一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器制造技术

一种片上集成的基于光

【技术实现步骤摘要】
一种片上集成的基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器


[0001]本专利技术属于功能性光子芯片
，具体涉及一种片上集成基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器。

技术介绍

[0002]光电探测器是一种能将光信号转换成电信号的检测元件，作为光纤传输网络接收端的重要组成部分,被广泛用于光通信系统中。特别是在光子集成收发模块的构建中，传统的片上半导体光电探测器必须通过异质结外延生长和离子注入的掺杂方式形成光电探测的基本结构，这不仅限制了光电探测的集成密度和灵活性，并且加大了硅光子一体化芯片的制备难度。如何实现尺寸小、集成度高、响应度快、性价比好的片上集成光电探测器已成为目前光子集成领域的研究热点。而与其他波导结构相比，微环谐振器作为重要的光信号处理单元可有效地实现滤波、复用/解复用、调制、开关、延时、路由、传感和放大等功能，特别是跑道式微环波导结构，其优势特性在于带宽大、兼容性好、精度高等，适用于光存储、波长选择和光级联等功能设计。本专利技术基于跑道式微环形成反馈式的光循环结构，通过导电聚合物波导与光信号之间产生的光热效应，将光能先转化为热能，再利用有源聚合物波导不同区域的温度梯度产生的塞贝克效应(Seebeck effect)，实现热能到电能的转化。通过探测电极间电压及暗电流的变化，完成对不同功率光的强度探测，创新提出一种片上集成光
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热
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电转化式的导电聚合物波导光电探测器。相关技术可满足我国对高速高密度光电检测系统的重要要求，对全光通信网络的建立具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种片上集成基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器。本专利技术采用环型反馈式波导结构提升光信号的检测效率，通过掺入金纳米粒子修饰的金属
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有机骨架(Au
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MOFs)，实现了导电聚合物波导芯层中光
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热
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电能量的高效转化。掺入了金纳米粒子的聚合物波导与光信号相互作用，产生表面等离子体共振现象，在电场作用下整个金纳米粒子的电子气团将产生相对纳米粒子原来位置的位移，并随电磁场的波动而振荡，从而引起内部晶格的共振，并获得大量热能，以实现光
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热能量间的转化；基于导电聚合物波导不同区域的温度梯度产生塞贝克效应，通过热电响应实现热
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电间的能量转化。利用搭接金属电极检测电压和暗电流的变化，实现片上集成光
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热
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电转化式的环形导电聚合物波导光电探测器。
[0004]本专利技术所述的一种片上集成的基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，采用环形波导结构，如附图1(a)所示为波导立体结构图，从下至上由衬底层1、阻挡层2、包层3、芯层4和探测电极层5组成；芯层4嵌入到包层3中，芯层4的上表面和包层3的上表面位于同一平面；如附图1(b)所示，沿光传输方向，芯层4为由顺次链接的输入端Y分支型波导41、第一直波导42、第一半环型反馈式波导43，第二直波导44和第二半环型反馈式波
导45五部分组成的环形跑道波导结构；探测电极5由前端嵌入第一直波导42和包层3之间、后端位于包层3之上的条形电极通过电极引线外连正方形平板探测电极组成。
[0005]如附图1(c)为片上集成基于光
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热
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电能量转化的导电聚合物波导光电探测器图1(a)中a处截面示意图，自下而上依次由衬底层1、阻挡层2、包层3、芯层4和探测电极层5组成，以空气作为芯层4的上包层，包层3和芯层4为不同材料，芯层4经紫外光固化后得到，其折射率大于包层3的折射率，使光较好的束缚在芯层传输。
[0006]本专利技术所述的衬底层1材料为磷化铟、砷化镓、硅中的任意一种。
[0007]本专利技术所述的阻挡层2材料为SiO2；
[0008]本专利技术所述的包层3材料为PMMA、P(MMA
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GMA)中的任意一种。
[0009]本专利技术所述的金属探测电极5材料为金、铝、铬中的任意一种。
[0010]本专利技术所述的芯层4材料是将金纳米粒子修饰的金属
