一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物pmma光波導(dǎo)器件的方法
【專利摘要】一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，屬于聚合物平面光波導(dǎo)器件制備【技術(shù)領(lǐng)域】。其是在PMMA基片上蒸發(fā)鋁膜，然后通過旋涂、光刻、濕法刻蝕等半導(dǎo)體工藝制備出幾微米到幾十微米不同寬度的集成電極布線，進(jìn)而制備出電印刷模板，然后通過電印刷模板加熱聚合物薄膜，使聚合物材料的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而制備出集成光路器件。本發(fā)明的器件及其制作方法，器件成本低，成品率高，工藝簡單，制備速度快，適合大批量生產(chǎn)。
【專利說明】一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聚合物平面光波導(dǎo)器件制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采用電印刷技術(shù) 制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新器件和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。光電器件和光電子集成 及光子集成（OEIC及PIC)是光電子技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來，光通信作為信息通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵 技術(shù)不斷發(fā)展，目前已成為光電子學(xué)的最大應(yīng)用領(lǐng)域，光通信系統(tǒng)的大容量、高速化又促進(jìn) 了 OEIC的進(jìn)一步發(fā)展。OEIC器件可分為光電子集成（OEIC)器件和光子集成（PIC)器件 兩大類。PIC，也就是所謂的集成光路是現(xiàn)代光電子學(xué)的一個重要分支。為了滿足光纖通信 系統(tǒng)的要求，光電子學(xué)的研宄中又拓展了兩個新的研宄領(lǐng)域，即光組件的小型化和光組件 間的集成。在這兩個研宄領(lǐng)域中，平面光波導(dǎo)器件及集成技術(shù)起著及其重要的作用，同時集 成平面光波導(dǎo)器件也是光電子學(xué)系統(tǒng)中必不可少的器件之一。集成平面光波導(dǎo)技術(shù)是二十 世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，由于其制備方法與半導(dǎo)體工藝相兼容，進(jìn)而成為 國際上熱門的研宄領(lǐng)域之一。光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光 波長量級尺寸的介質(zhì)中，長距離無輻射地傳輸，通過它與光纖或光纖陣列的耦合，平面集成 光波導(dǎo)器件可以方便地接入到光纖通信系統(tǒng)中。目前，制備光波導(dǎo)和集成光學(xué)器件的材料 主要包括Silica-on-slicon(SOI)、離子交換玻璃、III - V族半導(dǎo)體化合物、LiNbO3和有機(jī) 聚合物材料等。和其它幾種材料相比，有機(jī)聚合物材料的制備工藝簡單且與半導(dǎo)體工藝兼 容，成本低廉且可以通過分子工程來提高材料的性能，另外，有機(jī)聚合物材料還具有無機(jī)材 料所無法比擬的高熱光系數(shù)和高電光系數(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)而使其逐漸成為極具發(fā)展和應(yīng)用前景 的實(shí)現(xiàn)低成本、高性能光子器件的基礎(chǔ)性材料。目前，已報道的制備聚合物光波導(dǎo)的方法主 要有反應(yīng)離子刻蝕、離子注入、紫外光直寫、電子束光刻和納米壓印技術(shù)等。但是，這些制備 技術(shù)的價格都比較昂貴，并且在制備過程中常常包括很多復(fù)雜的工藝步驟，而聚合物平面 光波導(dǎo)制備技術(shù)應(yīng)趨向于一種尚效、廉價的制備技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，尋找一種簡便、高效的方法制備聚合光波導(dǎo)器件，本發(fā) 明提供了一種基于電印刷技術(shù)的聚合物集成光波導(dǎo)器件的制作方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括如下步驟：
[0005] 1、以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)基片為電印刷模板的制備方法，其示意結(jié)構(gòu)圖見 附圖1(a)，其制備步驟見附圖2,歸納如下：
