一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁深度蝕刻出一定坡度的空氣溝槽，制備金屬電極形成與波導襯底平面平行的極化電場，通過極化誘導，增強長鏈分子型聚合物光波導的雙折射性，并實現(xiàn)與長鏈分子型聚合物材料的本征雙折射性匹配。其中所述的光波導為長鏈分子型聚合物材料，制備的金屬電極采用金、銀或其它金屬。本發(fā)明誘導的波導雙折射性與長鏈分子型聚合物材料的雙折射性匹配，可以顯著提高采用電場極化法對長鏈分子型聚合物材料雙折射性的誘導效率。
【專利說明】一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相干光通信系統(tǒng)是面對未來眾多通信新業(yè)務(wù)最有效的大容量、大帶寬、高速率長途通信系統(tǒng)，也是數(shù)據(jù)率100Gb/S以上光網(wǎng)絡(luò)的唯一解決方案。偏振態(tài)復用及解復用技術(shù)正是目前相干光通信系統(tǒng)中提高傳輸數(shù)率的關(guān)鍵技術(shù)之一，而這些技術(shù)的發(fā)展急待研發(fā)高性能、低成本的關(guān)鍵器件。這些關(guān)鍵器件包括偏振態(tài)合束器、偏振態(tài)分束器、偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)器、偏振態(tài)控制器等等，都需要采用雙折射性大的光學材料制備。
[0003]聚合物材料也適合用于制備偏振態(tài)復用相干光通信系統(tǒng)所需的各類偏振控制器件。隨著新有機材料的迅猛發(fā)展，基于聚合物材料的光子器件表現(xiàn)出令人注目的性能，特別是對聚合物材料進行氟化以C-F鍵替換C-H鍵可以大大減少振動吸收帶來的損耗，大大提高聚合物材料在高溫操作時的化學穩(wěn)定性，并改進光學損傷閾值(L.Eldada, L.ff.Shacklette, “Advances in polymer integrated optics, ” IEEE J.Sel.Top.QuantumElectron.，vol.6，pp.54 - 68，2000.)。同時，聚合物材料的雙折射性不僅可以通過改變聚合物分子結(jié)構(gòu)得以改變，還可以基于聚合物材料的光學特性(如熱光效應(yīng)、電光效應(yīng))，通過采用一定的外部熱控、電控機制實現(xiàn)對聚合物材料的雙折射性的調(diào)控。
[0004]首先，通過調(diào)整聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)可以增強材料的雙折射性。在2009年，美國科學家們采用無源或電光聚合物材料設(shè)計了 5種脊狀或倒脊狀的光波導偏振器，得到的偏振消光比大于 50dB (M.Sanghadasa, P.R.Ashley, A.J.Guenthner, G.A.Lindsay, andM.D.Bramson, “Design and demonstration of polarizing polymer waveguides usingbirefringent polymers, ” J.Lightwave Technol., vol.27, pp.4667-4677, Nov.2009.X在2011年，科學家們研究了在氟化聚合物光波導中實現(xiàn)偏振分光功能，通過修改有機分子結(jié)構(gòu)，使聚合物分子形成具有共軛雙鍵的長鏈分子結(jié)構(gòu)，提高了氟化聚合物的極化能
(J.Kim, K.Kim, M.0h, J.Seo, Y.Noh, and H.Lee, “Polarization splitting waveguidedevices incorporating perf Iuorinated birefringent polymers,，，J.Lightw.Technol., vol.29, pp.1842 - 1846, Jun.2011.)。
