MEMS液晶光衰减器阵列及制作方法技术

本发明专利技术属于光电子器件领域，具体涉及一种ＭＥＭＳ液晶光衰减器阵列及制作方法。ＭＥＭＳ液晶光衰减器阵列由单晶硅衬底（１０）、入射光纤和出射光纤耦合阵列（５）、填充聚合物分散液晶材料的液晶微槽（４）组成，液晶微槽（４）内的聚合物分散液晶材料由占总重量３０％～９０％的液晶材料、５％～６５％的聚合物单体与适量的稀释剂的混合物、１％～５％的光引发剂经充分搅拌后紫外固化而形成，其中聚合物单体与稀释剂的重量比为１∶５～５∶１。在单晶硅衬底（１０）的电极对（７）上加有电场，可以实现对不同光通路中聚合物分散液晶材料的调制，从而实现对多个光通路的光的衰减，进而完成本发明专利技术ＭＥＭＳ液晶光衰减器阵列的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电子器件领域，具体涉及一种基于聚合物分散液晶材料的MEMS液晶光衰减器阵列及该液晶衰减器阵列的制作方法。
技术介绍
光衰减器是一种旨在降低波导中传输的光功率的器件。目前光衰减器的市场潜力大，在无源器件中，其产量仅次于连接器、耦合器等。随着宽带光通信网络，特别是全光网络的迅速发展，为保证通信质量，在光网络中有必要在节点对每个波长的光功率进行均衡，可变光衰减器就是其中重要的一种解决方案。目前已形成固定式、步进可调式、连续可调式以及智能型光衰减器四种系列，但是国内外已商业化的光衰减器几乎全是传统技术制造的机械型大体积光衰减器，利用输入、输出光纤对接时发生位移或者在光传输路径中插入遮挡物来对传输的光功率进行衰减，而基于MEMS技术工艺制造的体积很小的光衰减器日益受到人们的重视，正处于研究阶段，光通信市场对目前多通道、集成化的可变光衰减器有很好的需求，高性能、低成本、小型化的新型可变光衰减器阵列的研制得到学界及产业界的极大关注。随着近年来液晶材料的广泛应用，人们对液晶的各种电光效应进行了大量深入的研究，在电信应用上，因为液晶材料对近红外光波长有高穿透率，所以其元件具有低插入损耗及低极化相关损耗，并且液晶元件有着很大的操作频宽与制作小型化的优势，使它们颇适合于在波分复用光通信中的应用。特别是近年来聚合物分散液晶体系(PDLC)这一研究领域越来越受到人们的关注，当施加外加电场时，液晶分子的行为受到聚合物网络的作用，将倾向于沿电场方向取向，由于液晶分子的寻常折射率与基体的折射率相匹配，光可呈透过状态；除去外加电场，液晶微粒在基体的作用下又恢复最初的散射状态。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于聚合物分散液晶材料的MEMS液晶光衰减器阵列的制作方法。器件充分利用了聚合物液晶材料独特的电光特性及Si单晶的结晶学特征，并将体硅微加工工艺与聚合物液晶技术有机结合，结构新颖，克服了目前应用的传统光衰减器体积大、工艺复杂、不易于集成等不足。与普通的液晶型光衰减器相比，聚合物液晶光衰减器无需偏振片，不需要对液晶材料进行特殊的取向处理，结构设计简单。本专利技术所述的基于聚合物分散液晶材料的MEMS液晶光衰减器由单晶硅衬底、入射光纤和出射光纤耦合阵列、填充聚合物分散液晶材料的液晶微槽组成，其特征在于(1)在硅衬底上有自对准的V型槽阵列，在包括V型槽阵列在内的硅衬底上依次淀积有二氧化硅层和导电金属层，其中二氧化硅层起绝缘隔离作用，V型槽阵列间的导电金属层绝缘断开，形成驱动电极阵列；(2)在入射光纤和出射光纤阵列的端面和侧面淀积有ITO透明导电薄膜，入射光纤和出射光纤放置在硅衬底自对准的V型槽阵列内，其端面和侧面的导电薄膜与淀积在硅衬底上的金属层相连，与入射光纤和出射光纤相连的金属层断开，形成驱动电极的正负极电极对；(3)在耦合的入射光纤与出射光纤形成的光通路上，在与入射光纤和出射光纤垂直方向的硅衬底上刻有矩型液晶微槽，在矩型液晶微槽内填充有制备好的聚合物分散液晶材料，镀有ITO透明导电薄膜的入射光纤和出射光纤耦合阵列的端面紧贴液晶材料，从而制备出MEMS液晶光衰减器阵列。在MEMS液晶光衰减器阵列硅衬底的导电层上引出电极，施加电场作用在液晶微槽内的聚合物分散液晶材料上，就可以利用聚合物分散液晶在不同电场强度下引起的光的散射效应的变化，来实现对光路能量的可控衰减，从而达到本专利所述的制备光衰减器的目的。液晶微槽内的聚合物分散液晶材料由占总重量30％～90％的液晶材料、5％～65％的聚合物单体与适量的稀释剂的混合物、1％～5％的光引发剂经充分搅拌后紫外固化而形成，其中聚合物单体与稀释剂的重量比为1∶5～5∶1。做为优选方案，液晶微槽内的聚合物分散液晶材料由占总重量50％～90％的液晶材料、5％～45％的聚合物单体与适量稀释剂的混合物、1％～5％的光引发剂经充分搅拌后紫外固化而形成，其中聚合物单体与稀释剂的重量比为1∶3～3∶1。