专利名称：紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法
技术领域：
本发明属于聚合物光波导放大器制备技术领域，具体涉及采用紫外纳米压印技术制备有机聚合物柔性光波导放大器的方法。
背景技术：
掺铒光纤放大器(EDFA)是光纤通信史上最重要的发明之一，其长度一般为几米至几十米，这在长距离通信中毫无问题；但在未来的光纤到户(FTTH)的短距离传输中， EDFA的应用就有一定的困难。同时，在光通信系统中，为了保证光信号的传送，不可避免的要使用一些光学器件如复用/解复用器、分束器和光开关等，这些器件都存在着一定的损耗，如不加以补偿，必将大大降低信号的传送距离，因此也要对信号加以放大增强。光通讯网络中还需要一种能在城域网和接入网的特定节点上按需给出特定增益量的放大器，这种放大器必须价格低廉，维护成本低，并能充分利用现有的光纤带宽资源，而且能扩容。鉴于在平面光子集成中无法应用EDFA，因此迫切需要研制平面光波导放大器(EDWA)来同时满足上述需求。EDWA是一种紧凑、可靠、易于集成、低成本的光放大器，其稀土掺杂(如Er3+) 浓度比EDFA高100倍左右(为IO2f5HT3)，几厘米到十几厘米的长度就可实现IOdB以上的增益(但过高的掺杂浓度会使泵浦效率下降)。相对EDFA，EDWA具有尺寸小、成本低的优点；相对半导体光放大器(SOA))，EDWA有噪声指数低、偏振相关性低、无通道串扰的优点。 EDWA产品可以单波长放大也可以多波长放大，可以单向泵浦也可以双向泵浦；可以在同一基片上集成多个EDWA，形成EDWA阵列，实现在DWDM系统中多波长增益的动态调节。目前， 按照铒离子的掺杂基质不同，EDffA器件可分为以下几种类型1、在Si02、Al203J203、ZiO2等氧化物陶瓷、磷酸盐、硅酸盐以及LiNbO3晶体等无机基质材料中掺杂Er3+，制备无机EDWA。制备工艺一般采用离子交换、离子注入、分子束外延、 物理气相淀积、火焰水解淀积以及等离子体化学气相淀积等。目前对无机EDWA的研究较为成熟，增益可达4dB/cm。但其制备工艺较复杂，制作成本高，波导芯区和包层区的折射率改变量小，且器件与硅基材料不是很相容，在平面光子集成的应用中有困难。2、将Er3+与有机配体形成配合物，溶解在有机聚合物材料中制备有机EDWA。但由于大多数Er3+盐类在聚合物中溶解度低，使得Er3+的掺杂浓度较难达到器件放大性能的要求，并且由于聚合物中存在大量C H、0 H高能振动基团，易于Er3+发生振动耦合，从而降低Er3+在激发态能级上的寿命。另外采用这种配合物制备EDWA的过程中，芯层材料由于Er的引入，无法进行反应离子(RIE)干法刻蚀技术和ICP刻蚀，由于这些较难克服的缺点，目前国内外利用聚合物材料制备EDWA的研究大都处于材料制备阶段，相关器件的报道极少。从光波导的制备角度上，有激光写入、等离子刻蚀、光漂白、压力诱导、紫外写入等诸多制备方法，每个方法都有其独特的优势和使用条件。而对于聚合物器件，纳米压印是今年来新兴的制备方法。纳米压印技术是一种低成本，高精度，高效率的新技术，主要包括热压印，紫外压印和微接触压印，其中紫外压印不需要高温高压，尤其适用于紫外固化聚合物材料。用紫外固化材料纳米压印制备聚合物凹槽，剥离后，直接填充掺铒有机聚合物芯层材料，制备具有柔性的全聚合物光波导放大器，国内还没有报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服背景技术的不足，采用紫外固化的有机聚合物为光波导包层及衬底，采用不同的掺铒有机聚合物为光波导芯层，制备带有柔性的全聚合物光波导放大器的方法。与现有技术相比，本发明所述方法不需要再使用昂贵的厚膜生长和相应的离子注入设备，同时避开高温生长材料的困难，不需要光刻、显影、掩模、RIE刻蚀、ICP刻蚀等传统工艺，上下包层材料不需要费时的热固化及降温，只需要短暂的光固化即可，整个器件制备过程简单，工艺精度高，在较低的温度范围内(室温 芯层固化温度)制作EDWA器件。本发明引入紫外纳米压印技术制备有机聚合物EDWA器件，进一步提高了工艺精度和效率。本发明采用带有凸起波导图案的Si或者聚合物为模板进行紫外纳米压印。Si 模板具有较高的精度，较小的线宽，不容易破损，聚合物模板则具有价格优势和简单的制作工艺。Si (或聚合物)模板的紫外纳米压印技术也弥补了掺铒有机聚合物材料不能刻蚀的不足，不需要刻蚀，直接将聚合物芯层填充制备好的聚合物凹槽(下包层)中，并可利用微流控技术将不能刻蚀的芯层材料制备出矩形光波导器件。另外本发明的有机聚合物光波导放大器为全聚合物器件，所以整个器件具有一定的柔性，可以进行适当的弯曲而不会对器件的性能产生影响。