石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的偏振器及其制备方法技术

一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，属于聚合物平面光波导器件及其制备技术领域。本发明专利技术采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为光波导的包层和芯层材料，利用有机聚合物材料加工工艺简单、灵活等优势，将单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构之中，充分提高波导中的光场与石墨烯薄膜的相互作用，进而根据石墨烯材料对不同偏振光的吸收特性将其中一种偏振光过滤掉。同时，本发明专利技术提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，并且与传统的半导体工艺相兼容，易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的偏振器及其制备方法
[0001]本申请是中国专利“一种基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器及其制备方法”的分案申请，原专利的申请号：201911116528.4，申请日：2019
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15，申请人：吉林大学，申请公布号：CN 110780374 A，申请公布日：2020.02.11。


[0002]本专利技术属于聚合物平面光波导器件及其制备
，具体涉及一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器及其制备方法。

技术介绍

[0003]光纤通讯具有传输容量大、频带宽、传输损耗小和抗电磁干扰能力强等优点，近年来得以快速发展，而光纤通信技术的发展很大程度上依赖于各种光纤器件和光学器件的发展，其中偏振器是一种非常重要的光学器件，在集成光学和光纤通信系统中占用重要的地位，因为有些光学器件需要在单一模式下工作，进而保证系统的准确率和减少编码解码过程。为了满足集成光学和光纤通信技术发展的要求，偏振器逐渐向小型化、集成化、高消光比和低损耗等方向发展，其性能的好坏将影响整个光网路的性能。
[0004]与传统的光纤偏振器相比，基于光波导结构的偏振器在实现器件小型化和集成化方面更具优势，目前制备光波导偏振器件的材料主要为无机材料，人们主要通过对波导材料和波导结构的优化来提高器件性能。而与无机材料相比，有机聚合物材料具有价格低廉、制备工艺简单且灵活等优势，因而越来越受到人们的广泛关注。
[0005]此外，石墨烯作为近年来新兴的一种二维原子晶体薄膜材料，凭借着其卓越的电子、热学、光学和力学特性，在微纳光电子器件、复合材料、能源以及传感器件等诸多领域具有重要的应用前景。特别是石墨烯的透光特性，使其在透明导电薄膜领域具有重要应用，实验表明，单层石墨烯对光的吸收仅2.3％。本专利技术将结合石墨烯优异的物理、化学、机械和光学特性，以及有机聚合物材料的加工工艺灵活性，提出基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器。
[0007]本专利技术将利用石墨烯优异的物理、化学、机械和光学特性，并结合有机聚合物材料的加工灵活性，将单层石墨烯掩埋在有机聚合物光波导的内部，利用石墨烯材料对不同偏振光的吸收特性来研究基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，具体采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为光波导的包层和芯层材料，利用有机聚合物材料加工工艺简单、灵活等优势，将单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构之中，充分提高波导中的光场与石墨烯薄膜的相互作用，进而根据石墨烯材料对不同偏振光的吸收特性将其中一种偏
振光过滤掉。同时，本专利技术提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，并且与传统的半导体工艺相兼容，易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0009]如附图1所示，一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：整个器件为基于正脊型结构光波导芯层的直波导，正脊型结构光波导芯层由脊及脊以下的平层结构组成，单层石墨烯薄膜置于光波导芯层的平层结构之中，从左到右，由输入直波导1、单层石墨烯薄膜置于光波导芯层的平层结构之中的石墨烯/聚合物混合波导203和输出直波导3构成，输入直波导1和输出直波导3的长度c1和c1＇相同为0～1.0cm，石墨烯/聚合物混合波导203的长度c2为0.1～1.5cm；
[0010]如附图2所示，一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：从下到上，输入直波导1和输出直波导3依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备的聚合物下包层42、在聚合物下包层42上制备的正脊型结构的光波导芯层43、在光波导芯层43上制备的第二聚合物上包层45组成；单层石墨烯薄膜置于光波导芯层内部的石墨烯/聚合物混合波导203器件依次由硅片衬底21、在硅片衬底21上制备的聚合物下包层42、在聚合物下包层42上制备的正脊型结构的光波导芯层43(其由脊形结构及脊形结构以下的平层结构组成，平层结构的宽度与硅片衬底的宽度相同)、在光波导芯层43的平层结构内部制备的单层石墨烯薄膜44、在光波导芯层43上制备的聚合物上包层45组成；硅片衬底的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层的厚度为4～9μm，光波导芯层的总厚度为3～8μm，脊结构的厚度为0.5～2μm，脊的宽度为3～6μm，单层石墨烯薄膜的厚度为0.4～1.7nm，单层石墨烯薄膜的宽度为5～30μm(石墨烯的宽度只要大于波导203芯层的宽度即可，可以小于硅片的宽度)，聚合物上包层的厚度为4～9μm。
[0011]本专利技术所述的一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器的制备方法见附图3，具体步骤如下：
[0012]A：硅片衬底的清洁处理
[0013]将解离好的符合设计尺寸大小的硅片衬底(宽度为1～3cm)浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～12分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；
