一种聚合物柔性的可变光衰减器及其制备方法技术

一种聚合物柔性的可变光衰减器及其制备方法，属于聚合物光波导柔性器件制备技术领域。本发明专利技术首先采用湿法腐蚀制备电极，制备波导与电极间隔层，而后利用突起高度不同的透明紫外纳米压印模板对版，制备凹槽，而后旋涂、固化芯层、包层材料，最后抛光(或采用准分子切割)器件，剥离得到柔性的聚合物可变光衰减器。与现有技术相比具备如下优势：首先制备电极，不会对耐热性不好的波导材料和抛光过程产生影响；采用透明紫外纳米压印过程对版，制备工艺简单、成本低；引入不同高度的模板结构，实现光波导与电极间距的精确控制；与现有抛光技术兼容，且可采用准分子激光器切割器件，无需抛光，快捷简便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于聚合物光波导柔性器件制备
，具体涉及一种聚合物柔性的可变光衰减器及其制备方法。
技术介绍
光波导器件是光通信和光网络的核心器件，其制备材料主要包括：玻璃、硅、二氧化硅和聚合物材料。其中聚合物材料具备良好的柔韧性，是柔性光波导器件的主要材料，柔性光波导器件，在柔性可调光耦合器、柔性激光器、柔性传感器领域均有相关报道[1-3]。聚合物柔性可变光衰减器是聚合物光波导重要的元器件，它利用聚合物材料热光系数大的特点，可在较低的功率实现光信号的衰减。目前，柔性的聚合物光波导器件通常先将柔性光波导器件制备在非柔性衬底上，器件制备后切割抛光端口，而后剥离得到柔性器件。但是，电极和波导制备方法制约该方法在制备聚合物柔性可变光衰减器领域的应用，主要表现在：1.现有方法首先制备波导，然后蒸发或溅射电极，在电极制备的过程中，对聚合物材料有损伤。2.电极金属薄膜制备后，芯层波导和电极光刻板由于金属层的存在对版困难(尤其是负版)。3.电极容易在后续抛光的过程中损坏和污染。基于上述原因，本专利技术首先提出了一种衬底电极的制备方法，保证电极制备对聚合物波导不产生影响，同时避免抛光过程对电极的损伤；其次，本专利技术针对衬底电极，设计了一种基于透明聚合物模板的光波导紫外压印方法，通过制备不同高度突起的模板结构，实现压印后波导与电极间距的精确控制，最后，本方法可采用传统抛光，也可以采用准分子激光直接切割薄膜器件，简便快r>捷。本专利技术对柔性聚合物光波导芯层材料没有限制，可以填充掺杂功能材料的聚合物柔性材料，在功能集成领域具备应用前景，同时本专利技术的柔性光波导器件可以粘贴于不同衬底，形成光电子集成芯片(OEIC)等集成芯片。
技术实现思路
本专利技术首先采用湿法腐蚀制备电极，而后利用突起高度不同的透明紫外纳米压印模板对版，制备凹槽，而后旋涂、固化芯层、包层材料，最后抛光(或采用准分子切割)器件，剥离得到柔性的聚合物可变光衰减器。与现有技术相比具备如下优势：1.首先制备电极，不会对耐热性不好的波导材料和抛光过程产生影响。2.采用透明紫外纳米压印过程对版，制备工艺简单、成本低。3.引入不同高度的模板结构，实现光波导与电极间距的精确控制。4.与现有抛光技术兼容，且可采用准分子激光器切割器件，无需抛光，快捷简便。具体工艺步骤如下，工艺流程图如附图1－图3所示：1.在矩形衬底1(二氧化硅、PMMA或玻璃，长1～3cm，宽0.5～2cm)上蒸镀50～200nm的金属膜2(Au或Al)；在金属膜2上旋涂光刻胶(BP212、BP218、SU-8等光刻精度小于1μm的光刻胶)；旋涂转数500～6000r/min，旋涂时间20～60s，形成0.5～3μm厚的光刻胶薄膜3，加热固化(烘箱或热板)，然后采用电极光刻板4(正性光刻胶(曝光的部分显影时被去掉)对应正版(电极图形为不透光)；负性光刻胶(曝光的部分显影时被留下)对应负版(电极图形为透光部分))掩膜，电极光刻板4上带有电极图形，电极图形为依次连接的左、中、右三段式条形结构；中间段条形结构为电极的有效加热区，条形宽为5～20μm，长度为5000～30000μm；左、右段条形结构的一端与中间条形结构的两端分别垂直连接，为电极的引出区；左、右条形结构位于有效加热区同侧，宽度与有效加热区的宽度相同，长度为1000～10000μm；在两个电极引出区的另一端设置有矩形结构的电极引脚，矩形长为1000～5000μm，宽为500～2500μm，且电极引出区位于电极引脚短边的中垂线上；采用光刻机5光刻后显影，在金属膜2上得到结构与电极图形相同的光刻胶掩膜层6，而后采用腐蚀液去除光刻胶掩膜层6覆盖区域以外的金属膜2，最后去除光刻胶掩膜层6，从而在矩形衬底1上得到具有电极引脚的三段式结构的金属电极7；2.