一种采用电印刷技术制备聚合物pmma光波导器件的方法

一种采用电印刷技术制备聚合物pmma光波导器件的方法
【专利摘要】一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，属于聚合物平面光波导器件制备【技术领域】。其是在PMMA基片上蒸发铝膜，然后通过旋涂、光刻、湿法刻蚀等半导体工艺制备出几微米到几十微米不同宽度的集成电极布线，进而制备出电印刷模板，然后通过电印刷模板加热聚合物薄膜，使聚合物材料的折射率发生变化，进而制备出集成光路器件。本发明的器件及其制作方法，器件成本低，成品率高，工艺简单，制备速度快，适合大批量生产。
【专利说明】一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于聚合物平面光波导器件制备【技术领域】，具体涉及一种采用电印刷技术 制备聚合物PMMA光波导器件的方法。

【背景技术】
[0002] 随着光电子技术的迅猛发展，新器件和新技术不断涌现。光电器件和光电子集成 及光子集成（OEIC及PIC)是光电子技术的基础。近年来，光通信作为信息通信网络的关键 技术不断发展，目前已成为光电子学的最大应用领域，光通信系统的大容量、高速化又促进 了 OEIC的进一步发展。OEIC器件可分为光电子集成（OEIC)器件和光子集成（PIC)器件 两大类。PIC，也就是所谓的集成光路是现代光电子学的一个重要分支。为了满足光纤通信 系统的要求，光电子学的研宄中又拓展了两个新的研宄领域，即光组件的小型化和光组件 间的集成。在这两个研宄领域中，平面光波导器件及集成技术起着及其重要的作用，同时集 成平面光波导器件也是光电子学系统中必不可少的器件之一。集成平面光波导技术是二十 世纪九十年代发展起来的一门新兴技术，由于其制备方法与半导体工艺相兼容，进而成为 国际上热门的研宄领域之一。光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光 波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射地传输，通过它与光纤或光纤阵列的耦合，平面集成 光波导器件可以方便地接入到光纤通信系统中。目前，制备光波导和集成光学器件的材料 主要包括Silica-on-slicon(SOI)、离子交换玻璃、III - V族半导体化合物、LiNbO3和有机 聚合物材料等。和其它几种材料相比，有机聚合物材料的制备工艺简单且与半导体工艺兼 容，成本低廉且可以通过分子工程来提高材料的性能，另外，有机聚合物材料还具有无机材 料所无法比拟的高热光系数和高电光系数的优势，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景 的实现低成本、高性能光子器件的基础性材料。目前，已报道的制备聚合物光波导的方法主 要有反应离子刻蚀、离子注入、紫外光直写、电子束光刻和纳米压印技术等。但是，这些制备 技术的价格都比较昂贵，并且在制备过程中常常包括很多复杂的工艺步骤，而聚合物平面 光波导制备技术应趋向于一种尚效、廉价的制备技术。


【发明内容】

[0003] 为了克服现有技术的不足，寻找一种简便、高效的方法制备聚合光波导器件，本发 明提供了一种基于电印刷技术的聚合物集成光波导器件的制作方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括如下步骤：
[0005] 1、以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)基片为电印刷模板的制备方法，其示意结构图见 附图1(a)，其制备步骤见附图2,归纳如下：
[0006] (1)清洗PMMA基片（11):用丙酮和乙醇棉球将其依次反复擦拭，并用去离子水冲 洗干净，然后用氮气吹干；
[0007] ⑵制备集成电极（12):采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片（11)上蒸镀一层 厚度为200?400nm的铝膜（21)，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为1?2 μ m的 BP212正性光刻胶（22)，并在70?90°C条件下前烘10?30分钟；然后在光刻机上，将其与 需要制备的波导结构互补的电极掩膜板（23)紧密接触进行对版光刻，在365nm波长的紫外 光（24)下曝光光刻5?8秒，移走电极掩膜板（23)，并将其放在质量浓度为5%。的NaOH溶 液中显影60?120秒，以去除未被紫外光（24)照射的光刻胶（22)及其掩盖的Al膜（21); 最后，再在365nm波长的紫外光（24)下充分曝光6?10秒，用乙醇溶液去除电极上面的光 刻胶（22)，并将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，在电极的两端制作电极引脚，从而 完成集成电极（12)的制备；电极的宽度和厚度分别为5?20 ym和200?400nm，引脚的 形状一般可以为正方形，尺寸为2000 μ mX 2000 μ m。
[0008] (3)制备电极引线（13):在集成电极（12)的引脚处，通过导电胶将直径为0.5? 0. 7mm的铜导线焊接上形成电极引线（13)，同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电 源的正负极，从而完成电印刷模板的制备。
[0009] 采取上述制备步骤，可以制备不同结构的电印刷模板，主要是根据设计的集成电 极（12)形状而定，针对不同的集成电极（12)可以制备不同的电极掩膜板，或者在同一块电 印刷模板上制备不同形状的集成电极（12)，附图1(a) -（e)分别给出了制备聚合物PMMA 直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1X4Y分支分束器和1X4多模干涉（MMI)分束器的集成 电极示意图。在直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1X4Y分支分束器的设计中，两根加热 电极之间的距离在5?15μπι之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°?1.5°之间不 等，Y分支角度在0.5°?2.0°之间不等，进而可以制备出波导宽度在5?15μπι之间不 等、S弯曲波导偏折角度在0.5°?1.5°之间不等、Y分支角度在0.5°?2.0°之间不等 的PMM聚合物光波导器件；在1Χ4ΜΜΙ分束器的设计中，MMI干涉区的长度和宽度分别在 200?2000 μπι和15?200 μπι不等，输入和输出区直波导的宽度在5?15 μπι之间不等。 此外，还可以根据需要设计结构更为复杂的集成电极形状，来制备不同的电印刷模板，进而 制备出各种结构的聚合物PMM光波导器件。