[0014]B：聚合物下包层的制备
[0015]采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，固化后得到厚度为4～9μm的下包层，聚合物下包层包括两类材料：一类是包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)等在内的透明性良好的一系列有机聚合物材料，该类材料的固化条件为：在100～140℃条件下烘烤2～3小时；另一类材料是包括SU
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8 2002、SU
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8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列可湿法刻蚀并且经过紫外照射和加热固化之后不溶于丙酮溶剂的紫外负性光刻胶材料，该类材料的固化条件为：在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、85℃～95℃条件下处理10～30分钟进行前烘，，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光10～60秒，接下来，在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、90℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘，最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘，在硅片衬底
上得到聚合物下包层；
[0016]C：第一光波导芯层43
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的制备
[0017]采用旋涂工艺将聚合物光波导芯层材料(该聚合物芯层是包括SU
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8 2002、SU
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8 2005、EpoCore、EpoClad在内的一系列可湿法刻蚀并且经过紫外照本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：整个器件为基于正脊型结构光波导芯层的直波导，正脊型结构光波导芯层由脊及脊以下的平层结构组成，单层石墨烯薄膜置于光波导芯层的平层结构之中，从左到右，由输入直波导(1)、单层石墨烯薄膜置于光波导芯层的平层结构之中的石墨烯/聚合物混合波导(203)和输出直波导(3)构成；从下到上，输入直波导(1)和输出直波导(3)依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备的聚合物下包层(42)、在聚合物下包层(42)上制备的正脊型结构的光波导芯层(43)、在光波导芯层(43)上制备的第二聚合物上包层(45)组成；单层石墨烯薄膜置于光波导芯层内部的石墨烯/聚合物混合波导(302)器件依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备的聚合物下包层(42)、在聚合物下包层(42)上制备的正脊型结构的光波导芯层(43)、在光波导芯层(43)的平层结构内部制备的单层石墨烯薄膜(44)、在光波导芯层(43)上制备的聚合物上包层(45)组成。2.如权利要求1所述的单层石墨烯薄膜置于脊型光波导芯层结构中的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导(3)的长度c1和c1＇相同为0～1.0cm，石墨烯/聚合物混合波导(2)的长度c2为0.1～1.5cm；硅片衬底(21)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(42)的厚度为4～9μm，光波导芯层(43)的总厚度为3～8μm，脊结构的厚度为0.5～2μm，脊的宽度为3～6μm，单层石墨烯薄膜(44)的厚度为0.4～1.7nm，单层石墨烯薄膜(44)的宽度为5～30μm，聚合物上包层(45)的厚度为4～9μm。3.权利要求1所述的一种基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器的制备方法，其步骤如下：A：硅片衬底的清洁处理将解离好的符合设计尺寸大小的硅片衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～12分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；B：聚合物下包层的制备采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，固化后得到厚度为4～9μm的下包层(42)；C：第一光波导芯层(43
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)的制备采用旋涂工艺将聚合物光波导芯层材料旋涂在聚合物下包层(42)上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，厚度为1～4μm；然后在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、85℃～95℃条件下处理10～30分钟进行前烘，，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光10～60秒，接下来，在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、90℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘，最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘，这样便在聚合物下包层上制得了第一光波导芯层(43
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)；D：在混合波导(302)对应区域的第一光波导芯层(43
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)上转移石墨烯将带有PMMA支撑层的单层石墨烯置于装有去离子水的烧杯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，廉天航，杨凯迪，张大明，孙士杰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：