CN104459886B - 一种采用电印刷技术制备聚合物pmma光波导器件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，属于聚合物平面光波导器件制备技术领域。其是在PMMA基片上蒸发铝膜，然后通过旋涂、光刻、湿法刻蚀等半导体工艺制备出几微米到几十微米不同宽度的集成电极布线，进而制备出电印刷模板，然后通过电印刷模板加热聚合物薄膜，使聚合物材料的折射率发生变化，进而制备出集成光路器件。本发明的器件及其制作方法，器件成本低，成品率高，工艺简单，制备速度快，适合大批量生产。
Description
技术领域
本发明属于聚合物平面光波导器件制备技术领域，具体涉及一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法。
背景技术
随着光电子技术的迅猛发展，新器件和新技术不断涌现。光电器件和光电子集成及光子集成(OEIC及PIC)是光电子技术的基础。近年来，光通信作为信息通信网络的关键技术不断发展，目前已成为光电子学的最大应用领域，光通信系统的大容量、高速化又促进了OEIC的进一步发展。OEIC器件可分为光电子集成(OEIC)器件和光子集成(PIC)器件两大类。PIC，也就是所谓的集成光路是现代光电子学的一个重要分支。为了满足光纤通信系统的要求，光电子学的研究中又拓展了两个新的研究领域，即光组件的小型化和光组件间的集成。在这两个研究领域中，平面光波导器件及集成技术起着及其重要的作用，同时集成平面光波导器件也是光电子学系统中必不可少的器件之一。集成平面光波导技术是二十世纪九十年代发展起来的一门新兴技术，由于其制备方法与半导体工艺相兼容，进而成为国际上热门的研究领域之一。光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射地传输，通过它与光纤或光纤阵列的耦合，平面集成光波导器件可以方便地接入到光纤通信系统中。目前，制备光波导和集成光学器件的材料主要包括Silica-on-slicon(SOI)、离子交换玻璃、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、LiNbO3和有机聚合物材料等。和其它几种材料相比，有机聚合物材料的制备工艺简单且与半导体工艺兼容，成本低廉且可以通过分子工程来提高材料的性能，另外，有机聚合物材料还具有无机材料所无法比拟的高热光系数和高电光系数的优势，进而使其逐渐成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础性材料。目前，已报道的制备聚合物光波导的方法主要有反应离子刻蚀、离子注入、紫外光直写、电子束光刻和纳米压印技术等。但是，这些制备技术的价格都比较昂贵，并且在制备过程中常常包括很多复杂的工艺步骤，而聚合物平面光波导制备技术应趋向于一种高效、廉价的制备技术。
发明内容
为了克服现有技术的不足，寻找一种简便、高效的方法制备聚合光波导器件，本发明提供了一种基于电印刷技术的聚合物集成光波导器件的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括如下步骤：
1、以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片为电印刷模板的制备方法，其示意结构图见附图1(a)，其制备步骤见附图2，归纳如下：
(1)清洗PMMA基片(11)：用丙酮和乙醇棉球将其依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；
(2)制备集成电极(12)：采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片(11)上蒸镀一层厚度为200～400nm的铝膜(21)，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为1～2μm的BP212正性光刻胶(22)，并在70～90℃条件下前烘10～30分钟；然后在光刻机上，将其与需要制备的波导结构互补的电极掩膜板(23)紧密接触进行对版光刻，在365nm波长的紫外光(24)下曝光光刻5～8秒，移走电极掩膜板(23)，并将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中显影60～120秒，以去除未被紫外光(24)照射的光刻胶(22)及其掩盖的Al膜(21)；最后，再在365nm波长的紫外光(24)下充分曝光6～10秒，用乙醇溶液去除电极上面的光刻胶(22)，并将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，在电极的两端制作电极引脚，从而完成集成电极(12)的制备；电极的宽度和厚度分别为5～20μm和200～400nm，引脚的形状一般可以为正方形，尺寸为2000μm×2000μm。
(3)制备电极引线(13)：在集成电极(12)的引脚处，通过导电胶将直径为0.5～0.7mm的铜导线焊接上形成电极引线(13)，同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，从而完成电印刷模板的制备。
