基于倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导的微环谐振器及其制备方法

1.本发明属于倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导集成芯片制备技术领域，具体涉及一种基于倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导的微环谐振器及其制备方法。


背景技术：

2.为了满足人们日常生活中对信息传递容量的需求，以光为媒介的通信方式在通信系统中，起到了越来越大作用。在平板光波导(planar lightwave circuit,plc)器件的研究中，根据芯层材料的不同主要分为二氧化硅基plc、磷化铟plc和聚合物plc三大类，其中聚合物plc具有着较大的热光系数(-1.86
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)，制备工艺简单，成本极低等优点被广泛的应用在平板光波导器件当中，特别是可变光衰减器、光开关、可调谐滤波器等有源平板光波导器件。
3.通常，制备聚合物plc的工艺为在接触式曝光之后，湿法刻蚀形成芯层，再旋涂聚合物包层，通过加热固化退火的过程，实现芯层包层的紧密接触，制备波导器件。然而聚合物芯层、包层中存在相同的溶剂，这会使得在加热固化的过程中，会使得芯层、包层互溶，从而使得端面侧壁不陡直，芯层变得圆润，引入光斑模式的变化，轻则产生额外的损耗，重则导致器件功能失效。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种基于倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导的微环谐振器及其制备方法。本发明首先在二氧化硅下包层中通过电感耦合等离子体(inductively coupled plasma,icp)刻蚀的方法刻蚀出一个凹槽，再在凹槽和二氧化硅下包层上旋涂聚合物，形成倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导结构，由于凹槽结构是二氧化硅材料，不会与芯层聚合物发生反应，所以形成的芯层波导侧壁陡直、光滑，形成的器件损耗也随之降低。
5.本发明所述的基于倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导的微环谐振器，从下至上由si衬底(1)、sio2下包层(2)、条形聚合物芯层(3)和聚合物平板层(4)组成；条形聚合物芯层(3)被包覆在sio2下包层(2)之中，聚合物芯层(3)的上表面与sio2下包层(2)的上表面位于同一平面；条形聚合物芯层(3)由微环谐振部分(100)和耦合部分组成；其中，微环谐振部分(100)由第一弯曲波导(101)、第一直波导(102)、第二弯曲波导(103)和第二直波导(104)顺次连接组成，为跑道型微环结构；耦合部分由输入直波导(201)、第三直波导(202)和输出直波导(203)顺次连接组成，第二直波导(104)和第三直波导(202)构成定向耦合器(200)；第二弯曲波导(103)的输入端与第二直波导(104)的输出端连接，第二弯曲波导(103)的输出端连接第一直波导(102)的输入端，第一直波导(102)的输出端连接第一弯曲波导(101)的输入端，第一弯曲波导(101)的输出端连接第二直波导(104)的输入端；宽谱光源输出的光信号耦合进入输入直波导(201)，经过定向耦合器(200)的耦合作用分成两束光，一部分光
耦合进入第二直波导(104)，从而进入微环谐振部分(100)，另一部分光从输出直波导(203)输出；耦合进入微环谐振部分(100)的光，其中满足微环谐振条件的波长的光(在微环谐振部分(100)传输一周相位的改变为2π的整数倍的光)将在环中传输，不再通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)；而不满足微环谐振条件的波长的光，将通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，相同波长的光强度线性叠加后从输出直波导(203)中输出。
6.所述的聚合物芯层和聚合物平板层为同种材料，为具有负热光系数的聚合物材料，包括su-8 2002、su-8 2005、epocore等。
7.本发明所述的基于倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导的微环谐振器的制备方法，其步骤如下：
8.1)在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；
9.2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂光刻胶层，前烘处理后自然降温固化；
10.3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版上与需要制备的条形聚合物芯层波导结构相同(光刻胶层为正性光刻胶)或互补(光刻胶层为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层上，形成用于掩膜的光刻胶层波导结构；
11.4)通过icp刻蚀方法，在光刻胶层波导结构的掩膜下，在二氧化硅下包层上制备得到用于填充聚合物芯层材料的凹槽，然后再去掉二氧化硅下包层上的光刻胶层；
12.5)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂聚合物芯层和平板层，再经过前烘、紫外光刻、后烘，制备得到本发明所述的倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导微环谐振器；聚合物芯层尺寸与二氧化硅凹槽尺寸一致，宽度2～5μm，厚度2～5μm；聚合物平板层厚度通过调整聚合物材料和旋涂转速，根据器件应用领域的不同，可以实现0～5μm的厚度。
13.与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
14.1.波导为倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导，通过填充二氧化硅凹槽，得到的聚合物芯层侧壁陡直，降低器件损耗；
15.2.波导为倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导，以聚合物材料为波导芯层，芯包折射率差大，可以实现更紧凑的端面尺寸、弯曲半径，利于制备大规模平板光波导集成回路；
16.3.波导为倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导，仅仅通过简单的接触式曝光即可完成器件的制备，所需要加工成本极低；
17.4.器件结构采用跑道型微环结构，结构紧凑，消光比大，易于大规模集成。