[0006] (1)清洗PMMA基片（11):用丙酮和乙醇棉球?qū)⑵湟来畏磸?fù)擦拭，并用去離子水沖 洗干凈，然后用氮?dú)獯蹈桑?br> [0007] ⑵制備集成電極（12):采用蒸鍍工藝在清洗干凈的PMMA基片（11)上蒸鍍一層 厚度為200?400nm的鋁膜（21)，然后采用旋涂工藝在鋁膜上旋涂一層厚度為1?2 μ m的 BP212正性光刻膠（22)，并在70?90°C條件下前烘10?30分鐘；然后在光刻機(jī)上，將其與 需要制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的電極掩膜板（23)緊密接觸進(jìn)行對版光刻，在365nm波長的紫外 光（24)下曝光光刻5?8秒，移走電極掩膜板（23)，并將其放在質(zhì)量濃度為5%。的NaOH溶 液中顯影60?120秒，以去除未被紫外光（24)照射的光刻膠（22)及其掩蓋的Al膜（21); 最后，再在365nm波長的紫外光（24)下充分曝光6?10秒，用乙醇溶液去除電極上面的光 刻膠（22)，并將器件用去離子水沖洗干凈后用氮?dú)獯蹈桑陔姌O的兩端制作電極引腳，從而 完成集成電極（12)的制備；電極的寬度和厚度分別為5?20 ym和200?400nm，引腳的 形狀一般可以為正方形，尺寸為2000 μ mX 2000 μ m。
[0008] (3)制備電極引線（13):在集成電極（12)的引腳處，通過導(dǎo)電膠將直徑為0.5? 0. 7mm的銅導(dǎo)線焊接上形成電極引線（13)，同一電極引出的電極引線分別接入同一直流電 源的正負(fù)極，從而完成電印刷模板的制備。
[0009] 采取上述制備步驟，可以制備不同結(jié)構(gòu)的電印刷模板，主要是根據(jù)設(shè)計的集成電 極（12)形狀而定，針對不同的集成電極（12)可以制備不同的電極掩膜板，或者在同一塊電 印刷模板上制備不同形狀的集成電極（12)，附圖1(a) -（e)分別給出了制備聚合物PMMA 直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、1X4Y分支分束器和1X4多模干涉（MMI)分束器的集成 電極示意圖。在直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)和1X4Y分支分束器的設(shè)計中，兩根加熱 電極之間的距離在5?15μπι之間不等，S彎曲波導(dǎo)的偏折角度在0.5°?1.5°之間不 等，Y分支角度在0.5°?2.0°之間不等，進(jìn)而可以制備出波導(dǎo)寬度在5?15μπι之間不 等、S彎曲波導(dǎo)偏折角度在0.5°?1.5°之間不等、Y分支角度在0.5°?2.0°之間不等 的PMM聚合物光波導(dǎo)器件；在1Χ4ΜΜΙ分束器的設(shè)計中，MMI干涉區(qū)的長度和寬度分別在 200?2000 μπι和15?200 μπι不等，輸入和輸出區(qū)直波導(dǎo)的寬度在5?15 μπι之間不等。 此外，還可以根據(jù)需要設(shè)計結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的集成電極形狀，來制備不同的電印刷模板，進(jìn)而 制備出各種結(jié)構(gòu)的聚合物PMM光波導(dǎo)器件。
[0010] 2、電印刷技術(shù)制備以SiO2S襯底的聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，其包括如下 步驟：
[0011] (1)在硅襯底上生長一層較厚的SiO2T限制層
[0012] 為了抑制光場泄露到折射率較高的硅襯底中，需要在硅片上生長一層較厚的SiO2 下限制層作為波導(dǎo)的下包層，采用干氧氧化和濕氧氧化交替進(jìn)行的方法來生長SiOJi，氧 化溫度保持在1100?1300°c左右；先干氧氧化20?40分鐘，再濕氧氧化和干氧氧化交替 進(jìn)行5?7次，其中濕氧氧化50?70分鐘、干氧氧化20?40分鐘，最后進(jìn)行20?40分 鐘的干氧氧化，得到厚度為2?6 μπι的SiO2下限制層。
[0013] (2)在SiO2T限制層上制作聚合物PMMA芯層
[0014] 在清洗干凈的SiOjt底上采用旋涂工藝來獲得聚合物波導(dǎo)芯層部分。
[0015] 首先，對已經(jīng)生長好SiO2下限制層的硅襯底進(jìn)行清潔處理，目的是去除表面的污 漬和增加 SiOJl與聚合物材料之間的附著力，方法是：將其浸泡在丙酮溶液中超聲清洗 5?10分鐘，然后用丙酮和乙醇棉球依次反復(fù)擦拭，并用去離子水沖洗干凈，最后用氮?dú)獯?干；
[0016] 其次，在SiO2T限制層上滴加聚合物PMM材料（這種材料可以通過將甲基丙烯酸 甲酯共聚反應(yīng)而制得，溶劑是乙酸丁酯），采用旋涂工藝制備聚合物PMM薄膜，薄膜的厚度 和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備（勻膠機(jī)）的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間（200?2000轉(zhuǎn)/分鐘， 10?20秒），以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間（1300?8000轉(zhuǎn)/分鐘，30?90秒）來控制；
[0017] 最后，將旋涂好聚合物PMM薄膜的襯底放入真空烘箱中30?60°C條件下固化 2?3小時去以去除材料中的有機(jī)溶劑乙酸丁酯，得到厚度為2?5 ym的PMMA波導(dǎo)芯層。