[0010] 2、电印刷技术制备以SiO2S衬底的聚合物PMMA光波导器件的方法，其包括如下 步骤：
[0011] (1)在硅衬底上生长一层较厚的SiO2T限制层
[0012] 为了抑制光场泄露到折射率较高的硅衬底中，需要在硅片上生长一层较厚的SiO2 下限制层作为波导的下包层，采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长SiOJi，氧 化温度保持在1100?1300°c左右；先干氧氧化20?40分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替 进行5?7次，其中湿氧氧化50?70分钟、干氧氧化20?40分钟，最后进行20?40分 钟的干氧氧化，得到厚度为2?6 μπι的SiO2下限制层。
[0013] (2)在SiO2T限制层上制作聚合物PMMA芯层
[0014] 在清洗干净的SiOjt底上采用旋涂工艺来获得聚合物波导芯层部分。
[0015] 首先，对已经生长好SiO2下限制层的硅衬底进行清洁处理，目的是去除表面的污 渍和增加 SiOJl与聚合物材料之间的附着力，方法是：将其浸泡在丙酮溶液中超声清洗 5?10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；
[0016] 其次，在SiO2T限制层上滴加聚合物PMM材料（这种材料可以通过将甲基丙烯酸 甲酯共聚反应而制得，溶剂是乙酸丁酯），采用旋涂工艺制备聚合物PMM薄膜，薄膜的厚度 和成膜质量通过调节旋涂设备（匀胶机）的预转转数和旋转时间（200?2000转/分钟， 10?20秒），以及高速旋转转数和旋转时间（1300?8000转/分钟，30?90秒）来控制；
[0017] 最后，将旋涂好聚合物PMM薄膜的衬底放入真空烘箱中30?60°C条件下固化 2?3小时去以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2?5 ym的PMMA波导芯层。
[0018] (3)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
[0019] 将步骤1中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMM薄膜上，同一电极引 出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极（对于具有两根集成电极的结构，将每根电 极引出的导线分别接入两个直流电源的正负极；对于具有一根集成电极的结构，将电极引 出的导线直接接入一个直流电源的正负极），通过调节施加电压的大小（5?20V)来控制电 极产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMMA材料的折射率，而其它区域 的PMM薄膜的折射率不发生变化，进而形成了两侧PMM材料折射率较低、中间折射率相对 较高的PMM聚合物光波导结构，对应的被加热PMM材料的折射率的调节范围为1. 4823? 1. 4722。
[0020] (4)将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、SiO2T 限制层为下包层、两侧低折射率的PMM为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为 2?5 μ m，波导形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、I X 4Y分支分束器和I X 4MMI分 束器，其中直波导的宽度在5?15 μ m之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°?1.5° 之间不等，Y分支的分支角度在0.5°?2.0°之间不等，1X4MMI分束器的丽I干涉区的长 度和宽度分别在200?2000 μ m和15?200 μ m不等，输入和输出区直波导的宽度在5? 15 μ m之间不等。
[0021] (5)制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物 PMMA光波导器件。
[0022] 3、电印刷技术制备以PMMA基片为衬底的聚合物PMMA光波导器件的方法，其包括 如下步骤：
[0023] (1)在PMMA基片上制作聚合物PMMA芯层
[0024] 在清洗干净的PMMA基片上采用旋涂工艺来获得聚合物波导芯层部分。
[0025] 首先，对PMMA基片进行清洁处理，目的是去除表面的污渍和增加 PMMA基片与聚合 物材料之间的附着力，方法是：将PMM基片用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子 水冲洗干净，然后用氮气吹干；
[0026] 其次，在PMMA基片上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜， 薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备（匀胶机）的预转转数和旋转时间（200?2000 转/分钟，10?20秒），以及高速旋转转数和旋转时间（1300?8000转/分钟，30?90 秒）来控制；