本发明所述的柔性有机聚合物光波导放大器的制备方法，其制备步骤参见附图 1，具体叙述为在带有凸起波导图案的Si或聚合物模板(1)上旋涂聚合物材料Norland Optical Adhesives 63 (N0A63)，然后紫外固化聚合物材料N0A63，并将其从Si或聚合物模板(1)上剥离后得到带有凹槽的下包层O)，针对不同波导形状，芯层(3)有三种制备方法， 一种是制备脊形光波导器件，第二种是制备准矩形的光波导器件，第三种是制备矩形光波导器件，分别描述如下脊形光波导放大器的制备方法为在带有凹槽的下包层( 上旋涂芯层材料，接着热固化或光固化芯层材料，得到芯层(3)，然后在芯层C3)上旋涂聚合物材料N0A63，紫外固化后得到上包层；准矩形光波导放大器的制备方法为在带有凹槽的下包层( 上旋涂芯层材料， 在旋涂后的芯层材料上覆盖紫外固化好的聚合物材料N0A63上包层(5)，再在上包层(5)上面盖上聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片(6)，以确保薄膜的平整性，然后热固化或者光固化芯层材料，得到芯层(3)，并使芯层(3)和上、下包层粘附起来；矩形光波导放大器的制备方法为在Si片(7)上旋涂聚合物材料N0A63 (8)，紫外固化；再在聚合物材料N0A63(8)上旋涂聚合物Norland Optical Adhesives 71(N0A71)材料(9)，紫外光照射；当紫外固化未完全时，在聚合物N0A71材料(9)上粘贴带有凹槽的下包层O)，从而在两者界面处形成微流控通道，进一步紫外照射使N0A71完全固化，即制备出微流控芯片；把芯片一端封装上微流控泵或注射器，形成负压，在芯片另一端滴加芯层材料，芯层材料进而填充整个微流控通道，再对芯层材料进行热固化或光固化，得到芯层(3)， 然后将器件从Si片(7)上剥离；
最后对器件进行切割，从而得到柔性聚合物光波导放大器(如图2所示，左图器件为倒脊形结构和准矩形波导(平板很小)，右图为矩形波导结构。)本发明采用的聚合物模板采用Micro Chem公司生产的SU_8光刻胶制备，图形与 Si模板相同。聚合物模板的制备过程如图6所示在SiA衬底(10)上旋涂SU-S(Il)，以 2000 4000转/分钟的转速旋转，旋转时间为20 30秒，得到厚度为3 6微米的薄膜， 经过65°C (10 15分钟)，90°C (20 30分钟)的前烘热固化后，在150W、365nm波长的汞灯下曝光，曝光时间为2 4分钟，接着150°C (30 40分钟)后烘坚膜，增强材料与衬底的结合力，形成一层交联的SU-8平板层，目的是使模板和紫外压印的N0A63薄膜更易剥离， 同时提高光刻得到的模板凸起图案在模板上的黏附性，使得模板更为坚固。然后在SU-8平板层(11)上旋涂第二层SU-8 (12)，以1500 4000转/分钟的转速旋转，旋转时间为20 30秒，得到约为3 6微米的薄膜，经过65°C (10 20分钟)，90°C (20 30分钟)的前烘后，在350W、365nm波长的汞灯下对版光刻，曝光时间为3 4分钟，接着在65°C (10 20分钟)，90°C (10 20分钟)进行中烘，待冷却至室温，放入丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA) 显影液中湿法刻蚀30 50秒钟，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导，再用热空气烘干。之后进行150°C (30 40分钟)的后烘坚膜，增强波导与平板层的结合力，即制备好聚合物压印模板。本发明的上、下包层材料为Norland公司生产的紫外固化有机聚合物材料，型号为N0A63，可以通过甲苯稀释，改变该材料的黏度。芯层材料为掺铒有机聚合物材料，包括我们自己制备的Er1Jba8(PBa)6(Phen)2 可溶性掺铒配合物材料(Cong Chen, APPLIED PHYSICS LETTERS，94，041119，2009)、 ErYb (DBM) 3(MA)/SU-8材料(陈聪，铒镱共掺有机聚合物硅基平面光波导放大器的研究， 2010，博士论文)和掺入Er% (DBM) 3Phen的N0A61材料(ErYb (DBM) 3Phen材料见“张丹，掺铒有机聚合物光波导放大器的理论研究与实验制备，2008，博士论文”，N0A61材料为Norland 公司生产；把质量比的Er%(DBM)3Phen溶于甲苯中，再按甲苯和N0A61材料1 5的质量比溶解)。所选用的聚合物材料N0A63和掺铒聚合物芯层材料旋涂前均为溶液状态，可以通过选择旋涂的转数控制薄膜厚度。如图1所示，本发明所述的可溶性掺铒配合物光波导放大器的制备方法中所提到在带有凸起波导图案的Si或聚合物模板(1)上旋涂聚合物材料N0A63，是指将N0A63滴在清洁处理过(依次用甲苯、丙酮、乙醇清洗和超声清洗)的带有凸起波导图案的Si (或聚合物)模板(1)上，然后将Si (或聚合物)模板(1)置于旋转涂覆机上，在1000 2000转/ 分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使聚合物材料N0A63均勻涂在 Si (或聚合物)模板(1)上，得到的下包层(2)的厚度h4为30 40微米；所说的紫外固化N0A63材料是将旋涂后的样品置于400W汞灯下紫外固化，固化距离30 40cm，固化时间6 10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。