一种用于电光调控的三维集成的微纳器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的三维集成的微纳光电器件；本发明专利技术的三维集成的微纳器件可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电光调控的三维集成的微纳器件及其制备方法
本专利技术属于三维光电集成
，具体涉及一种用于电光调控的三维集成的微纳器件及其制备方法和用途。
技术介绍
光电集成是指把光器件和电器件集成为具有某种光电功能的模块或组件，是继微电子集成技术之后，近十几年来迅速发展的高技术。光电集成芯片上光子学与电子学组分的交互作用可以在同一芯片上实现超高信息密度和超快信息处理速度，是信息行业发展的必然趋势。信息爆炸带来的海量数据对于通信容量和信息的集成度提出了更高的要求，而三维集成作为一种超高密度的集成方式，在实现高通量通信方面拥有非常巨大的潜力。因此，在芯片上构筑具有三维结构几何特征的电光信号转化器件变得非常关键。目前已报导的实现电光调控器件的常用手段是基于非中心对称晶体或者特定聚合物的电光效应来实现电光调制器件，但受材料本身光学性质以及加工性能的限制，很难实现在三维集成回路中对特定微纳器件(包括微纳光源和光波导)的局域化电调控。因此，构筑一种可用于电光调控的三维集成式的微纳器件是非常必要的。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术采用如下技术方案：一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件。本专利技术还提供上述用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：r>1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；2)按照预先设计好的图案，采用掩膜板法，在薄膜样品上制备得到金属加热回路软模板；3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后清洗掉聚合物，在基底上留下微型金属回路，制备得到形成有金属加热微环的基底；4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤3)所得的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂，得到涂覆有所述低聚物的基底；5)采用3D打印技术，根据设计的模型在步骤4)的基底上进行3D打印，得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到三维集成的微纳器件。本专利技术提供了上述有机微纳激光/金属加热微环集成的模块的应用，其可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。本专利技术中所述“有机微纳激光”是指具有三维立体结构的有机微纳激光器件。本专利技术的有益效果：1.本专利技术提供了一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的三维集成的微纳光电器件；所述有机微纳激光的材质为低聚物，所述低聚物可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应，使其可以利用3D打印技术加工成为具有三维立体结构的高质量的微纳激光谐振腔；所述有机微纳激光的材质还包括功能染料，例如有机小分子激光染料，其使具备出射相干光的光学增益能力；此外，所述聚合物具有良好的热光效应，其制备得到的微纳激光的谐振波长可随外界温度变化发生明显移动，并与金属加热微环相集成，有助于为有机微纳激光提供局域化的外界刺激，以实现可在原位电调控的波长可调的微纳器件的制备。所述器件利用3D打印技术可控制备得到任意形状的微纳结构，不仅可以构筑复杂的耦合结构实现对光学信号的调制，比如构筑耦合腔实现激光信号选模，还可以在第三维度上对微纳光学器件的功能及信息传输维度进行拓展，实现了光学器件和电学器件在第三维度上的分离，有潜力实现高信息集成密度、低功耗的三维集成光学回路，同时有机高分子聚合物材料对外界刺激具有灵敏的响应性，利用该类材料优异的热光效应，在微纳尺度上对单个相干光源器件的波长实现了选择性电调控。将该类主体材料掺杂染料分子制备得到的微纳激光与金属加热微环相集成，有望实现电调控的微纳器件的制备，为构筑三维集成回路中的电光调控模块提供有益借鉴。2.本专利技术提供了一种用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述制备方法加工精度高，制备过程高度可控，加工位点可寻址，通过利用3D打印技术根据预先设计好的数据模型在薄膜样品内部特定地点诱导双光子聚合反应的发生，可以一步法得到具有三维立体结构的微腔。所设计的微纳激光与基底之间由一支撑结构分隔开，消除了基底带来的光场泄露，可以有效提高微腔的品质因子也就是Q值，有利于实现低阈值微纳激光器。同时，微纳激光与基底相互分离，可有效避免基底粘连对调控效果的负面影响，在同等功耗条件下可实现更为有效的调控。3.本专利技术的三维集成的微纳器件可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。附图说明图1为制备例1的金属加热微环的制备过程流程图。图2为制备例1的金属加热微环的性能测试图。图3为实施例1的有机微纳激光的制备过程流程图。图4为实施例1的有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的制备过程流程图。图5为实施例1-2使用的SU-8光刻胶在可见及近红外区间的荧光吸收光谱。图6为实施例1-2使用的激光染料分子罗丹明B的荧光吸收与发射光谱。图7为实施例1制备的添加有RhB的有机微纳激光的扫描电镜与荧光显微图。图8为实施例1制备的不同尺寸的有机微纳激光的激光性能测试结果图。图9为实施例1制备的不同尺寸的有机微纳激光的响应性能测试图。图10为用于电光调控的三维集成微纳器件的设计理念展示图。图11为实施例2的双盘耦合结构的制备过程流程图。图12为实施例2制备的添加有RhB的双盘耦合结构的性能测试图。图13为实施例1的双盘耦合有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的性能测试图。具体实施方式专利技术人发现，有机材料具有优异的掺杂灵活性，可以与激光染料等功能分子相掺杂，实现可见光谱范围内的主动发光的光学功能器件的制备，所述光学功能器件包括但不局限于微纳激光和光波导。有机材料还具有良好的机械柔性和可加工性，可制备成高质量的微纳光学结构，比如光学微腔和光波导；所述微纳光学结构可以对光子进行良好的限域、传输和调制；同时有机材料优良的材料兼容性允许它们可与不同材质不同功能的微结构相集成以实现功能更复杂的光子学功能器件。如前所述，本专利技术提供一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，其中，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，其中，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件。


