CN101324683B - 一种聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米光子学领域，尤其涉及一种聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其包括以下步骤：①利用拉制方法，利用SiO 2/金属棒(3)的尖端从熔融态的聚合物或者聚合物溶液(1)中拉制出聚合物纳米光波导(2)；②将聚合物纳米光波导(2)等间隔平行放置在一个水平面上；③将平行的纳米光波导阵列绕中心纵轴旋转，形成聚合物纳米光波导耦合分束器，其中间缠绕部分为光信号的耦合区域、两侧为多个输入及输出分支。本发明具有简单、快速、成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米光子学领域，尤其涉及一种聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法。
背景技术
超紧凑型的光子学器件在光通信、传感和光集成等领域有着广泛的应用前景。超紧凑型的光功率分束器是分离/合成光信号的重要光子学器件，在光互联、集成光子学和生物传感等方面中扮演着重要角色。目前，已经利用多步光刻技术在半导体材料(例如：InP、SOI和SiGe/Si)上实现了微米量级的光分束器。然而，由于微米量级波导的弯曲半径太大，不允许大量2×2耦合器或者1×2的分束器通过级联的方法集成在一个几英寸的衬底上。为了避免利用级联的办法，多模干涉(MMI)型的光分束器已经被制作。但是，MMI型的光分束器的耦合部分尺寸比较大，通常从数百到数千微米。为了降低器件的尺寸，人们引入了亚微米/纳米量级的光子晶体、等离子体波导和光子线波导来实现分离/合成光信号，但是制作方法比较复杂、成本昂贵。由于纳米线/光纤在光信号的注入、传导和控制方面具有突出的能力，引起了广泛的注意。近来，大量的研究者致力于发展纳米光纤和纳米线波导，以及利用纳米光纤或纳米光波导单元来组装纳米光子学器件。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种结构超紧凑的、具有多个输入和输出端口的聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其包括以下步骤：
①利用拉制方法，从熔融态的聚合物或者聚合物溶液中拉制出聚合物纳米光波导；
②将聚合物纳米光波导平行放置在一个水平面上；
③将平行的纳米光波导阵列绕中心纵轴旋转，形成聚合物纳米光波导耦合分束器，其中间缠绕部分为光信号的耦合区域、两侧为多个输入及输出分支。
耦合区域宽度为1～3μm，长度为数十个微米。
在步骤②及③中，纳米光波导平行放置及其绕中心纵轴旋转是在光学显微镜下，利用微操作手臂进行操作的。
聚合物纳米光波导的拉制方法①包括以下步骤：
1)将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中；
2)将锥形SiO2棒/金属棒的尖端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物溶液中；
3)SiO2棒/金属棒以一速度斜向上提，在SiO2棒/金属棒的尖端与熔融态的聚合物或者聚合物溶液之间形成延伸的聚合物纤维；
4)在空气中固化形成一条聚合物纳米光波导。
聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PTT)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
熔融态的聚合物材料通过加热板加热形成。
当聚合物材料为PTT时，拉制的过程中保持加热板表面的温度为(250±10)℃。
在步骤②中，SiO2棒/金属棒垂直上提的速度为0.1～1m/s。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
上述的聚合物纳米光波导耦合分束器，具有良好的分光性能和极小的光损耗，且上述的聚合物纳米光波导耦合分束器对于构建超密集的集成光路和纳米网络是十分有用的，对于将来构建其他线型的光子学器件也是十分有用的。
另外，本发明避免了传统的光刻、刻蚀技术，具有简单、快速、成本低廉的优点。
附图说明
图1：聚合物纳米光博导耦合分束器的制作示意图(以3×3的聚合物纳米光波导耦合分束器举例说明)。
图2：利用本发明的组装方法制作的一个4×4的聚合物纳米光波导耦合分束器。(a)器件的扫描电子显微镜(SEM)图像，输入分支A-D的PTT纳米光波导的直径分别为450、450、510和570nm。(b)当650nm的红光从左边第二条臂输入时，器件的导光图像。(c)当473nm的蓝光同时从左边上部的两条臂输入时，器件的导光图像。箭头给出了信号光的传输方向。
图3：利用本发明的组装方法制作的一个6×6聚合物纳米光波导耦合分束器。(a)器件的SEM图像，输入分支A-F的PTT纳米光波导的直径分别为520、540、540、540、420和360nm。(b)绿光传输的光学显微镜图像。(c)蓝光传输的光学显微镜图像。箭头给出了信号光的传输方向。
图4：利用本发明的组装方法制作的一个8×8聚合物纳米光波导耦合分束器。(a)器件的SEM图像，输入分支A-H的PTT纳米光波导的直径分别为400、400、400、400、400、750、750和600nm。(b)、(c)：器件传导红光和蓝光的光学显微镜图像。箭头表示了输入光的传输方向。
具体实施方式
本发明提供了一种聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其包括以下步骤：
①利用拉制方法，从熔融态的聚合物或者聚合物溶液1中拉制出聚合物纳米光波导2。
②在光学显微镜下，利用微操作手臂将聚合物纳米光波导2平行放置在一个水平面上。
③利用微操作缠绕技术，通过微操作手臂将平行的纳米光波导阵列绕中心纵轴旋转，形成聚合物纳米光波导耦合分束器，其中间缠绕部分为光信号的耦合区域、两侧为多个输入及输出分支。其中，耦合区域宽度为1～3μm，长度为数十个微米。
在步骤①中，如图1所示，聚合物纳米光波导的具体拉制方法包括以下步骤：
1)将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中，其中，聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PTT)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
