CN104503024A - 一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，属于光波导三维集成技术领域，具体涉及一种灰度光刻结合二次波导光刻制备带有斜面耦合端口的聚合物光波导的方法，该端口可以用于光波导三维集成。本发明制作的带有斜面耦合端口的聚合物光波导，采用激光切割、梯度蒸发和纳米压印制备，解决了灰度光刻版制备工艺复杂的问题，降低了器件成本，可精确控制波导斜面长度和角度，湿法显影斜面具备良好的粗糙度，其斜面粗糙度小于5nm。本发明的方法适合于大批量生产可实际应用的有机聚合物和其他材料的三维空间集成器件；同时，当采用特殊厚度光刻胶时，本发明的结构可应用于45度光波导反射镜斜面的制备。

Description

一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法
技术领域
本发明属于光波导三维集成技术领域，具体涉及一种灰度光刻结合二次波导光刻制备带有斜面耦合端口的聚合物光波导的方法，该端口可以用于光波导三维集成。
背景技术
光波导集成芯片及其相关技术是光纤通信和物联网发展的核心，也是光电子集成芯片(OEIC)的基础。现阶段，光波导集成芯片采用二维集成技术和单一材料体系；其集成度、光学、电学连接点受芯片尺寸限制，芯片性能受芯片制备材料制约。三维空间集成技术可以克服上述局限，突破芯片尺寸和材料的制约，在片上光互联、光印刷电路板和光电子集成芯片领域具有良好的应用前景。
三维空间集成技术按照结构主要分为：曲面衬底、空间耦合和复合波导三种。曲面衬底通过衬底的三维结构实现集成(Pandey,Shashank,et al."Terahertzplasmonic waveguides created via 3D printing."Optics Express,21(2013):24422-24430.)，该方法需要3D打印等特殊的衬底加工工艺，集成度和应用受限。空间耦合通过不同层波导间的耦合实现集成，该方法主要适用于折射率接近的两种材料，对于折射率差较大的材料，只能实现单向的耦合(低折射率波导到高折射率波导)，存在局限(Chen,Kai Xin,et al."Realization of Polymer-Based Polarization-InsensitiveInterleaver Using Multilayer Waveguide Structure."Photonics Technology Letters,IEEE,23.16(2011):1154-1156.)。复合波导通过两端带有斜面的梯形波导和其它波导(折射率低于斜面波导)构成复合结构实现集成，其耦合方式灵活，实现光在上下层波导的双向的耦合(Garner,Sean M.et al."Three-dimensional integrated optics usingpolymers."Quantum Electronics,IEEE,35(1999):1146-1155.)。
由于聚合物成本、兼容性、柔性、重量等多方面优势，复合波导斜面结构多采用聚合物材料。目前，聚合物梯度斜面的制备方法主要有梯度刻蚀、遮挡光刻和灰度光刻(Garner,Sean M.et al."Three-dimensional integrated optics using polymers."Quantum Electronics,IEEE,35(1999):1146-1155.)。梯度刻蚀要求材料具备良好的刻蚀特性，需要特殊的遮挡掩模结构，且干法刻蚀粗糙度高于湿法刻蚀。遮挡光刻工艺简单，但是其制备图形斜面长度和结构存在局限，同样无法一次制备带有斜面的波导。灰度光刻可以直接制备复杂的波导，但其光刻版需要多次光刻、刻蚀、对版制备，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服背景技术成本高、加工工艺复杂、渐变区长度变化范围小的不足，寻找一种高精度、经济、快捷、可控的工艺制备带有梯度耦合端口的聚合物光波导。
本发明的目的是提供一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其加工斜面长度10～400μm，结合1～50μm的光刻胶厚度，可调控斜面角度，其步骤如下：
(1)用激光器1在厚度为0.5～3mm的表面抛光的聚甲基丙烯酸甲酯薄片2上切割出贯穿的矩形蒸发窗口，切割功率为5～40W，走刀速度为5～40mm/s；沿激光方向，蒸发窗口的侧面形成斜坡结构，斜坡在薄片表面的投影长度L为10～400μm，制备得到带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗(如图1(a)所示)；
(2)将光刻掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，真空条件下，在蒸发窗口内的光刻掩模版4上蒸镀铝膜5，铝膜5的厚度为30～90nm；由于矩形蒸发窗口的掩膜作用，铝膜5亦为矩形结构，铝膜5在蒸发窗口斜坡结构对应的蒸发区域内形成同为斜坡结构但高度较小的灰度区域，灰度区域的长度L与蒸发窗口斜坡结构在薄片表面的投影长度相同，光刻掩模版4和铝膜5共同构成灰度光刻掩模版8(如图1(b)所示)；
(3)在衬底6上旋涂光刻胶7成膜，旋涂的转速为1000～5000转/分，旋涂的时间为20～40秒；再将该衬底于90～100℃下加热10～20分钟，然后自然降至室温；
(4)将上述衬底放置于光刻机上，并在光刻胶7上压盖步骤(2)制备的灰度光刻掩模版8，使带有灰度区域的铝膜5与光刻胶7接触；然后曝光6～15秒，曝光强度20～30mW/cm2，铝膜之外区域的光刻胶全部曝光，灰度区域覆盖的光刻胶部分曝光，铝膜覆盖下除灰度区域外的光刻胶不曝光，从而形成与灰度区域斜坡升降关系相反的光刻胶斜面图案(如图1(c)所示)；
(5)移去灰度光刻掩模版8，然后再在光刻胶7上压盖波导光刻板9，波导光刻板上波导图案的方向(即光传播的方向)与光刻胶斜面的端口方向相平行(或与光刻胶斜面图案的上下边相垂直)，波导图案的厚度为30～100nm，波导图案的宽度为2～200μm，波导图案所覆盖的区域不透光，曝光时间6～15秒，曝光强度15～30mW/cm2；
(6)将二次曝光后的衬底6显影，显影液为质量浓度3～8‰的氢氧化钠溶液，由于采用的是正性光刻胶，曝光的光刻胶(未被波导图案覆盖)被显影去除，显影后在衬底6上得到带有1个或2个斜坡耦合端口的聚合物光波导结构10，最后坚膜，温度为90～120℃，时间为30～60分钟。
其中，步骤(1)中的激光器1为二氧化碳激光器，由电脑控制激光器在聚甲基丙烯酸甲酯薄片2水平面方向的定位移动；
步骤(2)中的光刻掩模板4是由紫外透过良好的石英片或聚甲基丙烯酸甲酯片，厚度为1～3mm；
步骤(3)中的衬底6可以是PMMA材料、玻璃或二氧化硅，所述的光刻胶7选自正性光刻胶(曝光部分显影后被去除)中的一种，涂膜后的厚度为1～50μm；