[0018] (3)采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)
[0019] 將步驟1中制備好的電印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMM薄膜上，同一電極引 出的電極引線分別接入同一直流電源的正負(fù)極（對于具有兩根集成電極的結(jié)構(gòu)，將每根電 極引出的導(dǎo)線分別接入兩個直流電源的正負(fù)極；對于具有一根集成電極的結(jié)構(gòu)，將電極引 出的導(dǎo)線直接接入一個直流電源的正負(fù)極），通過調(diào)節(jié)施加電壓的大?。??20V)來控制電 極產(chǎn)生的熱量，電極產(chǎn)生的熱量會減小電極上面被加熱的PMMA材料的折射率，而其它區(qū)域 的PMM薄膜的折射率不發(fā)生變化，進(jìn)而形成了兩側(cè)PMM材料折射率較低、中間折射率相對 較高的PMM聚合物光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的被加熱PMM材料的折射率的調(diào)節(jié)范圍為1. 4823? 1. 4722。
[0020] (4)將電印刷模板從聚合物波導(dǎo)芯層上揭開，進(jìn)而形成以空氣作為上包層、SiO2T 限制層為下包層、兩側(cè)低折射率的PMM為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件，芯層波導(dǎo)厚度為 2?5 μ m，波導(dǎo)形狀包括直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、I X 4Y分支分束器和I X 4MMI分 束器，其中直波導(dǎo)的寬度在5?15 μ m之間不等，S彎曲波導(dǎo)的偏折角度在0.5°?1.5° 之間不等，Y分支的分支角度在0.5°?2.0°之間不等，1X4MMI分束器的麗I干涉區(qū)的長 度和寬度分別在200?2000 μ m和15?200 μ m不等，輸入和輸出區(qū)直波導(dǎo)的寬度在5? 15 μ m之間不等。
[0021] (5)制備完成后，將光波導(dǎo)的端面通過劃片機(jī)進(jìn)行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物 PMMA光波導(dǎo)器件。
[0022] 3、電印刷技術(shù)制備以PMMA基片為襯底的聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，其包括 如下步驟：
[0023] (1)在PMMA基片上制作聚合物PMMA芯層
[0024] 在清洗干凈的PMMA基片上采用旋涂工藝來獲得聚合物波導(dǎo)芯層部分。
[0025] 首先，對PMMA基片進(jìn)行清潔處理，目的是去除表面的污漬和增加 PMMA基片與聚合 物材料之間的附著力，方法是：將PMM基片用丙酮和乙醇棉球依次反復(fù)擦拭，并用去離子 水沖洗干凈，然后用氮?dú)獯蹈桑?br> [0026] 其次，在PMMA基片上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂工藝制備聚合物PMMA薄膜， 薄膜的厚度和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備（勻膠機(jī)）的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間（200?2000 轉(zhuǎn)/分鐘，10?20秒），以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間（1300?8000轉(zhuǎn)/分鐘，30?90 秒）來控制；
[0027] 最后，將旋涂好聚合物PMM薄膜的襯底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2? 3小時以去除材料中的有機(jī)溶劑乙酸丁酯，得到厚度為2?5 ym的PMMA波導(dǎo)芯層。
[0028] (2)采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)
[0029] 將步驟1中制備好的電印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMM薄膜上，并將兩個引 腳引出的導(dǎo)線分別接入直流電源的正負(fù)極，（對于具有兩根集成電極的結(jié)構(gòu)，將每根電極引 出的導(dǎo)線分別接入兩個直流電源的正負(fù)極；對于具有一根集成電極的結(jié)構(gòu)，將電極引出的 導(dǎo)線直接接入一個直流電源的正負(fù)極），通過調(diào)節(jié)施加電壓的大?。??20V)來控制電極 產(chǎn)生的熱量，電極產(chǎn)生的熱量會減小電極上面被加熱的PMMA材料的折射率，而其它區(qū)域的 PMMA薄膜的折射率不發(fā)生變化，進(jìn)而形成了兩側(cè)PMMA材料折射率較低、中間折射率相對較 高的PMM聚合物光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的折射率的調(diào)節(jié)范圍為1. 4823?1. 4722。