[0005]除了調(diào)整材料分子結(jié)構(gòu)，采用極化電場可以在電光聚合物材料中誘導雙折射性，諸如在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA:Poly (methyl methacrylate) )(M._C.0h, S.-S.Lee, S._Y.Shin, ff.-Y.Hwang, and J.-J.Kim, “Polymeric waveguide polarization splitter basedon pol ing-1nduced birefringence,，’Electron.Lett., vol.32, pp.324 - 325, 1996.)和聚酸亞胺(Polyimide) (M.-C.0h, Μ.-H.Lee, and H.-J.Lee, “Polymeric waveguidepolarization splitter with a buried birefringent polymer,，’IEEE Photon.Technol.Lett., vol.11, pp.1144 - 1146, Sep.1999.)中。其工作原理是誘導聚合物分子中的偶極子轉(zhuǎn)向到電場方向，從而增加了沿極化方向偏振光的折射性。這些工作為誘導聚合物光波導雙折射性提供了實踐基礎(chǔ)。
[0006]然而，如果采用電場極化法實施對聚合物材料雙折射性的外部誘導，通常是采用垂直于薄膜平面的極化電場。這增加了垂直于薄膜平面偏振方向的波導折射性，降低了平行于薄膜平面偏振方向的波導折射性。這樣誘導的雙折射性和具有長鏈分子結(jié)構(gòu)聚合物的雙折射性往往是相反的，在基于聚合物光波導制備各類偏振態(tài)控制器件時，反而降低了聚合物光波導的雙折射性，因此減弱甚至不能實現(xiàn)各類偏振態(tài)控制功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種增強長鏈分子型聚合物材料雙折射性的匹配誘導方法。利用本發(fā)明，可以顯著提高采用電場極化法對長鏈分子型聚合物材料雙折射性的誘導效率。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，其步驟如下:
[0010]步驟1:制備長鏈分子型聚合物光波導
[0011]步驟2:在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁蝕刻出空氣溝槽，該空氣溝槽側(cè)壁具有坡度；
[0012]步驟3:在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁空氣溝槽的溝槽面上制備誘導極化金屬電極:
[0013](I)在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁的空氣溝槽上蒸鍍、濺射或電鍍金屬，形成金屬電極以構(gòu)建與光波導襯底平面平行的極化電場；
[0014](2)對長鏈分子型聚合物波導進行極化誘導，增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性。
[0015]所述步驟I的長鏈分子型聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯、氟化丙烯酸酯、聚氰酸酯、環(huán)氧基紫外負型光刻膠、帶有發(fā)色團的電光聚合物中任一種。
[0016]所述步驟I的長鏈分子型聚合物為采用紫外光化學法交聯(lián)而成的長鏈分子結(jié)構(gòu)型聚合物。
[0017]所述步驟2的空氣溝槽深度為從光波導上包層到光波導襯底面，溝槽寬度應(yīng)大于波導寬度，離波導距離為波導寬度的2倍以上，溝槽坡度為15°?75°。
[0018]所述步驟I制備長鏈聚合物光波導的方法為反應(yīng)離子刻蝕法、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法、納米壓印技術(shù)中的任一種。
[0019]所述步驟2蝕刻空氣溝槽的方法為與反應(yīng)離子刻蝕法、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法結(jié)合的灰階光掩膜刻蝕法。
[0020]所述步驟3中的金屬電極層的厚度為200?500nm。
