出了位于波导上包层表面的传统金属加热电极。在制备完成后，对实施例2中所制备的基于石墨烯加热电极的正脊型波导热光开关进行了功耗和时间响应特性的测试，测试仪器包括提供交流电信号的函数信号发生器、提供直流电信号的直流电源、提供输入光信号的可调谐半导体激光器(波导调节范围为1510nm-1590nm)、用于调节光纤与光波导对准的五维微调架、用于观测波导输出光斑的红外摄像机、用于测量器件***损耗的光功率计以及用于观测器件响应的数字示波器。在1550nm信号光波长下，测得器件在TM偏振模式下的***损耗为12.5dB；然后，通过分别改变施加在石墨烯加热电极两端和金属加热电极两端的电压大小来控制通过石墨烯加热电极和金属加热电极电流的大小，并通过光功率计来监测器件输出光功率的大小，图7(b)给出了器件的输出光功率随施加电功率变的化关系曲线，分别测得基于金属电极的器件功耗为4.35mW，基于石墨烯加热电极的器件功耗为0.64mW，石墨烯加热电极的引入有效地降低了器件的功耗；最后，通过对基于石墨烯加热电极的倒脊型波导热光开关器件施加方波交流信号测试响应时间，测得器件开关的上升和下降时间分别为220μs和240μs，如图8(b)所示。

Claims (7)

1.一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：

整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导（1），3-dB Y分支分束器（2），两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）组成的器件调制区，3-dB Y分支耦合器（5）和输出直波导（6）构成；输入直波导（1）和输出直波导（6）结构相同，3-dB Y分支分束器（2）和3-dBY分支耦合器（5）结构相同，两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）结构相同；且输入直波导（1）、3-dB Y分支分束器（2）、第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）、3-dB Y分支耦合器（5）和输出直波导（6）的宽度均相同；

从下到上，两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底（21）、在硅片衬底（21）上制备具有波导凹槽结构的聚合物下包层（22）、在聚合物下包层（22）上制备具有倒脊型波导结构的光波导芯层（23）、在倒脊型光波导芯层（23）之中制备的石墨烯加热电极（24）、在光波导芯层（23）上制备的聚合物上包层（25）、在聚合物上包层（25）上制备的金属加热电极（26）组成；且聚合物下包层（22）、倒脊型光波导芯层（23）、石墨烯加热电极（24）、聚合物上包层（25）、金属加热电极（26）的宽度相同；

MZI光波导结构调制区以外区域，从下至上，依次由硅片衬底（21）、聚合物下包层（22）、倒脊型光波导芯层（23）和聚合物上包层（25）组成；

金属加热电极（26）包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；除石墨烯加热电极（24）金属引脚（8）的部分区域外，石墨烯加热电极（24）的其余区域完全被金属加热电极（26）覆盖，两者间由聚合物上包层（25）和一部分光波导芯层（23）隔离开。

2. 如权利要求1所述的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，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0.5~1.5 cm，宽度为3~7 µm；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°，Y分支的长度为1000~3000 µm、宽度为3~7 µm；两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）长度a₂和a₂’为0.5~1.5 cm、宽度为3~7 µm，两条平行干涉臂之间的中心间距d为30~100 µm；硅片衬底（21）的厚度为0.5~1 mm，聚合物下包层（22）的厚度为4~7 µm，在聚合物下包层（22）上的凹槽宽度为3~7 µm、凹槽深度为0.5~2 µm，光波导芯层（23）的总厚度为3~8 µm，光波导芯层（23）的脊宽为3~7 µm、脊高为0.5~2 µm，石墨烯加热电极（24）的宽度为10~30 µm，石墨烯加热电极（24）的厚度为0.4~1.7 nm，聚合物上包层（25）的厚度为3~6 µm，金属加热电极（26）的宽度10~30 µm，金属加热电极（26）的厚度100~300 nm；金属加热电极（26）有效加热区的长度L₁为1~2 cm、宽度W₁为10~25 µm，两个有效加热区的中心间距W₂为30~80 µm，金属加热电极（26）的输入和输出区的中心间距L₂为0.8~2 cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L₃为0.3~1 cm、宽度W₃为50~200 µm，金属加热电极引脚的长度L₄为500~1500 µm、宽度W₄为2000~5000 µm；石墨烯加热电极（24）的金属引脚（8）的长度L₅为2000~5000 µm、宽度W₅为2000~5000 µm。