步骤(4)灰度光刻掩模版8掩模中心处厚度应大于30nm，保证其中心处遮挡的光刻胶不被曝光，同时其厚度应小于90nm，否则将在灰度区域和透光区域边缘出现明显非渐变界面，增大耦合损耗。
步骤(5)中的波导光刻板9为正版，光刻版波导图案部分为不透光区域，第二次光刻过程中可选择波导耦合端面的个数：波导光刻版与灰度光刻版边缘相交区域显影后即形成斜面端口，若光刻时波导图形与灰度窗口两侧相交，即形成两个斜面端口；若只是一侧相交，波导另外一侧在灰度窗口内，且距离边缘大于L，则形成一个耦合端口和一个垂直端口，其端口为垂直于底面的矩形结构，其高度等于光刻胶厚度，宽度与波导相同。
步骤(6)中显影后的突起结构如图3所示，坚膜的目的是去除光刻胶中剩余的溶剂。
本发明制作的带有斜面耦合端口的聚合物光波导，采用激光切割、梯度蒸发和纳米压印制备，解决了灰度光刻版制备工艺复杂的问题，降低了器件成本，可精确控制波导斜面长度和角度，湿法显影斜面具备良好的粗糙度，其斜面粗糙度小于5nm。与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
(1)本发明中灰度光刻掩模版的制备不需要传统工艺的多次曝光、光刻、刻蚀、对版；而是采用二氧化碳激光器直写、遮挡蒸发铝掩模两个步骤即可制备聚合物PMMA灰度光刻版，工艺简单快捷。
(2)所涉及到光波导斜面端口的制备方法，其斜面参数范围较大(灰度区长度L范围10～400μm，如图1所示)，且精确可控(通过调整激光功率、走刀速度、蒸发膜厚等参数)，耦合斜面位置可控(计算机控制激光器直写位置)。
(3)所需仪器和光刻版的成本低廉。
该结构满足不同集成材料和结构的要求：
(1)若采用正性光刻胶直接作为光波导芯层材料，本发明可直接制备波导。
(2)若采用其他材料(如掺杂材料)作为波导芯层材料，可以采用本发明得到的图形作为压印技术的模板(如图4所示)，采用压印技术复制得到具有功能的光波导器件(衣云骥.紫外纳米压印技术制备有机聚合物光波导放大器的方法:中国,201210003891，[P].2014.01.15.)。
(3)若采用液体作为波导芯层，可采用本发明得到的图形作为模板，PDMS转印后封装制备(Hanada,Y.et al.,“Highly sensitive optofluidic chips forbiochemical liquid assay fabricated by 3D femtosecond laser micromachiningfollowed by polymer coating”,Lab on a Chip,12(2012):3688–3693)。
本发明的方法适合于大批量生产可实际应用的有机聚合物和其他材料的三维空间集成器件；同时，当采用特殊厚度光刻胶时，本专利的结构可应用于45度光波导反射镜斜面的制备。
附图说明
图1(a)为二氧化碳激光器制作的蒸发掩模板截面示意图；
图1(b)为真空掩模蒸镀铝膜的截面示意图；
图1(c)灰度光刻中灰度掩模与斜坡结构示意图；
图2：为带有斜面的聚合物光波导器件的工艺流程图；
由图所示：二氧化碳激光器1、聚甲基丙烯酸甲酯薄片2、蒸发掩模版3、光刻掩模板4、铝膜5、衬底6、光刻胶7、灰度光刻版8、波导光刻版9、光波导10。
图3：为带有斜面耦合端口的光波导显微镜照片；
图4：为压印PDMS模具AFM图；
图5：为实施例1斜面结构测试图；
图6：为实施例2斜面结构测试图；
图7：为实施例3斜面结构测试图；
图8：为实施例4斜面结构测试图；
图9：为实施例5斜面结构测试图；
图10：为实施例6斜面结构测试图；
图11：为实施例7斜面结构测试图；
图12：为实施例8斜面结构测试图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明要求保护的范围并不仅限于此。
实施例1
切割功率18W、走刀速度10mm/s、铝膜厚度37nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光器输出功率为18W，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版。斜坡在薄片表面的投影长度L为90μm。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片作为光刻掩模版4，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度光刻版的制备：将光刻掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，采用DM-300B蒸发台，在1.3*10-3Pa真空条件下，在蒸发窗口区域内的光刻掩模版4上蒸发铝膜5，观测蒸发台膜厚仪厚度，蒸镀厚度为37nm，即铝膜5中心处厚度为37nm，其边缘处为灰度渐变区域。
聚合物模板制备：在30mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，90℃加热20分钟，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8进行光刻，曝光时间8s，功率20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9进行再次光刻(波导图案的宽度20μm、30μm、40μm，长度20mm，各波导间距500μm)，曝光时间8s，功率20mW/cm2。曝光后，再采用质量浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃下后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，经测量，其倾斜角度约为2.5度，灰度区长度90μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图5。
实施例2
切割功率21W、走刀速度10mm/s、铝膜厚度37nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为21W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为160μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度37nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在30mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在1500转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，升温加热(90℃加热20分钟)，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度30μm、40μm、50μm，长度20mm，各波导间距500μm)，曝光时间8s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，其斜面角度约1.5度，灰度区长度160μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图6。