[0030] (3)將電印刷模板從聚合物波導(dǎo)芯層上揭開，進(jìn)而形成以空氣作為上包層、PMMA 基片為下包層、兩側(cè)低折射率的PMM為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件，芯層波導(dǎo)厚度為 2?5 μ m，波導(dǎo)形狀包括直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、I X 4Y分支分束器和I X 4MMI分 束器，其中直波導(dǎo)的寬度在5?15 μ m之間不等，S彎曲波導(dǎo)的偏折角度在0.5°?1.5° 之間不等，Y分支的分支角度在0.5°?2.0°之間不等，1X4MMI分束器的麗I干涉區(qū)的長 度和寬度分別在200?2000 μ m和15?200 μ m不等，輸入和輸出區(qū)直波導(dǎo)的寬度在5? 15 μ m之間不等。
[0031] (4)制備完成后，將光波導(dǎo)的端面通過劃片機(jī)進(jìn)行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物 PMMA光波導(dǎo)器件。
[0032] 4、電印刷技術(shù)制備以PMMA基片為襯底的聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，其制備 步驟見附圖4:
[0033] (1)在PMMA電印刷模板上制作聚合物PMMA芯層
[0034] 在步驟1中制備好的PMMA電印刷模板上采用旋涂工藝來獲得聚合物PMMA波導(dǎo)芯 層部分。
[0035] 首先，在步驟1中制備好的PMMA電印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的 方法制備聚合物PMM薄膜，PMM薄膜的厚度和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備（勻膠機(jī)）的 預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間（200?2000轉(zhuǎn)/分鐘，10?20秒），以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間 (1300?8000轉(zhuǎn)/分鐘，30?90秒）來控制；
[0036] 其次，將旋涂好聚合物PMM薄膜的襯底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2? 3小時以去除材料中的有機(jī)溶劑乙酸丁酯，得到厚度為2?5 ym的聚合物PMMA波導(dǎo)芯層 (41)〇
[0037] (2)采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)
[0038] 同一電極引出的電極引線分別接入同一直流電源的正負(fù)極（對于具有兩根集成 電極的結(jié)構(gòu)，將每根電極引出的導(dǎo)線分別接入兩個直流電源的正負(fù)極；對于具有一根集成 電極的結(jié)構(gòu)，將電極引出的導(dǎo)線直接接入一個直流電源的正負(fù)極），通過調(diào)節(jié)施加電壓的大 ?。??20V)來控制集成電極（12)產(chǎn)生的熱量，電極產(chǎn)生的熱量會減小電極上面被加熱的 PMM材料的折射率，而其它區(qū)域的PMM薄膜的折射率不發(fā)生變化，進(jìn)而形成兩側(cè)折射率相 對較低的PMM波導(dǎo)包層（42)，這樣，便制備出以空氣作為上包層、PMM電印刷模板為下包 層、兩側(cè)低折射率的PMM為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件，芯層波導(dǎo)厚度為2?5 μ m，波導(dǎo) 形狀包括直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、IX 4Y分支分束器和IX4MMI分束器，其中直波 導(dǎo)的寬度在5?15 μ m之間不等，S彎曲波導(dǎo)的偏折角度在0.5°?1.5°之間不等，Y分支 的分支角度在0.5°?2.0°之間不等，1X4MMI分束器的MMI干涉區(qū)的長度和寬度分別在 200?2000 μπι和15?200 μπι不等，輸入和輸出區(qū)直波導(dǎo)的寬度在5?15 μπι之間不等。
[0039] (3)制備完成后，把電極引線（13)拆除后，將制備完成的光波導(dǎo)端面通過劃片機(jī) 沿切割線（43)進(jìn)行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物PMM光波導(dǎo)器件，切割線（43)的位置 為沿著兩個正方形電極引腳的中心連接線。