采取上述制备步骤，可以制备不同结构的电印刷模板，主要是根据设计的集成电极(12)形状而定，针对不同的集成电极(12)可以制备不同的电极掩膜板，或者在同一块电印刷模板上制备不同形状的集成电极(12)，附图1(a)—(e)分别给出了制备聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4多模干涉(MMI)分束器的集成电极示意图。在直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1×4Y分支分束器的设计中，两根加热电极之间的距离在5～15μm之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°～1.5°之间不等，Y分支角度在0.5°～2.0°之间不等，进而可以制备出波导宽度在5～15μm之间不等、S弯曲波导偏折角度在0.5°～1.5°之间不等、Y分支角度在0.5°～2.0°之间不等的PMMA聚合物光波导器件；在1×4MMI分束器的设计中，MMI干涉区的长度和宽度分别在200～2000μm和15～200μm不等，输入和输出区直波导的宽度在5～15μm之间不等。此外，还可以根据需要设计结构更为复杂的集成电极形状，来制备不同的电印刷模板，进而制备出各种结构的聚合物PMMA光波导器件。
2、电印刷技术制备以SiO2为衬底的聚合物PMMA光波导器件的方法，其包括如下步骤：
(1)在硅衬底上生长一层较厚的SiO2下限制层
为了抑制光场泄露到折射率较高的硅衬底中，需要在硅片上生长一层较厚的SiO2下限制层作为波导的下包层，采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长SiO2层，氧化温度保持在1100～1300℃左右；先干氧氧化20～40分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行5或7次，其中湿氧氧化50～70分钟、干氧氧化20～40分钟，最后进行20～40分钟的干氧氧化，得到厚度为2～6μm的SiO2下限制层。
(2)在SiO2下限制层上制作聚合物PMMA芯层
在清洗干净的SiO2衬底上采用旋涂工艺来获得聚合物波导芯层部分。
首先，对已经生长好SiO2下限制层的硅衬底进行清洁处理，目的是去除表面的污渍和增加SiO2层与聚合物材料之间的附着力，方法是：将其浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；
其次，在SiO2下限制层上滴加聚合物PMMA材料(这种材料可以通过将甲基丙烯酸甲酯共聚反应而制得，溶剂是乙酸丁酯)，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜，薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备(匀胶机)的预转转数和旋转时间(200～2000转/分钟，10～20秒)，以及高速旋转转数和旋转时间(1300～8000转/分钟，30～90秒)来控制；
最后，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中30～60℃条件下固化2～3小时去以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2～5μm的PMMA波导芯层。
(3)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
将步骤1中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA薄膜上，同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极(对于具有两根集成电极的结构，将每根电极引出的导线分别接入两个直流电源的正负极；对于具有一根集成电极的结构，将电极引出的导线直接接入一个直流电源的正负极)，通过调节施加电压的大小(5～20V)来控制电极产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMMA材料的折射率，而其它区域的PMMA薄膜的折射率不发生变化，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较高的PMMA聚合物光波导结构，对应的被加热PMMA材料的折射率的调节范围为1.4823～1.4722。
(4)将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、SiO2下限制层为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为2～5μm，波导形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度在5～15μm之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°～1.5°之间不等，Y分支的分支角度在0.5°～2.0°之间不等，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别在200～2000μm和15～200μm不等，输入和输出区直波导的宽度在5～15μm之间不等。
(5)制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件。
3、电印刷技术制备以PMMA基片为衬底的聚合物PMMA光波导器件的方法，其包括如下步骤：
(1)在PMMA基片上制作聚合物PMMA芯层
在清洗干净的PMMA基片上采用旋涂工艺来获得聚合物波导芯层部分。