[0027] 最后，将旋涂好聚合物PMM薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2? 3小时以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2?5 ym的PMMA波导芯层。
[0028] (2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
[0029] 将步骤1中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMM薄膜上，并将两个引 脚引出的导线分别接入直流电源的正负极，（对于具有两根集成电极的结构，将每根电极引 出的导线分别接入两个直流电源的正负极；对于具有一根集成电极的结构，将电极引出的 导线直接接入一个直流电源的正负极），通过调节施加电压的大小（5?20V)来控制电极 产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMMA材料的折射率，而其它区域的 PMMA薄膜的折射率不发生变化，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较 高的PMM聚合物光波导结构，对应的折射率的调节范围为1. 4823?1. 4722。
[0030] (3)将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、PMMA 基片为下包层、两侧低折射率的PMM为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为 2?5 μ m，波导形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、I X 4Y分支分束器和I X 4MMI分 束器，其中直波导的宽度在5?15 μ m之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°?1.5° 之间不等，Y分支的分支角度在0.5°?2.0°之间不等，1X4MMI分束器的丽I干涉区的长 度和宽度分别在200?2000 μ m和15?200 μ m不等，输入和输出区直波导的宽度在5? 15 μ m之间不等。
[0031] (4)制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物 PMMA光波导器件。
[0032] 4、电印刷技术制备以PMMA基片为衬底的聚合物PMMA光波导器件的方法，其制备 步骤见附图4:
[0033] (1)在PMMA电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层
[0034] 在步骤1中制备好的PMMA电印刷模板上采用旋涂工艺来获得聚合物PMMA波导芯 层部分。
[0035] 首先，在步骤1中制备好的PMMA电印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的 方法制备聚合物PMM薄膜，PMM薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备（匀胶机）的 预转转数和旋转时间（200?2000转/分钟，10?20秒），以及高速旋转转数和旋转时间 (1300?8000转/分钟，30?90秒）来控制；
[0036] 其次，将旋涂好聚合物PMM薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2? 3小时以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2?5 ym的聚合物PMMA波导芯层 (41)〇
[0037] (2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
[0038] 同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极（对于具有两根集成 电极的结构，将每根电极引出的导线分别接入两个直流电源的正负极；对于具有一根集成 电极的结构，将电极引出的导线直接接入一个直流电源的正负极），通过调节施加电压的大 小（5?20V)来控制集成电极（12)产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的 PMM材料的折射率，而其它区域的PMM薄膜的折射率不发生变化，进而形成两侧折射率相 对较低的PMM波导包层（42)，这样，便制备出以空气作为上包层、PMM电印刷模板为下包 层、两侧低折射率的PMM为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为2?5 μ m，波导 形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、IX 4Y分支分束器和IX4MMI分束器，其中直波 导的宽度在5?15 μ m之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°?1.5°之间不等，Y分支 的分支角度在0.5°?2.0°之间不等，1X4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别在 200?2000 μπι和15?200 μπι不等，输入和输出区直波导的宽度在5?15 μπι之间不等。
[0039] (3)制备完成后，把电极引线（13)拆除后，将制备完成的光波导端面通过划片机 沿切割线（43)进行解理，进而制备出完整的聚合物PMM光波导器件，切割线（43)的位置 为沿着两个正方形电极引脚的中心连接线。
[0040] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的制作工艺比较简单，电印刷模板 的制备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，生产成本低、效率高，并且PMMA材料价格低廉，广泛应用于平面光波导器件之 中。这种制备方法和波导材料很适合于批量生产可实际应用的聚合物平面光波导器件。

【专利附图】

【附图说明】
