本發(fā)明涉及聚合物光波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)混合集成光子芯片制備，具體涉及一種聚合物二氧化硅同平面異質(zhì)波導(dǎo)調(diào)制臂的馬赫-曾德?tīng)?mach-zenhder，m-z)混合集成光波導(dǎo)溫度傳感器。

背景技術(shù)：

1、多材料混合集成光子芯片是光子芯片領(lǐng)域的重要分支，混合集成光子芯片利用不同性質(zhì)的波導(dǎo)材料在片上進(jìn)行集成，以提高光子芯片功能、性能為目的。二氧化硅芯片是重要的無(wú)源光子芯片材料，具有低損耗、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于耦合器、分束器、awg等商用芯片。聚合物材料是光波導(dǎo)器件的重要材料，特別是其高熱光系數(shù)、高生物兼容性、自愈性，尤其適用于熱光器件、可穿戴和傳感應(yīng)用領(lǐng)域。光波導(dǎo)溫度傳感器是現(xiàn)階段聚合物和二氧化硅的混合集成光子器件的重要方向，該方向主要利用聚合物的高熱光系數(shù)，提升溫度傳感器的傳感器靈敏度。

2、m-z光波導(dǎo)傳感器是實(shí)現(xiàn)溫度傳感的重要結(jié)構(gòu)，相比于光柵等傳感結(jié)構(gòu)，m-z光波導(dǎo)傳感器不需要光譜的檢測(cè)，其制備不需要亞微米工藝精度。現(xiàn)有的m-z光波導(dǎo)傳感器兩臂主要為同種材料的波導(dǎo)，通過(guò)改變兩個(gè)m-z分支臂的長(zhǎng)度或改變分支臂的寬度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)m-z。當(dāng)溫度變化時(shí)，非對(duì)稱(chēng)m-z兩臂的相位差變化不同，從而影響輸出光強(qiáng)，將溫度和輸出光強(qiáng)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)傳感。雖然改變兩臂長(zhǎng)度和改變寬度可以增加兩臂的相位差，但是當(dāng)溫度變化時(shí)，兩臂的相位差變化方向是同方向的(因?yàn)闊峁庀禂?shù)是一致的)，因此不利于傳感精度的提升。

3、現(xiàn)有的聚合物和二氧化硅集成的m-z溫度傳感器集成方案中，主要采用多層膜的結(jié)構(gòu)，主要包括結(jié)構(gòu)一：采用聚合物作為波導(dǎo)芯層，二氧化硅作為襯底，該結(jié)構(gòu)采用二氧化硅作為襯底，配合光敏性芯層材料，其加工工藝簡(jiǎn)單；結(jié)構(gòu)二，采用二氧化硅凹槽作為襯底，聚合物作為芯層，該結(jié)構(gòu)主要適用于不具備光敏性的聚合物材料，形成的為脊型波導(dǎo)。上述結(jié)構(gòu)m-z兩個(gè)臂也采用同種材料，因此不利于傳感精度的提升。

4、另外還有一種多層集成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)首先制備二氧化硅芯片芯層和包層，然后對(duì)表面進(jìn)行拋光，拋光后灰度光刻制備兩側(cè)帶有斜面耦合端口的聚合物波導(dǎo)。該結(jié)構(gòu)m-z的兩臂當(dāng)溫度變化時(shí)，其相位變化方向相反，因此溫度變化會(huì)帶來(lái)更大的相位差變化，因此傳感精度更高，但是當(dāng)二氧化硅波導(dǎo)制備后，拋光的成本和制備效率受到影響，同時(shí)需要特殊的灰度光刻設(shè)備和光刻板，增加的器件的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，該傳感器同時(shí)具備損耗低、工藝簡(jiǎn)單、低成本、傳感精度高、高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成等優(yōu)勢(shì)。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：

3、一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，包括：

4、具有三層膜結(jié)構(gòu)的基底芯片，其從上到下依次包括：

5、高折射率的第一二氧化硅層，其折射率為1.455～1.48；

6、低折射率的第二二氧化硅層，其折射率為1.44～1.45；

7、基層，所述基層為單晶硅層或低折射率二氧化層；

8、在所述低折射率的第二二氧化硅層上形成有m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層，其包括兩個(gè)分支臂，其中一個(gè)分支臂為聚合物波導(dǎo)，另一個(gè)分支臂為二氧化硅波導(dǎo)，兩個(gè)分支臂均位于同一平面上；其中，二氧化硅波導(dǎo)為刻蝕基底芯片中的高折射率二氧化硅層得到；

9、在m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層中，光在其輸入端被分為兩路，分別沿著兩個(gè)分支臂傳播，隨后在其輸出端重新合并；其中，由于聚合物波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)的熱光系數(shù)不同，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，所述聚合物波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)的光相位變化方向相反，在m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層的輸出端表現(xiàn)為光強(qiáng)的顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的檢測(cè)溫度變化。

10、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，所述第一二氧化硅層的厚度為2～8μm，所述第二二氧化硅層的厚度為3～10μm，所述基層的厚度為100～1000μm。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，所述聚合物波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)的制備步驟包括：

12、提供高折射率的第一二氧化硅層制作m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層的二氧化硅波導(dǎo)部分；

13、選取在垂直方向投影為長(zhǎng)方形的三層膜結(jié)構(gòu)的基底薄片；

14、在基底芯片上蒸發(fā)掩膜層，用于制作二氧化硅波導(dǎo)的掩膜層；

15、旋涂光刻膠，形成光刻膠薄膜層，厚度為0.1～5μm；

16、采用光刻板或無(wú)掩膜光刻機(jī)在光刻膠薄膜層上導(dǎo)入圖形進(jìn)行光刻后顯影，得到光刻膠掩膜層。

17、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，在制作二氧化硅波導(dǎo)時(shí)，采用掩膜刻蝕試劑刻蝕掩膜層得到波導(dǎo)掩膜圖形；

