CN104253372A - 一种回音壁模式光子学器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于回音壁模式光子学器件的微米环阵列结构及其制备方法，所述微米环阵列结构的制备是利用溶剂液滴溶解聚合物薄膜产生的“咖啡环效应”，使聚合物在液体周围聚集形成明显不同于薄膜高度的环形结构，实现光在聚合物结构中的传导和限域，用激发、散射或近场耦合的方式将光信号输入到微米环形结构中，实现回音壁模式的谐振效应。所制备的微米环结构可以作为高品质因数的光学微腔，得到谱线宽度明显窄化的调制模式光谱，并可通过光学增益实现回音壁模式的光放大受激发射，进一步在多环耦合的阵列结构中，依据调制光谱及激光模式的波长变化信息，实现光信号处理和对外界刺激的高灵敏响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子学器件及其制备方法，尤其涉及一种回音壁模式光子学器件及其制备方法。
背景技术
随着信息网络技术的迅速发展，人们要面对的信息量与日剧增，对信息存储和处理器件的性能提出了更高的要求，信息时代的发展迫切需要研究和开发高性能的集成光学器件，用以解决集成电子学面临的运行速度限制和小尺度下的热效应问题。较之线性结构的法布里-琣罗谐振腔，环形回音壁模式微腔表现出更高的品质因数，因而能够对透射或发光光谱进行更高分辨率的调制，实现一系列基于谱线模式调制的集成光子学功能。单个回音壁微腔的制备方法已经发展的较为成熟，包括玻璃熔融小球，电子束离子束加工微结构和聚合物微球腔等等。然而，这些方法面临着工艺繁琐和可控性差的问题，更重要的是，无法实现阵列化和图案化的多微腔耦合结构的制备，用以实现功能化的回音壁模式光子学回路。因此，发展一种低成本、可控制和大范围的制备微米环形波导结构的方法具有很强的实用价值和产业前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种回音壁模式光子学器件及其制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种所述回音壁模式光子学器件中的微米环阵列结构的制备方法及其制备的微米环阵列结构。
本发明提供如下技术方案：
一种回音壁模式光子学器件，所述器件中包括一回音壁模式光学谐振微腔，所述微腔包括一微米环阵列结构。
根据本发明，所述微米环阵列结构为聚合物微米环阵列结构。
根据本发明，所述器件为光子学激光集成元件、光子学调制集成元件或光子学传感集成元件。
根据本发明，所述阵列结构中的环形结构的高度在0.2-2微米，直径在20-400微米。
本发明还提供如下技术方案：
一种上述回音壁模式光子学器件中的微米环阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
1）将能形成薄膜的物质与溶剂混合，搅拌；
2）向步骤1）的体系中加入发光材料，得到混合溶液；
3）将上述混合溶液旋涂于基片上，干燥，得到薄膜；
4）通过喷墨打印将溶剂液滴打印在薄膜基底上，通过“咖啡环效应”形成所述微米环阵列结构；
另外，步骤3）和4）也可以替换为如下步骤3a)：在基片上直接喷墨打印步骤2）所得的混合溶液，通过“咖啡环效应”形成所述微米环阵列结构。
根据本发明，优选地，所述能形成薄膜的物质选自聚合物；更优选地，所述聚合物选自聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）、聚二甲基甲酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚芴、聚吡咯等易于成膜的聚合物。
根据本发明，所述能形成薄膜的物质在溶液中的质量百分比浓度为10-50毫克每毫升。优选地，所述溶剂为有机溶剂，可选自甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺等。优选地，所述发光物质选自有机染料、量子点和稀土离子掺杂纳米颗粒等，所述有机染料选自罗丹明（如罗丹明6G）、香豆素（如香豆素6）、尼罗蓝等；所述发光物质在能形成薄膜的物质中的质量百分比为0.2-10%，优选0.5-2.5％。
根据本发明，在步骤3）中，所述基底选自石英片、玻璃片、导电玻璃片、氟化镁（MgF2）片、金属薄膜或增强反射镜等。