3. 权利要求1所述的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的制备方法，其步骤如下：

A：硅片衬底（21）的清洁处理

将解离好的符合设计尺寸大小的硅片衬底（21）浸泡在丙酮溶液中超声清洗5~12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，再在90~120℃条件下烘烤1~3小时去除水气；

B：聚合物下包层（22）及其上面凹槽的制备

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上，旋涂速度为2000~6000 转/分钟，然后将得到的聚合物薄膜在100~150℃条件下烘烤2~3小时，制得厚度为4~7µm的聚合物下包层；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50~200 nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5~2.0 µm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，将其与光刻掩膜板紧密接触进行对版光刻，光刻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，使需要制备的MZI结构的波导芯层区域的正性光刻胶BP212被曝光；除去光刻掩膜板，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300~500 W，偏置功率为20~80 W，氧气流量为20~60sccm，刻蚀时间为30~240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：第一光波导芯层（23’）的制备

采用旋涂工艺将抗丙酮腐蚀的光波导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1~4 µm；然后在70℃~100℃条件下处理5~30分钟进行前烘，再在波长为350~400 nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃~100℃条件下处理5~30分钟进行中烘；最后，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上制得了第一光波导芯层（23’）；

D：在第一光波导芯层（23’）上转移石墨烯并制备金属引脚（8）

将带有PMMA支撑层的悬空自转移单层石墨烯置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到制备完第一光波导芯层（23’）的样品表面，使单层石墨烯与第一光波导芯层（23’）接触，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在60℃~90℃条件下处理30~60分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在70℃~100℃条件下处理30~60分钟；最后，采用“＋”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，并采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属，得到金属引脚（8）；

E：第二光波导芯层（23’’）的制备

采用旋涂工艺将第二光波导芯层（23’’）材料旋涂在第一光波导芯层（23’）、石墨烯和金属引脚（8）上形成薄膜，旋涂速度为2000~6000 转/分钟；然后在70℃~100℃条件下处理5~30分钟进行前烘，再在波长为350~400 nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃~100℃条件下处理5~30分钟进行中烘；第二光波导芯层（23’’）与第一光波导芯层（23’）是同种有机聚合物材料，共同组成光波导芯层（23）；最后，在120~150℃条件下处理30~90分钟进行后烘坚膜，这样便将石墨烯薄膜制备于倒脊型光波导的芯层（23）之中；

F：聚合物上包层（25）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（23）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，制得聚合物上包层（25），聚合物上包层（25）完全覆盖整个MZI结构的光波导芯层（23）；

G：金属加热电极（26）的制备

采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层（25）上蒸镀一层厚度为100~300 nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5~2.0 µm的正性光刻胶BP218，在80~100℃条件下烘烤10~30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚，电极掩膜板有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区的中心对齐，曝光时间为5~15秒，除去电极掩膜板，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BP218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掩膜图形；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，得到金属加热电极（26）；

H：石墨烯加热电极（24）的制备

在ICP刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300~500 W，偏置功率为20~80 W，氧气流量为20~60 sccm，氩气流量为1~5 sccm，刻蚀时间为150~600秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极（26）作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极（26）和金属引脚（8）所覆盖的波导上包层（25）、光波导芯层（23）、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层（22）通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底（21），而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层（25）、光波导芯层（23）和聚合物下包层（22）不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极（24）的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚（8）露出，金属引脚（8）与金属加热电极（26）之间有一层聚合物上包层（25）和第二光波导芯层（23’’），不直接发生接触。