[0041] 图1 :本发明的电印刷模板示意图；
[0042] 图2 :本发明制备电印刷模板的制备工艺流程图；
[0043] 图3 :PMMA芯层材料的折射率随温度变化的关系曲线；
[0044] 图4 :电印刷技术制备聚合物光波导的工艺流程图；
[0045] 图5 :电印刷技术制备的聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导和IX4MMI 分束器的输出光斑；
[0046] 如图1(a)所示，当把电印刷模板接入直流电源时，调节电压来控制电流大小，电 流经过电印刷模板上的金属线条时，会产生热量；各部件名称分别为：PMM基片（11)、集成 电极（12)、电极引线（13);根据设计的集成电极（12)形状可以制备不同的电极掩膜板，或 者在同一块掩模板上制备不同形状的集成电极（12)，进而可以制备出不同结构的电印刷模 板，附图1(a) -（e)分别给出了制备聚合物PMM直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1X4Y分 支分束器和1X4多模干涉（丽I)分束器的集成电极示意图。在直波导、S弯曲波导、Y分支 波导和I X 4Y分支分束器的设计中，两根加热电极之间的距离在5?15 μ m之间不等，S弯 曲波导的偏折角度在0.5°?1.5°之间不等，Y分支角度在0.5°?2.0°之间不等，进而 可以制备出波导宽度在5?15 μ m之间不等、S弯曲波导偏折角度在0.5°?1.5°之间不 等、Y分支角度在0.5°?2.0°之间不等的PMM聚合物光波导器件；在IX4MMI分束器的 设计中，丽I干涉区的长度和宽度分别在200?2000 μπι和15?200 μπι不等，输入和输出 区直波导的宽度在5?15 μm之间不等。此外，还可以根据需要设计结构更为复杂的集成 电极形状，来制备不同的电印刷模板，进而制备出各种结构的聚合物PMM光波导器件。
[0047] 本发明为采用电印刷技术制备聚合物PMM光波导器件，其所用到的电印刷模板 制备工艺流程如附图2所示。主要步骤可以归纳为：
[0048] 1)基片的选择与清洗：选用价格低廉、热导率较低的PMM基片（11)作为电印刷 模板的基底，将其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。
[0049] 2)制备集成电极（12):采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片（11)上蒸镀一层厚 度为200?400nm的铝膜（21)，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为1?2 μ m的 BP212正性光刻胶（22)，并在在70?90°C条件下前烘10?30分钟；然后在光刻机上，将 其与和波导互补的电极掩膜板（23)紧密接触进行对版光刻，在365nm波长的紫外光（24) 下曝光光刻5?8秒，移走掩膜板，将其放在质量浓度为5%。的NaOH溶液中显影60?120 秒，以去除未被紫外光（24)照射的光刻胶（22)及其掩盖的Al膜（21);最后，将样片再次放 在光刻机下充分曝光6?10秒，并用乙醇去除电极上面的光刻胶（22)，再将器件用去离子 水冲洗干净后用氮气吹干，从而完成集成电极（12)的制备，电极的宽度和厚度分别为5? 20 μ m和200?400nm，同时为了将电极用导线引出，在电极的两端设计了电极引脚，引脚的 形状为正方形，尺寸为2000 μ mX 2000 μ m。
[0050] 3)制备电极引线（13):在集成电极的引脚处，通过导电胶将直径为0. 5mm的铜导 线焊接上，引出的导线可以直接将电极接入直流电源，从而完成电印刷模板的制备，电极引 线也可以在模板上涂覆聚合物薄膜并固化完成后，再用0. 5mm的铜导线引出。
[0051] 采取上述制备工艺流程，可以制备不同结构的电印刷模板，主要是根据设计的集 成电极（12)形状而定，针对不同的集成电极（12)可以制备不同的电极掩膜板，附图1(a) - (e)分别给出了制备聚合物PMM直波导、S弯曲波导、Y分支波导、I X 4Y分支分束器和I X 4 多模干涉（MMI)分束器的集成电极示意图。此外，还可以根据需要设计结构更为复杂的集 成电极形状，来制备不同的电印刷模板，进而制备出各种结构的聚合物PMM光波导器件。
[0052] 如图3所示，当PMMA材料的加热温度从60°C上升到180°C时，PMMA材料在1550nm 波长下的折射率由1. 4823降低到1. 4722。
[0053] 本发明采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件，其中以PMMA基片为衬底的 聚合物PMM光波导器件的制备工艺流程如附图4所示。主要步骤可以归纳为：
[0054] 1)在PMMA电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层
[0055] 在制备好的PMMA电印刷模板上采用旋涂工艺来获得聚合物PMMA波导芯层（41)。
[0056] 首先，在步骤1中制备好的PMMA电印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的 方法制备聚合物PMMA薄膜（41)，PMMA薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备（匀胶机） 的预转转数和旋转时间（200?2000转/分钟，10?20秒），以及高速旋转转数和旋转时 间（1300?8000转/分钟，30?90秒）来控制；
[0057] 其次，将旋涂好的聚合物PMM薄膜放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2?3小 时以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2?5 ym的聚合物PMMA波导芯层（41)。
[0058] 2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