2.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光具有微纳结构且掺杂激光染料，其可以作为激光光源，所述金属加热微环可以作为电调控单元。


3.根据权利要求1或2所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光是带有支撑结构的有机微纳激光。
优选地，所述带有支撑结构的有机微纳激光的材质为SU-8光刻胶、聚丙烯酰胺、聚戊四醇三丙烯酸酯或聚乙二醇二丙烯酸酯。
优选地，所述带有支撑结构的有机微纳激光中包括增益介质，所述增益介质的含量为0.25-2wt％；所述增益介质选自激光染料，所述激光染料选自罗丹明类染料，香豆素类染料等。


4.根据权利要求1-3任一项所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光可以是圆柱形结构、微盘结构、立方体结构、长方体结构、球体结构、多边形棱柱结构、半球结构或微环结构。
优选地，所述有机微纳激光的直径为2-24μm，厚度为0.1-5μm，优选地，所述有机微纳激光的直径为8μm，厚度为2μm。
优选地，所述支撑结构的形状为圆柱形、立方体、球形或其他可以起到支撑和分隔作用的立体形状。优选地，所述支撑结构的高度为2-20μm，优选地，所述支撑结构的高度为10μm。


5.根据权利要求1-4任一项所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光还可以是两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合微纳激光。


6.根据权利要求1-5任一项所述的微纳器件，其中，所述金属加热微环的材质为金、银、铜、或者铂中的至少一种。
优选地，所述金属加热微环的厚度为80-120nm。
优选地，所述金属加热微环的图形设计为连通的金属回路结构，例如为螺旋回路型结构，例如为蚊香回绕型结构。


7.权利要求1-6任一项所述的用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；
2)按照预先设计好的图案，采用掩膜板法，在薄膜样品上制备得到金属加热回路软模板；
3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后清洗掉聚合物，在基底上留下微型金属回路，制备得到形成有金属加热微环的基底；
4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤3)所得的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂，得到涂覆有所述低聚物的基底；
5)采用3D打印技术，根据设计的模型在步骤4)的基底上进行3D打印，得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到三维集成的微纳器件。


8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
(1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永生，刘营营，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11