实施例3
切割功率18W、走刀速度10mm/s、铝膜厚度37nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8.5s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为18W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为80μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度37nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在40mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，升温加热(90℃加热20分钟)，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8.5s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度10μm、20μm、30μm，长度20mm，各波导间距500μm)，曝光时间8.5s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，斜面角度3.1度，灰度区长度80μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图7。
实施例4
切割功率18W、走刀速度10mm/s、铝膜厚度37nm、光刻胶旋涂转数1500转、灰度曝光时间8s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为18W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为100μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度37nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在40mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在1500转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为6μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，90℃加热20分钟，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度30μm、50μm、100μm，长度20mm，各波导间距1000μm)，曝光时间8s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，斜面角度3.5度，灰度区长度100μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图8。
实施例5
切割功率18W、走刀速度10mm/s、铝膜厚度62nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为18W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为52μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度62nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在30mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，升温加热(90℃加热20分钟)，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度5μm、10μm、15μm，长度20mm，各波导间距500μm)，曝光时间8s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，其斜面角度约4.76度，灰度区长度52μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图9。
实施例6
切割功率21W、走刀速度15mm/s、铝膜厚度62nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度15mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为21W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为49μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度62nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在30mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，升温加热(90℃加热20分钟)，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度5μm、10μm、15μm，长度20mm，各波导间距500μm)曝光时间8s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，经测量，其倾斜角度约为5度，灰度区长度49μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图10。
实施例7
