發(fā)布時(shí)間：2021-01-02 23:20

　　設(shè)計(jì)制備了一種低功耗的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）型聚合物熱光開(kāi)關(guān)器件,為降低開(kāi)關(guān)的功耗,將器件加熱區(qū)的調(diào)制臂波導(dǎo)設(shè)計(jì)成懸浮波導(dǎo),從而抑制波導(dǎo)芯區(qū)處熱量向硅襯底的擴(kuò)散。模擬結(jié)果顯示,相比于傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān),懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以明顯減少熱擴(kuò)散。利用半導(dǎo)體工藝成功制備了具有懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān)器件,在1550 nm工作波長(zhǎng)下,熱光開(kāi)關(guān)的功耗為9.3 mW,消光比為21 dB,開(kāi)關(guān)的上升和下降時(shí)間分別為392μs和697μs。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)激光. 2020年03期 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：5 頁(yè)

【部分圖文】：

熱光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 熱光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。在熱光開(kāi)關(guān)的工作模式中,有效地使熱量集中在波導(dǎo)芯區(qū)附近并降低熱擴(kuò)散,是降低開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)功率的主要方法之一。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的熱光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),聚合物波導(dǎo)材料以及SiO2的熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為0.2 W/(m·K)和1.4 W/(m·K),而Si襯底的熱傳導(dǎo)系數(shù)高達(dá)163 W/(m·K),Si襯底的熱傳導(dǎo)系數(shù)過(guò)大將加劇波導(dǎo)芯區(qū)熱量向襯底的擴(kuò)散。因此,本文設(shè)計(jì)了一種具有懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān),通過(guò)分離波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與Si襯底來(lái)減少熱量擴(kuò)散,從而實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。在熱光開(kāi)關(guān)的調(diào)制臂波導(dǎo)附近制備刻蝕窗口,在刻蝕窗口位置通過(guò)干法刻蝕和濕法腐蝕的辦法將調(diào)整臂波導(dǎo)與Si襯底分離,實(shí)現(xiàn)懸浮波導(dǎo)。懸浮波導(dǎo)通過(guò)刻蝕窗口之外的區(qū)域與器件整體連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮波導(dǎo)的支撐。圖3(a)和3(b)分別是傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和懸浮波導(dǎo)在10 mW加熱功率下的熱場(chǎng)分布模擬結(jié)果,Si襯底的溫度為20.0 ℃,加熱電極處溫度為23.2 ℃,可以看出,懸浮波導(dǎo)芯區(qū)處的溫度更高,即利用懸浮波導(dǎo)有利于降低器件的功耗。