2)将锥形SiO2棒/金属棒3的尖端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物溶液1中。
3)SiO2棒/金属棒3以一速度斜向上提，在SiO2棒/金属棒3的尖端与熔融态的聚合物或者聚合物溶液1之间形成延伸的聚合物纤维。
4)在空气中固化形成一条聚合物纳米光波导2。
本实施例以制作PTT纳米光波导为例来说明。PTT纳米光波导拉制过程中，用一块加热板来熔化PTT粒料，拉制的过程中保持加热板表面的温度为(250±10)℃。首先，将锥形SiO2棒/金属棒的尖端靠近并且浸入熔融的PTT；然后，锥形SiO2棒/金属棒以0.1-1m/s的速度沿着图1步骤①中箭头方向上提，这样在熔融的PTT和锥形SiO2棒/金属棒的尖端之间形成延伸的PTT纤维；最后，延伸的PTT纤维在空气中迅速淬火，形成一条非晶的空气包裹的PTT纳米光波导。
本发明仍以PTT纳米光波导耦合分束器为例说明，借助单模SiO2光纤纳米尖锥通过倏逝波耦合的方法将光信号导入PTT纳米光波导耦合分束器。将待测PTT纳米光波导耦合分束器悬空在两个微米支架上。调节SiO2纳米尖锥靠近待测PTT纳米光波导。由于静电力或范德瓦尔斯力，SiO2纳米尖锥和PTT纳米光波导吸附在一起。通过倏逝波耦合，将来自SiO2纳米尖锥的光耦合进入PTT纳米光波导耦合分束器中，利用功率计和光谱仪来测量光功率。
实施例1
利用微操作缠绕技术将4条PTT纳米光波导缠绕组装形成4×4光功率分束器，其中从分支A到分支D的纳米光波导的直径分别为450、450、510和570nm。图2(a)为该器件的SEM图像，从插图可以看出器件是由一个3×4和1×4耦合器级联而成的，耦合部分的总宽度为1.98μm。该器件耦合部分的最大长度约为16.1μm，其中的1×4分束器的耦合长度约为8.5μm。利用倏逝波耦合的方法将光信号耦合进器件，然后测试器件的分光性能。这里输入和输出总损耗的平均值为0.480dB。如图2(b)所示，当工作波长为650nm的红光被耦合进入分支B，经过耦合被分成四部分在分支1到4输出，其分光比大约为24∶25∶32∶19。测量的器件的附加损耗为0.706dB，其中包含了0.480dB的耦合损耗、0.016dB的传输损耗和0.210dB的散射损耗。这里器件的本征损耗为0.226dB。如果两束波长为650nm的蓝光以1∶2的功率同时地输入分支A和B(图2c)，这时输出分支1-4的分光比变为26∶23∶27∶24。器件的附加损耗为0.660dB(包括0.480dB的耦合损耗、0.005dB的传输损耗和0.175dB的散射损耗)。
实施例2
图3给出了一个由6条PTT纳米光波导缠绕组装的6×6聚合物纳米光波导耦合分束器，分支A-F的PTT光纤直径分别为520、540、540、540、420和360nm。图3(a)的插图给出了缠绕部分的放大图像，其中耦合部分的长度为11-20μm、宽度为2.92μm。如图3(b)所示，当波长为532nm绿光被耦合进入分支C时，经过耦合部分被分成六部分在分支1-6输出，其分光比为17∶16∶20∶18∶15∶14。在这种情况下，分束器的分光均匀度为1.55dB。当波长为650nm的蓝光输入分支D时，分束器的六个输出分支的功率分布很均匀，分光均匀度仅为0.03dB(图3c)。不同波长的可见光也分别被耦合进分支C和D，用于描述器件的分光特性。
实施例3
图4给出了一个耦合部分较长的8×8聚合物纳米光波导耦合分束器，是由8条直径分别为400、400、400、400、400、750、750和600nm(分支A-H)的PTT纳米光波导组装而成。如图4(a)插图中的SEM图像所示，耦合部分的长度和宽度大约为38μm和2.5μm。我们将三种可见光耦合进8×8光分束来观察器件的分光性能。如图4(b)、(c)所示，红光和蓝光分别被耦合进分支E和G，通过耦合部分被分到分支1-8输出。
Claims (6)
1.一种聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
①利用拉制方法，SiO2/金属棒(3)的尖端从熔融态的聚合物或者聚合物溶液(1)中拉制出聚合物纳米光波导(2)；
②将聚合物纳米光波导(2)平行放置在一个水平面上，聚合物纳米光波导(2)平行放置是在光学显微镜下，利用微操作手臂进行操作的；
③在光学显微镜下，利用微操作手臂将平行的纳米光波导阵列绕中心纵轴旋转，形成聚合物纳米光波导耦合分束器，其中间缠绕部分为光信号的耦合区域、两侧为多个输入及输出分支。
2.根据权利要求1所述的聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其特征在于：耦合区域宽度为1～3μm，长度为数十个微米。
3.根据权利要求1所述的聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其特征在于：聚合物纳米光波导(2)的拉制方法包括以下步骤，
1)将聚合物材料加热至熔融态或者溶解在溶剂中；
2)将锥形SiO2棒/金属棒(3)的尖端靠近并且浸入熔融态的聚合物或者聚合物溶液(1)中；
3)SiO2棒/金属棒(3)以0.1～1m/s的速度斜向上提，在SiO2棒/金属棒(3)的尖端与熔融态的聚合物或者聚合物溶液(1)之间形成延伸的聚合物纤维；
4)在空气中固化形成一条聚合物纳米光波导(2)。
4.根据权利要求3所述的聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其特征在于：聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PTT)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
5.根据权利要求4所述的聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其特征在于：熔融态的聚合物材料(1)通过加热板加热形成。
6.根据权利要求5所述的聚合物纳米光波导耦合分束器的制作方法，其特征在于：当聚合物材料为PTT时，拉制的过程中保持加热板表面的温度为(250±10)℃。
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