基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置及其制備方法。包含覆蓋在平面光波導(dǎo)上的二維碳材料透明熱電阻和連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)，平面光波導(dǎo)由襯底和自下而上依次沉積在襯底上的隔離層、芯層和二維碳材料透明熱電阻組成，二維碳材料透明熱電阻覆蓋在平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)，與芯層直接接觸，兩個(gè)接觸點(diǎn)分別經(jīng)連接導(dǎo)線連接在二維碳材料透明熱電阻的兩端。本發(fā)明具有加熱效率高、能達(dá)到更高的加熱溫度、加熱速度快等優(yōu)點(diǎn)，并具備硅光子器件制備工藝兼容性，適用于小型化平面光波導(dǎo)熱光器件。
【專利說(shuō)明】基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)加熱裝置及其制備方法，特別是涉及平面光波導(dǎo)集成器件領(lǐng)域的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]利用熱光效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)可調(diào)光器件的一種重要手段，如熱光開關(guān)、熱光調(diào)制器、可調(diào)諧光衰減器、可調(diào)諧功分器以及熱光可調(diào)諧濾波器等。而要實(shí)現(xiàn)熱光器件，加熱裝置是非常重要的。目前的加熱裝置包含平面光波導(dǎo)、金屬電阻絲以及連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)。平面光波導(dǎo)截面如圖1所示，由襯底6和自下而上依次沉積在襯底上的隔離層7、芯層8、上包層9和金屬電阻絲組成，其中上包層9完全覆蓋了芯層8。在上包層9上形成的金屬電阻絲的寬度通常大于光傳輸通道芯層8寬度。
[0003]對(duì)于這種傳統(tǒng)的加熱裝置，由于需要在平面光波導(dǎo)的芯層與熱電阻之間引入較厚的光隔離層(如Si02)，存在響應(yīng)速度慢、加熱效率低、功耗高等缺點(diǎn)。而且，考慮其溫度場(chǎng)梯度，這種傳統(tǒng)的加熱裝置中芯層的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱電阻的溫度。而由于最高電流密度等因素限制可允許的金屬熱電阻最高溫度有限。因此，采用這種加熱裝置的熱光器件的最大調(diào)諧范圍受到限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置及其制備方法，加熱功耗低，加熱響應(yīng)快，加熱溫度范圍大且工藝簡(jiǎn)單。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案包括:
一、一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置:
其平面光波導(dǎo)由襯底和自下而上依次沉積在襯底上的隔離層、芯層和二維碳材料透明熱電阻組成，包含覆蓋在平面光波導(dǎo)上的二維碳材料透明熱電阻和連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)，二維碳材料透明熱電阻覆蓋在平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)，兩個(gè)接觸點(diǎn)分別經(jīng)連接導(dǎo)線連接在二維碳材料透明熱電阻的兩端。
[0006]所述的二維碳材料透明熱電阻一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)，另一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層側(cè)面上。
[0007]所述的二維碳材料透明熱電阻呈蛇形且部分覆蓋在平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)。
[0008]所述的全部二維碳材料透明熱電阻均覆蓋在平面光波導(dǎo)的芯層上表面。
[0009]所述的覆蓋在芯層上表面的二維碳材料透明熱電阻的寬度小于平面光波導(dǎo)上芯層的寬度，二維碳材料透明熱電阻的中心位置偏離平面光波導(dǎo)的芯層的中心位置。
[0010]二、一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置的制備方法，包括以下步驟:
1)將隔離層、芯層依次沉積在襯底上，利用光刻、刻蝕工藝制成平面光波導(dǎo)；
2)利用濕法轉(zhuǎn)移工藝將二維碳材料轉(zhuǎn)移至平面光波導(dǎo)，在二維碳材料上旋涂一層光刻膠，用光刻法制成二維碳材料透明熱電阻的圖形，再利用干法刻蝕工藝制備得到二維碳材料透明熱電阻；
3)將二維碳材料透明熱電阻覆蓋在平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)，其中心位置偏離芯層的中心位置，覆蓋在芯層上的寬度小于芯層的寬度；
4)沉積金屬膜形成用于連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)，并與二維碳材料透明熱電阻經(jīng)連接導(dǎo)線相連。