首先，对PMMA基片进行清洁处理，目的是去除表面的污渍和增加PMMA基片与聚合物材料之间的附着力，方法是：将PMMA基片用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；
其次，在PMMA基片上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜，薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备(匀胶机)的预转转数和旋转时间(200～2000转/分钟，10～20秒)，以及高速旋转转数和旋转时间(1300～8000转/分钟，30～90秒)来控制；
最后，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30～60℃下固化2～3小时以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2～5μm的PMMA波导芯层。
(2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
将步骤1中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA薄膜上，并将两个引脚引出的导线分别接入直流电源的正负极，(对于具有两根集成电极的结构，将每根电极引出的导线分别接入两个直流电源的正负极；对于具有一根集成电极的结构，将电极引出的导线直接接入一个直流电源的正负极)，通过调节施加电压的大小(5～20V)来控制电极产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMMA材料的折射率，而其它区域的PMMA薄膜的折射率不发生变化，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较高的PMMA聚合物光波导结构，对应的折射率的调节范围为1.4823～1.4722。
(3)将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、PMMA基片为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为2～5μm，波导形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度在5～15μm之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°～1.5°之间不等，Y分支的分支角度在0.5°～2.0°之间不等，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别在200～2000μm和15～200μm不等，输入和输出区直波导的宽度在5～15μm之间不等。
(4)制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件。
4、电印刷技术制备以PMMA基片为衬底的聚合物PMMA光波导器件的方法，其制备步骤见附图4：
(1)在PMMA电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层
在步骤1中制备好的PMMA电印刷模板上采用旋涂工艺来获得聚合物PMMA波导芯层部分。
首先，在步骤1中制备好的PMMA电印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的方法制备聚合物PMMA薄膜，PMMA薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备(匀胶机)的预转转数和旋转时间(200～2000转/分钟，10～20秒)，以及高速旋转转数和旋转时间(1300～8000转/分钟，30～90秒)来控制；
其次，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30～60℃下固化2～3小时以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2～5μm的聚合物PMMA波导芯层(41)。
(2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极(对于具有两根集成电极的结构，将每根电极引出的导线分别接入两个直流电源的正负极；对于具有一根集成电极的结构，将电极引出的导线直接接入一个直流电源的正负极)，通过调节施加电压的大小(5～20V)来控制集成电极(12)产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMMA材料的折射率，而其它区域的PMMA薄膜的折射率不发生变化，进而形成两侧折射率相对较低的PMMA波导包层(42)，这样，便制备出以空气作为上包层、PMMA电印刷模板为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为2～5μm，波导形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度在5～15μm之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°～1.5°之间不等，Y分支的分支角度在0.5°～2.0°之间不等，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别在200～2000μm和15～200μm不等，输入和输出区直波导的宽度在5～15μm之间不等。