根据本发明，在步骤1）中，所述搅拌温度为25-50℃，搅拌时间为2-5小时。步骤3）中，旋涂转速为2000-5000转/分，优选4000转/分。步骤4）中，喷头孔径（液滴尺寸）为10-200微米，优选20-80微米，更优选50微米，样品台温度25-60℃，优选40-60℃。
根据本发明，在步骤3）中，所述薄膜的膜厚在100纳米-200纳米左右。
根据本发明，上述制备方法还包括以下步骤：通过将光输入微米环阵列结构中实现光子学功能。优选地，通过近场耦合或远场泵浦的方式输出光信号，通过近场耦合或远场收集的方式探测输出光信号。
本发明还提供如下技术方案：
一种用于回音壁模式光子学器件的微米环阵列结构，其通过上述制备方法制备得到。
一种上述回音壁模式光子学器件的制备方法，其包括上述的微米环阵列结构的制备方法。
本发明的有益效果：
本发明提供的用于回音壁模式光子学器件的光学谐振微腔（如微米环阵列结构）的制备方法，工艺简单，操作方便，成本低，可大规模制备，具有高品质因数和光谱调制功能，解决了传统微腔制备工艺的图案化和批量化的问题，可实现多个微腔的耦合作用；该方法适用性广，尤其适用于光子学集成元件的设计和实现。
详细说明
喷墨打印技术是通过压电陶瓷控制喷头挤压墨水喷涂在基底上，可以实现微米尺寸上的复杂图案的制备。通过直接在聚合物薄膜上打印溶剂液滴，再通过溶剂扩散产生的“咖啡环效应”得到一系列的阵列化的孔洞结构。利用这一效应，被溶解的薄膜材料在孔洞的边缘聚集，通过控制条件可以得到明显高于薄膜厚度的高质量环形结构。本发明人公开了一种基于喷墨打印技术的聚合物微米环阵列结构，可用作回音壁模式光学谐振微腔，组成一系列功能化的光子学激光、调制和传感元件。
本发明提供的用于光子学集成元件的微米环阵列结构的制备方法，是利用溶剂液滴溶解聚合物薄膜产生的“咖啡环效应”，使聚合物在液体周围聚集形成明显不同于薄膜高度的环形结构，用激发、散射或近场耦合的方式将光信号输入到微米环形结构中，形成光在聚合物结构中的传导和限域，实现回音壁模式的谐振效应，在高品质光学微腔中得到窄线宽的调制光谱，并可通过光学增益实现回音壁模式的光放大受激发射，进一步在多环耦合的阵列结构中，依据调制光谱及激光模式的波长变化信息，实现光信号处理和对外界刺激的高灵敏响应。
具体来说，该方法是用喷墨打印的溶剂液滴，选择性地溶解特定位置的聚合物薄膜，由于溶剂张力作用使得边缘形成一圈明显高于薄膜其余位置的结构，得到形貌规整表面光滑无缺陷的微米环状结构。利用打印技术的可定位性和高的重复精度，可以在厘米级尺寸的平面基底上大面积制备各种排列方式的微米环阵列。通过选择低折射率或者高反射率的基底材料，所制备的结构能够很好地传播并限域光信号，在环形中形成回音壁模式的谐振电磁场，从而对光信号进行调制和选择性增强。利用这一点制备出多环腔耦合的回音壁模式光子学元件，可以实现光放大、滤波、慢光、传感等一系列光子学功能。
本发明提供的微米环阵列结构的制备方法，其机理如图1所示。当溶剂从喷头中受挤压快速喷出，由于表面张力作用形成中心对称的形状，并垂直接触基底薄膜形成圆形的溶剂液滴；溶剂液滴能够溶解形成薄膜的聚合物材料，形成皮升（10-12L）量级的聚合物溶液；随着溶剂的逐渐挥发，溶剂与基底的浸润性使其能够将溶解的聚合物转移到液体的边缘，在其周围形成环形的聚合物微米结构。通过控制和改变喷涂溶剂量和空间位置，可以形成任意组合的微米环图案包括多环耦合的形状。如图2所示，使用一端连有激光器另一端连接探测器的光纤双锥，通过接触环壁进行有效的耦合，可以对环的回音壁模式谐振进行有效的测量和利用。如图3所示，还可以通过掺入增益介质，利用激光激发环形结构使其发光，实现主动模式的光学调制和光放大，包括自发辐射和受激辐射的回音壁模式调制输出。如图4所示，可以通过精确定位打印多个微米环相连接的结构，实现传导光信号的处理和延迟等功能。
本发明提供的微米环阵列结构的制备方法具有可控制性，通过设计不同结构的环形图案可以实现一系列功能化的光子学元件。通过在同一根光纤波导上制备不同尺寸的环形微腔，可以实现将不同波长的光输入不同的环形微腔中，可以作为集成光子学滤波器使用。通过设计不同尺寸的多环相连结构，通过不同环中本征谐振模式之间的相互耦合，将多个环中共同支持的特定谐振模式进行选择，可以作为模式可调的集成激光器使用。通过在聚合物环形微腔中加入对光、热、电、化学物质等敏感的材料，在外界刺激下产生谐振模式和调制光谱的变化，可以作为一类光学传感器使用。
附图说明
图1为本发明提供的微米环阵列结构制备方法示意图。
图2为本发明提供的回音壁模式光学谐振耦合示意图。
图3为本发明提供的回音壁模式微型激光测量示意图。
