基于悬浮波导的低功耗聚合物热光开关 
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1 引言
作为光通信网络中的重要器件之一,光开关具有路由、光网络保护、光域优化等功能,是光交叉连接器(OXC)[1-3]和插分复用器(OADM)[4]的核心器件。光开关的种类较多,其中热光开关因尺寸小、功耗低、稳定性高等优点,受到了广泛的关注。
在热光开关的研究中,如何有效地降低功耗是研究者们重点关注的问题。制备热光开关的材料主要有硅/二氧化硅(SOI)、二氧化硅(SiO2)以及聚合物等。其中聚合物材料具有较高的热光系数和较低的热传导系数[5],利用其制备的热光开关具有较低的功耗,这使其成为近年来研究热光开关的热点材料。在聚合物热光开关的研究中,研究者们采用不同的聚合物材料以及波导结构制备了不同的热光开关。Chen等[6]报道了一种垂直耦合结构的聚合物热光开关,功耗为50 mW;王微等[7]使用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸环氧丙酯类共聚物(PMMA-GMA)材料,制备了一种功耗为16 mW的热光开关;孙静雯等[8]采用具有高热光系数的Norland紫外固化材料(NOA73),制备了一种功耗为9.14 mW的热光开关;Liu等[9]报道了一种空气隔离槽方案,通过在调制臂波导处刻蚀空气隔离槽,有效地减少了波导横向的热量扩散,器件功耗降低到3.4 mW。
本文提出了一种降低聚合物热光开关功耗的新方法,将器件调制臂波导设计成悬浮波导,不仅能抑制波导横向上热量的扩散,还能抑制波导内热量向硅衬底的扩散,使热量能有效集中在波导芯区处。利用半导体工艺成功制备了具有悬浮波导结构的热光开关,测试结果表明,所提方法可以有效降低器件功耗。
2 热光开关的设计和制备
本文设计的热光开关的结构如
图 1. 热光开关的结构示意图。(a)热光开关的俯视图;(b)悬浮波导的截面示意图
Fig. 1. Structure diagram of thermo-optic switch. (a) Top-view diagram of thermo-optic switch; (b) cross-section of the suspended waveguide
图 2. 波导有效折射率n与波导尺寸b的关系
Fig. 2. Relations between the core thickness b and the effective refractive index n of the rectangle waveguide
在热光开关的工作模式中,有效地使热量集中在波导芯区附近并降低热扩散,是降低开关驱动功率的主要方法之一。对于本文设计的热光开关结构,聚合物波导材料以及SiO2的热传导系数分
别为0.2 W/(m·K)和1.4 W/(m·K),而Si衬底的热传导系数高达163 W/(m·K),Si衬底的热传导系数过大将加剧波导芯区热量向衬底的扩散。因此,本文设计了一种具有悬浮波导结构的热光开关,通过分离波导结构与Si衬底来减少热量扩散,从而实现降低功耗的目的。在热光开关的调制臂波导附近制备刻蚀窗口,在刻蚀窗口位置通过干法刻蚀和湿法腐蚀的办法将调整臂波导与Si衬底分离,实现悬浮波导。悬浮波导通过刻蚀窗口之外的区域与器件整体连接,实现对悬浮波导的支撑。
图 3. 热光开关波导结构的热场分布。(a)传统波导结构;(b)悬浮波导结构
Fig. 3. Thermal field distribution of thermo-optic switch waveguides. (a) Conventional waveguide; (b) suspended waveguide
热光开关的制备过程如下:1)通过氧化工艺在Si衬底表面形成3 μm厚的SiO2下包层;2)在下包层表面旋涂SU-8光刻胶材料,旋涂后的样片在90 ℃下加热固化19 min,再使用波导掩模板对冷却后的样片进行紫外曝光,并在异丙醇溶液中显影35 s,得到3 μm×3 μm的矩形波导,之后在130 ℃下将样片坚膜20 min;3)在波导芯区表面旋涂PMMA材料,样片在120 ℃下加热固化2 h,形成上包层;4)在样片表面蒸镀金属铝,然后旋涂光刻胶并在95 ℃下固化20 