所说的剥离是把下包层(2)从Si (或聚合物)模板(1)上分离开来，不损坏Si (或聚合物)模板上压印出的图形。由于聚合物N0A63材料较好的柔韧性，所以只需要对样品端面进行解离，然后从解离端翘起，把两者直接分开，从而在下包层的表面形成与Si (或聚合物)模板上凸起的波导图案结构互补的凹槽结构；所说的旋涂芯层材料，是将掺铒有机聚合物材料滴在带有凹槽的下包层( 上，将下包层( 在1000 3000转/分的转速下进行旋转涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使掺铒聚合物芯层材料均勻地将下包层O)凹槽填满并形成掩埋型波导结构，芯层(3)厚度为凹槽的深度加上掩埋型波导上层平板层厚度，上层平板层厚度、为1 6微米。所说的热固化EiYJba8(PBa)6(Wien)2掺铒配合物材料，是将需固化的液态的样品放于真空烘箱中，真空挥发溶剂，温度为50 65度，时间为2 6小时，烘箱真空度为 0.09MPa。所说的热固化Edb (DBM) 3 (MA) /SU-8材料，是指将需要固化的样品置于烘箱中，烘箱温度经过60 65°C、10 20分钟及90°C、20 30分钟的前烘后，在150W(大功率的汞灯会使得材料被漂白，故采取小功率汞灯曝光使得材料交联)、365nm波长的汞灯下曝光， 曝光时间为3 4分钟，接着140 160°C、30 40分钟后烘，增强材料的稳定性。所说的光固化掺入Er% (DBM) 3Phen的N0A61材料，是指将要固化的样品置于400W 汞灯下，距离30 40cm，固化时间4 10分钟。所说的制备上包层(4)是将聚合物材料N0A63用旋转涂膜的方法均勻涂在芯层 (3)上，上包层的厚度Ii2为20 30微米，进而得到EDWA器件，此过程如图3所示。所说的覆盖紫外固化好的N0A63薄膜作为上包层(5)，是指将旋涂芯层材料后的样品上粘贴一层30 40微米厚的，固化好的N0A3薄膜(直接在Si片上旋涂，然后在 1000 2000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使聚合物材料N0A63均勻涂在抛光好的Si片上，将旋涂后的样品在400W汞灯下紫外固化，固化距离 30cm,固化时间6 10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，然后把薄膜直接剥离，得到固化好的N0A3薄膜)，然后在固化好的N0A63薄膜上压放PMMA聚合物片(6)，置于烘箱中热固化，或者置于汞灯下光固化。所说的制备微流控芯片是将N0A63(8)直接在Si片(7)上旋涂，然后在1000 2000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使聚合物材料N0A63均勻涂在抛光好的Si片上，将旋涂后的样品在400W汞灯下紫外固化，固化距离30 40cm， 固化时间6 10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，接着在上面旋涂N0A71材料(9)， 3000 4000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使聚合物材料 N0A71 (9)均勻涂在N0A63(8)薄膜上，将旋涂后的样品在400W汞灯下不完全固化，固化距离30cm，固化时间3 5分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，接着把带有凹槽的下包层 (2)置于N0A71薄膜上粘贴，将N0A71在400W汞灯下完全固化，固化距离30 40cm，固化时间5 8分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。这样即制备得到了小尺寸微流控芯片，接着在样品的一侧封装上微流控导管(16)，首先把一侧的微流控芯片的端口与导管接触，并在上面覆盖玻璃纸(14)，使得封装时不会堵住微流控孔道(1 和导管(16)，然后在玻璃纸 (14)边缘滴加N0A63(15)，在400W汞灯下紫外固化，固化距离30 40cm，固化时间8 15 分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，使得玻璃纸(14)和底层材料(9)形成腔室，边缘封装，在微流控通道(1 的另一侧滴加芯层材料(3)，封装一侧导管连接注射器或微流控泵， 形成一个负压，水平静置样品10 20分钟，芯层材料(3)即可填充微流控通道，填充距离为1 3cm，微流控通道(1 越大，芯层材料C3)填充速度越快。