專利名稱：一種有機/無機雜化材料波導型熱光開關器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光子學材料技術領域，具體涉及一種有機/無機雜化材料波導熱光開關器件及其制備方法。
光開關在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中起著很重要的作用，它除了傳統(tǒng)意義上的光信號的通斷和使光信號從一條光路轉到另一條光路外，還有許多其它用途，并可和許多其它的光網絡元件相集成，進一步擴展其應用范圍。一個典型的用途是自動保護開關，通常用于光纖損壞或連接中斷時的恢復；它也可以用于系統(tǒng)監(jiān)視，或作為光分插復用器件用于光信號的上行或下載；更重要的是N×N矩陣型光開關可在DWDM系統(tǒng)中起到交換、路由和交叉連接的作用。1999年光開關市場為一千萬美元，并會急劇擴大，預計北美洲的市場份額將從2000年的4.278億美元增加到2004年的103億美元。
目前制造光開關的方法有很多，除傳統(tǒng)的機械開關外，尤以MEMS技術(Micro-electro-mechanical system)最為領先，但這項技術也有很多競爭對手，如熱光開關、液晶開關和衰減全內反射開關等。熱光開關利用材料的熱光效應，通常通過給覆蓋于光波導上的薄膜加熱器提供電壓來改變材料的折射率，從而改變不同路徑光信號的強弱，來達到開關的目的。熱光開關的速度為毫秒量級，完全可以滿足作為WDM系統(tǒng)中的光分插復用器件和光交叉連接器件的要求。利用平面光波回路技術制備的二氧化硅基質熱光開關，有很多優(yōu)點，如集成度高、插入損耗低、開關對比度(消光比)好，特別是不限制傳輸信號的形式，開關性能幾乎不受信號的偏振態(tài)影響，以及具有長期穩(wěn)定性和成本低、可大批量生產等，成為目前人們關心的重點。同時，由于聚合物材料和二氧化硅材料相比具有更高的熱光系數，加上聚合物材料的制膜的方便性和便宜等特點，對于聚合物熱光開關的研究也已開始，并正在深入。美國的多家著名的光通信器件制造公司，如美國Lucent公司Bell實驗室，Photonic IntegrationReseach公司，JDS Uniphase公司等，和日本的NTT研究所，還有英國、意大利、瑞士、南朝鮮等國都投入力量致力于熱光器件的研制，包括新型熱光開關的設計，熱光開關性能的優(yōu)化，并將熱光開關和其它器件集成在DWDM中完成光分插復用和光交叉連接等功能。目前已有二氧化硅基質和聚合物材料熱光開關的商品出售。
本發(fā)明提出的波導型熱光開關器件，由襯底、下覆蓋層、波導層、上覆蓋層和電極構成，其中，襯底是整個開關器件的支撐體，下覆蓋層直接制作在襯底上，其上為上覆蓋層，上覆蓋層中有掩埋型條形波導，在上覆蓋層上鍍制有加熱電極，加熱電極位于條形波導上方，由金屬線將電極引出；波導層、上覆蓋層、下覆蓋層由有機/無機雜化材料構成。
本發(fā)明中，熱光開關可以為干涉型或數字型(DOS)熱光開關結構。其中，干涉型熱光開關由2個3dB方向耦合器和1個Mach-Zehnder干涉器組成，結構如圖2所示。數字型熱光開關結構為Y型或X型。
本發(fā)明中，用于制作波導層和上、下覆蓋層的有機/無機雜化材料為聚合物/二氧化硅玻璃。該材料中的聚合物和二氧化硅玻璃網絡之間由Si-C鏈相連。
上述有機/無機雜化材料可采用如下兩種前體材料經溶膠-凝膠工藝合成前體材料I同時包含有機和無機成份，具體為含有可聚合有機基團的烷氧基硅烷，分子結構為R’Si(OR)3，其中，R＝CnH2n+1，n＝1，2，3，R’為可聚合有機基團，如甲基丙烯酸丙脂基；前體材料II用于調節(jié)折射率，具體可為金屬醇鹽，如Zr、Ge、Ti的醇鹽，其分子結構為M(OR)4，其中，R＝CnH2n+1，n＝1，2，3，M為金屬，如Zr、Ge、或Ti等。前體材料I和前體材料II的用量比例按Si/M摩爾比為1∶0-1∶1計算。其中，波導層和覆蓋層所采用的前體材料I和前體材料II的比例不同，一般而言，波導層中前體材料II/前體材料I的比例高于覆蓋層中的比例，以便使波導層的折射率高于覆蓋層。上、下覆蓋層所用前體材料II和前體材料I的比例可以相同，也可以不同。