[0021]本發(fā)明提供的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，通過在波導側(cè)壁深度蝕刻出一定坡度的空氣溝槽，制備金屬電極構(gòu)建與波導襯底平面平行的極化電場，進行極化誘導，增強聚合物光波導的雙折射性，并實現(xiàn)與聚合物材料的本征雙折射性匹配，因此可以顯著提高采用電場極化法對聚合物材料雙折射性的誘導效率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0022]圖1無極化時聚合物薄膜中的長鏈分子排列。
[0023]圖2極化后聚合物薄膜中的長鏈分子排列。
[0024]圖3無極化電極的聚合物光波導結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4本發(fā)明提供的在聚合物光波導中制備匹配誘導電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5本發(fā)明提供的帶有匹配誘導電極的聚合物光波導的剖面圖。
[0027]附圖標記說明:
[0028]1、聚合物長鏈分子2、襯底3、聚合物薄膜橫截面4、聚合物薄膜側(cè)面5、聚合物薄膜側(cè)面的誘導極化電極 6、誘導極化電場 7、光波導襯底 8、光波導下包層9、光波導芯層10、光波導上包層11、空氣溝槽12、誘導極化電極13、誘導極化電場二14、空氣溝槽與光波導芯的間距15、溝槽坡度
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明提出的用于增強長鏈分子型聚合物材料雙折射性的匹配誘導方法，是在長鏈型聚合物光波導側(cè)壁深度蝕刻出具有一定坡度的空氣溝槽，制備金屬電極形成與波導平面襯底平行的極化電場，從而實現(xiàn)對聚合物材料本征雙折射性的增強匹配誘導，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行具體描述:
[0030]作為本發(fā)明專利的實施例的聚合物光波導可采用氟化聚合物材料。氟化聚合物材料一般具有較低的極化能力，通過修改有機分子結(jié)構(gòu)可以形成共軛雙鍵結(jié)構(gòu)；自由電荷可沿該雙鍵結(jié)構(gòu)移動，從而得到沿該方向更高的極化率，而垂直于該方向的極化率則相對較弱，即體現(xiàn)出雙折射性。進一步，采用紫外光化學法交聯(lián)而成的長鏈分子結(jié)構(gòu)可以進一步地增強聚合物材料本征的雙折射性。此外，與非交聯(lián)聚合物相比，交聯(lián)的聚合物具備如下幾個優(yōu)點:強熱穩(wěn)定性、耐化學性和芯片襯底上的高附著性。
[0031]這里簡單以氟化丙烯酸酯(Perfluorinated Acrylate)聚合物薄膜雙折射性的匹配性增強方法及設(shè)計進行說明，對氟化丙烯酸酯聚合物材料包括一個棒狀的氟化苯基和亞芴基形成的二苯基主體結(jié)構(gòu)，以及一個作為終端固化的全氟乙烯分子(J.Kim, K.Kim, M.0h, J.Seo, Y.Noh, and H.Lee, “Polarization splitting waveguidedevices incorporating perfluorinated birefringent polymers,，，J.Lightw.Technol.，vol.29，pp.1842 - 1846，Jun.2011.)。這樣的有機分子具有共軛雙鍵并且電極性方向是沿分子結(jié)構(gòu)方向，使得電荷較容易沿該共軛雙鍵轉(zhuǎn)移。在紫外光交聯(lián)之前，最初的氟化低聚物具有分子量大約為幾千，采用紫外光輻照后交聯(lián)的低聚物的分子量增加到數(shù)萬，從而形成長鏈分子結(jié)構(gòu)，圖1。而電荷容易沿著長鏈分子結(jié)構(gòu)方向上的共軛雙鍵轉(zhuǎn)移，從而該材料對于沿該方向極化的電磁波有更高的極化率。
[0032]聚合物薄膜，圖1的制作方法具體敘述如下:以單晶硅片為襯底2，用旋涂法將長鏈分子型聚合物樹脂涂覆在襯底2上，然后進行紫外交聯(lián)固化形成聚合物長鏈分子I結(jié)構(gòu)，進行烘干得到聚合物薄膜；合理控制旋涂速率1000-3000轉(zhuǎn)/分，聚合物長鏈分子I往往如圖1所示排列，即以一定的傾向性與襯底2平面平行排列；因此，聚合物薄膜在沿著襯底2平面方向比沿著垂直于襯底2平面方向具有更高的極化率，這樣的聚合物薄膜對入射聚合物薄膜橫截面3的橫電波(TE wave:Transverse electric wave)表現(xiàn)為更高的折射率,換而言之，這樣聚合物材料具有一定的本征雙折射性。但由于長鏈分子2在排列時還具有一定的隨機性，因此其排列方向并不完全與襯底2平面平行。