min,通过掩模板对样片的加热调制区进行局部曝光,再通过显影在加热调制臂波导两侧形成刻蚀窗口;5)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀对调制臂区的刻蚀窗口进行局部刻蚀,将波导芯区两侧的包层PMMA和SiO2刻蚀掉,形成隔离槽波导结构;6)当刻蚀窗口处的PMMA和SiO2被刻蚀掉后,使用ICP刻蚀继续对裸露的Si衬底进行刻蚀,形成约20 μm深的Si凹槽;6)将NaOH溶液导入刻蚀凹槽区域,对SiO2层下面的Si衬底进行腐蚀,再将调制臂区域的波导与Si衬底分离,从而实现悬浮波导结构;7)去掉样片表面的金属铝和残余光刻胶,在样片表面再次旋涂光刻胶,使用电极掩模板对样片进行光刻套刻,利用显影将需要制备电极的图形区露出来,通过蒸镀金属铝和光刻胶剥离工艺,去掉电极图形以外的金属以及凹槽内的光刻胶,制备出金属电极,从而完成芯片的制备。在上述制备中,将波导结构与Si衬底分离从而实现悬浮波导是关键工艺。在实际制备中,由于溶液腐蚀浸泡,调制臂处的聚合物波导与SiO2容易发生分离。为解决这个问题:一方面增加了刻蚀Si凹槽步骤,从而减少去除Si材料所需要的溶液浸泡时间;另一方面优化NaOH溶液的浓度和温度,在保证聚合物波导不发生脱落分裂的前提下,加快Si腐蚀速率。
图 4. 热光开关波导截面的SEM照片。(a)传统波导;(b)悬浮波导
Fig. 4. SEM images of the cross-section of thermo-optic switch waveguides. (a) Conventional waveguide; (b) suspended waveguide
3 热光开关的测试
可调谐激光器输出的0.2 mW、1550 nm的信号光通过单模光纤耦合进入光开关的输入端;信号光经波导传输之后,在器件的输出端输出,被红外摄像机接收,并在监视器显示输出光斑,光开关的输出光斑如
表 1. 不同结构热光开关的功耗对比
Table 1. Comparison of power consumption among thermo-optic switches with different structures
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通过探针将直流电信号施加到加热电极上,器件输出光功率随驱动功率的变化曲线如
本文器件的上包层厚度为5 μm。而在器件截面的热场分布中,从电极到波导芯区,温度是呈梯度降低的,上包层越薄,波导芯区距离加热电极越近,电极产生的热量就能更大限度地施加到波导芯区,从而实现低功耗。本文目前只验证了对于相同材料和相同波导尺寸的热光开关,悬浮波导结构可以有效地降低功耗。
图 6. 不同波导结构的光开关输出光功率与驱动功率的关系曲线
Fig. 6. Output optical power of thermo-optic switches with different waveguide versus electrical heating power
频率为150 Hz的方波信号通过探针加载到电极上,通过示波器测得的器件响应如
4 结论
本文使用SU-8和PMMA聚合物材料,设计制备了一种低功耗的MZI型热光开关器件。为了降低开关的功耗,本文将调制臂波导设计成一种悬浮波导,将波导结构与Si衬底分离,抑制了波导芯区处热量向硅衬底的扩散。并利用半导体工艺,成功制备出具有悬浮波导结构的热光开关。测试结果表明:在1550 nm波长下,该热光开关的功耗为9.3 mW,消光比为21 dB,开关的上升和下降时间分别为392 μs和697 μs;使用相同材料制备的传统波导结构的热光开关的功耗增大到13.9 mW。本文提出的这种悬浮波导结构可以有效地降低热光开关的功耗。
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孙健, 吴远大, 安俊明, 吴卫锋, 单崇新. 基于悬浮波导的低功耗聚合物热光开关[J]. 中国激光, 2020, 47(3): 0301008. Sun Jian, Wu Yuanda, An Junming, Wu Weifeng, Shan Chongxin. Polymer Thermo-Optic Switch with Low-Power Consumption Based on Suspended Waveguide[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(3): 0301008.
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