一种平面光波导、其制备方法及热光器件技术

本发明专利技术提供了一种平面光波导、其制备方法及热光器件。本发明专利技术提供的平面光波导包括衬底‑无机材料下包层‑聚合物芯层‑无机材料上包层，即上下包层均采用无机材料，芯层为聚合物，且分别控制无机材料下包层、聚合物芯层和无机材料上包层的折射率、热光系数和热导率，使之处于特定的大小关系，从而能够充分利用无机材料及聚合物的热光、热导性等特性，将光场有效限制的在芯层，能够提升整体光波导有效折射率的变化速度，进而使光场相位发生变化，通过上述各方面特性的改善，进而有效降低热光响应时间，提升响应速度，改善热光器件的响应灵敏度，对获得快速热光器件具有重要意义。

A planar optical waveguide, its preparation method and thermooptic device

【技术实现步骤摘要】
一种平面光波导、其制备方法及热光器件
本专利技术涉及光波导
，特别涉及一种平面光波导、其制备方法及热光器件。
技术介绍
光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导，其是由透明介质构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限的区域内传播。光波导本身是多方面科学的集成，因此其研究及应用范围也是很广泛的小型紧凑的波导结构，有利于实现光路的集成。光波在波导中的传输、耦合以及与外场相互作用引起的各种物理现象，是集成光路设计和制造的基础。光波导分为两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常是光电集成器件中的一部分，故称为集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。其中，平面光波导是指光波导位于一个平面内，是最简单的光波导。平面光波导涉及的材料体系非常广泛，如玻璃波导、铌酸锂波导、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物波导、绝缘体上的硅(SOI)波导、氮氧化物波导和聚合物波导等。其中，无机材料体系的优点是工艺成熟、性能稳定、热导率大等；缺点是热光系数小，且折射率随温度的增加而增加，需要高温工艺，如等离子增强化学气相沉积工艺和热氧工艺。聚合物材料体系的优点是工艺简单且与传统半导体工艺兼容，利于其他光电子器件集成，折射率易于调节，热光系数比一般无机材料至少大一个数量级，且折射率随温度的增加而减小，成本低廉；缺点是热导率小，多数聚合物材料(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、SU-8等)不耐高温，不能进行高温工艺。因此，研发有机无机混合体系波导，有利于综合利用两类材料体系的优点，应用于光波导器件，对新型光波导的发展意义重大。虽然无机有机混合体系波导有利于综合利用两类材料的优势，但是并非将无机材料体系与有机材料体系任意结合即可，材料之间的相互适用性、匹配性等多种复杂因素，影响着无机有机混合体系波导能否研制成功以及能否发挥出优异的热光性能，而关于无机有机材料的结合如何影响光波导，目前并没有成熟的机理。目前，有机无机混合材料体系，主要是以无机材料为下包层，以聚合物为芯层和上包层，如SiO2下包层-SU8芯层-PMMA上包层，而这种有机无机混合材料光波导并没有充分发挥无机材料和聚合物材料在导热系数、热光系数等各方面的优势，使光波导的响应较慢，导致光波导热光器件响应不够灵敏。另外，其需要采用高温工艺制备下包层，一方面，附加温度应力会导致生长薄膜厚度过厚时出现断裂；另一方面，当温度高于材料的耐热温度时，材料开始分解，会造成器件性能不稳定甚至损坏。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种平面光波导、其制备方法及热光器件。本专利技术提供的平面光波导能够有效降低热光响应时间，提升响应速度，进而改善热光器件的灵敏度。另外，本专利技术提供的制备方法采用低温工艺，可消除温度应力影响，能够避免高温导致的薄膜断裂和性能不稳定等问题。本专利技术提供了一种平面光波导，包括依次接触的衬底，无机材料下包层，聚合物芯层和无机材料上包层；所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；所述聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层的热导率。优选的，所述无机材料下包层为SiO2下包层。优选的，所述聚合物芯层为SU-8芯层、氟化聚酰亚胺芯层、聚碳酸酯芯层、聚二甲基硅氧烷芯层或NOA胶芯层。