[0033]對于這樣的長鏈分子型聚合物材料，可以采用外部誘導電場匹配性地增強雙折射性。如圖2所示，聚合物薄膜側(cè)面的誘導極化電極5的制備是在垂直于聚合物薄膜側(cè)面4蒸鍍、濺射或電鍍金屬完成，這樣形成的誘導極化電場6是平行于襯底2平面。在誘導極化電場6的作用下，聚合物長鏈分子I中共軛雙鍵會向極化電場方向偏轉(zhuǎn)，圖2，從而增強了材料對沿該方向極化的電磁波，即入射聚合物薄膜橫截面3的橫電波的極化率。因此，該誘導極化電場6是對聚合物材料本征的雙折射性匹配性的增強。
[0034]依據(jù)上述原理，本實施例的增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法是要構(gòu)建匹配性的誘導極化電場二 13，而這個誘導極化電極12是在光波導的側(cè)壁的空氣溝槽上制備的。長鏈分子型聚合物光波導是由光波導下包層8、光波導芯層9及光波導上包層10構(gòu)成的，圖3。光波導芯層9與光波導上包層10、光波導下包層8都是采用長鏈分子型聚合物材料，其中光波導芯層9的折射率大于光波導上包層10與光波導下包層8的折射率，從而形成了約束光波的導波結(jié)構(gòu)。光波導的制備可以采用反應(yīng)離子刻蝕法(RIE:Reactiveion etching)、感應(yīng)稱合等離子體刻蝕法(ICP:1nductively coupled plasma)等方法；而采用與反應(yīng)離子刻蝕法、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法等方法結(jié)合的灰階光掩膜技術(shù)可以制備出具備一定坡度的溝槽11。
[0035]作為本發(fā)明專利的誘導極化電極12是構(gòu)建匹配性的極化電場。以往的外部電極是在波導上表面制備的，與波導基層下的電極構(gòu)建了垂直于波導襯底表面的電場。由此極化電場誘導的雙折射性和由聚合物長鏈分子結(jié)構(gòu)形成的本征雙折射性是相反的。這個矛盾可以通過構(gòu)建與光波導襯底7平面平行的匹配誘導極化電場二 13而得以解決。
[0036]本發(fā)明的實施例以反應(yīng)離子刻蝕法舉例說明如下:
[0037]步驟1、制備長鏈分子型聚合物光波導
[0038]光波導下包層8是用旋涂法將長鏈分子型聚合物材料涂覆在光波導襯底7上，進行前烘干；光波導芯層9的形貌是采用光刻法在掩膜版下形成，即將用作芯層的聚合物材料旋涂在光波導下包層8上，烘干后蒸鍍一層鋁膜，然后旋涂光刻膠，光刻膠前烘后用具備波導形貌的掩膜版進行光刻、顯影，從而將波導掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再顯隱后將波導圖形轉(zhuǎn)移到鋁膜上；下一步，將樣品放置于反應(yīng)離子刻蝕機中，在氧氣環(huán)境下進行反應(yīng)離子刻蝕，由于氧氣和鋁膜反應(yīng)生成氧化鋁膜而阻擋離子刻蝕，因此鋁膜下的芯層會保留，而光刻膠及無鋁膜覆蓋的芯層都會被刻蝕掉；在刻蝕完成后，用氫氧化鈉溶液將鋁膜去除，光波導芯層9的形貌完成了，然后進行紫外交聯(lián)固化形成聚合物長鏈分子結(jié)構(gòu)，在烘干后得到聚合物波導芯層9 ;在刻蝕而成的樣品上旋涂光波導上包層10材料，烘干后得到光波導，圖3。
[0039]如前所述，聚合物長鏈分子I以一定的傾向性與光波導襯底7平面平行排列，因此聚合物光波導在沿著光波導襯底平面方向比沿著垂直于光波導襯底平面方向具有更高的折射率，換而言之，這樣聚合物光波導具有一定的材料本征雙折射性。
[0040]步驟2、在聚合物光波導側(cè)壁蝕刻出空氣溝槽11，該空氣溝槽11側(cè)壁具有坡度
[0041]在前面獲得的光波導樣品上，同樣采用前面所述的反應(yīng)離子刻蝕法刻蝕出波導側(cè)壁的空氣溝槽11，即在樣品上旋涂光刻膠，光刻膠的層厚為波導上包層10與波導下包層8厚度之和，前烘；具備溝槽形貌的灰階掩膜可在掩膜平面不同位置產(chǎn)生連續(xù)變化的光透過率，即隨著溝槽深度增加而增加的光透過率，通過光刻、顯影將形成具有坡度的溝槽結(jié)構(gòu)的光刻膠層；將樣品放置于反應(yīng)離子刻蝕機中刻蝕，光刻膠層及溝槽結(jié)構(gòu)里的波導上包層