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有机骨架粉末(Au
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MOFs)掺杂在聚合物材料中经紫外固化后得到，所述的聚合物材料为导电SU
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8、导电FSU
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8中的任意一种。
[0011]如附图2所示，本专利技术所述的一种片上集成基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，所用信号光λ为532nm激光器所发出的光，信号光λ通过Y型分支波导的下支输入(Y型分支波导的上支波导与第二半环形反馈式波导45部分重合)，依次经过环形跑道波导的第一直波导段42、第一半环形反馈式波导43、第二直波导44和第二半环型反馈式波导45并再次进入第一直波导42，如此循环往复；光功率不断在环形跑道型波导内积聚，产生一定的光热效应并在掺入的金纳米粒子作用下使光热效应表现显著便于探测；根据塞贝克效应，上述波导显著的热势差会产生在第一直波导42的两端产生一定的电势差，通过掺杂的金属
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有机骨架使不同极性粒子在波导两端积聚，实现较大电势差增益，并在第一直波导42两端引入一对金属探测电极通过外加伏安表测试其电势差变化。当波导中通入不同功率的信号光时，在相同电极上测试到的电势不同，进而达到光电探测的功能。
[0012]金纳米粒子修饰的金属
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有机骨架的作用有以下两点：
[0013]1.金纳米粒子的与光波相互作用时发生表面等离子体共振，在电场作用下整个金纳米粒子的电子气团将产生相对纳米粒子原来位置的位移，并随电磁场的波动而振荡，而引起内部晶格的共振，并获得大量热能，以实现光
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热转换。
[0014]2.金属
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有机骨架是一种金属离子化合物材料，具有较高的比表面积和孔隙率，可以在有机配体上添加所需的官能团，在本专利技术中作为金纳米粒子的载体，增加光吸收，并且使金纳米粒子在芯层材料中均匀分布。
[0015]与现有器件结构和制备技术相比，本专利技术的显著优点是：
[0016](1)与现有波导光电探测器相比，本专利技术基于低成本聚合物波导材料，制备方法简便，极大简化了工艺流程，通过反应离子刻蚀并灌注波导材料即可形成波导，且波导形貌易控制。
[0017](2)与传统材料波导光电探测器相比，本专利技术采用掺杂Au
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MOFs极大提高了其光
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热转换效率，并实现高塞贝克效应的热电增益。
[0018](3)与传统波导上层制备电极相比，将探测电极制备在波导下侧槽内并覆盖的方法可以有效降低热散失，使热电势更显著。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片上集成的基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，采用环形波导结构，其特征在于：从下至上由衬底层(1)、阻挡层(2)，包层(3)、芯层(4)和探测电极层(5)组成；芯层(4)嵌入到包层(3)中，芯层(4)的上表面和包层(3)的上表面位于同一平面；沿光传输方向，芯层(4)为由顺次链接的输入端Y分支型波导(41)、第一直波导(42)、第一半环型反馈式波导(43)、第二直波导(44)和第二半环型反馈式波导(45)五部分组成的环形跑道波导结构，Y型分支波导的上支波导与第二半环形反馈式波导(45)部分重合；探测电极(5)由前端嵌入第一直波导(42)和包层(3)之间、后端位于包层(3)之上的条形电极通过电极引线外连正方形平板探测电极组成。2.如权利要求1所述的一种片上集成的基于光
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热
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电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，其特征在于：衬底层(1)材料为磷化铟、砷化镓、硅中的任意一种，阻挡层(2)材料为SiO2，包层(3)材料为PMMA、P(MMA
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GMA)中的任意一种，探测电极(5)材料为金、铝、铬中的任意一种；芯层(4)材料是将金纳米粒子修饰的金属
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有机骨架粉末掺杂在聚合物材料中经紫外固化后得到，所述的聚合物材料为导电SU

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长鸣，崔安琪，费腾，苗晓雅，林航，孙相宜，王春雪，岳建，吴可，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：