在制备有金属电极7的衬底1上旋涂聚合物下包层(紫外固化NOA系列材料)，旋涂转数500～6000r/min，旋涂时间20～60s，形成1～5μm厚的薄膜，然后紫外曝光，光功率为200～300mW/cm2，曝光时间为200～600s，曝光后得到聚合物下包层8；3.PDMS模板的制备：在与矩形衬底1尺寸相同的二氧化硅衬底9上旋涂光刻胶(可以是BP218，SU-8等光刻精度小于1μm且成膜厚度大于2μm的光刻胶)，旋涂转数500～6000r/min，旋涂时间20～60s，形成2～9μm厚的光刻胶薄膜10(这里光刻胶薄膜10的厚度为压印后光波导突起的高度)，加热固化光刻胶薄膜10(烘箱或热板)，然后采用波导光刻板11掩膜光刻，波导光刻板11上带有MZ结构的条形波导图形，其中MZ的分支臂长度大于等于电极有效加热区长度，条形的宽度为2～10μm，采用光刻机5光刻后显影，在二氧化硅衬底9上得到MZ结构的条形波导光刻胶图形；然后在其上浇筑聚甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS与固化剂比例为1：6～1：10(质量比)而后自然剥离进行图形的转印，利用PDMS在紫外压印过程中较低的表面能，容易剥离，浇筑后抽真空静置20～60min，而后在50～80℃固化1～4h，形成PDMS模板12，最后去除衬底边缘的PDMS，得到用于压印的PDMS光波导模板13；4.在制备有金属电极7的衬底1上旋涂聚合物下包层材料(聚合物下包层材料是紫外固化NOA系列材料，如NOA88、NOA73)，旋涂转数500～6000r/min，旋涂时间20～60s，形成1～15μm厚的光刻胶薄膜14；然后在光刻胶薄膜14上覆盖PDMS光波导模板13，在紫外纳米压印机15或光刻机5上对准(保证电极有效加热区和MZ光波导分支臂的一臂在视野上观测重合)并压紧，曝光后在光刻胶薄膜14上形成具有凹槽的下包层16，该凹槽底部距离电极表面的距离为步骤2中NOA材料的厚度和压印后残留层厚度的和(残留层厚度100～500nm)；5.在下包层16上旋涂紫外固化液体的芯层材料(芯层材料为紫外固化NOA系列材料，如NOA61，其折射率高于包层材料以形成全反射)，旋涂转数500～6000r/s，旋涂时间20～60s，形成5～20μm厚的薄膜，然后在紫外灯(光功率为200～300mW/cm2)曝光，曝光200～600s，曝光后得到芯层17，在芯层17上进一步旋涂上包层材料(上包层材料为紫外固化NOA系列材料，其折射率低于芯层材料，如NOA88、NOA73)，旋涂转数500～6000r/s，旋涂时间20～60s，形成5～20μm厚的薄膜，然后在紫外灯(光功率为<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物柔性的可变光衰减器的制备方法，其步骤如下：1)在矩形衬底(1)上蒸镀50～200nm的金属膜(2)，再在金属膜(2)上旋涂光刻胶，形成0.5～3μm厚的光刻胶薄膜(3)，加热固化，然后采用电极光刻板(4)掩膜，电极光刻板(4)上带有电极图形，电极图形为依次连接的左、中、右三段式条形结构；中间段条形结构为电极的有效加热区，条形宽为5～20μm，长度为5000～30000μm；左、右段条形结构的一端与中间段条形结构的两端分别垂直连接，为电极的引出区；左、右段条形结构位于有效加热区的同侧，宽度与有效加热区的宽度相同，长度为1000～10000μm；在两个电极引出区的另一端设置有矩形结构的电极引脚，矩形长为1000～5000μm，宽为500～2500μm，且电极引出区位于电极引脚短边的中垂线上；采用光刻机(5)光刻后显影，在金属膜(2)上得到结构与电极图形相同的光刻胶掩膜层(6)，而后采用腐蚀液去除光刻胶掩膜层(6)覆盖区域