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的制作工藝比較簡單，電印刷模板 的制備只需要一些常用的半導(dǎo)體設(shè)備和常規(guī)制作工藝，不需要復(fù)雜昂貴的工藝設(shè)備和高難 的制備技術(shù)，生產(chǎn)成本低、效率高，并且PMMA材料價格低廉，廣泛應(yīng)用于平面光波導(dǎo)器件之 中。這種制備方法和波導(dǎo)材料很適合于批量生產(chǎn)可實(shí)際應(yīng)用的聚合物平面光波導(dǎo)器件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1 :本發(fā)明的電印刷模板示意圖；
[0042] 圖2 :本發(fā)明制備電印刷模板的制備工藝流程圖；
[0043] 圖3 :PMMA芯層材料的折射率隨溫度變化的關(guān)系曲線；
[0044] 圖4 :電印刷技術(shù)制備聚合物光波導(dǎo)的工藝流程圖；
[0045] 圖5 :電印刷技術(shù)制備的聚合物PMMA直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)和IX4MMI 分束器的輸出光斑；
[0046] 如圖1(a)所示，當(dāng)把電印刷模板接入直流電源時，調(diào)節(jié)電壓來控制電流大小，電 流經(jīng)過電印刷模板上的金屬線條時，會產(chǎn)生熱量；各部件名稱分別為：PMM基片（11)、集成 電極（12)、電極引線（13);根據(jù)設(shè)計的集成電極（12)形狀可以制備不同的電極掩膜板，或 者在同一塊掩模板上制備不同形狀的集成電極（12)，進(jìn)而可以制備出不同結(jié)構(gòu)的電印刷模 板，附圖1(a) -（e)分別給出了制備聚合物PMM直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、1X4Y分 支分束器和1X4多模干涉（麗I)分束器的集成電極示意圖。在直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支 波導(dǎo)和I X 4Y分支分束器的設(shè)計中，兩根加熱電極之間的距離在5?15 μ m之間不等，S彎 曲波導(dǎo)的偏折角度在0.5°?1.5°之間不等，Y分支角度在0.5°?2.0°之間不等，進(jìn)而 可以制備出波導(dǎo)寬度在5?15 μ m之間不等、S彎曲波導(dǎo)偏折角度在0.5°?1.5°之間不 等、Y分支角度在0.5°?2.0°之間不等的PMM聚合物光波導(dǎo)器件；在IX4MMI分束器的 設(shè)計中，麗I干涉區(qū)的長度和寬度分別在200?2000 μπι和15?200 μπι不等，輸入和輸出 區(qū)直波導(dǎo)的寬度在5?15 μm之間不等。此外，還可以根據(jù)需要設(shè)計結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的集成 電極形狀，來制備不同的電印刷模板，進(jìn)而制備出各種結(jié)構(gòu)的聚合物PMM光波導(dǎo)器件。
[0047] 本發(fā)明為采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMM光波導(dǎo)器件，其所用到的電印刷模板 制備工藝流程如附圖2所示。主要步驟可以歸納為：
[0048] 1)基片的選擇與清洗：選用價格低廉、熱導(dǎo)率較低的PMM基片（11)作為電印刷 模板的基底，將其用丙酮和乙醇棉球依次反復(fù)擦拭，并用去離子水沖洗干凈，最后用氮?dú)獯?干。
[0049] 2)制備集成電極（12):采用蒸鍍工藝在清洗干凈的PMMA基片（11)上蒸鍍一層厚 度為200?400nm的鋁膜（21)，然后采用旋涂工藝在鋁膜上旋涂一層厚度為1?2 μ m的 BP212正性光刻膠（22)，并在在70?90°C條件下前烘10?30分鐘；然后在光刻機(jī)上，將 其與和波導(dǎo)互補(bǔ)的電極掩膜板（23)緊密接觸進(jìn)行對版光刻，在365nm波長的紫外光（24) 下曝光光刻5?8秒，移走掩膜板，將其放在質(zhì)量濃度為5%。的NaOH溶液中顯影60?120 秒，以去除未被紫外光（24)照射的光刻膠（22)及其掩蓋的Al膜（21);最后，將樣片再次放 在光刻機(jī)下充分曝光6?10秒，并用乙醇去除電極上面的光刻膠（22)，再將器件用去離子 水沖洗干凈后用氮?dú)獯蹈桑瑥亩瓿杉呻姌O（12)的制備，電極的寬度和厚度分別為5? 20 μ m和200?400nm，同時為了將電極用導(dǎo)線引出，在電極的兩端設(shè)計了電極引腳，引腳的 形狀為正方形，尺寸為2000 μ mX 2000 μ m。
[0050] 3)制備電極引線（13):在集成電極的引腳處，通過導(dǎo)電膠將直徑為0. 5mm的銅導(dǎo) 線焊接上，引出的導(dǎo)線可以直接將電極接入直流電源，從而完成電印刷模板的制備，電極引 線也可以在模板上涂覆聚合物薄膜并固化完成后，再用0. 5mm的銅導(dǎo)線引出。
[0051] 采取上述制備工藝流程，可以制備不同結(jié)構(gòu)的電印刷模板，主要是根據(jù)設(shè)計的集 成電極（12)形狀而定，針對不同的集成電極（12)可以制備不同的電極掩膜板，附圖1(a) - (e)分別給出了制備聚合物PMM直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、I X 4Y分支分束器和I X 4 多模干涉（MMI)分束器的集成電極示意圖。此外，還可以根據(jù)需要設(shè)計結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的集 成電極形狀，來制備不同的電印刷模板，進(jìn)而制備出各種結(jié)構(gòu)的聚合物PMM光波導(dǎo)器件。