切割功率25W、走刀速度15mm/s、铝膜厚度89nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8.5s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为25W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为49μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度89nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在30mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，升温加热(90℃加热20分钟)，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8.5s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度10μm、20μm、30μm，长度20mm，各波导间距500μm)，曝光时间8.5s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，斜面角度4.3度，灰度区长度49μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图11。
实施例8
切割功率27W、走刀速度20mm/s、铝膜厚度89nm、光刻胶旋涂转数3000转、灰度曝光时间8.5s时，带有斜面耦合端口波导实施例
遮挡蒸发掩模版制备：选取100.0mm*100.0mm*1.5mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物薄片2，由二氧化碳激光器1(山东科泰激光有限公司生产，最大功率60W)，走刀速度10mm/s，二氧化碳激光输出功率分别为25W切割蒸发窗口，蒸发窗口的尺寸为15mm*10mm(电脑corel draw软件对应切割图形尺寸)，形成带有蒸发窗口的蒸发掩模版3，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭掩模版，斜坡在薄片表面的投影长度L为43μm。。
选取尺寸为100mm*100mm*1mm的表面抛光的聚合物甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为光刻掩模版4材料，用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗。
灰度聚合物光刻版制备：蒸发铝掩模5采用DM-300B蒸发台，将光刻用掩模版4放置于蒸发掩模版3上方，蒸发掩模版上宽下窄，在1.3*10-3Pa真空条件下，蒸发厚度89nm的铝膜5。
聚合物模板制备：在30mm*20mm*1mm的PMMA衬底6上旋涂北京化学试剂研究所生产的BP218光刻胶材料7，旋涂BP218光刻胶材料7是指将光刻胶材料滴在衬底6上，将衬底6置于旋转涂覆机上，在3000转/分的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30秒，得到的光刻胶7的厚度为4.3μm。将旋涂后的样品放置于烘箱中，升温加热(90℃加热20分钟)，然后关闭烘箱自然降温。降温后，将带有光刻胶7的衬底6放置于ABM光刻机上，压盖灰度光刻版8光刻，曝光时间8.5s，20mW/cm2，而后压盖波导光刻版9光刻(波导图案的宽度10μm、20μm、30μm，长度20mm，各波导间距500μm)，曝光时间8.5s，30mW/cm2曝光后，采用浓度为5‰的氢氧化钠溶液显影，去掉曝光部分，然后在100℃后烘坚膜30分钟，坚膜后得到带有斜坡耦合端口的波导10，斜面角度5.7度，灰度区长度43μm，其斜面AFM测试过程探针起伏角度如图12。

Claims (9)

1.一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其步骤如下：
1)用激光器(1)在聚甲基丙烯酸甲酯薄片(2)上切割出贯穿的矩形蒸发窗口，沿激光方向，蒸发窗口的侧面形成斜坡结构，从而制备得到带有蒸发窗口的蒸发掩模版(3)，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次擦拭或超声清洗；
2)将光刻掩模版(4)放置于蒸发掩模版(3)的上方，真空条件下，在蒸发窗口内的光刻掩模版(4)上蒸镀铝膜(5)，由于矩形蒸发窗口的掩膜作用，铝膜(5)亦为矩形结构，铝膜(5)在蒸发窗口斜坡结构对应的蒸发区域内形成同为斜坡结构但高度较小的灰度区域，灰度区域的长度与蒸发窗口斜坡结构在薄片表面的投影长度相同，光刻掩模版(4)和铝膜(5)共同构成灰度光刻掩模版(8)；
3)在衬底(6)上旋涂正性光刻胶(7)成膜，再将该衬底于90～100℃下加热10～20分钟，然后自然降至室温；
4)将上述衬底放置于光刻机上，并在正性光刻胶(7)上压盖步骤2)制备的灰度光刻掩模版(8)，使带有灰度区域的铝膜(5)与光刻胶(7)接触；然后曝光6～15秒，曝光强度20～30mW/cm2，从而形成与灰度区域斜坡升降关系相反的光刻胶斜面图案；
5)移去灰度光刻掩模版(8)，然后再在光刻胶(7)上压盖波导光刻板(9)，使波导光刻板上波导图案的方向与光刻胶斜面的端口方向相平行，波导图案所覆盖的区域不透光，曝光时间6～15秒，曝光强度15～30mW/cm2；
6)将二次曝光后的衬底(6)显影，曝光的光刻胶被显影去除，显影后在衬底(6)上得到带有1个或2个斜坡耦合端口的聚合物光波导(10)，最后坚膜，温度为90～120℃，时间为30～60分钟。
2.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的激光器(1)为二氧化碳激光器，由电脑控制激光器在聚甲基丙烯酸甲酯薄片(2)水平面方向的定位移动；切割功率为5～40W，走刀速度为5～40mm/s。
3.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的聚甲基丙烯酸甲酯薄片(2)的表面抛光，厚度为0.5～3mm。
4.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的斜坡在薄片表面的投影长度L为10-400μm。
5.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铝膜(5)的厚度为30～90nm。
6.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的光刻掩模板(4)是紫外透过良好的石英片或聚甲基丙烯酸甲酯片，厚度为1～3mm。
7.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的衬底(6)是PMMA、玻璃或二氧化硅。
8.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的正性光刻胶(7)涂膜后的厚度为1～50微米。
9.如权利要求1所述的一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述的波导图案的厚度为30～100nm，波导图案的宽度为2～200微米。
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