CN102707379B - 一种在光子晶体中引入缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在光子晶体中引入缺陷的方法，包括：1、取折射率和光刻胶相近且不相等的均匀液体滴在阶梯型薄膜的膜层阶梯处，阶梯型薄膜在和光刻胶相接的空气隙里均匀展开并吸附在一起，组成阶梯膜曝光系统；2、将阶梯膜曝光系统调节到全息光刻光路的焦平面处；3、利用CCD对相干光强模式进行实时监控；4、重复步骤2和3，直到CCD中观察到光强分布达到对比度最大，表明此时二维干涉模式质量最好；打开全息光刻光路激光进行曝光，根据光刻胶曝光剂量和曝光深度的相关数据，反推相干光强，结合相干区域光斑面积大小，最终确定曝光时间；5、曝光完成后，对阶梯型薄膜显影，除去因曝光剂量不足而未固化部分，得到缺陷结构。

Description

一种在光子晶体中引入缺陷的方法

技术领域

本发明涉及光子晶体及阶梯型相位调制技术，尤其涉及一种在光子晶体中引入缺陷的方法。

背景技术

随着电子器件受响应速率等影响越来越成为当今信息技术的制约，光子操控的课题也进入一个必然的趋势，因其具有速率快、容量大等无法比拟的优势，其替代电器件将成为必然。

自1987年光子晶体（Photonic Crystals，PCs）的提出，这种类似于电学领域半导体的新型材料为光操控提供了很完善的操作平台，其独特的光子带隙结构为光分器，干涉仪，光波导等重要的器件理想的载体。通过几十年的发展，光子晶体的制备技术已经相对成熟，有些还已经成功实现产业化，比较典型的有全息技术、自组装技术，直写等，其中全息技术因具有操作简易，成本低廉，在大面积领域中具有明显的优势，已成功地应用在深紫外等曝光技术中。而在光子晶体结构中引入所需的缺陷结构则是继大面积高质量光子晶体平台之后又一重要的技术平台。而缺陷的引入则是一个难题，目前所用的技术主要是微球组装操控和激光直写技术。其中，微球技术主要应用于三维缺陷的引入，而直写技术则受技术精度的制约，制备效率相对较低，而且考虑到机械操作，缺陷的质量不是很理想。所以，如何高效地引入高质量缺陷成为重要的研究课题。

结合现在工艺上很成熟的曝光法制备大面积周期性光子带隙结构的技术，如果能够成功地引入各式各样的可操控性的缺陷结构，那将实现一次性曝光制备光操控平台的突破，甚至可以集合光源，光波导，分束器等常见的器件，大大节省了制备的成本。而利用阶梯型薄膜发生透射和反射时的相位及强度等特性，阶梯型薄膜的制备不可置否是该技术的关键。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种在光子晶体中引入缺陷结构的方法，利用阶梯膜发生透射和反射时的相位及强度等特性，并结合全息法制备大面积光子晶体的优势，得到一种高效率且样式多样的缺陷结构引入技术。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种在光子晶体中引入缺陷结构的方法，包括以下步骤：

（1）取折射率和光刻胶相近且不相等的均匀液体滴在阶梯型薄膜的膜层阶梯处，阶梯型薄膜在和光刻胶相接的空气隙里均匀展开并吸附在一起，组成阶梯膜曝光系统； 

（2）使用全息光刻光路制备光子晶体，将阶梯膜曝光系统调节到全息光刻光路的焦平面处；

（3）利用CCD对相干光强模式进行实时监控，相干光强模式即为几束相干光束形成的二维干涉模式即光强分布；

（4）重复步骤（2）和（3），直到在CCD中观察到的光强分布达到对比度最大，表明此时的二维干涉模式质量最好；打开全息光刻光路的激光进行曝光，根据利用光刻胶的曝光剂量和曝光深度的相关数据，反推到相干光强，并结合相干区域光斑的面积大小，最终确定曝光时间；例如，要得到厚度为2micron的样品，曝光剂量为60mJ/cm²,总光强150μW，面积4cm²，则曝光时间为100s；

（5）曝光完成后，对阶梯型薄膜进行显影，除去因曝光剂量不足而未固化部分，得到缺陷结构。

所述均匀液体的折射率与光刻胶的折射率相差+10%。

所述全息光刻光路包括两个消色差透镜（L1、L2）组成的4f系统，使光束汇聚在一个大面积的相干区域，且光刻胶的位置位于第二消色差透镜（L2）焦平面处。

光刻胶为SU8光刻胶。

所述阶梯膜的制备方法包括以下步骤：

（a）利用硅片的自然解理面为模板；

（b）离子均匀镀在硅片基底上，形成阶梯型膜层。

所述步骤（b）中利用利用高温磁控溅镀。

所述膜层不大于5μm。所述阶梯型薄膜，膜层梯度为90°+5°。 

与现有的光子晶体引入缺陷结构相比，本发明采用利用阶梯膜引入缺陷结构的方案，大大节省了制备的成本，并能结合全息法制备大面积光子晶体的优势，得到一种高效率且样式多样的缺陷结构引入技术。