图4为本发明提供的微米环阵列结构与调制模式光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1、利用聚合物微米环调制光学回音壁模式
如图2所示，所用材料（1）为本发明人提供的微米环阵列结构，用光纤锥（2）（锥芯直径<1微米）与微米环接触，使得光能够有效地相互耦合。通过一端输出700-800纳米的激光（3）进行循环扫描，另一端用探测器（4）将透过的光信号转化成变化的电信号，并通过示波器（5）采样形成谱图。从得到的环形结构的透过谱（6），可以看到特定波长被环形腔有效的限域形成回音壁模式。将波长与谱线的半高全宽进行比较，可以计算出微米环腔的品质因数在104以上。
该方法中所用的微米环阵列结构的制备方法如下：
在1000转/分的条件下，将0.3克聚苯乙烯（分子量40万）慢慢地加入到10毫升甲苯中，加热到40℃使其充分的溶解形成澄清溶液。将得到的混合溶液在4000转/分的条件下旋涂到清洁的MgF2基片上，使溶剂充分挥发后，将这些基片放在在真空干燥箱中干燥，得到均匀的聚合物复合变色薄膜。将所制备的聚苯乙烯薄膜/MgF2基片放置在喷墨打印设备上，利用50微米喷头定点喷涂二甲基甲酰胺（DMF）溶剂，形成分立的微米环阵列结构。
实施例2、染料掺杂聚合物微米环产生回音壁模式微米激光
如图3所示，回音壁模式微型激光材料为本发明人提供的微米环阵列结构（7），用钛：蓝宝石激光器的脉冲激光（8）（514纳米）为泵浦光，光斑直径为10微米，光强为1.5微焦每脉冲，照射单个微米环阵列结构的部分区域，使掺杂在其中的染料发光形成增益。通过50倍物镜（9）收集微环腔的溢出光，并用滤光片（10）（520纳米长通）将激发光滤除，得到回音壁模式微腔产生的多模激光（11）。
该方法中所用的微米环阵列结构的制备方法如下：
在1000转/分的条件下，将0.5克聚甲基苯烯酸甲酯（PMMA）慢慢地加入到10毫升氯仿（CHCl3）中，搅拌数小时使其充分溶解形成澄清溶液，然后将5毫克罗丹明6G加入到澄清溶液中，继续搅拌10分钟，使罗丹明6G均一地分散到澄清溶液中。将得到混合溶液通过旋涂（5000转/分）在保护银反射镜基底上，形成约为150nm厚度的薄膜。用直径50微米的喷头向带有PMMA薄膜的基底上有序喷涂氯仿（CHCl3）溶剂液滴，形成阵列化的带有罗丹明6G的PMMA微米环结构（直径约为80微米）。
实施例3、微米环耦合实现单模激光
所用材料为本发明人提供的微米环阵列结构，用掺钛蓝宝石激光器的脉冲激光（480纳米）为泵浦光，光斑直径为0.5毫米，单脉冲能量为1毫焦，以斜45度照射整个耦合微米环阵列结构，使掺杂在其中的染料发光形成增益。通过50倍物镜收集微环腔的溢出光，并用滤光片（500纳米长通）将激发光滤除，得到回音壁模式微腔的激光光谱。通过调节两个耦合环的直径，利用两个不同环形腔耦合形成的“齿轮效应”，使其相同波长位置的谐振模式被选择性的放大，实现激光选模功能得到单模激光。
该方法中所用的耦合微米环阵列结构的制备方法如下：
在1000转/分的条件下，将0.5克聚苯乙烯（PS）慢慢地加入到20毫升甲苯中，搅拌数小时使其充分溶解形成澄清溶液，然后将5毫克香豆素6染料加入到澄清溶液中，继续搅拌20分钟，使其均匀地分散到澄清溶液中。将得到混合溶液通过旋涂（3000转/分）在分布式布拉格反射镜（DBR）基底上，形成约为100nm厚度的薄膜。用直径50微米的喷头向基底上一定位置喷涂二甲基甲酰胺（DMF）溶剂液滴，形成一个微米环结构，然后精确移动喷头（50微米）后再次喷涂溶剂，形成第二个环形结构。通过控制溶剂量和喷涂位置，得到两个不同大小环（直径100微米和150微米）相切的结构。
实施例4、多微米环阵列用于可集成慢光元件
所用材料为本发明人提供的微米环阵列结构，用两组光纤锥分别耦合多环结构的第一个环和最后一个环。以700-800纳米的飞秒脉冲激光作为探测光源，通过一组光纤锥将探测光源的信号输入多环微腔中，调节波长使其形成有效的回音壁模式谐振。另一组光纤锥将多环腔中的谐振信号耦合进入单光子计数器中。通过测量不同波长输入的多环调制输出的时间延迟，得到多环腔对不同波长的慢光效应，5环耦合的结构可以实现0.1微秒的延时效应。
该方法中所用的多环微腔的制备方法如下：
在1100转/分的条件下，将0.8克聚苯乙烯慢慢地加入到25毫升甲苯中，加热到50℃使聚苯乙烯充分溶解，搅拌过夜形成澄清溶液，旋涂（3000转/分）到MgF2基底上得到平整的聚合物薄膜，通过20微米喷头打印形成一系列大小一致的环状结构，并通过控制打印位置，使得各个环之间相切，使得光能够在不同的环形腔之间来回传导。
