一种聚合物柔性的可变光衰减器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于聚合物光波导柔性器件制备技术领域，具体涉及一种聚合物柔性的可变光衰减器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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]。
[0003]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，本发明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，本发明针对衬底电极，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，简便快捷。本发明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，同时本发明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(0EIC)等集成芯片。
【发明内容】
[0004]本发明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。
[0005]具体工艺步骤如下，工艺流程图如附图1 一图3所示:
[0006]1.在矩形衬底1 (二氧化娃、PMMA或玻璃，长1?3cm，宽0.5?2cm)上蒸镀50?200nm的金属膜2(Au或A1);在金属膜2上旋涂光刻胶(BP212、BP218、SU-8等光刻精度小于Ιμπι的光刻胶);旋涂转数500?6000r/min，旋涂时间20?60s，形成0.5?3μπι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?20μπι，长度为5000?30000μπι;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?ΙΟΟΟΟμπι;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?5000μπι，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;
[0007]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Ν0Α系列材料)，旋涂转数500?6000r/min，旋涂时间20?60s，形成1?5μπι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 ；
[0008]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Ιμπι且成膜厚度大于2μπι的光刻胶)，旋涂转数500?6000r/min，旋涂时间20?60s，形成2?9μηι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掩膜光亥IJ，波导光刻板11上带有ΜΖ结构的条形波导图形，其中ΜΖ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?ΙΟμπι，采用光刻机5光刻后显影，在二氧化硅衬底9上得到ΜΖ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°C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;
[0009]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Ν0Α系列材料，如N0A88、N0A73)，旋涂转数500?6000r/min，旋涂时间20?60s，形成1?15μπι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ΜΖ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Ν0Α材料的厚度和压印后残留层厚度的和(残留层厚度100?500nm);
[0010]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Ν0Α系列材料，如N0A61，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?20μπι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Ν0Α系列材料，其折射率低于芯层材料，如N0A88、N0A73)，旋涂转数500?6000r/s，旋涂时间20?60s，形成5?20μπι厚的薄膜，然后在紫外灯(光功率为200?300mW/cm2)曝光，曝光200?600s，曝光后得到上包层18，最后抛光或采用准分子激光器19对样品进行切割，切割功率为28mJ/cm2，切割频率为10?20Hz，最用镊子沿着边缘将器件薄膜从衬底上揭下，得到柔性的聚合物可变光衰减器器件20。
[0011 ]与现有技术相比，本发明的创新之处在于:
[0012]1、采用剥离法制备电极，电极制备不影响波导，且抛光和后续封装过程不会影响电极。
[0013]2、透明压印模板或衬底解决在对版过程中的问题
[0014]3、通过加载层，实现波导和电极间距和折射率的精确控制。
[0015]4、可以使用准分子直接切割柔性器件，高速快捷。
[0016]本发明制备的柔性光波导可变光衰减器，其功耗小于150mW，相应时间小于2ms，衰减大于10dB，光波导插入损耗为5?15dB，可用于光波导和电子电路混合集成和柔性光互联领域。
【附图说明】
[0017]图1:本发明器件制备工艺流程图之一；
[0018]图2:本发明器件制备工艺流程图之二；
[0019]图3:本发明器件制备工艺流程图之三；
【具体实施方式】
[0020]实施例1
[0021 ]在长3cm，宽1.5cm的矩形衬底1上蒸镀50nm的金属膜2，这里衬底1是二氧化娃材料，金属膜为A1;在金属膜2上旋涂光刻胶BP218;旋涂成膜，旋涂转数3000r/min，旋涂时间30s，形成3μπι厚的光刻胶薄膜3，加热固化光刻胶(热板60°C加热5min，90°C加热lOmin，而后自然降温)，然后采用正性光刻板4掩膜光刻，光刻板4上带有电极图形，电极图形为三段折线结构，中间段为电极的有效加热区，中间段图形为条形直线，条形宽为8μπι，长度为ΙΟΟΟΟμm，两侧线段与中间线段垂直，为电极的引出区，在电极的有效加热区同侧，宽度与有效加热区电极相同，长度为5000μπι，在两个电极引出区的另外端口处有矩形电极引脚，矩形长5000μπι，宽2000μπι，电极引出区线段位于电极引脚短边的中垂线上，并与电极引脚相连;采用光刻机5掩膜光刻，掩膜光刻后采用光刻胶所对应的显影液(5%。的氢氧化钠)显影8s，在光刻胶薄膜3上得到结构与电极图形相同的光刻胶掩膜层6，而后采用的腐蚀液(同样为5%。的氢氧化钠)，显影35s对应用去除光刻胶掩膜层6覆盖区域以外的金属膜2，电极图形下方的金属膜2由于光刻胶掩膜层6的存在，得以保留，最后采用丙酮，去除上层光刻胶掩膜层6，得到铝电极7。
[0022]在制备有铝电极7的衬底1上旋涂聚合物下包层材料，这里的聚合物下包层材料是透明的紫外固化N0A73材料，旋涂成膜，旋涂转数5000r/min，旋涂时间50s，旋涂后，然后紫外曝光(光功率为200mW/cm2)，曝光300s，曝光后，液态下包层材料固化形成4μπι厚的光刻胶薄膜8。
[0023]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ΒΡ218，旋涂转数5000r/min，旋涂时间30s，加热固化光刻胶(热板60°C加热5min，90°C加热lOmin，而后自然降温)，形成3μπι厚的光刻胶薄膜10，然后采用光刻板11掩膜光刻(该光刻板为负版，波导部分图形为透光，波导条宽5μηι，其加热臂长度为lcm，Υ分支长度为0.lcm，Υ分支夹角为0.5度，采用反余弦曲线连接，输入直波导部分长度为0.4cm，采用光刻机5掩膜光刻，掩膜光刻后采用5%0的氢氧化钠显影液显影，在光刻胶薄膜10上得到光刻板11的图形。而后在样片上浇筑聚甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS与固化剂比例为1:8，浇筑后抽真空静置30min，而后在60°C固化3h得到PDMS模板12，最后去除样片大小以外边缘PDMS，得到用于压印的PDMS光波导模板13。
[0024]在制备有金属电极7和下包层薄膜8的衬底1上旋涂聚合物下包层材料，这里的聚合物下包层材料是透明的紫外固化N0A7