一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器

1.本发明属于功能性光子芯片技术领域，具体涉及一种片上集成基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器。


背景技术：

2.光电探测器是一种能将光信号转换成电信号的检测元件，作为光纤传输网络接收端的重要组成部分,被广泛用于光通信系统中。特别是在光子集成收发模块的构建中，传统的片上半导体光电探测器必须通过异质结外延生长和离子注入的掺杂方式形成光电探测的基本结构，这不仅限制了光电探测的集成密度和灵活性，并且加大了硅光子一体化芯片的制备难度。如何实现尺寸小、集成度高、响应度快、性价比好的片上集成光电探测器已成为目前光子集成领域的研究热点。而与其他波导结构相比，微环谐振器作为重要的光信号处理单元可有效地实现滤波、复用/解复用、调制、开关、延时、路由、传感和放大等功能，特别是跑道式微环波导结构，其优势特性在于带宽大、兼容性好、精度高等，适用于光存储、波长选择和光级联等功能设计。本发明基于跑道式微环形成反馈式的光循环结构，通过导电聚合物波导与光信号之间产生的光热效应，将光能先转化为热能，再利用有源聚合物波导不同区域的温度梯度产生的塞贝克效应(seebeck effect)，实现热能到电能的转化。通过探测电极间电压及暗电流的变化，完成对不同功率光的强度探测，创新提出一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器。相关技术可满足我国对高速高密度光电检测系统的重要要求，对全光通信网络的建立具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种片上集成基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器。本发明采用环型反馈式波导结构提升光信号的检测效率，通过掺入金纳米粒子修饰的金属-有机骨架(au-mofs)，实现了导电聚合物波导芯层中光-热-电能量的高效转化。掺入了金纳米粒子的聚合物波导与光信号相互作用，产生表面等离子体共振现象，在电场作用下整个金纳米粒子的电子气团将产生相对纳米粒子原来位置的位移，并随电磁场的波动而振荡，从而引起内部晶格的共振，并获得大量热能，以实现光-热能量间的转化；基于导电聚合物波导不同区域的温度梯度产生塞贝克效应，通过热电响应实现热-电间的能量转化。利用搭接金属电极检测电压和暗电流的变化，实现片上集成光-热-电转化式的环形导电聚合物波导光电探测器。
4.本发明所述的一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，采用环形波导结构，如附图1(a)所示为波导立体结构图，从下至上由衬底层1、阻挡层2、包层3、芯层4和探测电极层5组成；芯层4嵌入到包层3中，芯层4的上表面和包层3的上表面位于同一平面；如附图1(b)所示，沿光传输方向，芯层4为由顺次链接的输入端y分支型波导41、第一直波导42、第一半环型反馈式波导43，第二直波导44和第二半环型反馈式波
导45五部分组成的环形跑道波导结构；探测电极5由前端嵌入第一直波导42和包层3之间、后端位于包层3之上的条形电极通过电极引线外连正方形平板探测电极组成。
5.如附图1(c)为片上集成基于光-热-电能量转化的导电聚合物波导光电探测器图1(a)中a处截面示意图，自下而上依次由衬底层1、阻挡层2、包层3、芯层4和探测电极层5组成，以空气作为芯层4的上包层，包层3和芯层4为不同材料，芯层4经紫外光固化后得到，其折射率大于包层3的折射率，使光较好的束缚在芯层传输。
6.本发明所述的衬底层1材料为磷化铟、砷化镓、硅中的任意一种。
7.本发明所述的阻挡层2材料为sio2；
8.本发明所述的包层3材料为pmma、p(mma-gma)中的任意一种。
9.本发明所述的金属探测电极5材料为金、铝、铬中的任意一种。
10.本发明所述的芯层4材料是将金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末(au-mofs)掺杂在聚合物材料中经紫外固化后得到，所述的聚合物材料为导电su-8、导电fsu-8中的任意一种。
11.如附图2所示，本发明所述的一种片上集成基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，所用信号光λ为532nm激光器所发出的光，信号光λ通过y型分支波导的下支输入(y型分支波导的上支波导与第二半环形反馈式波导45部分重合)，依次经过环形跑道波导的第一直波导段42、第一半环形反馈式波导43、第二直波导44和第二半环型反馈式波导45并再次进入第一直波导42，如此循环往复；光功率不断在环形跑道型波导内积聚，产生一定的光热效应并在掺入的金纳米粒子作用下使光热效应表现显著便于探测；根据塞贝克效应，上述波导显著的热势差会产生在第一直波导42的两端产生一定的电势差，通过掺杂的金属-有机骨架使不同极性粒子在波导两端积聚，实现较大电势差增益，并在第一直波导42两端引入一对金属探测电极通过外加伏安表测试其电势差变化。当波导中通入不同功率的信号光时，在相同电极上测试到的电势不同，进而达到光电探测的功能。