[0052] 如圖3所示，當(dāng)PMMA材料的加熱溫度從60°C上升到180°C時，PMMA材料在1550nm 波長下的折射率由1. 4823降低到1. 4722。
[0053] 本發(fā)明采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件，其中以PMMA基片為襯底的 聚合物PMM光波導(dǎo)器件的制備工藝流程如附圖4所示。主要步驟可以歸納為：
[0054] 1)在PMMA電印刷模板上制作聚合物PMMA芯層
[0055] 在制備好的PMMA電印刷模板上采用旋涂工藝來獲得聚合物PMMA波導(dǎo)芯層（41)。
[0056] 首先，在步驟1中制備好的PMMA電印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的 方法制備聚合物PMMA薄膜（41)，PMMA薄膜的厚度和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備（勻膠機(jī)） 的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間（200?2000轉(zhuǎn)/分鐘，10?20秒），以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時 間（1300?8000轉(zhuǎn)/分鐘，30?90秒）來控制；
[0057] 其次，將旋涂好的聚合物PMM薄膜放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2?3小 時以去除材料中的有機(jī)溶劑乙酸丁酯，得到厚度為2?5 ym的聚合物PMMA波導(dǎo)芯層（41)。
[0058] 2)采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)
[0059] 將PMMA電印刷模板的兩個引腳分別用導(dǎo)線引出，制備電極引線（13)，并將其接入 直流電源的正負(fù)極，通過調(diào)節(jié)施加電壓的大?。??20V)來控制集成電極（12)產(chǎn)生的熱 量，電極產(chǎn)生的熱量會減小電極上面被加熱的PMM材料的折射率，進(jìn)而形成兩側(cè)折射率相 對較低的PMM波導(dǎo)包層（42)，這樣，便制備出以空氣作為上包層、PMM電印刷模板為下包 層、兩側(cè)低折射率的PMM為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件，芯層波導(dǎo)厚度為2?5 μ m，波導(dǎo) 形狀包括直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、IX 4Y分支分束器和IX4MMI分束器，其中直波 導(dǎo)的寬度在5?15 μ m之間不等，S彎曲波導(dǎo)的偏折角度在0.5°?1.5°之間不等，Y分支 的分支角度在0.5°?2.0°之間不等，1X4MMI分束器的MMI干涉區(qū)的長度和寬度分別在 200?2000 μπι和15?200 μπι不等，輸入和輸出區(qū)直波導(dǎo)的寬度在5?15 μπι之間不等。
[0060] 3)把電極引線（13)拆除后，將制備完成的光波導(dǎo)端面通過劃片機(jī)沿切割線（43) 進(jìn)行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物PMM光波導(dǎo)器件。
[0061] 當(dāng)輸入光功率為0. 5mW時，從光波導(dǎo)輸出的信號光經(jīng)過透鏡聚焦在紅外攝像機(jī) 上，并通過計算機(jī)將輸出光斑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖5為采集得到的利用電印刷技術(shù)在PMM模 板上直接制備的聚合物PMM直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)和IX4MMI分束器的輸出光 斑，對應(yīng)的波導(dǎo)設(shè)計參數(shù)分別為：直波導(dǎo)的寬度為6 μ m，高度為4 μ m，器件長度為2. 5cm ; S彎曲波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度為6 μ m，高度為4 μ m，S彎曲偏折角度為0· 7°，器件長度為2. 5cm ; Y分支波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度為6 μ--，高度為4 μ--，Y分支角度為1.0°，器件長度為2.5cm; I X 4MMI分束器的輸入輸出直波導(dǎo)寬度為6 μ m，高度為4 μ m，MMI干涉區(qū)的長度和寬度分別 為1565 μ m和65 μ m，器件長度為2. 5cm。