填充芯层材料后的样品根据芯层材料的固化方式进行光固化或者热固化。整个芯片结构如图7所示。在器件制备完成后需要对器件进行切割，采用准分子激光对聚合物波导器件进行切割，准分子激光采用柱透镜聚焦，焦斑宽度为25 100微米，激光脉冲频率选择为5 20Hz，脉冲的能量选择为15 35毫焦，切割时间60 300秒，切割截面如图8所示，准分子激光器的切割效果相对于直接解离和划片机划片是较好的。本发明制作的柔性掺铒有机聚合物光波导放大器，在1535nm波长下增益可达 0. 5 6dB/cm，器件的性能参数与无机EDWA器件性能相近，但工艺更为简单，价格远远低于无机EDWA器件。综上所述，采用纳米压印工艺制备掺铒有机聚合物EDWA器件具有制作工艺简单， 成本低，精度高等优点，不仅容易控制聚合物芯层包层材料的折射率差，而且容易控制每一层材料的厚度。同时本发明弥补了掺铒聚合物不能刻蚀的缺点，不必采用传统的光刻技术和反应离子(RIE)干法刻蚀技术。紫外固化材料不需要热固化，提高了制备效率。掺铒有机聚合物柔性EDWA克服了制备无机EDWA所需的高昂的成本，复杂的工艺等弊端，器件性能与无机EDWA接近。本发明的方法适合于大批量生产可实际应用的EDWA器件。
图1 本发明所述制备可溶性掺铒配合物EDWA器件的工艺流程图；1为Si模板，2为聚合物材料N0A63作为下包层，3为掺铒聚合物芯层，4为聚合物材料N0A63作为上包层，5为直接固化好的聚合物NOA材料，6为PMMA聚合物片，7为Si片， 8为N0A63聚合物衬底，9为聚合物N0A71。图2 掺铒聚合物EDWA器件截面示意图；本发明的掺铒聚合物光波导放大器，以Si模板紫外纳米压印技术制备，其截面如图2所示，左图为倒脊形结构和准矩形结构，压印的图形与Si模板一致，但是增加了压印带来的平板，平板厚度(h3)为1 5微米，上包层厚度(h2)为30 50微米，下包层厚度(h4) 为30 50微米。右图为矩形结构，上包层厚度(h5)为8 10微米，聚合物衬底厚度(h6) 为25 45微米。图3 掺铒聚合物EDWA器件Si模板结构示意图；一种典型结构的Si模板的凸起波导图案是由3 8组凸起的波导阵列组成，Si 模板为全Si材质，波导阵列的间距(W2)相同，为300 500微米；波导的长度(L)为3 5cm，高度Qll)为1 8微米；每组波导阵列中包括2 5条波导，同组阵列中每条波导的宽度(d)和波导间的间距(W1)均相同，宽度(d)为1 10 μ m，间距(W1)为150 300微米；波导阵列的波导条的宽度依次增加；以具有5个波导阵列的波导为例，每个波导阵列中包括3条波导，同一阵列中的每个波导的宽度均相同，不同阵列中的波导宽度不相同，依次为1微米(Cl1)、2微米(d2)、4微米(d3)、6微米(d4)、8微米(d5)；凸起的波导侧壁粗糙度小于lOnm，为了得到1微米的较小线宽，Si模版委托中国科学院北京微电子所采用电子束光亥Ij，刻蚀加工而成。图4 可溶性掺铒配合物EDWA器件中Si模板上波导SEM图；图中为Si模板上的1微米宽度的波导，波导高度为1微米，波导的整体形貌如左图所示，波导的侧壁形貌如右图所示，侧壁粗糙度小于lOnm。图5 紫外纳米压印制备的聚合物衬底上的波导凹槽SEM图；左图为紫外纳米压印制备的聚合物凹槽，凹槽宽度为1微米，深度为1微米。右图为凹槽侧壁和底部示意图，粗糙度与Si模板粗糙度基本相同。图6 =SU-S聚合物模板制备流程图；10为SW2片，其厚度为2微米，11为第一层SU-8材料，12为第二层的SU-8材料；图7 微流控芯片制备矩形聚合物光波导放大器13为微流控通道，14为封装用玻璃纸，15为封装真空腔室边缘的聚合物材料 N0A63，16为微流控导管图8 准分子激光器切割聚合物EDWA器件截面显微镜照片(a)；直接刀片解离聚合物EDWA器件截面显微镜照片(b)；划片机切割聚合物EDWA器件截面显微镜照片(C)。
具体实施例方式实施例1 :Si 模板纳米压印脊形的 Er1.2Yb0.8 (PBa) 6 (Phen) 2EDWA制备带有凸起波导图案的Si模板(1)，波导长度(L)为3cm，共有5组波导阵列， 每组波导阵列中包括3条波导，每条波导的间隔(W1)为200微米，各组阵列中每条波导的宽度⑷分别为111111、211111、411111、611111和811111，波导的高度(hi)为3微米，波导阵列的间距(W2)为400微米；将聚合物材料N0A63(未经甲苯稀释)涂于处理过处理(先丙酮擦拭，后乙醇擦拭，最后去离子水冲洗)的带有凸起波导图案的Si模板(1)上，以1500转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到45微米厚的下包层O)，然后将下包层( 从Si模板(1)上剥 1 ；将旋涂后的下包层(2)置于400W汞灯下紫外固化(紫外纳米压印)，固化距离 30cm,固化时间10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。