王 旗，王希斌，孫小強(qiáng)，田 亮，王 菲 ，張大明

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130012)

1 引 言

隨著光通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)光開關(guān)和調(diào)制器的需求越來越大。其中，熱光開關(guān)的成本較低，是目前較為成熟的商品化產(chǎn)品［1］。這種開關(guān)利用熱光效應(yīng)對(duì)光場進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，具有驅(qū)動(dòng)功耗低、隔離度高、體積小、易于集成為大規(guī)模的開關(guān)陣列等優(yōu)點(diǎn)。

由于聚合物材料具有熱光系數(shù)大和熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)［2-4］，早在20 世紀(jì)80 年代，人們就開始利用聚合物材料制備熱光開關(guān)。相比于硅基無機(jī)光波導(dǎo)器件，有機(jī)聚合物光波導(dǎo)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(fù)雜的光電集成器件。2003 年，復(fù)旦大學(xué)研究人員采用有機(jī)/無機(jī)雜化材料制備了波導(dǎo)型熱光開關(guān)器件。2009 年，吉林大學(xué)王微等人采用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯的共聚物( PMMAGMA) 作為波導(dǎo)材料，制備出M-Z 型熱光開關(guān)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(guān)［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(guān)器件，對(duì)材料的光學(xué)性能進(jìn)行了表征，并對(duì)器件的損耗和開關(guān)性能進(jìn)行了測試。

2 材料特性

NOA 是一種光學(xué)透明，在紫外光照射下即可固化的液態(tài)光聚物，其固化時(shí)間取決于應(yīng)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(nèi)穩(wěn)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(dǎo)器件。這種材料還被應(yīng)用于納米壓印技術(shù)［8］、分光器［9］、傳感器［10］、高增益光放大器［11］以及柔性波導(dǎo)器件［12］，在光集成器件領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)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(duì)材料的折射率進(jìn)行測量擬合，得到的折射率擬合結(jié)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(jié)果Fig. 1 Fitting results of refractive indexes of ( a)NOA61 and ( b) NOA88

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

圖2 NOA 聚合物薄膜表面原子力顯微照片F(xiàn)ig.2 AFM photograph of NOA polymer film surface

3 器件制備及測試

3.1 條形波導(dǎo)器件

為了確定NOA 材料制備熱光開關(guān)器件的可行性，首先制備了條形波導(dǎo)器件。工藝方法如下:在已經(jīng)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(jìn)行光刻、顯影，接著采用ICP 刻蝕方法制備出矩形截面波導(dǎo)，去掉鋁掩模層后，旋涂NOA88 上包層并進(jìn)行紫外固化，完成條形波導(dǎo)的制備。對(duì)制作的波導(dǎo)進(jìn)行了測試，在1 550 nm 波長下，長2.2 cm 的直波導(dǎo)插入損耗為8.3 dB，輸入光功率為0.05 mW 時(shí)，波導(dǎo)的紅外近場輸出光斑如圖3 所示。

圖3 條型波導(dǎo)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(guān)器件

采用NOA 材料和脊形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備M-Z型聚合物熱光開關(guān)器件。由于增大脊形波導(dǎo)的上覆蓋層厚度可避免電極對(duì)光的吸收，使損耗降低，但如此熱光開關(guān)器件中熱量的傳遞與消散時(shí)間會(huì)增加，使得開關(guān)的上升和下降時(shí)間延長，因此綜合考慮開關(guān)響應(yīng)時(shí)間與電極吸收損耗兩項(xiàng)指標(biāo)來優(yōu)化熱光開關(guān)器件結(jié)構(gòu)。圖4 為波導(dǎo)截面示意圖。器件制備工藝與條形波導(dǎo)制備方法相同，只需在波導(dǎo)上包層上面蒸鍍一層鋁電極。制備出的熱光開關(guān)器件波導(dǎo)截面的顯微照片如圖5 所示。圖中顯示，制備的波導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)截面圖Fig.4 Cross section structure of ridge waveguide