12.金纳米粒子修饰的金属-有机骨架的作用有以下两点：
13.1.金纳米粒子的与光波相互作用时发生表面等离子体共振，在电场作用下整个金纳米粒子的电子气团将产生相对纳米粒子原来位置的位移，并随电磁场的波动而振荡，而引起内部晶格的共振，并获得大量热能，以实现光-热转换。
14.2.金属-有机骨架是一种金属离子化合物材料，具有较高的比表面积和孔隙率，可以在有机配体上添加所需的官能团，在本发明中作为金纳米粒子的载体，增加光吸收，并且使金纳米粒子在芯层材料中均匀分布。
15.与现有器件结构和制备技术相比，本发明的显著优点是：
16.(1)与现有波导光电探测器相比，本发明基于低成本聚合物波导材料，制备方法简便，极大简化了工艺流程，通过反应离子刻蚀并灌注波导材料即可形成波导，且波导形貌易控制。
17.(2)与传统材料波导光电探测器相比，本发明采用掺杂au-mofs极大提高了其光-热转换效率，并实现高塞贝克效应的热电增益。
18.(3)与传统波导上层制备电极相比，将探测电极制备在波导下侧槽内并覆盖的方法可以有效降低热散失，使热电势更显著。
19.(4)与现有波导光电探测器相比，本发明所制器件基于环形反馈式波导结构，大大
提高了光利用率。
附图说明
20.图1为本发明所述的一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器的结构示意图；其中图a)为一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器的立体结构示意图；图b)为一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器的顶视图；图c)为一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器截面示意图。
21.图2为本发明所述的一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器在输入光波长λ＝532nm时的光传输路径。
22.图3为本发明所述的实施例1中一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器的波导截面尺寸示意图。
23.图4为本发明所述的实施例1的器件尺寸示意图；
24.图5为本发明实施例1中使用芯层材料在500-600nm波段的吸收谱线，并可观察在532nm波长处材料有明显吸收峰。
25.图6为本发明实施例1中波导芯层温度随输入的532nm波长激励光功率的变化曲线。
26.图7为本发明实施例1中仿真的热电势随波导芯层温度变化曲线，结果表明二者呈正比，斜率为6.5μv/℃。
27.图8为本发明实施例1中电势随激励光功率变化曲线，是根据波导芯层温度随激励光功率变化曲线和热电势随波导芯层温度变化曲线计算得来，斜率为33.28μv/mw。
28.图9为本发明实施例1器件的制备工艺流程图。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明进行更加清晰、完善的介绍，本领域人员将在本描述下对本发明的优点及功能有更深入的了解，但所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1：
31.本实施例中选用的衬底层1为厚度730μm的硅衬底；
32.本实施例中选用的阻挡层2为5μm厚的sio2；
33.本实施例中选用的包层3为厚度8μm的pmma；
34.本实施例中选用的探测电极5为厚度为100nm的铝电极。
35.本实施例中所用自主合成的金纳米粒子修饰的金属-有机骨架纳米粒子化学式，其中的球体为掺杂的金纳米粒子，束缚在如下式所示的金属-有机骨架中，制备方法及实验谱图详见参考文献(ke wu,xiaoya miao,yunlong yu,et al.highly sensitive humidity sensor based on proton conducting au nanoparticles-modified metal
–
organic frameworks[j].ieee sensors journal,2023,23(3):1867-1874.)。
[0036][0037]
本实施例中芯层4所用材料为自主合成的金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂的导电su-8。
[0038]
本实施例的芯层4材料所用金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末的质量用量为金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末和导电su-8材料质量和的0.166％，其中，金纳米粒子质量约占金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末质量的5％。