本发明所使用的掺铒可溶性配合物材料(Er1.2Yb0.8 (PBa) 6 (Phen) 2)，其制备过程如下将0. 590g(4. 094mmol)4 戊基苯甲酸钠和0. 595g(3. 002mmol)l,10 菲啰啉一水合物(C12H8N2 · H2O)加入到150ml四氢呋喃(THF)中，搅拌形成悬浮液；将0. 312g ErCl3 · 6H20(0. 820mmol)和 0. 212g YbCl3 · 6H20(0. 546mmol)溶解在 IOml 的无水甲醇中， 然后缓慢滴加到上述悬浮液中；在室温下反应M小时后过滤，滤液减压旋蒸去除溶剂， 得到的固体先用乙醚多次洗涤，然后用正己烷洗涤，最后真空干燥得到粉红色的掺铒可溶性配合物粉末0. 666g，铒离子的重量比达到了 10. 8wt% (Cong Chen, APPLIED PHYSICS LETTERS, 94,041119, 2009. (SCI))。往配合物粉末中滴加环戊酮(C5H8O)，重量比为0. 666g 配合物粉末Ig环戊酮，在75°C的水浴环境下，缓慢搅拌至配合物粉末完全溶解，得到粉红色透明溶液。将掺铒配合物溶液涂于剥离后下包层O)的凹槽上，以1600转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒。掺铒配合物填充满凹槽(槽深3微米)后，在上包层( 上形成厚度1. 5微米的掺铒配合物上层平板，填充于凹槽内的掺铒配合物和掺铒配合物上层平板共同构成芯层(3)。将下包层(2)及芯层(3)放入烘箱中，升温至50°C在真空环境下恒温固化 5小时后取出。然后将上包层材料N0A63涂于芯层(3)上，以1500转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到40微米厚的聚合物上包层0)。将旋涂后的上包层(4)置于400W汞灯下紫外固化，固化时间10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。这样就制备出符合设计要求的EDWA器件。在制备完成后采用准分子激光对聚合物波导器件进行切割，准分子激光采用柱透镜聚焦，焦斑宽度为50微米，激光脉冲频率选择为10Hz，脉冲的能量选择为25 毫焦，切割时间150秒。制备的器件，在1535nm波长下增益可达3. 5dB/cm。
实施例2 聚合物模板纳米压印制备脊形Er% (DBM) 3 (ΜΑ) /N0A6 IEDffA在清洁处理后的(先丙酮清洗，后乙醇清洗，最后去离子水冲洗)SiO2上旋涂SU-8 材料，以3000转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到厚度约为4. 5微米的薄膜，经过 650C (10分钟)，90°C (20分钟)的前后烘后，在150W、365nm波长的汞灯下曝光，曝光时间为3分钟，接着150°C (30分钟)后烘，增强材料与衬底的结合力。接着再旋涂一层SU-SM 料，以2000转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到约为6微米的薄膜，经过65°C (10 分钟)，90°C (20分钟)的前后烘后，在350W、365nm波长的汞灯下对版光刻，曝光时间为3 分钟，接着进行接着在65°C (10分钟)，90°C (10分钟)进行中烘，待冷却至室温，放入丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影液中湿法刻蚀40秒钟，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导，再用热空气烘干。之后进行150°C (30分钟)的后烘，增强波导与平板层的结合力，即制备好聚合物压印模板。模板(1)长度(L)为3cm，共5个波导阵列， 每个波导阵列中包括3条波导，每条波导的间隔(W1)为200微米，每个阵列中每条波导的宽度(d)分别为10微米、8微米、6微米、4微米、2微米，波导的高度(hi)为6微米，波导阵列的间距(W2)为400微米；将聚合物材料N0A63(未经甲苯稀释)涂于制备好的聚合物模板(1)上，以1500 转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到45微米厚的下包层(2)。将旋涂后的下包层(2)置于400W汞灯下紫外固化(紫外纳米压印)，固化距离 30cm,固化时间10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。旋涂ErYb (DBM) 3 (ΜΑ) /N0A61作为芯层材料。将N0A61涂于剥离后的带有凹槽的下包层( 上，以4500转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒。可填充满凹槽(槽深5微米)，上层平板厚度6微米。