【具體實(shí)施方式】
[0062] 實(shí)施例I :PMMA芯層材料的制備及折射率表征
[0063] 本發(fā)明所使用的芯層材料是一種聚合物一聚甲基丙烯酸甲酯，這種材料可以通過 將甲基丙烯酸甲酯共聚反應(yīng)而制得，制備的材料具有透明性高、成膜性好、價格低廉且易于 合成等優(yōu)點(diǎn)，在聚合物平面光波導(dǎo)器件中應(yīng)用廣泛。其分子結(jié)構(gòu)式如通式（I )所示。
[0064]

【權(quán)利要求】
1. 一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，其步驟如下： (1) 以聚甲基丙烯酸甲酯PMMA基片制備電印刷模板 ① 清洗PMMA基片（11):用丙酮和乙醇棉球?qū)⑵湟来畏磸?fù)擦拭，并用去離子水沖洗干 凈，然后用氮?dú)獯蹈桑? ② 制備集成電極（12):采用蒸鍍工藝在清洗干凈的PMMA基片（11)上蒸鍍一層厚度為 200?400nm的鋁膜（21)，然后采用旋涂工藝在鋁膜上旋涂一層厚度為1?2 ym的BP212 正性光刻膠（22)，并在70?90°C條件下前烘10?30分鐘；然后在光刻機(jī)上，將其與需要 制備的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的電極掩膜板（23)緊密接觸進(jìn)行對版光刻，在365nm波長的紫外光 (24)下曝光光刻5?8秒，移走電極掩膜板（23)，并將其放在質(zhì)量濃度為5%。的NaOH溶液 中顯影60?120秒，以去除未被紫外光（24)照射的光刻膠（22)及其掩蓋的A1膜（21); 最后，再在365nm波長的紫外光（24)下充分曝光6?10秒，用乙醇溶液去除電極上面的光 刻膠（22)，并將器件用去離子水沖洗干凈后用氮?dú)獯蹈?，在電極的兩端制作電極引腳，從而 完成集成電極（12)的制備； ③ 制備電極引線（13):在集成電極（12)的引腳處，通過導(dǎo)電膠將直徑為0.5?0.7_ 的銅導(dǎo)線焊接上作為電極引線（13)，從而完成電印刷模板的制備； (2) 電印刷技術(shù)制備以Si02S襯底的聚合物PMMA光波導(dǎo)器件 ① 在硅襯底上生長一層較厚的Si02T限制層： 采用干氧氧化和濕氧氧化交替進(jìn)行的方法來生長SiOjl，氧化溫度保持在1100? 1300°C ;先干氧氧化20?40分鐘，再濕氧氧化和干氧氧化交替進(jìn)行5?7次，其中濕氧氧 化50?70分鐘、干氧氧化20?40分鐘，最后進(jìn)行20?40分鐘的干氧氧化，得到厚度為 2?6 ym的Si02下限制層； ② 在Si02T限制層上制作聚合物PMMA芯層 首先，對已經(jīng)生長好Si02下限制層的硅襯底進(jìn)行清潔處理，方法是將其浸泡在丙酮溶 液中超聲清洗5?10分鐘，然后用丙酮和乙醇棉球依次反復(fù)擦拭，并用去離子水沖洗干凈， 最后用氮?dú)獯蹈桑? 其次，在Si02T限制層上滴加聚合物PMMA材料，采用旋涂工藝制備聚合物PMMA薄膜， 薄膜的厚度和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋 轉(zhuǎn)時間來控制； 最后，將旋涂好聚合物PMMA薄膜的襯底放入真空烘箱中30?60°C條件下固化2?3 小時，得到厚度為2?5 y m的PMMA波導(dǎo)芯層； ③ 采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo) 將步驟⑴中制備好的電印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA波導(dǎo)芯層上，同一電極 引出的電極引線分別接入同一直流電源的正負(fù)極，通過調(diào)節(jié)施加電壓的大小來控制電極產(chǎn) 生的熱量，進(jìn)而形成了兩側(cè)PMMA材料折射率較低、中間折射率相對較高的PMMA聚合物光波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的被加熱PMMA材料的折射率的調(diào)節(jié)范圍為1. 4823?1. 4722 ; ④ 將電印刷模板從聚合物波導(dǎo)芯層上揭開，進(jìn)而形成以空氣作為上包層、Si02下限制 層為下包層、兩側(cè)低折射率的PMMA為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件； ⑤ 制備完成后，將光波導(dǎo)的端面通過劃片機(jī)進(jìn)行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物PMMA 光波導(dǎo)器件。