圖5 熱光開關(guān)器件波導(dǎo)截面示意圖Fig.5 Cross section of thermo-optical switch device

在1550 nm波長處對(duì)器件的損耗和開關(guān)性能進(jìn)行了測試，圖6 為熱光開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線。從圖中可以看出，開關(guān)上升時(shí)間為1.085 ms，下降時(shí)間為489.5 μs。測試時(shí)對(duì)開關(guān)電極直接施加直流信號(hào)，通過光纖輸入光功率計(jì)測量樣品的輸出光強(qiáng)，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(qū)動(dòng)功率為85 mW。由于包層材料較厚，熱效應(yīng)不明顯而導(dǎo)致器件驅(qū)動(dòng)功率過大，若進(jìn)一步改進(jìn)工藝過程，器件的性能將會(huì)得到較大的提高。

圖6 熱光開關(guān)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(jié) 論

本文采用新型聚合物材料NOA 制備了熱光開關(guān)器件。摸索出了NOA 聚合物材料制備光波導(dǎo)器件的最佳工藝條件。制備了長2.2 cm 的條形波導(dǎo)，測得其在1 550 nm 波長下插入損耗為8.3 dB。在此基礎(chǔ)上制備了M-Z 型熱光開關(guān)器件，器件的消光比為11 dB，驅(qū)動(dòng)功率為85 mW，開關(guān)上升時(shí)間為1.085 ms，下降時(shí)間為489.5 μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:這種新型低損耗的NOA 材料在熱光開關(guān)及其它聚合物波導(dǎo)集成器件的制備中具有很大的應(yīng)用潛力。

［1］ SIEBEL U，HAUFFE R，PETERMANN K. Crosstalkenhanced polymer digital optical switch based on a W-shape［J］.IEEE Photon． Techonl． Lett.，2000，12(1) ：40-41.

［2］ OH M C，LEE H J，LEE M H，et al.. Asymmetric X-junction thermooptic switches based on fuluorinated polymer waveguides［J］.IEEE Photon． Technol． Lett.，1998，10(6) ：813-815.

［3］ HIDA Y，OOBA N，YOSHIMURA R，et al.. Influence of humidity on transmistion in a Y-branch thermo-optic switch composed of deuterated fluoromethacrylate polymer waveguides［J］.Electron． Lett.，1997，33(7) ：626-627.

［4］ DIEMEER M B J，BRONS J J，TROMMEL E S. Polymer optical waveguide switch using the thermooptic effect［J］.J Lightwave Techonl．，1997，7(3) ：449-453.

［5］ 王微.低功耗聚合物Mach-Zehnder 熱光開關(guān)的研制［J］.光子學(xué)報(bào)，2010，39(4) :610-613.WANG W. Low power consumption polymer thermo-optic switch with Mach-Zehnder interferometer［J］.Acta Photonica Sinica，2010，39(4) :610-613.( in Chinese)

［6］ 高磊.基于負(fù)型光刻膠SU-8 的光開關(guān)的研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2010.GAO L. Research of optical switches based on negative photoresist SU-8［D］. Changchun:Jilin University，2010.( in Chinese)

［7］ WAGLI P，HOMSY A，DE ROOIJ N F. Norland optical adhesive( NOA81) microchannels with adjustable surface properties and high chemical resistance against IR-transparent organic solvents［J］.Procedia Eng.，2010，5:460-463.

［8］ KIM Y S，LEE N Y，LIM J R. Nanofeature-patterned polymer mold fabrication toward precisely defined nanostructure replication［J］.SPIE，2005，17:5867-5870.

［9］ SINGHAL R，SATYANARAYAN M N，PAL S. Effect of residual resist on performance of single-mode 1 ×4 optical splitter in photosensitive polymer［J］.Fiber and Integrated Opt．，2010，29:480-490.

［10］ LIU J，SUN Y，F(xiàn)AN X D. Highly versatile fiber-based optical Fabry-Perot gas sensor［J］.Opt． Express，2009，17( 4) :2731-2738.

［11］ TSANG K CH，WONG CH Y，PUN E Y B. High-gain optical amplification in Eu3+-doped polymer［J］.Opt． Lett．，2010，35(4) :520-522.

［12］ KIM J W，KIM K J，OH M CH. Plastic optical pressure sensors using a flexible polymer waveguide［C］//Integrated Photonics and Nanophotonics Research and Applications( IPNRA) . Honolulu，Hawaii，USA，July 17，2009.