将旋涂芯层后的样品置于400W汞灯下紫外固化，固化时间6分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。将上包层材料N0A63涂于芯层材料上，以1500转/ 分钟的转速旋转，旋转时间为30秒。得到40微米厚的聚合物上包层0)。将旋涂后的上包层(4)置于400W汞灯下紫外固化，固化时间10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。这样就制备出符合设计要求的EDWA器件。在制备完成后需要准分子激光对聚合物波导器件进行切割，准分子激光采用柱透镜聚焦，焦斑宽度为50微米，激光脉冲频率选择为10Hz，脉冲的能量选择为观毫焦，切割时间200秒。制备的器件，在1535nm波长下增益可达1. 5dB/ cm。实施例3 Si 模板压印准矩形的 ErYb (DBM) 3 (Phen) /SU-8EDWA制备带有凸起波导图案的Si模板(1)，长度(L)为3cm，共5个波导阵列，每个阵列的宽度⑷分别为811111、611111、411111、211111和111111，波导的高度(hi)为4微米，波导阵列的间距(W2)为400微米；每个波导阵列中均包括3条波导，每条波导的间隔(W1)为200微米。将聚合物材料N0A63(未经甲苯稀释)涂于处理过处理(先丙酮擦拭、后乙醇擦拭，最后去离子水冲洗)的带有凸起波导图案的Si模板(1)上，以1500转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到45微米厚的下包层(2)。将旋涂后的下包层(2)置于400W汞灯下紫外固化(紫外纳米压印)，固化距离30cm,固化时间10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。将ErYb (DBM)3 (Phen)/SU-8材料溶液涂于剥离后的带有凹槽的下包层(2)上，以 3000转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒。可填充满凹槽(槽深4微米)，上层平板厚度4微米，得到芯层(3)；在芯层上粘贴ー层30微米厚的固化好的N0A63薄膜(5)(直接在 Si片上旋涂，然后在2000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，使聚合物材料N0A63均勻涂在Si片上，将旋涂后的样品在400W汞灯下紫外固化，固化距离30cm， 固化时间7分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，然后把薄膜直接剥离，即得到固化好的 N0A63薄膜)，然后在固化好的N0A63薄膜上压放PMMA聚合物片(6)，置于烘箱中热固化，经过65°C (10分钟)，90°C (20分钟)的前后烘后，在150W、365nm波长的汞灯下曝光，曝光时间为3分钟，接着150°C (30分钟)后烘，即制备出符合设计要求的EDWA器件。在制备完成后需要准分子激光对聚合物波导器件进行切割，准分子激光采用柱透镜聚焦，焦斑宽度为 50微米，激光脉冲频率选择为10Hz，脉冲的能量选择为25毫焦，切割时间150秒。制备的器件，在1535nm波长下增益可达0. 5dB/cm。实施例4 聚合物模板纳米压印矩形的(EiYJba8(PBa)6(Phen)2)EDWA在清洁处理后的(先丙酮清洗，后乙醇清洗，最后去离子水冲洗)SiO2上旋涂SU-8 材料，以3000转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到厚度约为4. 5微米的薄膜，经过 650C (10分钟)，90°C (20分钟)的前后烘后，在150W、365nm波长的汞灯下曝光，曝光时间为3分钟，接着150°C (30分钟)后烘，增强材料与衬底的结合力。接着再旋涂ー层SU-8材料，以2000转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到约为6微米的薄膜，经过65°C (10 分钟)，90°C (20分钟)的前后烘后，在350W、365nm波长的汞灯下对版光刻，曝光时间为3 分钟，接着进行接着在65°C (10分钟)，90°C (10分钟)进行中烘，待冷却至室温，放入丙ニ 醇甲醚醋酸酷(PGMEA)显影液中湿法刻蚀40秒钟，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导，再用热空气烘干。之后进行150°C (30分钟)的后烘，增强波导与平板层的结合力，即制备好聚合物压印模板。模板(1)长度(L)为3cm，共5个波导阵列， 每个波导阵列中包括3条波导，每条波导的间隔(W1)为200微米，每个阵列中每条波导的宽度(d)分别为10微米、8微米、6微米、4微米、2微米，波导的高度(hi)为6微米，波导阵列的间距(W2)为400微米；将聚合物材料N0A63(未经甲苯稀释)涂于制备好的聚合物模板(1)上，以1500 转/分钟的转速旋转，旋转时间为30秒，得到45微米厚的下包层(2)。