[0059] 将PMMA电印刷模板的两个引脚分别用导线引出，制备电极引线（13)，并将其接入 直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小（5?20V)来控制集成电极（12)产生的热 量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMM材料的折射率，进而形成两侧折射率相 对较低的PMM波导包层（42)，这样，便制备出以空气作为上包层、PMM电印刷模板为下包 层、两侧低折射率的PMM为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为2?5 μ m，波导 形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、IX 4Y分支分束器和IX4MMI分束器，其中直波 导的宽度在5?15 μ m之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°?1.5°之间不等，Y分支 的分支角度在0.5°?2.0°之间不等，1X4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别在 200?2000 μπι和15?200 μπι不等，输入和输出区直波导的宽度在5?15 μπι之间不等。
[0060] 3)把电极引线（13)拆除后，将制备完成的光波导端面通过划片机沿切割线（43) 进行解理，进而制备出完整的聚合物PMM光波导器件。
[0061] 当输入光功率为0. 5mW时，从光波导输出的信号光经过透镜聚焦在红外摄像机 上，并通过计算机将输出光斑进行数据采集，图5为采集得到的利用电印刷技术在PMM模 板上直接制备的聚合物PMM直波导、S弯曲波导、Y分支波导和IX4MMI分束器的输出光 斑，对应的波导设计参数分别为：直波导的宽度为6 μ m，高度为4 μ m，器件长度为2. 5cm ; S弯曲波导的波导宽度为6 μ m，高度为4 μ m，S弯曲偏折角度为0· 7°，器件长度为2. 5cm ; Y分支波导的波导宽度为6 μ--，高度为4 μ--，Y分支角度为1.0°，器件长度为2.5cm; I X 4MMI分束器的输入输出直波导宽度为6 μ m，高度为4 μ m，MMI干涉区的长度和宽度分别 为1565 μ m和65 μ m，器件长度为2. 5cm。

【具体实施方式】
[0062] 实施例I :PMMA芯层材料的制备及折射率表征
[0063] 本发明所使用的芯层材料是一种聚合物一聚甲基丙烯酸甲酯，这种材料可以通过 将甲基丙烯酸甲酯共聚反应而制得，制备的材料具有透明性高、成膜性好、价格低廉且易于 合成等优点，在聚合物平面光波导器件中应用广泛。其分子结构式如通式（I )所示。
[0064]

【权利要求】
1. 一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其步骤如下： (1) 以聚甲基丙烯酸甲酯PMMA基片制备电印刷模板 ① 清洗PMMA基片（11):用丙酮和乙醇棉球将其依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干 净，然后用氮气吹干； ② 制备集成电极（12):采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片（11)上蒸镀一层厚度为 200?400nm的铝膜（21)，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为1?2 ym的BP212 正性光刻胶（22)，并在70?90°C条件下前烘10?30分钟；然后在光刻机上，将其与需要 制备的波导结构互补的电极掩膜板（23)紧密接触进行对版光刻，在365nm波长的紫外光 (24)下曝光光刻5?8秒，移走电极掩膜板（23)，并将其放在质量浓度为5%。的NaOH溶液 中显影60?120秒，以去除未被紫外光（24)照射的光刻胶（22)及其掩盖的A1膜（21); 最后，再在365nm波长的紫外光（24)下充分曝光6?10秒，用乙醇溶液去除电极上面的光 刻胶（22)，并将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，在电极的两端制作电极引脚，从而 完成集成电极（12)的制备； ③ 制备电极引线（13):在集成电极（12)的引脚处，通过导电胶将直径为0.5?0.7_ 的铜导线焊接上作为电极引线（13)，从而完成电印刷模板的制备； (2) 电印刷技术制备以Si02S衬底的聚合物PMMA光波导器件 ① 在硅衬底上生长一层较厚的Si02T限制层： 采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长SiOjl，氧化温度保持在1100? 1300°C ;先干氧氧化20?40分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行5?7次，其中湿氧氧 化50?70分钟、干氧氧化20?40分钟，最后进行20?40分钟的干氧氧化，得到厚度为 2?6 ym的Si02下限制层； ② 在Si02T限制层上制作聚合物PMMA芯层 首先，对已经生长好Si02下限制层的硅衬底进行清洁处理，方法是将其浸泡在丙酮溶 液中超声清洗5?10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； 其次，在Si02T限制层上滴加聚合物PMMA材料，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜， 薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备的预转转数和旋转时间以及高速旋转转数和旋 转时间来控制； 最后，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中30?60°C条件下固化2?3 小时，得到厚度为2?5 y m的PMMA波导芯层； ③ 采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导 将步骤⑴中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA波导芯层上，同一电极 引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产 生的热量，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较高的PMMA聚合物光波 导结构，对应的被加热PMMA材料的折射率的调节范围为1. 