(3)制备完成后，把电极引线(13)拆除后，将制备完成的光波导端面通过划片机沿切割线(43)进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件，切割线(43)的位置为沿着两个正方形电极引脚的中心连接线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的制作工艺比较简单，电印刷模板的制备只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，生产成本低、效率高，并且PMMA材料价格低廉，广泛应用于平面光波导器件之中。这种制备方法和波导材料很适合于批量生产可实际应用的聚合物平面光波导器件。
附图说明
图1：本发明的电印刷模板示意图；
图2：本发明制备电印刷模板的制备工艺流程图；
图3：PMMA芯层材料的折射率随温度变化的关系曲线；
图4：电印刷技术制备聚合物光波导的工艺流程图；
图5：电印刷技术制备的聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1×4MMI分束器的输出光斑；
如图1(a)所示，当把电印刷模板接入直流电源时，调节电压来控制电流大小，电流经过电印刷模板上的金属线条时，会产生热量；各部件名称分别为：PMMA基片(11)、集成电极(12)、电极引线(13)；根据设计的集成电极(12)形状可以制备不同的电极掩膜板，或者在同一块掩模板上制备不同形状的集成电极(12)，进而可以制备出不同结构的电印刷模板，附图1(a)—(e)分别给出了制备聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4多模干涉(MMI)分束器的集成电极示意图。在直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1×4Y分支分束器的设计中，两根加热电极之间的距离在5～15μm之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°～1.5°之间不等，Y分支角度在0.5°～2.0°之间不等，进而可以制备出波导宽度在5～15μm之间不等、S弯曲波导偏折角度在0.5°～1.5°之间不等、Y分支角度在0.5°～2.0°之间不等的PMMA聚合物光波导器件；在1×4MMI分束器的设计中，MMI干涉区的长度和宽度分别在200～2000μm和15～200μm不等，输入和输出区直波导的宽度在5～15μm之间不等。此外，还可以根据需要设计结构更为复杂的集成电极形状，来制备不同的电印刷模板，进而制备出各种结构的聚合物PMMA光波导器件。
本发明为采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件，其所用到的电印刷模板制备工艺流程如附图2所示。主要步骤可以归纳为：
1)基片的选择与清洗：选用价格低廉、热导率较低的PMMA基片(11)作为电印刷模板的基底，将其用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干。
2)制备集成电极(12)：采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片(11)上蒸镀一层厚度为200～400nm的铝膜(21)，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为1～2μm的BP212正性光刻胶(22)，并在在70～90℃条件下前烘10～30分钟；然后在光刻机上，将其与和波导互补的电极掩膜板(23)紧密接触进行对版光刻，在365nm波长的紫外光(24)下曝光光刻5～8秒，移走掩膜板，将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中显影60～120秒，以去除未被紫外光(24)照射的光刻胶(22)及其掩盖的Al膜(21)；最后，将样片再次放在光刻机下充分曝光6～10秒，并用乙醇去除电极上面的光刻胶(22)，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，从而完成集成电极(12)的制备，电极的宽度和厚度分别为5～20μm和200～400nm，同时为了将电极用导线引出，在电极的两端设计了电极引脚，引脚的形状为正方形，尺寸为2000μm×2000μm。
3)制备电极引线(13)：在集成电极的引脚处，通过导电胶将直径为0.5mm的铜导线焊接上，引出的导线可以直接将电极接入直流电源，从而完成电印刷模板的制备，电极引线也可以在模板上涂覆聚合物薄膜并固化完成后，再用0.5mm的铜导线引出。
采取上述制备工艺流程，可以制备不同结构的电印刷模板，主要是根据设计的集成电极(12)形状而定，针对不同的集成电极(12)可以制备不同的电极掩膜板，附图1(a)—(e)分别给出了制备聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4多模干涉(MMI)分束器的集成电极示意图。此外，还可以根据需要设计结构更为复杂的集成电极形状，来制备不同的电印刷模板，进而制备出各种结构的聚合物PMMA光波导器件。
如图3所示，当PMMA材料的加热温度从60℃上升到180℃时，PMMA材料在1550nm波长下的折射率由1.4823降低到1.4722。