4.一种基于掩埋石墨烯加热电极的低功耗脊型波导热光开关，其特征在于：

整个器件为MZI光波导结构，从左到右，由输入直波导（1），3-dB Y分支分束器（2），两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）组成的器件调制区，3-dB Y分支耦合器（5）和输出直波导（6）构成；输入直波导（1）和输出直波导（6）结构相同，3-dB Y分支分束器（2）和3-dBY分支耦合器（5）结构相同，两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）结构相同；且输入直波导（1）、3-dB Y分支分束器（2）、第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）、3-dB Y分支耦合器（5）和输出直波导（6）的宽度均相同；

从下到上，两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）所组成的MZI光波导结构调制区依次由硅片衬底（21）、在硅片衬底（21）上制备的聚合物下包层（32）、在聚合物下包层（32）上制备的具有正脊型光波导结构的光波导芯层（33）、在正脊型光波导芯层（33）之中制备的石墨烯加热电极（34）、在光波导芯层（33）上制备聚合物上包层（35）、在聚合物上包层（35）上制备的金属加热电极（26）组成；且聚合物下包层（32）、正脊型光波导芯层（33）、石墨烯加热电极（34）、聚合物上包层（35）、金属加热电极（26）的宽度相同；

MZI光波导结构调制区以外区域，从下至上，依次由硅片衬底（21）、聚合物下包层（32）、正脊型光波导芯层（33）和聚合物上包层（35）所组成；

金属加热电极（26）包括有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分；除石墨烯加热电极（34）金属引脚（8）的部分区域外，石墨烯加热电极（34）的其余区域完全被金属加热电极（26）覆盖，两者间由聚合物上包层（35）和一部分光波导芯层（33）隔离开。

5.如权利要求4所述的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，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0.5~1.5 cm，宽度为3~7 µm；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°，Y分支的长度为1000~3000 µm、宽度为3~7 µm；两条平行的第一干涉臂（3）和第二干涉臂（4）长度a₂和a₂’为0.5~1.5 cm、宽度为3~7 µm，两条平行干涉臂之间的中心间距d为30~100 µm；硅片衬底（21）的厚度为0.5~1 mm，聚合物下包层（32）的厚度为4~7 µm，光波导芯层（33）的总厚度为3~8 µm，光波导芯层（23）的脊宽为3~7 µm、脊高为0.5~2 µm，石墨烯加热电极（34）的宽度为10~30µm，石墨烯加热电极（34）的厚度为0.4~1.7 nm，聚合物上包层（35）的厚度为3~6 µm，金属加热电极（26）的宽度为10~30 µm，金属加热电极（26）的厚度100~300 nm；金属加热电极（26）有效加热区的长度L₁为1~2 cm、宽度W₁为10~25 µm，两个有效加热区的中心间距W₂为30~80µm，金属加热电极（26）的输入和输出区的中心间距L₂为0.8~2 cm，金属加热电极的输入和输出区的长度L₃为0.3~1 cm、宽度W₃为50~200 µm，金属加热电极引脚的长度L₄为500~1500µm、宽度W₄为2000~5000 µm；石墨烯加热电极（34）的金属引脚（8）的长度L₅为2000~5000 µm、宽度W₅为2000~5000 µm。

6. 如权利要求4所述的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的制备方法，其步骤如下：

A：硅片衬底（21）的清洁处理

将解离好的符合设计尺寸大小的硅片衬底（21）浸泡在丙酮溶液中超声清洗5~12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，再在90~120℃条件下烘烤1~3小时去除水气；

B：聚合物下包层（32）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（21）上，旋涂速度为2000~6000 转/分钟，然后将薄膜在100~150℃条件下烘烤2~3小时，制得厚度为4~7 µm的聚合物下包层（32）；

C：第一光波导芯层（33’）的制备

采用旋涂工艺将抗丙酮腐蚀的光波导芯层材料直接旋涂在下包层（32）上形成薄膜，旋涂速度为2000~6000 转/分钟，薄膜厚度为1~4 µm；然后在70℃~100℃条件下处理5~30分钟进行前烘，再在波长为350~400 nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来，在70℃~100℃条件下处理10~30分钟进行中烘；最后，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上制得了第一光波导芯层（33’）；