实施例5、多种染料掺杂聚合物微米环用于发光颜色调控
记录介质为本发明人提供的微米环阵列结构，用带滤光片（330-380纳米）的汞灯照射样品，用二向色片（400纳米）分光，用滤色片（420纳米长通）滤去激发光，得到微米光阵列结构的多颜色图案化的荧光显微成像。
该方法中所用的复合变色微米环阵列结构的制备方法如下：
在1000转/分的条件下，将0.5克聚苯乙烯（PS）慢慢地加入到20毫升甲苯中，搅拌数小时使其充分溶解形成澄清溶液，将得到混合溶液通过旋涂（3000转/分）在玻璃基底上，形成均匀厚度的聚合物薄膜。用直径50微米的喷头向基底上一定位置分别喷涂溶解有香豆素6和罗丹明6G的甲苯溶剂液滴。通过控制溶剂量和喷涂位置，得到图案化的具有绿色和红色荧光的环形结构。
Claims (10)
1.一种回音壁模式光子学器件，其特征在于，所述器件中包括一回音壁模式光学谐振微腔，所述微腔包括一微米环阵列结构；优选地，所述微米环阵列结构为聚合物微米环阵列结构。
2.如权利要求1所述的回音壁模式光子学器件，其特征在于，所述器件为光子学激光集成元件、光子学调制集成元件或光子学传感集成元件。
3.如权利要求1或2所述的回音壁模式光子学器件，其特征在于，所述阵列结构中的环形结构的高度在0.2-2微米，直径在20-400微米。
4.一种权利要求1至3任一项所述回音壁模式光子学器件中的微米环阵列结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）将能形成薄膜的物质与溶剂混合，搅拌；
2）向步骤1）的体系中加入发光材料，得到混合溶液；
3）将上述混合溶液旋涂于基片上，干燥，得到薄膜；
4）通过喷墨打印将溶剂液滴打印在薄膜基底上，通过“咖啡环效应”形成所述微米环阵列结构；
另外，步骤3）和4）也可以替换为：在基片上直接喷墨打印步骤2）所得的混合溶液，通过“咖啡环效应”形成所述微米环阵列结构。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述能形成薄膜的物质选自聚合物；优选地，所述聚合物选自聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）、聚二甲基甲酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚芴、聚吡咯等易于成膜的聚合物；优选地，所述能形成薄膜的物质在溶液中的质量百分比浓度为10-50毫克每毫升；优选地，所述溶剂为有机溶剂，可选自甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺等；优选地，所述发光物质选自有机染料、量子点和稀土离子掺杂纳米颗粒等，所述有机染料选自罗丹明（如罗丹明6G）、香豆素（如香豆素6）、尼罗蓝等；优选地，所述发光物质在能形成薄膜的物质中的质量百分比为0.2-10%，优选0.5-2.5％。
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中的基底选自石英片、玻璃片、导电玻璃片、氟化镁（MgF2）片、金属薄膜或增强反射镜等。
7.如权利要求4至6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，搅拌温度为25-50℃，搅拌时间为2-5小时；步骤3）中，旋涂转速为2000-5000转/分，优选4000转/分；步骤4）中，喷头孔径（液滴尺寸）为10-200微米，优选20-80微米，更优选50微米，样品台温度25-60℃，优选60℃；
优选地，所述步骤3）的薄膜的膜厚在100纳米-200纳米左右。
8.如权利要求4至7任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过将光输入微米环阵列结构中实现光子学功能；优选地，通过近场耦合或远场泵浦的方式输出光信号，通过近场耦合或远场收集的方式探测输出光信号。
9.一种用于回音壁模式光子学器件的微米环阵列结构，其通过上述权利要求4至8任一项所述的制备方法制备得到。
10.一种权利要求1所述的回音壁模式光子学器件的制备方法，其包括权利要求4至8任一项所述的微米环阵列结构的制备方法。
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