[0039]
如附图3所示，本实施例中芯层4的厚度为3.6μm，阻挡层2的厚度为8μm，芯层4嵌入到包层3之中，芯层4的上表面和包层3的上表面位于同一平面；如附图4所示，本实施例中所有波导芯层4的宽度均为10μm，y分支型波导41长度为20000μm，其曲率半径r为1500μm(为与第二半环形波导保持形状对称)，环形跑道型波导的第一、第二直波导部分长度均为8000μm，第一半环型反馈式波导43和第二半环型反馈式波导45的内径均为1500μm，外径均为1510μm；探测电极5由前端嵌入第一直波导42和包层3之间的条形电极(长1200μm、宽30μm，探测电极5前端嵌入第一直波导42和包层3之间部分的宽度为5μm，探测电极5后端位于包层3之上部分的宽度为25μm)通过电极引线(长1000μm、宽20μm)外连正方形平板探测电极(边长1000μm)组成。
[0040]
本实施例中所用金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂的导电su-8材料的基本合成方法如下：
[0041]
1、取用2.9989g的导电su-8光刻胶置于洗干净的称量瓶中，再加入5mg自主合成的金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末(具体合成原理及路径已发表在ke wu,xiaoya miao,yunlong yu,et al.highly sensitive humidity sensor based on proton conducting au nanoparticles-modified metal
–
organic frameworks[j].ieee sensors journal,2023,23(3):1867-1874.)。
[0042]
2、将称量瓶用锡纸包住在避光情况下放入超声波清洗机中，在45℃的温度下超声搅拌6小时(使金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末在导电su-8溶液中完全分散均匀)，可得到金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂的导电su-8芯层材料。
[0043]
本实施例选取中心波长为532nm，本实施例虽可实现多个波段信号光功率探测，但如附图5au-mofs经uv-3600测得的吸收谱所示，芯层材料在532nm波长下有显著吸收峰，因此在此波长信号光下测试效果更优，所以选用532nm信号光作为本实施例探测光。
[0044]
本实施例中所用芯层材料折射率在532nm波长下为1.596。
[0045]
本实施例通过comsol软件模拟了掺入au-mofs的导电su-8吸收532nm波长激励光时的光-热-电转换效果。附图6由r-soft软件模拟，由附图6可知，随着532nm激励光功率逐渐增大波导芯层4温度整体呈上升趋势，附图7由comsol软件模拟，由附图7可知，本实施例提出的掺入au-mofs的导电su-8第一直波导冷热两端电势差与波导两端温差成正比，由于
上述模拟中波导芯层温度随光功率增大而增大，可知第一直波导冷热两端电势差随激励光功率的增大而增大，变化速率约为6.5μv/k。
[0046]
本实施例中所制的一种片上集成光-热-电转化式的导电聚合物波导光电探测器的制备方法，其步骤如附图8所示，具体描述如下：
[0047]
a.以硅衬底1上生长的二氧化硅层作为阻挡层1，首先对二氧化硅表面进行清洁，将带有阻挡层2的硅衬底1放在装有丙酮溶液的烧杯中，在超声机中超声清洗10分钟后取出，再放入装有异丙醇溶液的烧杯中，在超声机中超声清洗10分钟后取出，再放在装有去离子水的烧杯中，在超声机中超声清洗10分钟，取出后使用氮气枪将硅片表面去离子水吹干，最后将带有阻挡层2的硅衬底1放在玻璃器皿中放入烘箱烘干(150℃，30min)，即可去除表面水分及有机杂质。将pmma旋涂(2500转/分钟，时间20秒)在清洁后的二氧化硅表面，旋涂后立即在加热板上进行热固化(120℃，30分钟)制成pmma包层；
[0048]
b.在pmma表面蒸镀一层200nm厚的铝保护层6；
[0049]
c.以bp212旋涂(3000转/分钟，时间20秒)在铝保护层的表面，旋涂后立即在热板上进行热固化(前烘：87℃，10分钟；后烘：92℃，20分钟)作为掩膜7；
[0050]
d.用环形跑道型负版光刻版经紫外曝光(曝光时间3.5秒)使准备刻蚀的凹槽部分的铝露出并用氢氧化钠溶液(氢氧化钠粉末质量：水质量＝2g：500g)洗去露出的铝保护层；
[0051]
e.再次紫外曝光(曝光时间15秒)除去剩余的bp212掩膜，只留下波导部分露出、其他部分被铝保护层遮盖的pmma包层；
[0052]
f.将制备的pmma包层采用反应离子刻蚀法(o2:与ar体积比为4:1，时间200秒)制备出3.6μm深pmma凹槽；
[0053]
g.以d中所述同一浓度比例氢氧化钠洗去铝保护层6并浸泡在酒精中30s洗去pmma凹槽表面杂质；