本發(fā)明的原理為波導層和上、下覆蓋層均為由溶膠-凝膠技術制備的有機/無機雜化材料，對于2×2干涉型熱光開關，其結構為2個3dB方向耦合器和1個Mach-Zehnder干涉器組成，利用有機/無機雜化材料的熱光效應，通過給覆蓋在Mach-Zehnder干涉結構上的薄膜加熱器提供電壓產生溫度的變化，來改變材料的折射率，從而改變兩臂光傳輸的位相差，相干涉后引起信號在兩個出射端口強度的變化，達到開關的目的。
本發(fā)明還提出了上述有機/無機雜化材料波導型熱光開關器件的制備方法。該方法利用有機/無機雜化材料在光照下有機端發(fā)生聚合，使材料致密化，可直接光照顯影來完成光刻，不需再涂敷光刻膠。具體步驟如下1、波導層和上、下覆蓋層材料的制備采用溶膠-凝膠技術，將前體材料I-含有可聚合有機基團，分子結構為R’Si(OR)3的烷氧基硅烷和前體材料II-分子結構為M(OR)4的金屬醇鹽，按Si/M為1∶0-1∶1摩爾比的用量混合，經水解聚合形成波導層和覆蓋層材料，R、R’、M的含義同前；其波導層中的前體材料II/前體材料I的比例高于覆蓋層中的比例，上、下覆蓋層中的前體材料II和前體材料I的比例可以相同，也可以不同。
在此過程中，混合材料還可加入光引發(fā)劑。
2、波導型熱光開關器件的制備選用經嚴格清洗的襯底材料，采用甩膜或提拉的方法，在襯底上制作下覆蓋層薄膜，厚度為1-20μm，下覆蓋層用紫外光照射，并加熱，加熱溫度為100-200℃，使之固化；采用甩膜或提拉的方法制備光波導層薄膜；將波導開關圖形光刻模版覆蓋在波導層薄膜上，用紫外光照射，使光刻模版透光部分下的波導層薄膜聚合，然后顯影，聚合部分保留，未照到光的部分顯影后洗去，即得具有開關圖形的條形波導，波導層尺寸為4×4μm-8×8μm，波導為單模；采用甩膜或提拉的方法制備上覆蓋層，厚度為1-20μm，通過紫外光照射，加熱固化。
3、加熱電極的制備采用濺射、真空蒸發(fā)等方法鍍金屬薄膜(如Cr，Au，Ti等)，通過標準光刻方法光刻出電極圖形，作為加熱電極；波導片兩端拋光或將半導體材料解理，和光纖對接封裝；電極封裝，即完成波導開關的制備。
本發(fā)明中，襯底選用光學拋光材料，如石英片，玻璃片，半導體基片等。
本發(fā)明中，使用的光引發(fā)劑為酮類有機物，如1-羥基-環(huán)己基-苯基酮。
本發(fā)明中，使用的紫外光照采用汞燈，功率為250-350W，曝光時間為30-60秒。顯影時間為40-60秒。
本發(fā)明可獲得低能耗、快響應和好的熱穩(wěn)定性、制作方法簡單、成本低的光開關器件。所采用的無機材料穩(wěn)定性好、損耗低，有機材料制膜方便、成本低。無機材料和有機材料經過合適的配比，不僅可以方便的控制材料的折射率，而且簡化了光刻工藝。
圖2為2×2 Mach-Zehnder型熱光開關示意圖。
圖3為溶液的配置流程圖，其中陰影部分表示避光。
圖4為熱光開關的制作過程。其中(a)制作下覆蓋層；(b)紫外光照；(c)制作波導層；(d)加模板紫外光照；(e)顯影；(f)制作上覆蓋層；(g)制作電極。
圖5為光強隨薄膜加熱器所加電壓變化圖(其中圓點代表平行輸出端，方塊代表交叉輸出端)。
圖6為開關響應時間的測量。從上至下分別為所加電壓信號，交叉輸出端和平行輸出端的響應曲線。注意為了清楚起見，在上下方向對3條曲線進行了平移處理。
圖中標號1為襯底，2為下覆蓋層，3為波導層，4為上覆蓋層，5為光輸入端，6、7為加熱電極，8為平行輸出端，9為交叉輸出端，10為平面波導，11為光刻模板。
所制備的為一種有機/無機雜化材料2×2 Mach-Zehnder波導型熱光開關，它由2個3dB方向耦合器和1個Mach-Zehnder干涉器組成，開關結構如圖2所示。光從輸入端進入開關，通過給覆蓋在Mach-Zehnder干涉結構上的薄膜加熱器提供電壓產生溫度的變化，來改變材料的折射率，從而改變兩臂光傳輸的位相差，相干涉后引起信號在兩個出射端口輸出的變化，即從平行輸出端或交叉輸出端輸出，達到開關的目的。
