波导光开关及其制作方法[发明专利]

[12]发明专利申请公布说明书

[21]申请号200710055943.4[51]Int.CI.

G02B 6/12 (2006.01)G02B 6/13 (2006.01)G02B 6/35 (2006.01)

[43]公开日2008年1月16日[22]申请日2007.08.09[21]申请号200710055943.4

[71]申请人中国科学院长春光学精密机械与物

理研究所

地址130033吉林省长春市东南湖大路16号[72]发明人鄂书林 孔光明 赵虎旦 邓文渊

[11]公开号CN 101105553A

[74]专利代理机构长春菁华专利商标代理事务所

代理人赵炳仁

权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 1 页

[54]发明名称

波导光开关及其制作方法

[57]摘要

本发明涉及一种三维垂直耦合型波导光开关及其制作方法，波导光开关采用五层膜结构，从基底硅片至金属电极依次为下波导下包层、下波导芯层、垂直耦合层、上波导芯层、上波导上包层；下波导包层和上波导包层、垂直耦合层选用聚酯类聚合物，上波导和下波导均采用环化橡胶类聚合物，两者之间的夹角为0.2°～1.8°。五层膜采用涂敷方法制作，上波导和下波导采用光刻技术，制作工艺简单、制作成本低，并且开关驱动功率低、响应速度快、消光比高、插入损耗小。本发明的波导光开关可以作为基本单元应用于大规模集成光波导回路中。

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权 利 要 求 书

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1.一种波导光开关，包括下波导芯层、垂直耦合层、上波导芯层、上波导上包层，其中下波导芯层包括下波导及下波导侧包层，上波导芯层包括上波导及上波导侧包层；其特征在于还包括下波导下包层(2)；下波导下包层(2)、下波导侧包层(3)、垂直耦合层(4)、上波导侧包层(5)、上波导上包层(6)均采用聚酯类聚合物BCB；上波导(8)和下波导(7)均采用环化橡胶类聚合物Su8。

2.根据权利要求1所述的波导光开关，其特征在于下波导下包层(2)厚度为3～5μm；下波导芯层厚度为3.5～4.5μm；垂直耦合层(4)厚度为1～2μm；上波导芯层厚度为3.5～4.5μm；上波导上包层(6)厚度为3～5μm；上波导(8)和下波导(7)之间的夹角为0.2°～1.8°。

3.根据权利要求2所述的波导光开关，其特征在于下波导下包层(2)厚度为4μm；下波导芯层厚度为3.8μm；垂直耦合层(4)厚度为1.5μm；上波导芯层厚度为3.8μm；下波导(7)和上波导(8)之间的夹角为0.7°；上波导上包层(6)厚度为4μm。 4.一种权利要求1所述的波导光开关的制作方法，其特征在于包括下列步骤： a、对基底硅片1表面进行常规清洁处理；

b、在步骤a处理过的基底表面上旋涂BCB作为下波导下包层(2)；旋涂采用匀胶机；匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～9s，然后匀胶机旋转速度为1000～2000转/分时旋涂8～12s；

c、对经过步骤b得到的片子进行坚膜处理；坚膜采用烘箱，对烘箱先抽真空，然后通入氮气；在常压氮气条件下，温度205～215℃时烘38～42分钟，自然降温至室温后取出片子；

d、在经过步骤c得到的片子上表面旋涂一层Su8，并进行前烘；旋涂采用匀胶机，匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～7s，然后匀胶机旋转速度为4000～6000转/分时旋涂5～7s；前烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

e、对经过步骤d得到的片子上表面进行光刻，刻出下波导(7)图形后进行显影和后烘；显影时间为25s～35s；后烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

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f、在经过步骤e得到的片子上表面旋涂一层BCB并进行坚膜处理；旋涂采用匀胶机，

匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～9s，然后匀胶机旋转速度为2000～4000转/分

时旋涂8～12s；坚膜采用烘箱，对烘箱先抽真空，然后通入氮气；在常压氮气条件下，温

度205～215℃时烘38～42分钟，然后温度245～255℃时烘58～62分钟，自然降温至室温

后取出片子；

g、在经过步骤f得到的片子上表面旋涂一层Su8并进行前烘；旋涂采用匀胶机，匀胶

机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～7s，然后旋转速度为4000～6000转/分时旋涂5～

7s；前烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～

100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

h、对经过步骤g得到的片子上表面进行光刻，刻出上波导(8)图形后进行显影和后烘；

显影时间为25s～35s；后烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分

钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

i、在经过步骤h得到的片子上表面旋涂BCB；旋涂采用匀胶机，匀胶机旋转速度为500～

700转/分时旋涂5～9s，然后匀胶机旋转速度为1000～2000转/分时旋涂8～12s；

j、对经过步骤i得到的片子进行坚膜处理；坚膜采用烘箱，对烘箱先抽真空，然后通

入氮气；在常压氮气条件下，温度205～215℃时烘38～42分钟，然后温度245～255℃时烘

58～62分钟，自然降温至室温后取出片子；

k、在经过步骤j处理的片子上表面蒸镀金属电极(9)。

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说 明 书

波导光开关及其制作方法

第1/5页

技术领域

本发明涉及一种波导光开关，特别涉及一种三维垂直耦合型波导光开关及其制作方法。 背景技术

传统的波导光开关局限于二维平面集成结构，对微制作技术而言它能够实现较高的精确度。但是，在二维平面结构的波导光开关中，电极不能淀积在一个波导的正顶部，而且它也非常靠近另一个波导，因而电极会同时影响到两个波导，从而需要较高的电极驱动功率。 随着三维集成光学的发展，光电子领域科技工作者越来越多地关注三维垂直耦合型光波导器件的研究。(Keil N，Weinert C，Wirges W，et al.Thermo-optical coupler switches usinghybridpolymer/silicaintegration technology[J].Electron.Lett，2000，36(5)：430-431.)报道了一种混合式垂直耦合波导光开关，其采用四层膜结构，从基底硅片至金属电极依次为下波导芯层、垂直耦合层(公共包层)、上波导芯层、上波导上包层。下波导芯层包括下波导及下波导侧包层，上波导芯层包括上波导及上波导侧包层；下波导芯层、垂直耦合层(公共包层)、上波导芯层、上波导上包层选用的材料依次为二氧化硅(SiO2)、硅(Si)、氟丙烯酸酯(fluoracrylate)、氟丙烯酸酯(fluoracrylate)。下波导为位于下波导侧包层内的矩形直波导，上波导为位于上波导侧包层内的矩形直波导，两者之间的相对夹角为0.4°。这种波导光开关由于下波导由二氧化硅构成，上波导是由聚合物组成，垂直耦合层(公共包层)由硅组成，因而存在制作工艺较复杂，制作成本高，开关驱动功率高，响应速度慢，消光比低，插入损耗大等缺点。 发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制作工艺简单、制作成本低，并且开关驱动功率低、响应速度快、消光比高、插入损耗小的波导光开关及其制作方法。

本发明的波导光开关采用五层膜结构，从基底硅片至金属电极依次为下波导下包层、下波导芯层、垂直耦合层、上波导芯层、上波导上包层；其中下波导芯层包括下波导及下波导侧包层，上波导芯层包括上波导及上波导侧包层；下波导下包层、下波导侧包层、垂直耦合层、上波导侧包层、上波导上包层均采用聚酯类聚合物BCB；上波导和下波导均采用环化橡胶类聚合物Su8。

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所述下波导下包层厚度为3～5μm；下波导芯层厚度为3.5～4.5μm；垂直耦合层厚度为1～2μm；上波导芯层厚度为3.5～4.5μm；上波导上包层厚度为3～5μm；上波导和下波导之间的夹角为0.2°～1.8°。