优选的，所述无机材料上包层为SiO2上包层。优选的，所述衬底为硅基衬底。优选的，所述平面光波导为脊形光波导或矩形光波导。优选的，所述无机材料下包层的厚度为2～3μm；所述聚合物芯层的厚度为2～3μm；所述无机材料上包层的厚度为2～3μm。本专利技术提供了一种上述技术方案所述的平面光波导的制备方法，包括：a)利用液相源沉积法在衬底表面生长无机材料下包层；b)在所述无机材料下包层表面蚀刻聚合物芯层；c)利用液相源沉积法在所述聚合物芯层表面生长无机材料上包层；所述步骤a)中，液相源沉积法的沉积温度为80～120℃；所述步骤c)中，液相源沉积法的沉积温度为80～120℃。本专利技术提供了一种热光器件，所述热光器件中的光波导为上述技术方案中所述的平面光波导。优选的，所述热光器件为热光开关。本专利技术提供了一种平面光波导，包括衬底-无机材料下包层-聚合物芯层-无机材料上包层，即上下包层均采用无机材料，芯层为聚合物，且分别控制无机材料下包层、聚合物芯层和无机材料上包层的折射率、热光系数和热导率，使之处于上述特定的大小关系，从而能够充分利用无机材料及聚合物的热光、热导性等特性，将光场有效限制的在芯层，能够提升整体光波导有效折射率的变化速度，进而使光场相位发生变化，通过上述各方面特性的改善，进而有效降低热光响应时间，提升响应速度，改善热光器件的响应灵敏度，对获得快速热光器件具有重要意义。试验结果表明，本专利技术提供的平面光波导的热光响应上升时间可达168μs，下降时间可低至163μs，有效降低了热光响应时间，提升了响应速度和灵敏度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1提供的脊形光波导的等轴侧视结构示意图；图2为本专利技术实施例1提供的脊形光波导的前视图；图3为本专利技术实施例1提供的脊形光波导的左视图；图4为本专利技术实施例1提供的脊形光波导的顶视图；图5为实施例1中脊形光波导的制备流程图；图6为本专利技术实施例2提供的矩形光波导的等轴侧视结构示意图；图7为本专利技术实施例2提供的矩形光波导的前视图；图8为本专利技术实施例2提供的矩形光波导的左视图；图9为本专利技术实施例2提供的矩形光波导的顶视图；图10为实施例2中脊形光波导的制备流程图；图11为实施例2的热光响应特性检测结果图；图12为实施例3的热光响应特性检测结果图；图13为实施例4的热光响应特性检测结果图。具体实施方式本专利技术提供了一种平面光波导，包括依次接触的衬底，无机材料下包层，聚合物芯层和无机材料上包层；所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；所述聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平面光波导，其特征在于，包括依次接触的衬底，无机材料下包层，聚合物芯层和无机材料上包层；/n所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；/n所述聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；/n所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层的热导率；/n所述聚合物芯层为SU-8芯层、氟化聚酰亚胺芯层、聚碳酸酯芯层、聚二甲基硅氧烷芯层或NOA胶芯层。/n

【技术特征摘要】
1.一种平面光波导，其特征在于，包括依次接触的衬底，无机材料下包层，聚合物芯层和无机材料上包层；
所述聚合物芯层的折射率大于无机材料上包层和无机材料下包层的折射率；
所述聚合物芯层的热光系数为负值，无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数为正值，且聚合物芯层的热光系数的绝对值比无机材料上包层和无机材料下包层的热光系数至少大一个数量级；
所述聚合物芯层的热导率大于无机材料上包层和无机材料下包层的热导率；
所述聚合物芯层为SU-8芯层、氟化聚酰亚胺芯层、聚碳酸酯芯层、聚二甲基硅氧烷芯层或NOA胶芯层。


2.根据权利要求1所述的平面光波导，其特征在于，所述无机材料下包层为SiO2下包层。


3.根据权利要求1所述的平面光波导，其特征在于，所述无机材料上包层为SiO2上包层。


4.根据权利要求1所述的平面光波导，其特征在于，所述衬底为硅基衬底。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，王彪，张星，秦莉，陈泳屹，陈超，吴昊，贾鹏，张建伟，周寅利，曾玉刚，王玉冰，宁永强，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22