具體制備步驟如下1、波導層和上、下覆蓋層材料的制備所用的前體材料I為甲基丙烯酸丙脂基三甲氧基硅烷(methacryloxypropyltrimethoxysilane，簡寫為MAPTMS)，前體材料II為鋯酸丙脂(zirconium-n-propoxide)。首先將MAPTMS與0.05M的鹽酸(HCl)混合攪拌，使MAPTMS與H2O的比例達到1∶0.75摩爾比，并攪拌70分鐘，使MAPTMS在酸性條件下水解。另外在避光條件下，將zirconium(IV)propoxide的丙醇溶液(70％重量比含量)，與等體積的丙醇混合，再加入甲基丙烯酸(MAA)，使Zr4+與MAA的摩爾比為1∶1，攪拌50分鐘。再把先前水解的MAPTMS溶液加入，攪拌1小時。對于波導層和上、下覆蓋層的溶液，MAPTMS與Zr4+的摩爾比分別選擇為5∶2和4∶1。再加入0.05M的HCl，使Si4+/Zr4+與水的摩爾比達到1∶1.5，攪拌30分鐘。此時按5％重量百分比加入光引發(fā)劑IRGACURE184(Ciba公司)，再以體積比2∶1的比例加入正丙醇用以稀釋溶液，攪拌6小時后，用孔徑為0.22μm的濾膜過濾，再靜置、老化24小時備用。溶液配置流程圖見圖3。
2、波導型熱光開關器件的制備使用經嚴格清洗的硅片，先制備一層低折射率的有機/無機復合材料，作為下覆蓋層，使用上面配制的MAPTMS與Zr4+摩爾比為4∶1的溶液，下覆蓋層厚度約6μm，先在100℃預烘30min，用汞燈光照90min，再在120℃下后烘120min。然后在下覆蓋層上制備波導層，波導層使用MAPTMS與Zr4+的摩爾比為5∶2的溶液，波導層的折射率略高于下覆蓋層，用于光信號的傳輸。用提拉法制備了平面光波導以后，用直接光刻的方法來制備條形波導結構及開關圖形，在平面光波導上面直接放上掩模板后光照，使用的汞燈功率為329W，曝光時間為40秒，光照后的樣品用有機溶劑丙酮直接顯影50秒，就可以得到條形波導及所需的開關圖形。波導尺寸為4×6.5μm，單模。制備好波導層后，在波導表面加低折射率的上覆蓋層，上覆蓋層的折射率和下覆蓋層相同，制備方法也相同。上覆蓋層厚度為6μm。制備過程見圖4，制成的波導結構見

圖1。
3、加熱電極的制備加熱電極的制備采用真空蒸發(fā)。用鋁和鎳鉻合金共蒸而形成的金屬薄膜作為電極，電極形狀的制備采用光刻法。先在波導熱光開關器件上蒸鍍金屬膜，再在金屬膜上涂敷光刻膠，通過標準的光刻方法(涂膠—前烘—曝光—顯影—后烘—腐蝕—去膠)得到金屬電極的圖形，電極寬約50μm。用金屬線和導電膠將電極引出。電極結構參見圖2。
對上述的波導型熱光開關的測試結果為1、開關的功耗和對比度的測量采用1.55μm半導體激光器，分別測量平行輸出端和交叉輸出端輸出光強隨薄膜加熱器上所加電壓的變化。測量結果見圖5，圖中圓點和方塊分別代表平行輸出端和交叉輸出端測得的輸出光強隨所加電壓的變化關系。該2×2熱光開關平行輸出端和交叉輸出端都經過開啟和關斷兩個狀態(tài)時所需的功率即為該熱光開關的功耗。由此，可得到該開關的功耗為9.2mW。開關的對比度(也稱消光比)即開關處于開啟和關閉兩個狀態(tài)時輸出光強的比值，一般以dB表示。我們可以從圖5光強隨薄膜加熱器所加電壓變化圖中得到，平行輸出端的消光比為18.1dB，交叉輸出端的消光比為19.4dB。因此該開關對比度＞18dB。
2、開關響應時間的測量開關的響應時間，即當改變薄膜加熱器上所加的電壓時，開關將從開啟狀態(tài)變?yōu)殛P閉狀態(tài)，或從關閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，該狀態(tài)變化所需的時間即為開關的響應時間。測量中，使用一方波發(fā)生器，在2×2熱光開關Mach-Zehnder干涉臂上加電壓，使其在開啟和關閉兩個狀態(tài)之間連續(xù)變化，結果如圖6所示。定義信號變化了90％所需的時間為開關的響應時間(即信號從最小值變?yōu)樽畲笾档?0％，或從最大值變到最大值的10％)。由此可以得到交叉輸出端的開啟時間為1.7ms，關閉時間為1.5ms，平行輸出端的開啟時間為1.5ms，關閉時間為1.7ms。因此該開關響應時間＜1.7ms。
