基于Norland 紫外固化膠的熱光開關器件

王 旗，王希斌，孫小強，田 亮，王 菲 ，張大明

(吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點聯合實驗室，吉林 長春130012)

1 引 言

隨著光通信領域的快速發展，對光開關和調制器的需求越來越大。其中，熱光開關的成本較低，是目前較為成熟的商品化產品［1］。這種開關利用熱光效應對光場進行調制，從而實現開關功能，具有驅動功耗低、隔離度高、體積小、易于集成為大規模的開關陣列等優點。

由于聚合物材料具有熱光系數大和熱導率低的特點［2-4］，早在20 世紀80 年代，人們就開始利用聚合物材料制備熱光開關。相比于硅基無機光波導器件，有機聚合物光波導器件的加工工藝較為簡單，只需通過涂膜、光刻等工藝便可制備出復雜的光電集成器件。2003 年，復旦大學研究人員采用有機/無機雜化材料制備了波導型熱光開關器件。2009 年，吉林大學王微等人采用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸環氧丙酯的共聚物( PMMAGMA) 作為波導材料，制備出M-Z 型熱光開關器件［5］。2010 年，高磊等人采用SU-8 聚合物制備了MMI-MZI 型熱光開關［6］。

本文采用新的聚合物材料Norland 紫外固化膠( Norland Optical Adhesive，NOA) 來制備M-Z 型熱光開關器件，對材料的光學性能進行了表征，并對器件的損耗和開關性能進行了測試。

2 材料特性

NOA 是一種光學透明，在紫外光照射下即可固化的液態光聚物，其固化時間取決于應用厚度和接受施加紫外光的能量。與其它聚合物材料相比，NOA 材料的制備工藝簡單，可以快速固化，具有極好的透光性，低收縮和輕微的彈性［7］，在寬溫度范圍內穩定性較好，并且吸收損耗較低，因此可以將NOA 材料用于制備光波導器件。這種材料還被應用于納米壓印技術［8］、分光器［9］、傳感器［10］、高增益光放大器［11］以及柔性波導器件［12］，在光集成器件領域具有廣闊的發展前景。

將NOA88 和NOA61 兩種材料分別在Si 襯底上旋涂成膜，使用橢偏儀對材料的折射率進行測量擬合，得到的折射率擬合結果如圖1 所示。從圖中可以看出，在1 550 nm 波長，NOA61 的折射率為1.571 4，NOA88 的折射率為1.559 4，因此選擇NOA88 作為包層材料，NOA61 作為芯層材料。

圖1 NOA61 與NOA88 的折射率擬合結果Fig. 1 Fitting results of refractive indexes of ( a)NOA61 and ( b) NOA88

高質量的聚合物薄膜是制備光波導器件的前提條件。本文使用原子力顯微鏡對NOA 薄膜表面粗糙度進行了表征，如圖2 所示。粗糙度分析結果顯示:在25 μm×25 μm 范圍內，薄膜表面RMS 值為1.18 nm，可以滿足制備光波導器件的要求。

圖2 NOA 聚合物薄膜表面原子力顯微照片Fig.2 AFM photograph of NOA polymer film surface

3 器件制備及測試

3.1 條形波導器件

為了確定NOA 材料制備熱光開關器件的可行性，首先制備了條形波導器件。工藝方法如下:在已經清潔干燥的硅襯底上旋涂NOA88 材料作為下包層，紫外固化后，在包層薄膜表面旋涂NOA61 材料作為芯層，紫外固化后，在芯層表面蒸鍍鋁掩模層，然后進行光刻、顯影，接著采用ICP 刻蝕方法制備出矩形截面波導，去掉鋁掩模層后，旋涂NOA88 上包層并進行紫外固化，完成條形波導的制備。對制作的波導進行了測試，在1 550 nm 波長下，長2.2 cm 的直波導插入損耗為8.3 dB，輸入光功率為0.05 mW 時，波導的紅外近場輸出光斑如圖3 所示。

圖3 條型波導的紅外近場輸出光斑Fig. 3 Output near field optical pattern of strip waveguide

3.2 熱光開關器件

采用NOA 材料和脊形光波導結構制備M-Z型聚合物熱光開關器件。由于增大脊形波導的上覆蓋層厚度可避免電極對光的吸收，使損耗降低，但如此熱光開關器件中熱量的傳遞與消散時間會增加，使得開關的上升和下降時間延長，因此綜合考慮開關響應時間與電極吸收損耗兩項指標來優化熱光開關器件結構。圖4 為波導截面示意圖。器件制備工藝與條形波導制備方法相同，只需在波導上包層上面蒸鍍一層鋁電極。制備出的熱光開關器件波導截面的顯微照片如圖5 所示。圖中顯示，制備的波導具有良好的矩形截面，上下包層的厚度為7 μm，脊高為5 μm，平板厚度為4 μm。Al 電極的厚度約為100 nm，電極的電阻為980 Ω。

圖4 脊形波導結構截面圖Fig.4 Cross section structure of ridge waveguide

圖5 熱光開關器件波導截面示意圖Fig.5 Cross section of thermo-optical switch device

在1550 nm波長處對器件的損耗和開關性能進行了測試，圖6 為熱光開關器件的開關特性曲線。從圖中可以看出，開關上升時間為1.085 ms，下降時間為489.5 μs。測試時對開關電極直接施加直流信號，通過光纖輸入光功率計測量樣品的輸出光強，得到樣品的輸出光功率隨電極加熱功率變化曲線如圖7 所示。圖中顯示，該熱光器件的消光比為11 dB，驅動功率為85 mW。由于包層材料較厚，熱效應不明顯而導致器件驅動功率過大，若進一步改進工藝過程，器件的性能將會得到較大的提高。

圖6 熱光開關特性曲線Fig.6 Switching response curve of thermo-optic switch on 0.2 kHz rectangular wave The upper signal is voltage source，and the lower one is switching response

圖7 輸出光功率隨電極加熱功率變化曲線Fig.7 Curve of output power as heating power through electrode

4 結 論

本文采用新型聚合物材料NOA 制備了熱光開關器件。摸索出了NOA 聚合物材料制備光波導器件的最佳工藝條件。制備了長2.2 cm 的條形波導，測得其在1 550 nm 波長下插入損耗為8.3 dB。在此基礎上制備了M-Z 型熱光開關器件，器件的消光比為11 dB，驅動功率為85 mW，開關上升時間為1.085 ms，下降時間為489.5 μs。實驗結果表明:這種新型低損耗的NOA 材料在熱光開關及其它聚合物波導集成器件的制備中具有很大的應用潛力。

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