所述波导光开关制作方法具体包括以下步骤： a、对基底硅片1表面进行常规清洁处理；

b、在步骤a处理过的基底表面上旋涂BCB作为下波导下包层2；旋涂采用匀胶机；匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～9s，然后匀胶机旋转速度为1000～2000转/分时旋涂8～12s；

c、对经过步骤b得到的的片子进行坚膜处理；坚膜采用烘箱，对烘箱先抽真空，然后通入氮气；在常压氮气条件下，温度205～215℃时烘38～42分钟，自然降温至室温后取出片子；

d、在经过步骤c得到的片子上表面旋涂一层Su8，并进行前烘；旋涂采用匀胶机，匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～7s，然后匀胶机旋转速度为4000～6000转/分时旋涂5～7s；前烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

e、对经过步骤d得到的片子上表面进行光刻，刻出下波导7图形后进行显影和后烘；显影时间为25s～35s；后烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

f、在经过步骤e得到的片子上表面旋涂一层BCB并进行坚膜处理；该BCB将下波导7包住，下波导7与下波导侧包层3构成下波导芯层，下波导芯层上表面的BCB为垂直耦合层4；旋涂采用匀胶机，匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～9s，然后匀胶机旋转速度为2000～4000转/分时旋涂8～12s；坚膜采用烘箱，对烘箱先抽真空，然后通入氮气；在常压氮气条件下，温度205～215℃时烘38～42分钟，然后温度245～255℃时烘58～62分钟，自然降温至室温后取出片子；

g、在经过步骤f得到的片子上表面旋涂一层Su8并进行前烘；旋涂采用匀胶机，匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～7s，然后旋转速度为4000～6000转/分时旋涂5～7s；前烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

h、对经过步骤g得到的片子上表面进行光刻，刻出上波导8图形后进行显影和后烘；

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200710055943.4说 明 书 第3/5页

显影时间为25s～35s；后烘采用烘箱，在暗室中常压条件下，温度65～70℃时烘8～12分钟，然后温度95～100℃时烘8～12分钟，自然降温至室温后取出片子；

i、在经过步骤h得到的片子上表面旋涂BCB；旋涂采用匀胶机，匀胶机旋转速度为500～700转/分时旋涂5～9s，然后匀胶机旋转速度为1000～2000转/分时旋涂8～12s； j、对经过步骤I得到的片子进行坚膜处理；坚膜采用烘箱，对烘箱先抽真空，然后通入氮气；在常压氮气条件下，温度205～215℃时烘38～42分钟，然后温度245～255℃时烘58～62分钟，自然降温至室温后取出片子；

k、在经过步骤j处理的片子上表面蒸镀金属电极9，金属电极9在位于上波导8和下波导7交叉处的上方并且其纵向与上波导8相同。

有益效果：本发明制作该波导光开关所选用的材料全部是聚合物材料，因此只需要一种技术，即聚合物技术，从而降低了技术上的要求，制作工艺简单，成本低；电极淀积在上波导的顶部，下波导和上波导被垂直耦合层隔离，降低了电极驱动功率，并且响应速度快、消光比高、插入损耗小。本发明的波导光开关可以作为基本单元应用于大规模集成光波导回路中。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 附图说明

图1为本发明结构示意图。图中1基底硅片，2下波导下包层，3下波导侧包层，4垂直耦合层，5上波导侧包层，6上波导上包层，7下波导，8上波导，9金属电极。

图2本发明上波导8和下波导7相对位置示意图。  图中7下波导，8上波导，77、77′、88、88′为端口。 具体实施方式

如图1所示，本发明采用五层膜结构，从基底硅片1至金属电极9依次为下波导下包层2、下波导芯层、垂直耦合层4(公共包层)、上波导芯层、上波导上包层6。基底硅片1采用的是高纯度硅片。下波导下包层2选用聚酯类聚合物BCB，厚度可以为3μm、4μm或者5μm。下波导芯层厚度为3.6μm、3.8μm、4.0μm、或者4.2μm，包括位于该层内的下波导7及其周围的下波导侧包层3，下波导7采用环化橡胶类聚合物Su8，下波导侧包层3采用聚酯类聚合物BCB。垂直耦合层4选用聚酯类聚合物BCB，厚度为1.2μm、1.5μm、1.6μm或者1.9μm。上波导芯层厚度为3.6μm、3.8μm、4.0μm或者4.2μm，包括位于该层内的上波导8及其周围的上波导侧包层5，上波导8采用环化橡胶类聚合物Su8，上波导侧包层