本发明采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件，其中以PMMA基片为衬底的聚合物PMMA光波导器件的制备工艺流程如附图4所示。主要步骤可以归纳为：
1)在PMMA电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层
在制备好的PMMA电印刷模板上采用旋涂工艺来获得聚合物PMMA波导芯层(41)。
首先，在步骤1中制备好的PMMA电印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的方法制备聚合物PMMA薄膜(41)，PMMA薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备(匀胶机)的预转转数和旋转时间(200～2000转/分钟，10～20秒)，以及高速旋转转数和旋转时间(1300～8000转/分钟，30～90秒)来控制；
其次，将旋涂好的聚合物PMMA薄膜放入真空烘箱中，在30～60℃下固化2～3小时以去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯，得到厚度为2～5μm的聚合物PMMA波导芯层(41)。
2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
将PMMA电印刷模板的两个引脚分别用导线引出，制备电极引线(13)，并将其接入直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小(5～20V)来控制集成电极(12)产生的热量，电极产生的热量会减小电极上面被加热的PMMA材料的折射率，进而形成两侧折射率相对较低的PMMA波导包层(42)，这样，便制备出以空气作为上包层、PMMA电印刷模板为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，芯层波导厚度为2～5μm，波导形状包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度在5～15μm之间不等，S弯曲波导的偏折角度在0.5°～1.5°之间不等，Y分支的分支角度在0.5°～2.0°之间不等，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别在200～2000μm和15～200μm不等，输入和输出区直波导的宽度在5～15μm之间不等。
3)把电极引线(13)拆除后，将制备完成的光波导端面通过划片机沿切割线(43)进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件。
当输入光功率为0.5mW时，从光波导输出的信号光经过透镜聚焦在红外摄像机上，并通过计算机将输出光斑进行数据采集，图5为采集得到的利用电印刷技术在PMMA模板上直接制备的聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1×4MMI分束器的输出光斑，对应的波导设计参数分别为：直波导的宽度为6μm，高度为4μm，器件长度为2.5cm；S弯曲波导的波导宽度为6μm，高度为4μm，S弯曲偏折角度为0.7°，器件长度为2.5cm；Y分支波导的波导宽度为6μm，高度为4μm，Y分支角度为1.0°，器件长度为2.5cm；1×4MMI分束器的输入输出直波导宽度为6μm，高度为4μm，MMI干涉区的长度和宽度分别为1565μm和65μm，器件长度为2.5cm。
具体实施方式
实施例1：PMMA芯层材料的制备及折射率表征
本发明所使用的芯层材料是一种聚合物—聚甲基丙烯酸甲酯，这种材料可以通过将甲基丙烯酸甲酯共聚反应而制得，制备的材料具有透明性高、成膜性好、价格低廉且易于合成等优点，在聚合物平面光波导器件中应用广泛。其分子结构式如通式(Ⅰ)所示。
采用旋涂工艺将制得的PMMA材料旋涂在清洗干净的Si衬底上(共4个样片)，然后将旋涂好的聚合物薄膜放入真空烘箱中低温固化(30℃)2.5小时以去除薄膜中的溶剂。接下来，将4个相同的样片分别在30℃、60℃、90℃、120℃、150℃和180℃的固化温度下固化2个小时，并采用椭偏仪对材料的折射率进行测量，测得的结果如图3所示，材料的折射率随着固化温度的增加而减小。这个结果可以表明，通过电极施加不同的电流，从而控制聚合物薄膜的温度，进而可以调控PMMA材料的折射率。
实施例2：在PMMA基片上制备电印刷模板
首先，清洗PMMA基片。选用价格低廉、热导率较低的PMMA基片(厚度为2mm)作为电印刷模板的基底，将其用丙酮和乙醇棉球依次进行反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干。
然后，制备集成电极布线。采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片上蒸镀一层厚度为300nm的铝膜，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为2μm的BP212正性光刻胶，并在在80℃条件下前烘20分钟；然后在光刻机上，将其与和波导互补的电极掩膜板(铬版)紧密接触进行对版光刻，曝光光刻胶时间为7秒，移走掩膜板，将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中100秒，以去除未被紫外光照射的光刻胶及其掩盖的Al膜；最后，将样片再次放在光刻机下充分曝光10秒，并用乙醇去除电极上面的光刻胶，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，即可得到清晰光亮的铝电极，电极的宽度和厚度分别为10μm和300nm，在直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1×4Y分支分束器的集成电极设计中，两根加热电极之间的距离为6μm，S弯曲波导的偏折角度为0.7°，Y分支的分支角度为1.0°，在1×4MMI分束器的集成电极设计中，MMI干涉区的长度和宽度分别为1565μm和65μm，输入和输出区直波导的宽度为6μm。同时为了将集成电极用导线引出，在电极的两端设计了电极引脚，引脚的形状为正方形，尺寸为2000μm×2000μm。