權利要求
1.一種有機/無機雜化材料波導型熱光開關，其特征在于由襯底、下覆蓋層、波導層、上覆蓋層和電極構成，其中，襯底是整個開關器件的支撐體，下覆蓋層直接制作在襯底上，其上為上覆蓋層，上覆蓋層中有掩埋型條形波導，在上覆蓋層上鍍制加熱電極，加熱電極位于條形波導上方，由金屬線將電極引出；波導層和上、下覆蓋層由有機/無機雜化材料構成。
2.根據權利要求1所述的波導型熱光開關，其特征在于為干涉型或數字型熱光開關結構，干涉型熱光開關由2個3dB方向耦合器和1個Mach-Zehnder干涉器組成，數字型熱光開關結構為Y型或X型。
3.根據權利要求1所述的波導型熱光開關，其特征在于用作波導層和覆蓋層的有機/無機雜化材料為聚合物/二氧化硅玻璃，其中，聚合物與二氧化硅玻璃網絡之間由Si-C相連。
4.根據權利要求3所述的波導型熱光開關，其特征在于波導層和上、下覆蓋層材料由烷氧基硅烷和金屬醇鹽經水解聚合后形成，其中，烷氧基硅烷的分子結構為R’Si(OR)3，R’為含可聚合有機基團，R＝＝CnH2n+1，n＝1，2，3；金屬醇鹽的分子結構為M(OR)4，M為Zr，Ge，Ti之一種，R＝CnH2n+1，n＝1，2，3；烷氧基硅烷與金屬醇鹽用量比例為Si/M的摩爾比＝1∶0-1∶1。
5.一種如權利要求1所述的波導型熱光開關的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)波導層和上、下覆蓋層材料的制備采用溶膠-凝膠技術，將前體材料I-含有可聚合有機基團的烷氧基硅烷R’Si(OR)3和前體材料II-金屬醇鹽M(OR)4按Si/M為1∶0-1∶1的摩爾比混和，經水解聚合形成波導層和覆蓋層材料；波導層和覆蓋層的制作采用的有機/無機雜化材料，其前體材料I和前體材料II的比例不同，其中波導層中的前體材料II與前體材料I之比高于覆蓋層。(2)波導型熱光開關器件的制備采用甩膜或提拉的方法，在襯底上制作下覆蓋層薄膜，厚度為1-20μm，下覆蓋層用紫外光照射，并加熱，加熱溫度為100-200℃，使之固化；采用甩膜或提拉的方法制備光波導層薄膜；將波導開關圖形光刻模板覆蓋在波導層薄膜上，用紫外光照射，使光刻模版透光部分下的波導層薄膜聚合，然后顯影，聚合部分保留，未照到光的部分顯影后洗去，即得到具有開關圖形的條形波導，波導層尺寸為4×4μm-8×8μm，波導為單模；采用甩膜或提拉的方法制備上覆蓋層，上覆蓋層厚度為1-20μm，通過紫外光照射，加熱固化；(3)加熱電極的制備采用濺射或真空蒸發(fā)方法鍍金屬薄膜，通過標準光刻工藝光刻出電極圖形，作為加熱電極；波導片兩端拋光或將半導體材料解理，和光纖對接封裝；電極封裝，即完成波導開關的制備。
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于前體材料I和前體材料II的混和物中加入光引發(fā)劑，該光引發(fā)劑為酮類有機物。
全文摘要
本發(fā)明屬于光子學材料技術領域，具體涉及一種有機/無機雜化材料波導型熱光開關器件及其制備方法。它通過溶膠－凝膠技術，在硅片上制備熱光開關器件，通過加載電壓信號，控制光在不同路徑中的切換。本發(fā)明采用的有機/無機雜化材料兼有無機材料穩(wěn)定性好、損耗低和制備工藝成熟的優(yōu)點和有機聚合物材料制膜方便、成本低的優(yōu)點；經過選擇有機和無機材料的比例，可以方便地控制材料的折射率。本發(fā)明可作為光通信系統(tǒng)中的保護開關使用，也可用于系統(tǒng)監(jiān)視，及在光通信系統(tǒng)中作為交叉連接器、光分插復用器等，完成光信號交換、路由、上下載等功能。
文檔編號G02F1/29GK1447178SQ0311566
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月6日 優(yōu)先權日2003年3月6日
發(fā)明者劉麗英, 徐雷, 王文澄, 王賢江, 李冬曉 申請人:復旦大學