CN111812067B - 一种用于电光调控的三维集成的微纳器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的三维集成的微纳光电器件；本发明的三维集成的微纳器件可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。

Description

一种用于电光调控的三维集成的微纳器件及其制备方法
技术领域
本发明属于三维光电集成技术领域，具体涉及一种用于电光调控的三维集成的微纳器件及其制备方法和用途。
背景技术
光电集成是指把光器件和电器件集成为具有某种光电功能的模块或组件，是继微电子集成技术之后，近十几年来迅速发展的高技术。光电集成芯片上光子学与电子学组分的交互作用可以在同一芯片上实现超高信息密度和超快信息处理速度，是信息行业发展的必然趋势。信息爆炸带来的海量数据对于通信容量和信息的集成度提出了更高的要求，而三维集成作为一种超高密度的集成方式，在实现高通量通信方面拥有非常巨大的潜力。因此，在芯片上构筑具有三维结构几何特征的电光信号转化器件变得非常关键。目前已报导的实现电光调控器件的常用手段是基于非中心对称晶体或者特定聚合物的电光效应来实现电光调制器件，但受材料本身光学性质以及加工性能的限制，很难实现在三维集成回路中对特定微纳器件(包括微纳光源和光波导)的局域化电调控。因此，构筑一种可用于电光调控的三维集成式的微纳器件是非常必要的。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：
一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件。
本发明还提供上述用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；
2)按照预先设计好的图案，采用掩膜板法，在薄膜样品上制备得到金属加热回路软模板；
3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后清洗掉聚合物，在基底上留下微型金属回路，制备得到形成有金属加热微环的基底；
4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤3)所得的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂，得到涂覆有所述低聚物的基底；
5)采用3D打印技术，根据设计的模型在步骤4)的基底上进行3D打印，得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到三维集成的微纳器件。
本发明提供了上述有机微纳激光/金属加热微环集成的模块的应用，其可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。
本发明中所述“有机微纳激光”是指具有三维立体结构的有机微纳激光器件。
本发明的有益效果：
1.本发明提供了一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的三维集成的微纳光电器件；所述有机微纳激光的材质为低聚物，所述低聚物可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应，使其可以利用3D打印技术加工成为具有三维立体结构的高质量的微纳激光谐振腔；所述有机微纳激光的材质还包括功能染料，例如有机小分子激光染料，其使具备出射相干光的光学增益能力；此外，所述聚合物具有良好的热光效应，其制备得到的微纳激光的谐振波长可随外界温度变化发生明显移动，并与金属加热微环相集成，有助于为有机微纳激光提供局域化的外界刺激，以实现可在原位电调控的波长可调的微纳器件的制备。所述器件利用3D打印技术可控制备得到任意形状的微纳结构，不仅可以构筑复杂的耦合结构实现对光学信号的调制，比如构筑耦合腔实现激光信号选模，还可以在第三维度上对微纳光学器件的功能及信息传输维度进行拓展，实现了光学器件和电学器件在第三维度上的分离，有潜力实现高信息集成密度、低功耗的三维集成光学回路，同时有机高分子聚合物材料对外界刺激具有灵敏的响应性，利用该类材料优异的热光效应，在微纳尺度上对单个相干光源器件的波长实现了选择性电调控。将该类主体材料掺杂染料分子制备得到的微纳激光与金属加热微环相集成，有望实现电调控的微纳器件的制备，为构筑三维集成回路中的电光调控模块提供有益借鉴。
2.本发明提供了一种用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述制备方法加工精度高，制备过程高度可控，加工位点可寻址，通过利用3D打印技术根据预先设计好的数据模型在薄膜样品内部特定地点诱导双光子聚合反应的发生，可以一步法得到具有三维立体结构的微腔。所设计的微纳激光与基底之间由一支撑结构分隔开，消除了基底带来的光场泄露，可以有效提高微腔的品质因子也就是Q值，有利于实现低阈值微纳激光器。同时，微纳激光与基底相互分离，可有效避免基底粘连对调控效果的负面影响，在同等功耗条件下可实现更为有效的调控。
3.本发明的三维集成的微纳器件可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。
附图说明
图1为制备例1的金属加热微环的制备过程流程图。
图2为制备例1的金属加热微环的性能测试图。
图3为实施例1的有机微纳激光的制备过程流程图。
图4为实施例1的有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的制备过程流程图。
图5为实施例1-2使用的SU-8光刻胶在可见及近红外区间的荧光吸收光谱。
