基于悬浮波导的低功耗聚合物热光开关
发布时间：2021-01-02 23:20
设计制备了一种低功耗的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型聚合物热光开关器件,为降低开关的功耗,将器件加热区的调制臂波导设计成悬浮波导,从而抑制波导芯区处热量向硅衬底的扩散。模拟结果显示,相比于传统波导结构的热光开关,悬浮波导结构可以明显减少热扩散。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器件,在1550 nm工作波长下,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392μs和697μs。
【文章来源】：中国激光. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
热光开关的结构示意图。
图1 热光开关的结构示意图。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(a)和3(b)分别是传统波导结构和悬浮波导在10 mW加热功率下的热场分布模拟结果,Si衬底的温度为20.0 ℃,加热电极处温度为23.2 ℃,可以看出,悬浮波导芯区处的温度更高,即利用悬浮波导有利于降低器件的功耗。
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(a)和3(b)分别是传统波导结构和悬浮波导在10 mW加热功率下的热场分布模拟结果,Si衬底的温度为20.0 ℃,加热电极处温度为23.2 ℃,可以看出,悬浮波导芯区处的温度更高,即利用悬浮波导有利于降低器件的功耗。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(a)所示为传统波导结构的扫描电子显微镜(SEM)照片;图4(b)所示为悬浮波导结构的SEM照片,在调制臂区域实现了波导与Si衬底的分离。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低功耗聚合物MZI结构热光开关研究[J]. 孙静雯,孙健,王艳双,曲禄成,王希斌,王菲,张大明. 中国激光. 2015(07)
[2]低功耗聚合物Mach-Zehnder热光开关[J]. 王微,孙小强,王希斌,邓玲,高磊,王菲,张大明. 光子学报. 2010(04)
本文编号：2953838
【文章来源】：中国激光. 2020年03期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
热光开关的结构示意图。
图1 热光开关的结构示意图。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(a)和3(b)分别是传统波导结构和悬浮波导在10 mW加热功率下的热场分布模拟结果,Si衬底的温度为20.0 ℃,加热电极处温度为23.2 ℃,可以看出,悬浮波导芯区处的温度更高,即利用悬浮波导有利于降低器件的功耗。
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(a)和3(b)分别是传统波导结构和悬浮波导在10 mW加热功率下的热场分布模拟结果,Si衬底的温度为20.0 ℃,加热电极处温度为23.2 ℃,可以看出,悬浮波导芯区处的温度更高,即利用悬浮波导有利于降低器件的功耗。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(a)所示为传统波导结构的扫描电子显微镜(SEM)照片;图4(b)所示为悬浮波导结构的SEM照片,在调制臂区域实现了波导与Si衬底的分离。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低功耗聚合物MZI结构热光开关研究[J]. 孙静雯,孙健,王艳双,曲禄成,王希斌,王菲,张大明. 中国激光. 2015(07)
[2]低功耗聚合物Mach-Zehnder热光开关[J]. 王微,孙小强,王希斌,邓玲,高磊,王菲,张大明. 光子学报. 2010(04)
本文编号：2953838
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