[0011]所述的步驟3)中將二維碳材料透明熱電阻一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)，另一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層側(cè)面。
[0012]所述的步驟3)中將二維碳材料透明熱電阻制成蛇形，并部分覆蓋在平面光波導(dǎo)的芯層上表面的一側(cè)。
[0013]所述的步驟3)中將全部二維碳材料透明熱電阻均覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層上表面。
[0014]所述的步驟3)中的二維碳材料為單原子層。
[0015]本發(fā)明有益的效果是:
1.本發(fā)明加熱裝置由于二維碳材料透明熱電阻與平面光波導(dǎo)的芯層直接接觸，不需要引入較厚的光隔離層，有利于提高響應(yīng)速度和加熱效率，可以實(shí)現(xiàn)較低的功耗。而且，考慮其溫度場(chǎng)梯度，本發(fā)明中芯層的溫度幾乎與熱電阻的溫度一致，采用這種加熱裝置的熱光器件可以實(shí)現(xiàn)最大的溫度調(diào)諧范圍。
[0016]2.本發(fā)明的二維碳材料透明熱電阻，由于其寬度小于平面光波導(dǎo)的寬度，并且其中心位置偏離平面光波導(dǎo)的芯層的中心位置，因此可以大大減小二維碳材料透明熱電阻引入的光功率損耗。
[0017]3.本發(fā)明的二維碳材料透明熱電阻，由于采用較大的寬度、部分覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層上方、部分覆蓋于平面光波導(dǎo)的芯層的側(cè)壁上，而不引入過(guò)多的光功率損耗，因此可以減小干法刻蝕制作二維碳材料透明熱電阻的工藝制作難度。
[0018]4.本發(fā)明的二維碳材料透明熱電阻，由于蛇形覆蓋在平面光波導(dǎo)芯層上，因此可以在不影響加熱效果的同時(shí)，有效地減小二維碳材料透明熱電阻與平面光波導(dǎo)的接觸長(zhǎng)度、減小引入的光功率損耗，并且制備過(guò)程不需要精準(zhǔn)的光刻對(duì)準(zhǔn)、減小了工藝制作的難度。
[0019]5.本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用范圍，可用于由馬赫-澤德干涉儀、微諧振環(huán)等構(gòu)成的多種熱光器件，包括熱光開關(guān)、熱光調(diào)制器、可調(diào)諧光衰減器、可調(diào)諧功分器以及熱光可調(diào)諧濾波器等。且不受材料限制，可用于硅、高分子材料、二氧化硅等多種材料的光波導(dǎo)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是傳統(tǒng)的加熱裝置的截面圖。
[0021]圖2是本發(fā)明加熱裝置的俯視圖。
[0022]圖3是圖2中A區(qū)域的一種優(yōu)選實(shí)施放大俯視圖。
[0023]圖4是圖3的BB’截面的本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施圖。
[0024]圖5是圖3的BB’截面的本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施圖。
[0025]圖6是圖2中A區(qū)域的一種優(yōu)選實(shí)施放大俯視圖。
[0026]圖7是圖6的CC’截面圖。
[0027]圖8是本發(fā)明應(yīng)用于馬赫-澤德干涉儀的實(shí)施例圖。
[0028]圖中:1、平面光波導(dǎo)，2、第一接觸點(diǎn)，3、第二接觸點(diǎn)，4、第一連接導(dǎo)線，5、第二連接導(dǎo)線，6、襯底，7、隔離層，8、芯層，9、上包層，10、二維碳材料透明熱電阻。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030]參照?qǐng)D2，本發(fā)明的加熱裝置包含覆蓋在平面光波導(dǎo)1上的二維碳材料透明熱電阻10和連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3，平面光波導(dǎo)1由襯底6和自下而上依次沉積在襯底6上的隔離層7、芯層8和二維碳材料透明熱電阻10組成；二維碳材料透明熱電阻10部分覆蓋在平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面的一側(cè)，因沒(méi)有上包層9覆蓋于芯層8上，從而使得二維碳材料透明熱電阻10與芯層8直接接觸。
[0031]如圖2所示，兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3分別經(jīng)連接導(dǎo)線4、5連接在二維碳材料透明熱電阻10的兩端，第一接觸點(diǎn)2經(jīng)第一連接導(dǎo)線4連接到二維碳材料透明熱電阻1的一端，第二接觸點(diǎn)3經(jīng)第二連接導(dǎo)線5連接到二維碳材料透明熱電阻1的另一端，兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3置于襯底6上。
[0032]為了減小二維碳材料透明熱電阻的工藝制作難度，如圖5所示，本發(fā)明二維碳材料透明熱電阻具有更大寬度，并且一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面的一側(cè)，另一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8側(cè)面，覆蓋于芯層8上表面的熱電阻10的寬度小于芯層8的寬度。