4823?1. 4722 ; ④ 将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、Si02下限制 层为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件； ⑤ 制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA 光波导器件。
2. -种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其步骤如下： (1) 在PMMA基片上制作聚合物PMMA芯层 首先，对PMMA基片进行清洁处理，方法是将PMMA基片用丙酮和乙醇棉球依次反复擦 拭，并用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干； 其次，在PMMA基片上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜，薄膜 的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备的预转转数和旋转时间以及高速旋转转数和旋转时 间来控制； 最后，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2?3小 时，得到厚度为2?5 y m的PMMA波导芯层； (2) 采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导 将权利要求1步骤（1)制备的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA波导芯层上，同 一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制 电极产生的热量，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较高的PMMA聚合 物光波导结构，对应的折射率的调节范围为1. 4823?1. 4722 ; (3) 将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、PMMA基片 为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件； (4) 制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物 PMMA光波导器件。
3. -种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其步骤如下： (1) 在PMMA电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层 首先，在权利要求1步骤（1)制备的PMMA电印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋 涂的方法制备聚合物PMMA薄膜；薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备的预转转数和 旋转时间以及高速旋转转数和旋转时间来控制； 其次，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2?3小 时，得到厚度为2?5 y m的聚合物PMMA波导芯层； (2) 采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导 同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小 来控制电极产生的热量，从而制备出以空气作为上包层、PMMA电印刷模板为下包层、两侧低 折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件； (3) 制备完成后，把电极引线（13)拆除，并将光波导端面通过划片机沿切割线（43)进 行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件，切割线（43)的位置为沿着两个电极引 脚的中心连接线。
4. 如权利要求1、2或3所述的一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方 法，其特征在于：集成电极（12)的宽度和厚度分别为5?20 ym和200?400nm，引脚的尺 寸为 2000 y mX 2000 y m。
5. 如权利要求1、2或3所述的一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方 法，其特征在于：聚合物PMMA光波导为直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1 X4Y分支分束器 或1 X 4多模干涉分束器结构。
6. 如权利要求1、2或3所述的一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方 法，其特征在于：旋涂设备的预转转数和旋转时间分别为200?2000转/分钟和10?20 秒，高速旋转转数和旋转时间分别为1300?8000转/分钟和30?90秒。
【文档编号】G02B6/13GK104459886SQ201410854570
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】王希斌, 张大明, 孙健, 孙静雯, 王菲, 陈长鸣 申请人:吉林大学