做为进一步优选方案，液晶微槽内的聚合物分散液晶材料由占总重量65％～90％的液晶材料、5％～30％的聚合物单体与适量稀释剂的混合物、1％～5％的光引发剂经充分搅拌后紫外固化而形成，其中聚合物单体与稀释剂的重量比为1∶2～2∶1。本专利技术所述的基于聚合物分散液晶材料的MEMS液晶光衰减器是采用体硅微细加工技术的方法，充分利用硅的结晶学特征，制作满足液晶光衰减器器件性能要求的自对准光纤定位槽、液晶微槽以及透明导电电极，研究聚合物分散液晶材料的调制工艺和参数，利用聚合物分散液晶在不同电场强度下引起的光的散射效应的变化，来实现对光路能量的可控连续衰减，从而设计制作出一种新型的连续可变的聚合物分散液晶型MEMS光衰减器，通过对聚合物分散液晶调制参数的调整和器件结构的优化，为液晶光衰减器件的实用化在理论上和技术上创造条件。本专利技术所述的基于聚合物分散液晶材料的MEMS液晶光衰减器制作步骤如下A、光纤自对准V型槽的制作采用体硅微细加工技术，利用硅的结晶学特征，在单晶硅衬底10上，通过光刻、掩膜、刻蚀及采用各向异性湿法腐蚀技术制作出光纤自对准V型槽1；B、导电电极的制作在制作好光纤自对准V型槽的(100)硅片上依次通过磁控溅射方法沉积SiO2绝缘层3和金属层2，制作如图2所示的多通道电极阵列结构7；同时在入射光纤和出射光纤阵列5的端面和侧面通过磁控溅射方法来淀积ITO透明导电薄膜，使放入V型槽阵列1中的光纤阵列5的端面及侧面具有导电性，并与在硅衬底10上沉积的金属层2形成的电极阵列结构7电相连，在电极阵列结构7上引出导线形成驱动电极阵列；C、液晶微槽的制作运用ICP干法刻蚀技术，在硅衬底上，在入射光纤与出射光纤阵列5的对接处，制作与光纤自对准V型槽阵列相垂直的矩形液晶微槽，同时制作出电极阵列结构7的金属电极对，再利用显微镜和红外成像仪对器件的耦合进行观测，当达到耦合要求时，用紫外胶固化法将入射光纤和出射光纤固定在V型槽内，使液晶光衰减结构和其光纤自对准结构集成为一体；D、聚合物分散液晶材料的制备聚合物分散液晶材料(Polymer dispersed liquid crystals简称PDLC)的制备方法采用的是光致聚合分相法，把低分子液晶和聚合物单体与适量的稀释剂、光引发剂按所需配比经混合后再实行相分离，PDLC相分离的结果是向列相液晶以微滴的形态存在于透明的聚合物基体中。聚合物分散液晶体系的光控衰减特性是依靠外加电场对液晶微滴的取向进行调节，从而达到对外来光成不同程度的散射来实现的。a、材料的选择因此液晶材料自身的物理化学性质对聚合物分散液晶(PDLC)器件起着决定性的影响。液晶材料必须具有正介电常数，在所选定的聚合物单体中可溶，而在紫外光照下聚合成聚合物后溶解度很小，或者几乎不溶于聚合物，以便能将液晶分离成小的液晶微滴。比较好的液晶材料是含有氧基联苯基的液晶混合物，含有环己基、苯基、间二氢苯和氰基苯基的液晶混合物也可以用。在聚合物分散液晶材料体系中，光固化的主体是聚合物单体或单体和适量的单体稀释剂的混合物。它的性能对光固化反应的速度以及固化后材料的形貌、驱动电压等主要性能起决定作用。聚合物单体是含有不饱和官能团的低分子聚合物，多数为丙烯酸酯的低聚物。一般来说，聚合物单体材料分子量越大，固化时体积收缩越小，本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＭＥＭＳ液晶光衰减器阵列由单晶硅衬底（１０）、入射光纤和出射光纤耦合阵列（５）、填充聚合物分散液晶材料的液晶微槽（４）组成，其特征在于：ａ）在硅衬底上有自对准的Ｖ型槽阵列（１），在包括Ｖ型槽阵列（１）在内的硅衬底（１０）上依次淀积有 二氧化硅层（３）和导电金属层（２），其中二氧化硅层（３）起绝缘隔离作用，Ｖ型槽阵列（１）间的导电金属层（２）绝缘断开，形成驱动电极阵列；ｂ）在入射光纤和出射光纤阵列（５）的端面和侧面淀积有ＩＴＯ透明导电薄膜，入射光纤和出射光纤（５） 放置在硅衬底自对准的Ｖ型槽阵列（１）内，其端面和侧面的导电薄膜与淀积在硅衬底上的金属层（２）相连，与入射光纤和出射光纤相连的金属层断开，形成驱动电极的正负极电极对（７）；ｃ）在耦合的入射光纤与出射光纤（５）形成的光通路上，与入射光纤 和出射光纤垂直方向的硅衬底上刻有矩型液晶微槽（４），在矩型液晶微槽内填充有制备好的聚合物分散液晶材料（５），镀有ＩＴＯ透明导电薄膜的入射光纤和出射光纤耦合阵列的端面紧贴聚合物分散液晶材料，从而制备出ＭＥＭＳ液晶光衰减器阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维友，张歆东，刘彩霞，董玮，阮圣平，仲志成，周敬然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]