以外的金属膜(2)，最后再去除光刻胶掩膜层(6)，从而在矩形衬底(1)上得到具有电极引脚的三段式结构的金属电极(7)；2)在制备有金属电极(7)的矩形衬底(1)上旋涂聚合物下包层，形成1～5μm厚的薄膜，然后紫外曝光，曝光后得到聚合物下包层(8)；3)PDMS模板的制备：在与矩形衬底(1)尺寸相同的二氧化硅衬底(9)上旋涂光刻胶，形成2～9μm厚的光刻胶薄膜(10)，加热固化光刻胶薄膜(10)，然后采用波导光刻板(11)掩膜，波导光刻板(11)上带有MZ结构的条形波导图形，其中MZ的分支臂长度大于等于电极有效加热区长度，条形的宽度为2～10μm，采用光刻机(5)光刻后显影，在二氧化硅衬底(9)上得到MZ结构的条形波导光刻胶图形；然后在其上浇筑聚甲基硅氧烷PDMS，PDMS与固化剂的质量比为1：6～1：10；自然剥离进行波导图形的转印，再真空静置20～60min，而后在50～80℃下固化1～4h，得到用于压印的PDMS光波导模板(13)；4)在制备有金属电极(7)的矩形衬底(1)上旋涂聚合物下包层材料，形成1～15μm厚的光刻胶薄膜(14)；然后在光刻胶薄膜(14)上覆盖PDMS光波导模板(13)，在紫外纳米压印机(15)或光刻机(5)上对准并压紧，曝光后在光刻胶薄膜(14)上形成具有凹槽的下包层(16)；5)在下包层(16)上旋涂芯层材料，形成5～20μm厚的薄膜，然后在紫外灯曝光，曝光后得到芯层(17)，在芯层(17)上进一步旋涂上包层材料，形成5～20μm厚的薄膜，然后在紫外灯曝光，曝光后得到上包层(18)，最后抛光或采用准分子激光器(19)对器件进行切割，最用镊子沿着矩形衬底(1)边缘将聚合物薄膜从衬底上揭下，得到柔性的聚合物可变光衰减器器件(20)。...

【技术特征摘要】
1.一种聚合物柔性的可变光衰减器的制备方法，其步骤如下：
1)在矩形衬底(1)上蒸镀50～200nm的金属膜(2)，再在金属膜(2)上
旋涂光刻胶，形成0.5～3μm厚的光刻胶薄膜(3)，加热固化，然后采用
电极光刻板(4)掩膜，电极光刻板(4)上带有电极图形，电极图形为
依次连接的左、中、右三段式条形结构；中间段条形结构为电极的有效
加热区，条形宽为5～20μm，长度为5000～30000μm；左、右段条形结
构的一端与中间段条形结构的两端分别垂直连接，为电极的引出区；左、
右段条形结构位于有效加热区的同侧，宽度与有效加热区的宽度相同，
长度为1000～10000μm；在两个电极引出区的另一端设置有矩形结构的
电极引脚，矩形长为1000～5000μm，宽为500～2500μm，且电极引出
区位于电极引脚短边的中垂线上；采用光刻机(5)光刻后显影，在金属
膜(2)上得到结构与电极图形相同的光刻胶掩膜层(6)，而后采用腐
蚀液去除光刻胶掩膜层(6)覆盖区域以外的金属膜(2)，最后再去除
光刻胶掩膜层(6)，从而在矩形衬底(1)上得到具有电极引脚的三段
式结构的金属电极(7)；
2)在制备有金属电极(7)的矩形衬底(1)上旋涂聚合物下包层，形成1～5μm
厚的薄膜，然后紫外曝光，曝光后得到聚合物下包层(8)；
3)PDMS模板的制备：在与矩形衬底(1)尺寸相同的二氧化硅衬底(9)
上旋涂光刻胶，形成2～9μm厚的光刻胶薄膜(10)，加热固化光刻胶薄
膜(10)，然后采用波导光刻板(11)掩膜，波导光刻板(11)上带有
MZ结构的条形波导图形，其中MZ的分支臂长度大于等于电极有效加
热区长度，条形的宽度为2～10μm，采用光刻机(5)光刻后显影，在二
氧化硅衬底(9)上得到MZ结构的条形波导光刻胶图形；然后在其上浇
筑聚甲基硅氧烷PDMS，PDMS与固化剂的质量比为1：6～1：10；自
然剥离进行波导图形的转印，再真空静置20～60min，而后在50～80℃
下固化1～4h，得到用于压印的PDMS光波导模板(13)；
4)在制备有金属电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣云骥，刘君实，刘豫，张大明，孙小强，陈长鸣，王焕然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22