[0033]為了減小二維碳材料透明熱電阻引起的平面光波導(dǎo)的光功率損耗，如圖6所示，同時(shí)減小工藝制作的難度，本發(fā)明二維碳材料透明熱電阻應(yīng)呈蛇形且一部分覆蓋在平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面的一側(cè)，另一部分完全覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8側(cè)面，兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3置于襯底6上，形成如圖7所示的最終裝置。
[0034]為了減小二維碳材料透明熱電阻引起的平面光波導(dǎo)的光功率損耗，如圖4所示，也可將全部二維碳材料透明熱電阻10均覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面的一側(cè)，這樣可有效減小二維碳材料熱電阻對(duì)平面光波導(dǎo)傳輸模式的光場(chǎng)吸收、減小光功率的損耗。
[0035]為了減小二維碳材料透明熱電阻引起的平面光波導(dǎo)的光功率損耗，參照?qǐng)D3?圖6，覆蓋在芯層8上表面的二維碳材料透明熱電阻10的寬度小于平面光波導(dǎo)1上芯層8的寬度，二維碳材料透明熱電阻10的中心位置偏離平面光波導(dǎo)1的芯層8的中心位置，處于偏心位置。
[0036]本發(fā)明裝置的制備方法，包括:
1)將隔離層7、芯層8依次沉積在襯底6上，利用光刻、刻蝕工藝制成平面光波導(dǎo)1;
2)利用濕法轉(zhuǎn)移工藝將二維碳材料轉(zhuǎn)移至平面光波導(dǎo)1，在二維碳材料上旋涂一層光刻膠，用光刻法形成二維碳材料透明熱電阻10的圖形，再利用干法刻蝕工藝制備得到二維碳材料透明熱電阻10;
3)將二維碳材料透明熱電阻10覆蓋在平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面的一側(cè)，其中心位置偏離芯層8的中心位置，覆蓋在芯層8上的寬度小于芯層8的寬度；
4)沉積金屬膜形成用于連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3，并與二維碳材料透明熱電阻10經(jīng)連接導(dǎo)線4，5相連，兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3置于襯底6上，形成如圖7所示的本發(fā)明裝置。
[0037]優(yōu)選地，考慮干法刻蝕制作二維碳材料透明熱電阻的光刻精準(zhǔn)度和工藝難度，二維碳材料透明熱電阻10可采用更大寬度，步驟3)中將二維碳材料透明熱電阻10 —部分覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面，另一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8側(cè)面上，如圖5，覆蓋于芯層8上表面的熱電阻10的寬度仍然小于芯層8的寬度。由于將二維碳材料薄膜轉(zhuǎn)移到平面光波導(dǎo)上時(shí)，二維碳材料薄膜會(huì)自然覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8的側(cè)壁上，這種設(shè)計(jì)不需要精準(zhǔn)的光刻、可以有效減小工藝制作的難度。而且，根據(jù)平面光波導(dǎo)傳輸模式的光場(chǎng)分布，覆蓋于側(cè)壁上的二維碳材料透明熱電阻不會(huì)引入過(guò)多的光功率損耗。
[0038]優(yōu)選地，為了減小二維碳材料透明熱電阻引起的平面光波導(dǎo)的光功率損耗，步驟
3)中將二維碳材料透明熱電阻10制成蛇形，并部分覆蓋在平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面。在不影響加熱效果的同時(shí)，可以減小二維碳材料透明熱電阻10與平面光波導(dǎo)1的接觸長(zhǎng)度，從而有效減小引入的光功率損耗，并且制備過(guò)程不需要精準(zhǔn)的光刻對(duì)準(zhǔn)、減小了工藝制作的難度截面圖見圖7。
[0039]步驟3)中將二維碳材料透明熱電阻10也可是全部均覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8上表面的一側(cè)。
[0040]優(yōu)選的步驟3)中的二維碳材料為單原子層。
[0041]本發(fā)明的實(shí)施例如下:
由于本發(fā)明不需要特殊工藝，因而可用于多種材料、結(jié)構(gòu)的熱光器件，具有很好的實(shí)用性。例如，將本發(fā)明應(yīng)用于馬赫-澤德干涉儀中參照?qǐng)D8，其中一個(gè)干涉臂引入本發(fā)明的二維碳材料加熱裝置，可改變MZI兩臂的光程差，從而實(shí)現(xiàn)熱光開關(guān)或調(diào)制。圖8虛線內(nèi)為本發(fā)明的二維碳材料加熱裝置。在此實(shí)施例子中選取硅納米線光波導(dǎo)。硅襯底6上形成有3 μ m厚的Si02隔離層7和250nm厚的Si芯層8，Si芯層8的寬度為600nm，平面光波導(dǎo)的脊高為250nm，即芯層被刻穿。
