一种光子晶体的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种光子晶体的制造方法，其包括：设计制作光子晶体的掩膜板，所述掩膜板上的图形或图形组合必须是周期分布的；布置光路，将用于制作光子晶体的材料置于所述掩膜板的一侧，将所述平面光光源置于所述掩膜板的另一侧；其中，所述材料距离掩膜板2个泰伯周期以上；开启所述光源，所述光源通过所述掩膜板，在掩膜板的另一侧的空间形成周期性的泰伯像，并且在所述光子晶体材料中形成感光区，使得该感感光区在所述光子晶体材料中由远场向近场推进，完成曝光。采用本发明提出的这种方法可以以较低成本制作二维和三维光子晶体。
【专利说明】一种光子晶体的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学成像【技术领域】，尤其涉及一种采用转移泰伯像制造光子晶体的方法。
【背景技术】
[0002]1987 年，S.John [S.John, " Strong Localizat1n of Photons in CertainDisordered Dielectric Superlattices " , Phys.Rev.Lett.58,2486(1987).]和E.Yablonovitch[E.Yablonovitch" Inhibited Spontaneous Emiss1n in Solid-StatePhysics and Electronics " ，Phys.Rev.Lett.，Vol.58, 2059 (1987).]分别独立提出光子晶体(PhotonicCrystal, PC或PhC)理论,它是由不同折射率的介质周期性排列而成的规则光学结构。由于折射率在空间上周期变化。当折射率的变化周期与光波长相当时，会出现光子能带结构(Photonic Band structures)。与电子能带类似,存在光子无法传播的频率区间，称之为“光子频率禁带”(Photonic Band Gap, PBG)。光子晶体可以定义为由不同折射率的介质周期性排列的规则光学结构。光子晶体根据在空间上的周期性变化分为一维、二维、三维光子晶体。光子晶体能按照人们的意愿来控制光子的运动，利用光子晶体可以制作以前做不到的光学器件，例如可以应用在通信领域，可以提高通信质量，在微波电路和微波天线上也有应用；用于LED照明领域，可显著提高光提取率，也就是提高了对电能的利益率，积极响应国家的节能减排政策。
[0003]目前，光子晶体制作方法有:采用精密加工法，制作层状光子晶体，主要思想为在同一平面周期排列折射率与间隙差别较大的棒状晶体，不同平面错开一定角度，经过几层厚，至与第一层的夹角为O。；利用半导体技术制作层状结构的光子晶体，主要思路为提供外延技术，在衬底上外延多层膜，再用激光技术制作微结构，形成光子晶体；激光全息干涉法等。但是这些方法都有这样或那样的不足，例如成本高昂，工艺复杂，而且做出周期结构都在微米量级或更大，无法做出纳米量级或更小周期结构的光子晶体。
【发明内容】
[0004]为了克服上述缺点，本发明提供了一种光子晶体的制作方法，该光子晶体制作方法具有工艺简单，成本低廉，可用于制作纳米结构的二维或三维光子晶体。
[0005]为达到上述目的，本发明提供了一种光子晶体的制造方法，其包括:
[0006]设计制作光子晶体的掩膜板，所述掩膜板上的图形或图形组合必须是周期分布的；
[0007]布置光路，将光子晶体材料置于所述掩膜板的一侧，将所述光源置于所述掩膜板的另一侧；其中，所述光子晶体材料距离掩膜板2个泰伯周期以上；
[0008]开启所述光源，所述光源通过所述掩膜板，在掩膜板的另一侧的空间形成周期性的泰伯像，并且在所述光子晶体材料中形成感光区，使得该感感光区在所述光子晶体材料中由远场向近场推进，完成曝光。
[0009]本发明与现有技术相比，不需要精密机械加工，也不需要外延技术，设备也很简单，这些都极大限度的降低了光子晶体的制备成本；加工的光子晶体的最小周期结构可达纳米尺度，现有的通过精密机械加工技术制备光子晶体只能达到微米尺度；具有容易制备的特点，在制备好掩模版和选取好晶体材料后，在特定条件下经过曝光，就可以做出光子晶体。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明中提出的光子晶体制作方法中布置的光路图；
[0011]图2为本发明一实施例中掩膜板的图形示意图；
[0012]图3为本发明实施例中采用图2作为掩模版时其下方光照强度分布的截面图；
[0013]图4为本发明另一实施例中掩膜板的图形示意图。
【具体实施方式】
[0014]以下通过具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书的内容轻易的了解其它优点和功效。本发明还可以通过其它不同的【具体实施方式】加以实施和应用，本说明书中的各项也可以基于不同的观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0015]本发明提出了一种光子晶体的制作方法，该方法包括如下步骤:
[0016]步骤101:设计掩模版；该步骤中用于制作二维或三维光子晶体的掩模版，所述掩膜板可以有多种不同的样式；所述掩模版上的图形由多个单个图形组合而成，且这些单个图像周期分布；所述掩模版上的单个图形的特征尺寸需大于光源的光波波长；例如，所述单个图形为孔状结构时，其开孔直径大于光波波长；所述单个图像为槽状结构时，槽的宽度大于光波波长；掩模版上的最小周期长度最好大于或等于波长的二倍。
[0017]步骤102:布置光路；首先选取适合制作光子晶体的材料，该光子晶体的材料特征为:透明；在满足一个或多个条件时对光照敏感，或者对特定波长的光照敏感，即在光的作用下，用于制作光子晶体的材料会发生光化学反应，并导致该材料折射率发生不可逆的变化。具体光路图见图1所示，其中I为光源，2为掩模板，3为用于制作光子晶体的材料。