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200710055943.4说 明 书 第4/5页

5采用聚酯类聚合物BCB。下波导7和上波导8均为矩形直波导，上波导8和下波导7之间由垂直耦合层4隔离，两者之间的夹角为0.2°、0.7°、1.5°或者1.8°。上波导上包层6选用聚酯类聚合物BCB，厚度为3μm、4μm或者5μm。金属电极9位于上波导上包层6表面上的上波导8和下波导7交叉处，并且其纵向与上波导8相同。

本发明的工作过程：如图2所示，当金属电极9没有施加电流时，从端口77(或端口88)输入的光信号经下波导7(或上波导8)传输后由端口77′或(端口88′)输出。此时上波导8和下波导7之间没有光波的耦合，光波的这种传输方式称为关闭状态。当给金属电极9施加电流时，上波导8、下波导7和垂直耦合层4被加热，温度上升，热光效应引起波导折射率发生变化，从端口77(或端口88)输入的部分光信号会经过下波导7(或上波导8)和垂直耦合层4耦合进入上波导8(或下波导7)，然后由端口88′(或端口77′)输出。光波的这种传输方式称为开启状态(cross state)状态。

所述的步骤b，旋涂条件最佳为匀胶机旋转速度500转/分时旋涂7s，然后匀胶机旋转速度为1000转/分时旋涂10s。

所述的步骤c，坚膜条件中，温度和时间条件可以选择温度210℃时烘40分钟。 所述的步骤d，旋涂条件最佳为匀胶机旋转速度500转/分时旋涂7s，然后匀胶机旋转速度为4000转/分时旋涂7s；前烘条件最佳为在暗室中常压条件下，温度65℃时烘10分钟，然后温度95℃时烘10分钟；

所述的步骤e，显影时间最佳为30s；后烘条件最佳为在暗室中常压条件下，温度65℃时烘10分钟，然后温度95℃时烘10分钟。

所述的步骤f，旋涂条件最佳为匀胶机旋转速度500转/分时旋涂7s，然后匀胶机旋转速度为3000转/分时旋涂10s；坚膜条件中，温度和时间条件可以选择温度210℃时烘40分钟，然后温度250℃时烘60分钟；

所述的步骤g，旋涂条件最佳为匀胶机旋转速度500转/分时旋涂7s，然后旋转速度为4000转/分时旋涂7s；前烘条件最佳为在暗室中常压条件下，温度65℃时烘10分钟，然后温度95℃时烘10分钟。

所述的步骤h，显影时间最佳为30s；后烘条件最佳为在暗室中常压条件下，温度65℃时烘10分钟，然后温度95℃时烘10分钟。

所述的步骤i，旋涂条件最佳为匀胶机旋转速度500转/分时旋涂7s，然后匀胶机旋转速度为1000转/分时旋涂10s。

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200710055943.4说 明 书 第5/5页

所述的步骤j，坚膜条件中，温度和时间条件可以选择温度210℃时烘40分钟，然后温度250℃时烘60分钟。

由于Su8本身既是可作为芯层聚合物材料，又可作为光刻胶。这样就省去了RIE以及蒸铝掩膜等复杂的工艺过程，简化了器件制备流程。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员根据上述实施方式很容易联想到下波导下包层、下波导侧包层、垂直耦合层、上波导侧包层及上波导上包层还可以选用EPOXY、PMMA、ZP49等其他聚酯类聚合物；下波导和上波导还可以采用BCB、ZP51、PMMA等聚酯类聚合物。

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说 明 书 附 图

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