18.综上所述，本发明提出的倒脊型二氧化硅/聚合物混合波导微环谐振器具有损耗低、结构紧凑、制备工艺简单、成本低等优点，在光网络中起到光域优化、路由、保护以及功率均衡等作用，在传感领域也可以实现温度、折射率、生物传感等多功能传感功能，具有广阔的应用前景。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1：本发明所述倒脊型微环谐振器截面示意图；
21.图2：本发明所述倒脊型微环谐振器结构示意图；
22.图3：本发明所述倒脊型微环谐振器制备工艺流程图；
23.图4：本发明所述倒脊型微环谐振器二氧化硅凹槽截面示意图；
24.图5：本发明所述倒脊型微环谐振器聚合物填充后截面示意图；
25.图6：本发明所述倒脊型微环谐振器近场光斑示意图；
26.图7：本发明所述倒脊型微环谐振器归一化透射功率光谱图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1：
29.如附图1所示，为倒脊型微环谐振器截面示意图，从下至上，由si衬底(1)、sio2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物平板层(4)组成。所述的sio2下包层(2)可以采用热氧化法生长或(plasma enhanced chemical vapor deposition,pecvd)沉积法生长，本实施例中采用热氧化发生长sio2，折射率为1.4456。所述的聚合物芯层(3)和聚合物平板层(4)为同种材料，可以采用具有负热光系数的聚合物材料，包括su-8 2002、su-8 2005、epocore等，在本实施例中，采用su-8 2002材料作为聚合物芯层(3)材料，折射率为1.573。为了降低波导内模式串扰与偏振相关损耗，同时降低工艺难度，聚合物芯层(3)波导的尺寸设计为2.5μm
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2.5μm的方型波导。聚合物平板层(4)的平板层厚度为2μm。
30.如附图2所示，为倒脊型微环谐振器结构示意图。微环谐振部分(100)由第一弯曲波导(101)、第一直波导(102)、第二弯曲波导(103)和第二直波导(104)组成；为了制备紧凑的微环器件，第一弯曲波导(101)和第二弯曲波导(103)的弯曲半径为1400μm，第一弯曲波导(101)和第二弯曲波导(103)为半圆形结构；耦合部分由输入直波导(201)、第三直波导(202)和输出直波导(203)组成，其中定向耦合器(200)由第二直波导(104)和第三直波导(202)构成；为了制备紧凑的微环器件，综合考虑工艺原因，第二直波导(104)和第三直波导(202)之间间距(gap)为1.5μm；为实现高消光比器件，经过计算，定向耦合器长度确定为1400μm。即第一直波导(102)、第二直波导(104)和第三直波导(202)长度均为1400μm。第二弯曲波导(103)的输入端与第二直波导(104)的输出端连接，第二弯曲波导(103)的输出端连接第一直波导(102)的输入端，第一直波导(102)的输出端连接第一弯曲波导(101)的输入端，第一弯曲波导(101)的输出端连接第二直波导(104)的输入端；宽谱光源输出的光信号耦合进入输入直波导(201)，经过定向耦合器(200)的耦合作用分成两束光，一部分耦合进入第二直波导(104)，从而进入微环谐振部分(100)，另一部分从输出直波导(203)直接输出。耦合进入微环谐振部分(100)的光，其中满足微环谐振条件的波长的光，即在微环谐振部分(100)一周的相位改变为为2π的整数倍的光将在环中传输，不在通过定向耦合器(200)
耦合进入第三直波导(202)，从输出直波导(203)中输出，不满足微环谐振条件的，将再次通过定向耦合器(200)耦合进入第三直波导(202)，相同波长的光强度线性叠加后从输出直波导(203)中输出。
31.如附图3所示，本发明所述倒脊型微环谐振器制备工艺流程图，其步骤如下：
32.1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的15μm厚的二氧化硅下包层(21)；
33.2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(21)表面旋涂micro chem公司的su-8 2002光刻胶，首先需要在60℃下10分钟、90℃下20分钟前烘处理并自然降温固化，通过控制转速600转/分，旋涂时间20s，形成3μm厚的su-8光刻胶层(51)；
34.3)将步骤2)的器件放置在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mw/cm2，对版光刻，所用掩模版ⅰ的结构与需要制备的条形聚合物芯层波导(3)结构互补，曝光时间3.5s，之后再进行65℃下10分钟、95℃下20分钟的后烘，冷却至室温，放入pgmea(propyleneglygol-monomethylether-acetate)显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液；然后在120℃下，坚膜30分钟，形成su-8光刻胶层(52)，用于刻蚀的掩膜；
35.4)通过icp刻蚀方法，在su-8光刻胶层(52)的掩膜下，在二氧化硅下包层(21)上制备得到二氧化硅凹槽，深度2.5μm，宽度2.5μm；为了保证波导的侧壁陡直，icp通入的气体为c4f8/sf8混合气体，再去掉二氧化硅下包层(2)上的su-8光刻胶层(52)；形成的倒脊型微环谐振器二氧化硅凹槽截面图，如附图4所示；
36.5)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)表面旋涂micro chem公司的su-8 2002光刻胶，首先需要在60℃下10分钟、90℃下20分钟前烘处理并自然降温固化，通过控制转速3000转/分，旋涂时间20s，将二氧化硅凹槽填满，形成聚合物芯层(3)，由于su-8具有自平整型，将形成2μm厚的平整的su-8聚合物平板层(4)；将器件放置在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mw/cm2，曝光时间5s，之后再进行65℃下10分钟，95℃下20分钟的后烘，冷却至室温，形成的倒脊型微环谐振器聚合物填充后截面图，如附图5所示；
37.如附图6所示，为本发明所述倒脊型微环谐振器近场光斑示意图，将1550nm波长的光耦合进入波导中，近场红外ccd可以观测到圆润的光斑。
38.如附图7所示，为本发明所述倒脊型微环谐振器归一化透射功率光谱图，圆圈为测量值，通过洛伦兹拟合，得到拟合曲线，拟合效果良好，得到半波宽为74pm，当前谐振峰中心波长为1500.154nm，计算得到当前谐振锋的q值为谐振峰中心波长与半波宽的比值，即20272，表明本发明器件具有较高的q值。