最后，制备电极引线。在集成电极的引脚处，通过导电胶将直径约为0.5mm的铜导线焊接到电极引脚上，引出的导线可以直接将电极接入直流电源，电极引线也可以在模板上涂覆聚合物薄膜并固化完成后，再用0.5mm的铜导线引出。
实施例3：利用电印刷技术在SiO2衬底上制备聚合物PMMA光波导
首先，在硅衬底上生成一层厚度为3μm的SiO2下限制层(下包层)。为了抑制光场泄露到折射率较高的硅衬底中，需要在硅片上生长一层较厚的SiO2下限制层作为波导的下包层，采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长SiO2层，氧化温度保持在1200℃，先干氧氧化30分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行6次，其中湿氧氧化60分钟、干氧氧化30分钟，最后是30分钟的干氧氧化，最终制得厚度为3μm的二氧化硅下包层。
其次，在SiO2下包层上制作聚合物PMMA薄膜。首先对已经生长好SiO2层的硅衬底进行清洁处理，目的是去除表面的污渍和增加SiO2层与聚合物材料之间的附着力，方法是：将其浸泡在丙酮溶液中超声清洗8分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干。然后在匀胶机上采用旋涂工艺来制作聚合物波导芯层部分，薄膜的厚度和成膜质量调节匀胶机的预转转数和高速旋转转数以及旋转时间来控制。将实施例1制备的PMMA芯层材料旋涂于经过沉积SiO2下包层的衬底硅片上，调节匀胶机的预转转数和旋转时间为1000转/分钟和15秒，高速旋转转数和旋转时间分别为3000转/分钟和45秒，得到厚度为4μm的PMMA薄膜。最后，将旋涂好的PMMA薄膜放入真空烘箱中低温固化(30℃)2.5小时去除材料中的有机溶剂乙酸丁酯。
然后，采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导。将实施例2中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的PMMA薄膜上，并将电极引脚引出的导线分别接入直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产生的热量，进而来控制被加热区的聚合物材料的折射率。根据实施例1中测得的PMMA材料折射率随温度的变化规律，将直流电压调节为12V，通电时间为20分钟，从而使被电极加热的PMMA材料的折射率降低为1.4735。
最后，将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、SiO2为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度和高度分别为6μm和4μm，S弯曲波导的偏折角度为0.7°，Y分支的分支角度为1.0°，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别为1565μm和65μm，输入和输出区直波导的宽度和高度分别为6μm和4μm，这五种器件的长度都为2.5cm。
实施例4：利用电印刷技术在PMMA基片上制备聚合物光波导
首先，在PMMA基片上制作聚合物波导芯层。首先，对PMMA基片进行清洁处理，目的是去除表面的污渍和增加PMMA基片与聚合物材料之间的附着力，方法是：将其用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净。然后在匀胶机上采用旋涂工艺来制作聚合物波导芯层部分，薄膜的厚度和成膜质量调节匀胶机的预转转数和高速旋转转数以及旋转时间来控制。将实施例1制备的芯层材料涂于PMMA基片上，调节匀胶机的预转转数和旋转时间为1000转/分钟和15秒，高速旋转转数和旋转时间分别为3000转/分钟和45秒，得到厚度为4μm的PMMA薄膜。最后，将旋涂好的PMMA薄膜放入真空烘箱中低温固化(30℃)2.5小时去除溶剂乙酸丁酯。
然后，采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导。将实施例2中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的PMMA薄膜上，并将电极引脚引出的导线分别接入直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产生的热量，进而来控制被加热区的聚合物材料的折射率。根据实施例1中测得的PMMA材料折射率随温度的变化规律，将直流电压调节为12V，通电时间为20分钟，从而使被电极加热的PMMA材料的折射率降低为1.4735。