图6为实施例1-2使用的激光染料分子罗丹明B的荧光吸收与发射光谱。
图7为实施例1制备的添加有RhB的有机微纳激光的扫描电镜与荧光显微图。
图8为实施例1制备的不同尺寸的有机微纳激光的激光性能测试结果图。
图9为实施例1制备的不同尺寸的有机微纳激光的响应性能测试图。
图10为用于电光调控的三维集成微纳器件的设计理念展示图。
图11为实施例2的双盘耦合结构的制备过程流程图。
图12为实施例2制备的添加有RhB的双盘耦合结构的性能测试图。
图13为实施例1的双盘耦合有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的性能测试图。
具体实施方式
发明人发现，有机材料具有优异的掺杂灵活性，可以与激光染料等功能分子相掺杂，实现可见光谱范围内的主动发光的光学功能器件的制备，所述光学功能器件包括但不局限于微纳激光和光波导。有机材料还具有良好的机械柔性和可加工性，可制备成高质量的微纳光学结构，比如光学微腔和光波导；所述微纳光学结构可以对光子进行良好的限域、传输和调制；同时有机材料优良的材料兼容性允许它们可与不同材质不同功能的微结构相集成以实现功能更复杂的光子学功能器件。
如前所述，本发明提供一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件。
在本发明的一个优选实施方式中，所述有机微纳激光具有微纳结构且掺杂激光染料，其可以作为激光光源，所述金属加热微环可以作为电调控单元。
在本发明的一个优选实施方式中，所述有机微纳激光是带有支撑结构的有机微纳激光，靠近基底一端的支撑结构可以很好的将有机微纳激光与基底分隔开来，有效的减少了基底所带来的光场损耗，这将大大提高光学有机微纳激光的品质因子，有利于实现低阈值微纳激光器的制备。
在本发明的一个优选实施方式中，所述带有支撑结构的有机微纳激光的材质为可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物，示例性地，所述有机微纳激光的材质为SU-8光刻胶、聚丙烯酰胺、聚戊四醇三丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯等。
在本发明的一个优选实施方式中，所述带有支撑结构的有机微纳激光中包括增益介质，所述增益介质的含量为0.25-2wt％，例如为1wt％；所述增益介质选自激光染料，所述激光染料选自具备离域π-共轭体系，与低聚物分子有强的π-π相互作用的激光染料，例如可以是罗丹明类染料，香豆素类染料等；例如式(1)所示的罗丹明B(Rhodamine B)。
Figure BDA0002023312050000051
在本发明的一个优选实施方式中，所述有机微纳激光的形貌结构没有特定的限定，只要可以提供有效的光学反馈即可；示例性地，所述有机微纳激光可以是圆柱形结构、微盘结构、立方体结构、长方体结构、球体结构、多边形棱柱结构、半球结构或微环结构。
示例性地，所述有机微纳激光的直径为2-24μm(例如为2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、16μm、20μm、22μm、24μm)，厚度(或定义为高度)为0.1-5μm(例如为0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm)，优选地，所述有机微纳激光的直径为8μm，厚度为2μm。
在本发明的一个优选实施方式中，所述支撑结构的形状没有特别的限定，能够将有机微纳激光和基底分隔开即可，可以为圆柱形、立方体、球形或其他可以起到支撑和分隔作用的立体形状。若有机微纳激光与基底接触，一方面会导致光场泄露，激光阈值升高；另一方面，发光物体与金属接触，会有能量损耗，这两点都是不利于实现激光。所述支撑结构的高度为2-20μm(例如为2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm)，优选地，所述支撑结构的高度为10μm。
在本发明的一个优选实施方式中，所述有机微纳激光还可以是两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合微纳激光。
在本发明的一个优选实施方式中，所述有机微纳激光表面光滑，能够有效的对光子进行限域，传输损耗小，光与物质的相互作用较强。
在本发明的一个优选实施方式中，所述用于构筑有机微纳激光的介质材料具有良好的热光响应，在金属加热微环通电形成的局域温度场的辅助下，有助于实现电调控单元的微纳激光光电集成器件的制备。
在本发明的一个优选实施方式中，所述金属加热微环的材质为金、银、铜、或者铂中的至少一种。
在本发明的一个优选实施方式中，所述金属加热微环的厚度为80-120nm(例如为80nm、90nm、100nm、110nm、120nm)。
在本发明的一个优选实施方式中，所述金属加热微环的图形设计为连通的金属回路结构，例如为螺旋回路型结构，例如为蚊香回绕型结构，该结构的加热微环可有效诱导产生局域温度场。
如前所述，本发明还提供上述用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；
2)按照预先设计好的图案，采用掩膜板法，在薄膜样品上制备得到金属加热回路软模板；
3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后清洗掉聚合物，在基底上留下微型金属回路，制备得到形成有金属加热微环的基底；
4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤3)所得的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂，得到涂覆有所述低聚物的基底；