[0054]
h.在制备好的pmma凹槽表面蒸镀一层100nm厚的铝电极层5’；
[0055]
i.以bp212旋涂(3000转/分钟，时间20秒)在铝的表面，旋涂后立即在热板上进行热固化(前烘：87℃，10分钟；后烘：92℃，20分钟)作为掩膜；
[0056]
j.用与附图4中电极同形状电极版正版经紫外曝光(曝光时间3.5秒)去除掩膜8使需要制备铝电极以外的铝电极层5’露出；
[0057]
k.用步骤d中同一浓度氢氧化钠洗去露出部分的铝电极层5’，经去离子水冲洗、氮气枪吹干后再次紫外曝光(曝光时间15秒)除去bp212掩膜8，铝探测电极5制备完成；
[0058]
l.将金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂的导电su-8芯层材料在超声机中超声30分钟(使纳米粒子分散均匀)，然后旋涂(转速：3000转/分钟，时间：20秒)在清洁后及制备了铝探测电极5的pmma凹槽表面，旋涂后立即紫外曝光5秒，再在加热板行热固化(前烘：65℃，10分钟；后烘：95℃，40分钟)，得到金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂的导电su-8芯层材料涂层4；至此，器件工艺全部完成。

技术特征：
1.一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，采用环形波导结构，其特征在于：从下至上由衬底层(1)、阻挡层(2)，包层(3)、芯层(4)和探测电极层(5)组成；芯层(4)嵌入到包层(3)中，芯层(4)的上表面和包层(3)的上表面位于同一平面；沿光传输方向，芯层(4)为由顺次链接的输入端y分支型波导(41)、第一直波导(42)、第一半环型反馈式波导(43)、第二直波导(44)和第二半环型反馈式波导(45)五部分组成的环形跑道波导结构，y型分支波导的上支波导与第二半环形反馈式波导(45)部分重合；探测电极(5)由前端嵌入第一直波导(42)和包层(3)之间、后端位于包层(3)之上的条形电极通过电极引线外连正方形平板探测电极组成。2.如权利要求1所述的一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，其特征在于：衬底层(1)材料为磷化铟、砷化镓、硅中的任意一种，阻挡层(2)材料为sio2，包层(3)材料为pmma、p(mma-gma)中的任意一种，探测电极(5)材料为金、铝、铬中的任意一种；芯层(4)材料是将金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂在聚合物材料中经紫外固化后得到，所述的聚合物材料为导电su-8、导电fsu-8中的任意一种。3.如权利要求1所述的一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，其特征在于：衬底层(1)为厚度730μm的硅衬底，阻挡层(2)为厚度5μm的sio2，包层(3)为厚度8μm的pmma，探测电极(5)为厚度为100nm的铝电极；芯层(4)为金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂在导电su-8中经紫外固化后得到，芯层(4)的厚度为3.6μm、宽度为10μm。4.如权利要求1所述的一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，其特征在于：y分支型波导(41)的长度为20000μm，其曲率半径r为1500μm；第一直波导(42)和第二直波导(44)的长度均为8000μm；第一半环型反馈式波导(43)和第二半环型反馈式波导(45)的内径均为1500μm，外径均为1510μm；探测电极5条形电极的长为1200μm、宽为30μm，其前端嵌入第一直波导(42)和包层(3)之间部分的宽度为5μm，其后端位于包层(3)之上部分的宽度为25μm；电极引线的长为1000μm、宽为20μm；正方形平板探测电极的边长为1000μm。

技术总结
一种片上集成的基于光-热-电能量转化的环形导电聚合物波导光电探测器，属于功能性光子芯片技术领域。由衬底层、阻挡层、包层、芯层和探测电极层组成；芯层嵌入到包层中，芯层的上表面和包层的上表面位于同一平面；芯层为由顺次链接的输入端Y分支型波导、第一直波导、第一半环型反馈式波导，第二直波导和第二半环型反馈式波导五部分组成的环形跑道波导结构；芯层是将金纳米粒子修饰的金属-有机骨架粉末掺杂在聚合物材料中经紫外固化后得到。本发明通过激励光功率变化使掺入金纳米粒子的波导芯层的光热效应发生改变，基于塞贝克效应外加探测电极以实现对热电势的监测；本发明探测器具有低成本、尺寸小、集成度高、响应度快等特点。响应度快等特点。响应度快等特点。


技术研发人员：陈长鸣 崔安琪 费腾 苗晓雅 林航 孙相宜 王春雪 岳建 吴可 张大明
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/21