D：在第一光波导芯层（33’）上转移石墨烯并制备金属引脚（8）

将带有PMMA支撑层的悬空自转移单层石墨烯置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到制备完第一光波导芯层（33’）的样品表面，使单层石墨烯与第一光波导芯层（33’）接触，并调整石墨烯的位置，使石墨烯的中心与MZI波导调制区的中心对齐；接下来，将其自然晾干后在60℃~90℃条件下处理30~60分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在样片表面来去除PMMA薄膜，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将样片自然晾干后在70℃~100℃条件下处理30~60分钟；最后，采用“＋”实心形状的金属掩膜版并将其中心与石墨烯的中心对齐贴紧，并采用蒸镀工艺在石墨烯的四角处蒸镀一层金属，得到金属引脚（8）；

E：第二光波导芯层（33’’）及脊型波导的制备

采用旋涂工艺将第二光波导芯层（33’’）材料旋涂在第一光波导芯层（33’）、石墨烯和金属引脚8上形成薄膜，旋涂速度为2000~6000 转/分钟，薄膜厚度为1~4 µm；然后在70℃~100℃条件下处理5~30分钟进行前烘，再在波长为350~400 nm的紫外光下进行紫外曝光；接下来在70℃~100℃条件下处理10~30分钟进行中烘，在120~150℃条件下处理30~90分钟进行后烘坚膜；然后，采用蒸镀工艺在制备好的第二光波导芯层（33’’）上蒸镀一层厚度为50~200 nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5~2.0 µm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芯层结构相同，曝光时间为5~10秒，使需要制备的MZI结构的波导芯层以外区域的正性光刻胶BP212被曝光；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掩膜图形；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300~500 W，偏置功率为20~80 W，氧气流量为20~60 sccm，刻蚀时间为30~240秒，从而在第二光波导芯层（33’’）上制备出正脊型波导结构；最后，在光刻机下将样片充分曝光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；第二光波导芯层（33’’）与第一光波导芯层（33’）是同种有机聚合物材料，共同组成光波导芯层（33），这样便将石墨烯置于正脊型光波导芯层（33）之中；

F：聚合物上包层（35）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）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，制得上包层，聚合物上包层（35）完全覆盖整个MZI结构的光波导芯层（33）；

G：金属加热电极（26）的制备

采用蒸镀工艺在制备好的聚合物上包层（35）上蒸镀一层厚度为100~300 nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5~2.0 µm的正性光刻胶BP218，在80~100℃条件下烘烤10~30分钟；然后在光刻机上，将其与电极掩膜板紧密接触进行对版光刻，电极掩膜板的结构包括金属加热电极的有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚，电极掩膜板有效加热区的中心与MZI光波导结构调制区的中心对齐，曝光时间为5~15秒，除去电极掩膜板，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BP218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掩膜图形；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，得到金属加热电极（26）；

H：石墨烯加热电极（34）的制备

在ICP刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300~500 W，偏置功率为20~80 W，氧气流量为20~60 sccm，氩气流量为1~5 sccm，刻蚀时间为150~600秒，在刻蚀过程中，以金属加热电极（26）作为刻蚀掩膜，并用金属掩膜板石墨烯覆盖以外的区域遮挡住，将石墨烯覆盖以内没有被金属加热电极（26）和金属引脚（8）所覆盖的波导上包层（35）、光波导芯层（33）、单层石墨烯薄膜和聚合物下包层（32）通过ICP刻蚀技术刻蚀掉，露出硅片衬底（21），而被金属掩膜板和金属加热电极掩盖的聚合物上包层（35）、光波导芯层（33）和聚合物下包层（32）不会被刻蚀掉，进而完成石墨烯加热电极（34）的制备，同时将用于测试时施加探针的金属引脚（8）露出，金属引脚（8）与金属加热电极（26）之间有一层聚合物上包层（35）和第二光波导芯层（33’’），不直接发生接触。

7. 如权利要求1、2、4或5所述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，其特征在于：聚合物下包层（22或32）是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯；光波导芯层（23或33）是SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore或EpoClad；聚合物上包层（25或35）是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚酯或聚苯乙烯。

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