10、下包層8都會被刻蝕掉，從而在波導側(cè)壁處制備出具有坡度空氣溝槽11，圖4。
[0042]本實施例所述的空氣溝槽11與光波導芯的間距14，如圖5，為波導寬度的2倍以上，以防止在刻蝕的時候影響到波導結(jié)構(gòu)；而溝槽坡度15為15°?75°，以利于金屬電極的真空蒸鍍、濺射或電鍍。
[0043]步驟3、在光波導側(cè)壁空氣溝槽11的溝槽面上制備誘導極化金屬電極
[0044]本實施例采用真空蒸鍍法在空氣溝槽11側(cè)壁上制備誘導極化銀電極，制備的方法也可選用濺射法或電鍍法，除了銀也可用其它金屬進行制備。將刻蝕出溝槽的聚合物波導固定于蒸鍍腔中，溝槽開口方向朝下，蒸鍍舟中放入銀顆粒。然后關(guān)閉蒸鍍腔，對腔內(nèi)抽真空，至真空度為KT4Torr左右。調(diào)節(jié)電流使蒸鍍舟溫度升高至銀的蒸發(fā)溫度。使用晶振片感應(yīng)控制膜厚，使所蒸鍍的金屬電極層12厚度為200nm?500nm左右；若要加厚金屬電極層，還可采用電鍍法加鍍金屬。這樣制備形成的與光波導襯底7平面平行的極化電場13，對長鏈分子型聚合物波導進行極化誘導，增強長鏈分子型聚合物光波導的雙折射性，并實現(xiàn)與長鏈分子型聚合物材料的本征雙折射性匹配。
【權(quán)利要求】
1.一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，其步驟如下: 步驟1:制備長鏈分子型聚合物光波導； 步驟2:在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁蝕刻出空氣溝槽，該空氣溝槽側(cè)壁具有坡度； 步驟3:在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁空氣溝槽的溝槽面上制備誘導極化金屬電極: (1)在長鏈分子型聚合物光波導側(cè)壁的空氣溝槽上蒸鍍、濺射或電鍍金屬，形成金屬電極以構(gòu)建與光波導襯底平面平行的極化電場； (2)對長鏈分子型聚合物波導進行極化誘導，增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，所述步驟I的長鏈分子型聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯、氟化丙烯酸酯、聚氰酸酯、環(huán)氧基紫外負型光刻膠、帶有發(fā)色團的電光聚合物中任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，所述步驟I的長鏈分子型聚合物為采用紫外光化學法交聯(lián)而成的長鏈分子結(jié)構(gòu)型聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，所述步驟2的空氣溝槽深度為從光波導上包層到光波導襯底面，溝槽寬度應(yīng)大于波導寬度，離波導距離為波導寬度的2倍以上，溝槽坡度為15°?75°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，所述步驟I制備長鏈分子型聚合物光波導的方法為反應(yīng)離子刻蝕法、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法、納米壓印技術(shù)的任一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，所述步驟2蝕刻空氣溝槽的方法為與反應(yīng)離子刻蝕法、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕法結(jié)合的灰階光掩膜刻蝕法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種匹配性增強長鏈分子型聚合物光波導雙折射性的方法，所述步驟3中的金屬電極層的厚度為200?500nm。
【文檔編號】G02B6/13GK103698847SQ201310738807
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】王瑾, 付旭, 趙新彥 申請人:南京郵電大學