将旋涂后的下包层(2)置于400W汞灯下紫外固化(紫外纳米压印)，固化距离 30cm,固化时间10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。接下来利用制备好的聚合物凹槽制备微流控芯片。将N0A63(8)直接在Si片(7) 上旋涂，然后在2000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，使聚合物材料N0A63(8)均勻涂在抛光好的Si片(7)上，将旋涂后的样品在400W汞灯下紫外固化，固化距离30cm，固化时间8分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，接着在上面旋涂N0A71材料 (9)，3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，使聚合物材料N0A71 (9) 均勻涂在N0A63材料(8)上，将旋涂后的样品在400W汞灯下不完全固化，固化距离30cm， 固化时间4分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，接着把带有凹槽的包层(2)置于N0A71 薄膜(9)上粘贴，将N0A71 (9)在400W汞灯下完全固化，固化距离30cm，固化时间7分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量。这样即制备得到了通道(13)宽度2 10微米，高度6微米的小尺寸微流控芯片，接着在样品的一侧封装上微流控导管(16)，首先把ー侧的微流控芯片的端ロ与导管接触，并在上面覆盖玻璃纸(14)，使得封装时不会堵住孔道和导管，然后在玻璃纸边缘滴加N0A63 (15)，在400W汞灯下紫外固化，固化距离30cm，固化时间12分钟， 加红外滤光片滤去不必要的热量，使得玻璃纸(14)和底层材料(9)形成腔室，边缘封装，在微流控通道的另ー侧滴加芯层材料(3)，封装ー侧导管连接注射器，抽动注射器，形成负压， 水平静置样品5分钟，芯层材料( 即可填充微流控通道，填充距离为2 3cm，微流控孔越大，填充速度越快。填充芯层材料C3)后的样品，50°C热固化可溶性掺铒配合物2小吋。
这样就制备出符合设计要求的矩形EDWA器件。在制备完成后需要准分子激光对聚合物波导器件进行切割，准分子激光采用柱透镜聚焦，焦斑宽度为50微米，激光脉冲频率选择为15Hz，脉冲的能量选择为观毫焦，切割时间300秒。制备的器件，在1535nm波长下增益可达6dB/cm。
权利要求
1.一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其步骤如下1)在带有凸起波导图案的Si或聚合物模板(1)上旋涂聚合物材料N0A63，然后紫外固化聚合物材料N0A63，并将其从Si或聚合物模板(1)上剥离后得到带有凹槽的下包层O)；2)在带有凹槽的下包层( 上旋涂芯层材料，接着热固化或光固化芯层材料，得到脊形结构的芯层(3)，然后在脊形结构的芯层(3)上旋涂聚合物材料N0A63，紫外固化后得到上包层⑷；3)对器件进行切割，从而得到柔性聚合物光波导放大器；其中，芯层材料为 Er1^Ybtl.8 (PBa)6(Phen)2、ErYb (DBM)3(MA)/SU-8 或掺入 ErYb (DBM) 3Phen 的 N0A61 材料。
2.一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其步骤如下1)在带有凸起波导图案的Si或聚合物模板(1)上旋涂聚合物材料N0A63，然后紫外固化聚合物材料N0A63，并将其从Si或聚合物模板(1)上剥离后得到带有凹槽的下包层O)；2)在带有凹槽的下包层( 上旋涂芯层材料，在旋涂后的芯层材料上覆盖紫外固化好的聚合物材料N0A63上包层( ，再在上包层( 上面盖上聚合物PMMA薄片(6)，以确保薄膜的平整性，然后热固化或者光固化芯层材料，得到准矩形结构的芯层(3)，并使芯层(3) 和上包层(5)、下包层( 粘附起来；3)对器件进行切割，从而得到柔性聚合物光波导放大器；其中，芯层材料为 Er1^Ybtl.8 (PBa)6(Phen)2、ErYb (DBM)3(MA)/SU-8 或掺入 ErYb (DBM) 3Phen 的 N0A61 材料。