18、采用等離子體刻蝕或icp刻蝕得到波導(dǎo)芯層，刻蝕深度為d3的深度；

19、用對(duì)應(yīng)光刻膠顯影液去除光刻膠掩膜層，用對(duì)應(yīng)溶液去除波導(dǎo)掩膜圖形，即可得到二氧化硅波導(dǎo)芯片。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，在二氧化硅波導(dǎo)芯片上旋涂波導(dǎo)芯層材料，得到聚合物波導(dǎo)芯層材料薄膜，薄膜厚度d6為1～10μm，等于波導(dǎo)d3厚度；

21、采用m-z圖案光刻板，進(jìn)行光刻或采用無(wú)掩膜光刻機(jī)導(dǎo)入與所述m-z圖案光刻板一致的圖形文件，并進(jìn)行顯影后得到聚合物波導(dǎo)，從而形成m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

22、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，在m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)旋涂聚合物包層，該包層厚度d7比d6厚1.5～5μm。

23、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，對(duì)包層后的m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接切割，沿著投影方向上垂直于輸入輸出直波導(dǎo)并與la段輸入波導(dǎo)垂直相交，即得到雙臂為異質(zhì)的m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層，最后接入光纖與光功率計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

24、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，所述m-z圖案光刻板的兩個(gè)m-z結(jié)構(gòu)包括：

25、輸入輸出區(qū)(a)的長(zhǎng)度la為0.02～5mm的直波導(dǎo)；

26、輸入輸出y分支區(qū)(b)的長(zhǎng)度lb，該長(zhǎng)度為y分支區(qū)沿波導(dǎo)傳播方向的長(zhǎng)度。

27、根據(jù)本發(fā)明提供的一種聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器，在m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層中，兩個(gè)分支臂間距x6為10～60μm，且保證曲率半徑r為3500～7000μm，表示為以下公式：

28、

29、其中，(c)段為波導(dǎo)另一臂，其長(zhǎng)度lc為1000～30000μm，兩段(d)為并行區(qū)域，其光刻板一側(cè)于波導(dǎo)平行且貼合，長(zhǎng)度ld為5～500μm；

30、其中，(e)為耦合段，其起始段始于(d)的一端，在z方向上的延伸量為le為50～1000μm，在x方向上的偏移量為x2，使得終點(diǎn)與直波導(dǎo)完全貼合；

31、其中，約束公式為le≥2(ld+le)以及(la+lb+lc)≤l1，最后為輸出波導(dǎo)(a)。

32、由此可見(jiàn)，相比較現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

33、損耗低：本發(fā)明相比于采用直接對(duì)接耦合的方式，其光場(chǎng)泄露損耗更低。

34、工藝簡(jiǎn)單、低成本：本發(fā)明與多層方式結(jié)合灰度光刻的m-z溫度傳感器集成方式相比，利用直接光刻圖案代替灰度光刻和拋光，其工藝更加簡(jiǎn)單和快捷，成本也更低。

35、傳感精度高：本發(fā)明與傳統(tǒng)兩臂同材料的非對(duì)稱(chēng)m-z相比，兩臂為不同材料，在同樣尺寸下，m-z光波導(dǎo)兩臂的相位差向相反的方向變化，其溫度傳感器的傳感精度更高。

36、高靈敏度：由于聚合物波導(dǎo)和二氧化硅波導(dǎo)的熱光系數(shù)存在顯著差異，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，兩者產(chǎn)生的光相位變化方向相反，這種相位差在m-z干涉儀的輸出端會(huì)轉(zhuǎn)化為顯著的光強(qiáng)變化，這種機(jī)制使得傳感器對(duì)溫度變化的響應(yīng)非常靈敏，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的溫度測(cè)量。

37、寬溫度范圍測(cè)量：聚合物材料通常具有較大的熱光系數(shù)，使得傳感器能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持較高的靈敏度。同時(shí)，二氧化硅的穩(wěn)定性保證了傳感器在高溫或低溫環(huán)境下的長(zhǎng)期可靠性。

38、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成：傳感器采用三層膜結(jié)構(gòu)的基底芯片，并在其上構(gòu)建m-z光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)層，這種設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了制造工藝，還使得傳感器易于與其他光學(xué)元件或系統(tǒng)集成，便于在復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用。

39、良好的兼容性和穩(wěn)定性：基層可選擇硅或二氧化硅層，這些材料在半導(dǎo)體和光學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，因此傳感器在材料選擇和工藝兼容性方面具有較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，二氧化硅的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度保證了傳感器在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久性。

40、成本效益：盡管聚合物材料在某些方面可能成本較高，但整體而言，由于傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于制造，加之對(duì)高精度溫度測(cè)量的需求日益增長(zhǎng)，使得該傳感器在成本效益方面具有較好的競(jìng)爭(zhēng)力。

41、多領(lǐng)域應(yīng)用潛力：由于具有高靈敏度和寬溫度范圍測(cè)量的特點(diǎn)，該傳感器在通信、醫(yī)療、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用潛力，特別是在需要精確溫度控制的場(chǎng)合，如光纖通信系統(tǒng)中的溫度補(bǔ)償、生物醫(yī)學(xué)中的溫度監(jiān)測(cè)等。

42、綜上所述，本技術(shù)提出的聚合物二氧化硅異質(zhì)調(diào)制臂的m-z光波導(dǎo)溫度傳感器在損耗低、工藝簡(jiǎn)單、低成本、傳感精度高、靈敏度、溫度范圍、集成性、穩(wěn)定性、成本效益以及應(yīng)用潛力等方面均表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。

43、下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。