在熱光開(kāi)關(guān)的工作模式中,有效地使熱量集中在波導(dǎo)芯區(qū)附近并降低熱擴(kuò)散,是降低開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)功率的主要方法之一。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的熱光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),聚合物波導(dǎo)材料以及SiO2的熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為0.2 W/(m·K)和1.4 W/(m·K),而Si襯底的熱傳導(dǎo)系數(shù)高達(dá)163 W/(m·K),Si襯底的熱傳導(dǎo)系數(shù)過(guò)大將加劇波導(dǎo)芯區(qū)熱量向襯底的擴(kuò)散。因此,本文設(shè)計(jì)了一種具有懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱光開(kāi)關(guān),通過(guò)分離波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與Si襯底來(lái)減少熱量擴(kuò)散,從而實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。在熱光開(kāi)關(guān)的調(diào)制臂波導(dǎo)附近制備刻蝕窗口,在刻蝕窗口位置通過(guò)干法刻蝕和濕法腐蝕的辦法將調(diào)整臂波導(dǎo)與Si襯底分離,實(shí)現(xiàn)懸浮波導(dǎo)。懸浮波導(dǎo)通過(guò)刻蝕窗口之外的區(qū)域與器件整體連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮波導(dǎo)的支撐。圖3(a)和3(b)分別是傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和懸浮波導(dǎo)在10 mW加熱功率下的熱場(chǎng)分布模擬結(jié)果,Si襯底的溫度為20.0 ℃,加熱電極處溫度為23.2 ℃,可以看出,懸浮波導(dǎo)芯區(qū)處的溫度更高,即利用懸浮波導(dǎo)有利于降低器件的功耗。熱光開(kāi)關(guān)的制備過(guò)程如下:1)通過(guò)氧化工藝在Si襯底表面形成3 μm厚的SiO2下包層;2)在下包層表面旋涂SU-8光刻膠材料,旋涂后的樣片在90 ℃下加熱固化19 min,再使用波導(dǎo)掩模板對(duì)冷卻后的樣片進(jìn)行紫外曝光,并在異丙醇溶液中顯影35 s,得到3 μm×3 μm的矩形波導(dǎo),之后在130 ℃下將樣片堅(jiān)膜20 min;3)在波導(dǎo)芯區(qū)表面旋涂PMMA材料,樣片在120 ℃下加熱固化2 h,形成上包層;4)在樣片表面蒸鍍金屬鋁,然后旋涂光刻膠并在95 ℃下固化20 min,通過(guò)掩模板對(duì)樣片的加熱調(diào)制區(qū)進(jìn)行局部曝光,再通過(guò)顯影在加熱調(diào)制臂波導(dǎo)兩側(cè)形成刻蝕窗口;5)使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕對(duì)調(diào)制臂區(qū)的刻蝕窗口進(jìn)行局部刻蝕,將波導(dǎo)芯區(qū)兩側(cè)的包層PMMA和SiO2刻蝕掉,形成隔離槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu);6)當(dāng)刻蝕窗口處的PMMA和SiO2被刻蝕掉后,使用ICP刻蝕繼續(xù)對(duì)裸露的Si襯底進(jìn)行刻蝕,形成約20 μm深的Si凹槽;6)將NaOH溶液導(dǎo)入刻蝕凹槽區(qū)域,對(duì)SiO2層下面的Si襯底進(jìn)行腐蝕,再將調(diào)制臂區(qū)域的波導(dǎo)與Si襯底分離,從而實(shí)現(xiàn)懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu);7)去掉樣片表面的金屬鋁和殘余光刻膠,在樣片表面再次旋涂光刻膠,使用電極掩模板對(duì)樣片進(jìn)行光刻套刻,利用顯影將需要制備電極的圖形區(qū)露出來(lái),通過(guò)蒸鍍金屬鋁和光刻膠剝離工藝,去掉電極圖形以外的金屬以及凹槽內(nèi)的光刻膠,制備出金屬電極,從而完成芯片的制備。在上述制備中,將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與Si襯底分離從而實(shí)現(xiàn)懸浮波導(dǎo)是關(guān)鍵工藝。在實(shí)際制備中,由于溶液腐蝕浸泡,調(diào)制臂處的聚合物波導(dǎo)與SiO2容易發(fā)生分離。為解決這個(gè)問(wèn)題:一方面增加了刻蝕Si凹槽步驟,從而減少去除Si材料所需要的溶液浸泡時(shí)間;另一方面優(yōu)化NaOH溶液的濃度和溫度,在保證聚合物波導(dǎo)不發(fā)生脫落分裂的前提下,加快Si腐蝕速率。圖4(a)所示為傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)照片;圖4(b)所示為懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SEM照片,在調(diào)制臂區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了波導(dǎo)與Si襯底的分離。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]低功耗聚合物MZI結(jié)構(gòu)熱光開(kāi)關(guān)研究[J]. 孫靜雯,孫健,王艷雙,曲祿成,王希斌,王菲,張大明.  中國(guó)激光. 2015(07)
[2]低功耗聚合物Mach-Zehnder熱光開(kāi)關(guān)[J]. 王微,孫小強(qiáng),王希斌,鄧玲,高磊,王菲,張大明.  光子學(xué)報(bào). 2010(04)



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