附图说明

图1为阶梯膜的示意图

图2为阶梯膜引入缺陷原理图；

图3为阶梯膜的曝光实现示意图；

图4为二维缺陷结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述:

如图1为阶梯型薄膜的俯视电镜图。其制备方法是，利用硅片的自然解理面为模板，利用高温磁控溅镀，使离子均匀地镀在SiO2基底上，从而形成阶梯型的膜层。从其端面可以看出角度很陡直，所用的材料是SiO2，膜层厚度在5μm之内均可控制。

如图2所示的阶梯膜引入缺陷原理图。阶梯膜的功能在于：

1、产生相位的跃变。光在和空气接触的两个端面处发生折射和反射，其中，反射光将带着一定的相位跃变和原来的入射光形成干涉模式，在左右两束透射光的影响区域外，干涉模式和无阶梯膜情况一致，保持正常的相干模式，而在影响处，分别发生一定的相位移动，相位的改变造成的是相应的强度改变，通过控制光刻胶的曝光量将一定光强度阈值以下的位置点清洗掉，则得到缺陷结构；

2、膜层本身的参数会对缺陷有所影响。首先，膜层的厚度会影响发生相位跃变的位置，通过控制厚度，可以实现缺陷位置发生的任意选择。其次是可以通过控制膜层的形状，实现不同的缺陷结构，例如可以利用直角形膜层实现直角转弯光子晶体波导等。

如图3是典型的全息法制备光子晶体的光路图。

其详细步骤如下：

1）一束488nm波长的氩离子激光光束经过一个x20的物镜聚焦后，通过一个20μm的小孔进行空间滤波；

2)利用一个凸透镜对滤波后的光束进行准直，使光成平行光束向前传播，并在一定距离处使平行光照射在衍射光学元件DOE上，分成强度相近，相位相同的同级衍射光；这里的滤波和准直也可以组合成一个系统，如图3所示；

3）利用掩膜板选取同级衍射光，对二维DOE而言，一般是四束衍射光，图3上只显示了两束，经过由两个消色差透镜L1、L2组成的4f系统，使光束在焦平面处形成2mm*2mm的均匀相干区域；

4）利用折射率和光刻胶相近且不相等的均匀液体，取少许滴在膜层阶梯处，使之在和光刻胶（和液体不相溶）相接的空气隙里均匀平整地展开，并利用其吸附力粘合在一起，组成阶梯膜曝光系统；所述均匀液体的折射率与光刻胶的折射率相差+10%。

5）将阶梯膜曝光系统安装在有竖直透光玻璃柱的调节架上，将光刻胶的位置调节到L2的焦平面处，并利用CCD对相干光强模式实行实时监控，如此往复反馈调节，使模式最佳；

6）打开激光进行曝光，并根据光刻胶的吸收剂量相关数据，确定曝光时间；

7）曝光完成后，利用相应的显影液和清洗液对样品进行处理，最后得到相应的缺陷结构。

如图4所示的缺陷结构图可以利用上述方法得到，所用的膜层是直角形SiO2薄膜。

在曝光系统中，通过改变膜层的厚度和入射角度等参数，可以控制缺陷结构的宽度，同时改变缺陷宽度和晶体周期的比值。而通过调整好膜层的偏向角度和方向，则可以实现沿各个晶向的缺陷，从而实现不同的光学器件。在同一块光子晶体平板中同时实现多种器件，则相当于一块简单的集成芯片，以供科研和工业生产之用。

Claims (7)

1.一种在光子晶体中引入缺陷结构的方法，包括以下步骤：

（1）取折射率和光刻胶相近且不相等的均匀液体滴在阶梯型薄膜的膜层阶梯处，阶梯型薄膜在和光刻胶相接的空气隙里均匀展开并吸附在一起，组成阶梯型薄膜曝光系统；所述均匀液体的折射率与光刻胶的折射率相差+10%；

（2）使用全息光刻光路制备光子晶体，将阶梯型薄膜曝光系统调节到全息光刻光路的焦平面处； 

（3）利用CCD对相干光强模式进行实时监控； 

（4）重复步骤（2）和（3），直到在CCD中观察到的光强分布达到对比度最大，表明此时的二维干涉模式质量最好；打开全息光刻光路的激光进行曝光，根据利用光刻胶的曝光剂量和曝光深度的相关数据，反推到相干光强，并结合相干区域光斑的面积大小，最终确定曝光时间； 

（5）曝光完成后，对阶梯型薄膜进行显影，除去因曝光剂量不足而未固化部分，得到缺陷结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全息光刻光路包括两个消色差透镜（L1、L2）组成的4f系统，使光束汇聚在一个大面积的相干区域，且光刻胶的位置位于第二消色差透镜（L2）焦平面处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光刻胶为SU8光刻胶。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阶梯型薄膜的制备方法包括以下步骤：

（a）利用硅片的自然解理面为模板；

（b）离子均匀镀在硅片基底上，形成阶梯型薄膜层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤（b）中利用高温磁控溅镀。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述膜层不大于5μm。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阶梯型薄膜，膜层梯度为90°+5°。

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