最后，将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、PMMA基片为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度和高度分别为6μm和4μm，S弯曲波导的偏折角度为0.7°，Y分支的分支角度为1.0°，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别为1565μm和65μm，输入和输出区直波导的宽度和高度分别为6μm和4μm，这五种器件的长度都为2.5cm。
实施例5：利用电印刷技术在PMMA模板上直接制备聚合物光波导
首先，在实施例2中制备好的电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层。在匀胶机上采用旋涂工艺来制作聚合物PMMA薄膜，薄膜的厚度和成膜质量调节匀胶机的预转转数和高速旋转转数以及旋转时间来控制。将实施例1制备的PMMA芯层材料涂于实施例2中制备好的电印刷模板上，调节匀胶机的预转转数和旋转时间为1000转/分钟和15秒，高速旋转转数和旋转时间分别为3000转/分钟和45秒，得到厚度为4μm的PMMA薄膜。最后，将旋涂好的PMMA薄膜放入真空烘箱中低温固化(30℃)2.5小时去除溶剂乙酸丁酯。
然后，采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导。将电印刷模板的电极引脚引出的导线分别接入直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产生的热量，进而来控制被加热区的聚合物材料的折射率。根据实施例1中测得的PMMA材料折射率随温度的变化规律，将直流电压调节为12V，通电时间为20分钟，从而使被电极加热的PMMA材料的折射率降低为1.4735。
这样，便制得了以空气作为上包层、PMMA基片为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件，包括直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器和1×4MMI分束器，其中直波导的宽度和高度分别为6μm和4μm，S弯曲波导的偏折角度为0.7°，Y分支的分支角度为1.0°，1×4MMI分束器的MMI干涉区的长度和宽度分别为1565μm和65μm，输入和输出区直波导的宽度和高度分别为6μm和4μm，这五种器件的长度都为2.5cm。
制备完成后，采用自行搭建的平面光波导测试系统对器件进行了通光和插入损耗的测试，测试系统包括可调谐半导体激光器、五维精密微调架、红外摄像机、光功率计，从光波导输出的信号光经过透镜聚焦在红外摄像机上，并通过计算机将输出光斑进行数据采集，附图5为采集到的聚合物PMMA直波导、S弯曲波导、Y分支波导和1×4MMI分束器的输出光斑，然后将输出光通过单模光纤耦合进入光功率计，通过光功率计读数计算得到器件的插入损耗分别为1.9dB、2.2dB、4.7dB和7.8dB。
Claims (6)
1.一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其步骤如下：
(1)以聚甲基丙烯酸甲酯PMMA基片制备电印刷模板
①清洗PMMA基片(11)：用丙酮和乙醇棉球将其依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；
②制备集成电极(12)：采用蒸镀工艺在清洗干净的PMMA基片(11)上蒸镀一层厚度为200～400nm的铝膜(21)，然后采用旋涂工艺在铝膜上旋涂一层厚度为1～2μm的BP212正性光刻胶(22)，并在70～90℃条件下前烘10～30分钟；然后在光刻机上，将其与需要制备的波导结构互补的电极掩膜板(23)紧密接触进行对版光刻，在365nm波长的紫外光(24)下曝光光刻5～8秒，移走电极掩膜板(23)，并将其放在质量浓度为5‰的NaOH溶液中显影60～120秒，以去除未被紫外光(24)照射的光刻胶(22)及其掩盖的Al膜(21)；最后，再在365nm波长的紫外光(24)下充分曝光6～10秒，用乙醇溶液去除电极上面的光刻胶(22)，并将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，在电极的两端制作电极引脚，从而完成集成电极(12)的制备；
③制备电极引线(13)：在集成电极(12)的引脚处，通过导电胶将直径为0.5～0.7mm的铜导线焊接上作为电极引线(13)，从而完成电印刷模板的制备；
(2)电印刷技术制备以SiO2为衬底的聚合物PMMA光波导器件
①在硅衬底上生长一层较厚的SiO2下限制层：
采用干氧氧化和湿氧氧化交替进行的方法来生长SiO2层，氧化温度保持在1100～1300℃；先干氧氧化20～40分钟，再湿氧氧化和干氧氧化交替进行5或7次，其中湿氧氧化50～70分钟、干氧氧化20～40分钟，最后进行20～40分钟的干氧氧化，得到厚度为2～6μm的SiO2下限制层；
②在SiO2下限制层上制作聚合物PMMA芯层
首先，对已经生长好SiO2下限制层的硅衬底进行清洁处理，方法是将其浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～10分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干；
其次，在SiO2下限制层上滴加聚合物PMMA材料，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜，薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备的预转转数和旋转时间以及高速旋转转数和旋转时间来控制；