[0042]此例中，全部覆蓋于平面光波導(dǎo)1的芯層8上方見圖4，選取二維碳材料熱電阻的寬度為lOOnm，其中心位置與平面光波導(dǎo)1的芯層8的中心位置的距離為250nm。兩個(gè)接觸點(diǎn)2、3的尺寸均為100 μ mX 100 μ m,連接導(dǎo)線4、5仍然采用單原子層的二維碳材料薄膜，其長(zhǎng)度、寬度分別為2 μ m、500nm，兩個(gè)連接導(dǎo)線的間距也即熱電阻的長(zhǎng)度為30 μ m。采用以上設(shè)計(jì)，當(dāng)外加功率為5mW時(shí)，可使平面光波導(dǎo)的芯層溫度升高120多度，與二維碳材料透明熱電阻的溫度幾乎一致，且加熱的上升時(shí)間，即溫度變化值從0上升到最大值的90%所需要的時(shí)間，約為4.4ys。由此，本發(fā)明加熱裝置加熱過(guò)程中，芯層的溫度幾乎與熱電阻的溫度一致，采用這種加熱裝置的熱光器件可以實(shí)現(xiàn)最大的溫度調(diào)諧范圍，具有顯著的技術(shù)效果。
[0043]上述【具體實(shí)施方式】用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置，其平面光波導(dǎo)(I)由襯底(6)和自下而上依次沉積在襯底(6)上的隔離層(7)、芯層(8)和二維碳材料透明熱電阻(10)組成，其特征是:裝置包含覆蓋在平面光波導(dǎo)(I)上的二維碳材料透明熱電阻(10)和連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)(2、3)，二維碳材料透明熱電阻(10)覆蓋在平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面的一側(cè)，兩個(gè)接觸點(diǎn)(2、3)分別經(jīng)連接導(dǎo)線(4、5)連接在二維碳材料透明熱電阻(10)的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置，其特征是:所述的二維碳材料透明熱電阻(10)—部分覆蓋于平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面的一側(cè)，另一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)側(cè)面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置，其特征是:所述的二維碳材料透明熱電阻(10)呈蛇形且部分覆蓋在平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面的一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置，其特征是:所述的全部二維碳材料透明熱電阻(10)均覆蓋在平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置，其特征是:所述的覆蓋在芯層(8)上表面的二維碳材料透明熱電阻(10)的寬度小于平面光波導(dǎo)(I)上芯層(8)的寬度，二維碳材料透明熱電阻(10)的中心位置偏離平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)的中心位置。
6.用于制備權(quán)利要求1所述裝置的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將隔離層(7)、芯層(8)依次沉積在襯底(6)上，利用光刻、刻蝕工藝制成平面光波導(dǎo)(I); 2)利用濕法轉(zhuǎn)移工藝將二維碳材料轉(zhuǎn)移至平面光波導(dǎo)(I)，在二維碳材料上旋涂一層光刻膠，用光刻法制成二維碳材料透明熱電阻(10)的圖形，再利用干法刻蝕工藝制備得到二維碳材料透明熱電阻(10)； 3)將二維碳材料透明熱電阻(10)覆蓋在平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面的一側(cè)，其中心位置偏離芯層(8)的中心位置，覆蓋在芯層(8)上的寬度小于芯層(8)的寬度； 4)沉積金屬膜形成用于連接外部電源的兩個(gè)接觸點(diǎn)(2、3)，并與二維碳材料透明熱電阻(10)經(jīng)連接導(dǎo)線(4，5)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置的制備方法，其特征在于:所述的步驟3)中將二維碳材料透明熱電阻(10)—部分覆蓋于平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面的一側(cè)，另一部分覆蓋于平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)側(cè)面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置的制備方法，其特征在于:所述的步驟3)中將二維碳材料透明熱電阻(10)制成蛇形，其中部分覆蓋在平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面的一側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置的制備方法，其特征在于:所述的步驟3)中將全部二維碳材料透明熱電阻(10)均覆蓋于平面光波導(dǎo)(I)的芯層(8)上表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于二維碳材料的平面光波導(dǎo)加熱裝置的制備方法，其特征在于:所述的步驟3)中的二維碳材料為單原子層。
【文檔編號(hào)】G02B6/13GK104316995SQ201410547996
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】戴道鋅, 于龍海 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)