3.一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其步骤如下1)在带有凸起波导图案的Si或聚合物模板(1)上旋涂聚合物材料N0A63，然后紫外固化聚合物材料N0A63，并将其从Si或聚合物模板(1)上剥离后得到带有凹槽的下包层O)；2)在Si片(7)上旋涂聚合物材料N0A63(8)，紫外固化聚合物材料N0A63(8)；再在聚合物材料N0A63(8)上旋涂聚合物N0A71材料(9)，紫外光照射；当紫外固化未完全时，在聚合物N0A71材料(9)上粘贴带有凹槽的下包层O)，从而在两者界面处形成微流控通道，进一步紫外光照射使聚合物N0A71完全固化，制备得到微流控芯片；把微流控芯片的一端封装上微流控泵或注射器形成负压，在微流控芯片的另一端滴加芯层材料，在负压作用下芯层材料填充整个微流控通道，再对芯层材料进行热固化或光固化，从而得到矩形结构的芯层(3)，然后将器件从Si片(7)上剥离；3)对器件进行切割，从而得到柔性聚合物光波导放大器；其中，芯层材料为 Er1.2Yb0.8 (PBa) 6 (Phen) 2、ErYb (DBM) 3 (MA) /SU-8 或掺入 Ei^b (DBM) 3Phen 的 N0A61 材料。
4.如权利要求1 3所述的一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其特征在于在带有凸起波导图案的Si或聚合物模板(1)上旋涂聚合物材料N0A63， 是指将N0A63滴在清洁处理过Si或聚合物模板(1)上，然后将Si或聚合物模板(1)置于旋转涂覆机上，在1000 2000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20 40 秒，使聚合物材料N0A63均勻涂在Si或聚合物模板(1)上；紫外固化N0A63材料是将旋涂后的样品置于400W汞灯下紫外固化，固化距离30 40cm，固化时间6 10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量；剥离是把下包层(2)从Si或聚合物模板(1)上分离开来，而不损坏Si或聚合物模板上压印出的图形。
5.如权利要求1 2所述的一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其特征在于所说的旋涂芯层材料，是将芯层材料滴在带有凹槽的下包层( 上，将下包层( 在1000 3000转/分的转速下进行旋转涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使芯层材料均勻地将下包层O)凹槽填满并形成掩埋型波导结构。
6.如权利要求2所述的一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法， 其特征在于紫外固化好的N0A63薄膜是在Si片上旋涂聚合物N0A63材料，然后在1000 2000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20 40秒，使聚合物材料N0A63均勻涂在抛光好的Si片上，将旋涂后的样品在400W汞灯下紫外固化，固化距离30cm，固化时间6 10分钟，加红外滤光片滤去不必要的热量，然后把聚合物N0A63薄膜直接剥离，得到紫外固化好的N0A3薄膜。
7.如权利要求1 3所述的一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其特征在于对器件进行切割是采用准分子激光对聚合物波导器件进行切割，准分子激光采用柱透镜聚焦，焦斑宽度为25 100微米，激光脉冲频率选择为5 20Hz，脉冲的能量选择为15 35毫焦，切割时间60 300秒。
8.如权利要求1 3所述的一种紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法，其特征在于Si模板的凸起波导图案是由3 8组凸起的波导阵列组成，波导阵列的间距(W2)相同，为300 500微米；波导的长度(L)为3 5cm，高度Qi1)为1 8微米；每组波导阵列中包括2 5条波导，同组阵列中每条波导的宽度(d)和波导间的间距(W1)均相同，宽度⑷为1 10 μ m，间距(W1)为150 300微米；多个组的波导阵列波导条的宽度依次增加；凸起的波导侧壁粗糙度小于lOnm。
全文摘要
本发明属于聚合物光波导放大器制备技术领域，具体涉及采用紫外纳米压印技术制备有机聚合物柔性光波导放大器的方法。其是在高精度的、带有凸起波导图案的Si或聚合物模板上旋涂聚合物下包层材料，紫外纳米压印固化，再以得到的带有聚合物凹槽的薄膜为衬底，旋涂可溶性配合物材料芯层材料，然后进行真空烘干；再旋涂聚合物上包层材料，紫外固化后得到本发明所述的聚合物波导放大器。本发明的器件及其制作方法不仅容易控制聚合物芯层和包层材料的折射率差，而且容易控制每一层材料的厚度；器件成本低，成品率高，精度高，适合大批量生产。
文档编号G02B6/138GK102565942SQ20121000389
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者孙小强, 张大明, 王旗, 王菲, 衣云骥, 陈长鸣 申请人:吉林大学