最后，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中30～60℃条件下固化2～3小时，得到厚度为2～5μm的PMMA波导芯层；
③采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
将步骤(1)中制备好的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA波导芯层上，同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产生的热量，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较高的PMMA聚合物光波导结构，对应的被加热PMMA材料的折射率的调节范围为1.4823～1.4722；
④将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、SiO2下限制层为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件；
⑤制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件。
2.一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其步骤如下：
(1)在PMMA基片上制作聚合物PMMA芯层
首先，对PMMA基片进行清洁处理，方法是将PMMA基片用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，然后用氮气吹干；
其次，在PMMA基片上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂工艺制备聚合物PMMA薄膜，薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备的预转转数和旋转时间以及高速旋转转数和旋转时间来控制；
最后，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30～60℃下固化2～3小时，得到厚度为2～5μm的PMMA波导芯层；
(2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
将权利要求1步骤(1)制备的电印刷模板倒扣在固化好的聚合物PMMA波导芯层上，同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产生的热量，进而形成了两侧PMMA材料折射率较低、中间折射率相对较高的PMMA聚合物光波导结构，对应的折射率的调节范围为1.4823～1.4722；
(3)将电印刷模板从聚合物波导芯层上揭开，进而形成以空气作为上包层、PMMA基片为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件；
(4)制备完成后，将光波导的端面通过划片机进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件。
3.一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其步骤如下：
(1)在PMMA电印刷模板上制作聚合物PMMA芯层
首先，在权利要求1步骤(1)制备的PMMA电印刷模板上滴加聚合物PMMA溶液，采用旋涂的方法制备聚合物PMMA薄膜；薄膜的厚度和成膜质量通过调节旋涂设备的预转转数和旋转时间以及高速旋转转数和旋转时间来控制；
其次，将旋涂好聚合物PMMA薄膜的衬底放入真空烘箱中，在30～60℃下固化2～3小时，得到厚度为2～5μm的聚合物PMMA波导芯层；
(2)采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导
同一电极引出的电极引线分别接入同一直流电源的正负极，通过调节施加电压的大小来控制电极产生的热量，从而制备出以空气作为上包层、PMMA电印刷模板为下包层、两侧低折射率的PMMA为两侧包层的聚合物光波导器件；
(3)制备完成后，把电极引线(13)拆除，并将光波导端面通过划片机沿切割线(43)进行解理，进而制备出完整的聚合物PMMA光波导器件，切割线(43)的位置为沿着两个电极引脚的中心连接线。
4.如权利要求1、2或3所述的一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其特征在于：集成电极(12)的宽度和厚度分别为5～20μm和200～400nm，引脚的尺寸为2000μm×2000μm。
5.如权利要求1、2或3所述的一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其特征在于：聚合物PMMA光波导为直波导、S弯曲波导、Y分支波导、1×4Y分支分束器或1×4多模干涉分束器结构。
6.如权利要求1、2或3所述的一种采用电印刷技术制备聚合物PMMA光波导器件的方法，其特征在于：旋涂设备的预转转数和旋转时间分别为200～2000转/分钟和10～20秒，高速旋转转数和旋转时间分别为1300～8000转/分钟和30～90秒。
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