[0018]在光路布置时，用于制作光子晶体材料放置于与掩模版距离2个泰伯周期以上的位置处，就能得到较好的类泰伯像，此时能满足一般光子晶体的制造；当我们需要非常好的光子晶体时，可以将选取好的光子晶体材料置于菲涅尔衍射区，或者夫琅和费衍射区；因为掩模版距离菲涅尔衍射区较远，离夫琅和费衍射区更远，所以要保证光强周期分布，就必须扩大掩模版。
[0019]步骤103:转移泰伯像制备光子晶体:首先，开启平面光光源，平面光通过掩模版，在掩模版的另一侧的空间上形成周期性的泰伯像，光照强度在空间周期分布，待光照强度稳定后(这个时间会很短)，使用技术手段，该技术手段可以是:将加热装置置于所述材料下表面，并使两者紧密贴合，从而达到使所述材料下表面均匀受热；将光路系统所在介质环境温度置为低于发生光化学反应所需的温度；将加热装置的温度设置为高于发生光化学反应所需的温度；开启加热装置，在所述光子晶体材料中形成温度梯度，发生光化学反应的温度区间逐步向接近掩膜板方向推进，直到发生光化学反应的区间达到所述光子晶体材料上表面，完成曝光过程。曝光完成后，也就完成了将周期分布的光照强度分布以折射率的形式转移到该材料上制备光子晶体的过程。
[0020]下面根据详细的实施例说明本发明提出的光子晶体的制作方法。
[0021]实施例1
[0022]本发明实施例中二维光子晶体的制备方法流程包括:
[0023]步骤201:选取条状掩模版，即掩膜板上的图形由多个周期排列条状图形构成，其周期为600nm，开口宽度为300nm，具体见图2所示，平面光光源波长为300nm，开启光源，在掩模版下方光照强度分布的截面图，如图3所示。
[0024]步骤202:选取合适的材料，材料特征为:在满足一个或多个某种特定条件时，对光照或特定波长的光照敏感，此时，在光的作用下，该材料的折射率会发生不可逆的变化；在本实施例中具体为:在特定温度区间对光照十分敏感，在光的作用下，该材料会发生不可逆的光化学反应，生成的新物质与原材料的折射率相差很大；将该材料切成长方体，边长2X2X1厘米，接近掩模版的一面称为上表面，远离掩模版的一面称为下表面，上下表面与掩模版平行放置。
[0025]步骤203:按照图1布置好光路，在本实施例中光子晶体与掩模版距离大约2个泰伯周期，即4.8微米；整个光路置于折射率和该材料十分接近的介质中；将材料侧面包裹上一层很薄的绝热透明物质；将材料下表面紧密贴合加热装置，该加热装置具备使材料下表面均匀受热的特点。
[0026]步骤204:打开光源；如果发生光化学反应所需的温度低于环境温度，此时利用温度调节装置，例如空调、液氮等，将环境温度降低；将加热装置的温度设置为高于发生光化学反应的温度，具体高多少度应该由导热速度、发生光致化学反应的温度区间和完成化学反应所需时间共同决定；开启加热装置后，在材料中形成温度梯度，可发生光化学反应的温度区间逐步向接近掩模版方向推进，当光致化学反应的区间到达材料的上表面时，完成曝光过程。
[0027]步骤205:切掉光子晶体的所有表面，切掉的厚度约为I个泰伯周期，本实施例的泰伯周期为2.4微米，完成光子晶体的制作。
[0028]实施例2
[0029]三维光子晶体的制备
[0030]掩模版的样式如图4所示，掩模版的正方形孔的边长为300纳米，孔的间距为300纳米，掩模版的设计方案有很多，这里仅仅是其中一种。其它实施步骤与实施例1相同。
[0031]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种光子晶体的制造方法，其包括: 设计制作光子晶体的掩膜板； 布置光路，将光子晶体材料置于所述掩膜板的一侧，将所述光源置于所述掩膜板的另一侧；其中，所述光子晶体材料距离掩膜板2个泰伯周期以上； 开启所述光源，所述光源通过所述掩膜板，在掩膜板的另一侧的空间形成周期性的泰伯像，并且在所述光子晶体材料中形成感光区，使得该感感光区在所述光子晶体材料中由远场向近场推进，完成曝光。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩膜板上的图形或者图形组合必须是周期分布的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述单个图形的特征尺寸大于所述光源的光波波长。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩膜板的图形的最小周期长度大于或等于所述光源的光波波长的两倍。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述光子晶体材料置于所述光源在所述掩膜板一侧形成的菲涅尔衍射区或夫琅和费衍射区可以获得更好的光子晶体。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述光子晶体材料透明且对光照敏感。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述光子晶体在满足一定条件时才对光照敏感，或者对特定波长的光照敏感。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述在所述光子晶体材料中形成感光区，使得该感感光区在所述光子晶体材料中由远场向近场推进，完成曝光。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述光源、掩膜板和光子晶体材料所在的介质环境的折射率与所述光子晶体材料折射率差别小于或等于I%。
【文档编号】G02B6/13GK104166181SQ201410440446
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】杜泽杰, 段瑞飞 申请人:中国科学院半导体研究所