2. -種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，其步驟如下： (1) 在PMMA基片上制作聚合物PMMA芯層 首先，對PMMA基片進(jìn)行清潔處理，方法是將PMMA基片用丙酮和乙醇棉球依次反復(fù)擦 拭，并用去離子水沖洗干凈，然后用氮?dú)獯蹈桑? 其次，在PMMA基片上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂工藝制備聚合物PMMA薄膜，薄膜 的厚度和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時 間來控制； 最后，將旋涂好聚合物PMMA薄膜的襯底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2?3小 時，得到厚度為2?5 y m的PMMA波導(dǎo)芯層； (2) 采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo) 將權(quán)利要求1步驟（1)制備的電印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA波導(dǎo)芯層上，同 一電極引出的電極引線分別接入同一直流電源的正負(fù)極，通過調(diào)節(jié)施加電壓的大小來控制 電極產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而形成了兩側(cè)PMMA材料折射率較低、中間折射率相對較高的PMMA聚合 物光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的折射率的調(diào)節(jié)范圍為1. 4823?1. 4722 ; (3) 將電印刷模板從聚合物波導(dǎo)芯層上揭開，進(jìn)而形成以空氣作為上包層、PMMA基片 為下包層、兩側(cè)低折射率的PMMA為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件； (4) 制備完成后，將光波導(dǎo)的端面通過劃片機(jī)進(jìn)行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物 PMMA光波導(dǎo)器件。
3. -種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方法，其步驟如下： (1) 在PMMA電印刷模板上制作聚合物PMMA芯層 首先，在權(quán)利要求1步驟（1)制備的PMMA電印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋 涂的方法制備聚合物PMMA薄膜；薄膜的厚度和成膜質(zhì)量通過調(diào)節(jié)旋涂設(shè)備的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和 旋轉(zhuǎn)時間以及高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間來控制； 其次，將旋涂好聚合物PMMA薄膜的襯底放入真空烘箱中，在30?60°C下固化2?3小 時，得到厚度為2?5 y m的聚合物PMMA波導(dǎo)芯層； (2) 采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo) 同一電極引出的電極引線分別接入同一直流電源的正負(fù)極，通過調(diào)節(jié)施加電壓的大小 來控制電極產(chǎn)生的熱量，從而制備出以空氣作為上包層、PMMA電印刷模板為下包層、兩側(cè)低 折射率的PMMA為兩側(cè)包層的聚合物光波導(dǎo)器件； (3) 制備完成后，把電極引線（13)拆除，并將光波導(dǎo)端面通過劃片機(jī)沿切割線（43)進(jìn) 行解理，進(jìn)而制備出完整的聚合物PMMA光波導(dǎo)器件，切割線（43)的位置為沿著兩個電極引 腳的中心連接線。
4. 如權(quán)利要求1、2或3所述的一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方 法，其特征在于：集成電極（12)的寬度和厚度分別為5?20 ym和200?400nm，引腳的尺 寸為 2000 y mX 2000 y m。
5. 如權(quán)利要求1、2或3所述的一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方 法，其特征在于：聚合物PMMA光波導(dǎo)為直波導(dǎo)、S彎曲波導(dǎo)、Y分支波導(dǎo)、1 X4Y分支分束器 或1 X 4多模干涉分束器結(jié)構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求1、2或3所述的一種采用電印刷技術(shù)制備聚合物PMMA光波導(dǎo)器件的方 法，其特征在于：旋涂設(shè)備的預(yù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間分別為200?2000轉(zhuǎn)/分鐘和10?20 秒，高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)和旋轉(zhuǎn)時間分別為1300?8000轉(zhuǎn)/分鐘和30?90秒。
【文檔編號】G02B6/13GK104459886SQ201410854570
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】王希斌, 張大明, 孫健, 孫靜雯, 王菲, 陳長鳴 申請人:吉林大學(xué)