5)采用3D打印技术，根据设计的模型在步骤4)的基底上进行3D打印，得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到三维集成的微纳器件。
在本发明的一个优选实施方式中，所述低聚物是指聚合度≤10的聚合物；所述低聚物在3D打印过程中经激光照射后发生双光子吸收诱导的交联反应，显影后成型。
示例性地，所述方法包括如下步骤：
(1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；
(2)采用电子束刻蚀，按照预先设计好的图案在薄膜样品上进行电子束曝光，清洗掉导电介质后对薄膜样品显影，得到金属加热回路软模板；
(3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后用有机溶剂将未进行电子束曝光的区域的聚合物清洗掉，在基底上留下微型金属回路，即制备得到金属加热微环；
(4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤(3)的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂；
(5)采用飞秒激光直写技术，根据设计的模型在步骤(4)的基底上进行特定区域曝光，加热处理并显影后得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到所述微纳器件。
在本发明的一个优选实施方式中，采用3D打印技术、金属蒸镀和掩膜板法，有利于将光子学器件(有机微纳激光)和电子学器件(金属加热微环)集成到同一位点上，即制备得到所述微纳器件。所述3D打印技术、金属蒸镀和掩膜板法为本领域已知的技术，具体操作过程均为本领域已知的。
优选地，所述3D打印技术例如为飞秒激光直写、熔融沉积造型技术、粉末选择性激光烧结技术等，优选为飞秒激光直写技术；
优选地，所述掩膜板法例如为刻蚀技术，包括光刻技术、压印技术、电子束刻蚀，优选为电子束刻蚀；
优选地，所述金属蒸镀例如为热蒸镀、低温溅射、磁共溅射技术等，优选为低温溅射技术。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(1)中，所述聚合物优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，该聚合物易于成膜，可在刻蚀条件下(如电子束轰击下)发生共价键断裂，在同种溶剂中的溶解性发生变化，从而实现图案化。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(1)中，所述有机溶剂可以是二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯、氯仿、二氯甲烷、三氯甲烷等一种或多种。优选的，所述有机溶剂是二氯甲烷。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(1)中，所述聚合物在有机溶剂中的质量百分比为8％-16％，例如为12％。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(1)中，所述聚合物层的厚度为1-2微米。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(1)中，所述导电介质为高导电性的PEDOT(聚(3,4-乙烯二氧噻吩))和PSS(聚苯乙烯磺酸盐)的混合水溶液，所述混合水溶液中二者的质量比为1.5。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(1)中，所述导电介质层的厚度为10-1000nm，例如为50nm、100nm、200nm、300nm或500nm。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(2)中，所述电子束的电压为30.0kV，所述电子束的电子束斑为3.50。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(2)中，预先设计好的图案为连通的金属回路型结构，例如为螺旋回路型结构，例如为蚊香回绕型结构。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(3)中，所述金属是金、银、铜、铂，所述金属层的厚度为80-120nm。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(3)中，所述金属回路的厚度为80-120nm。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(3)中，所述清洗聚合物的有机溶剂是二氯甲烷、三氯甲烷、苯、甲苯、丙酮，优选为丙酮。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(4)中，所述的可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导交联反应的低聚物例如选自SU-8光刻胶、聚丙烯酰胺、聚戊四醇三丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯等；所述SU-8光刻剂具有如下式(2)所示结构：
Figure BDA0002023312050000091
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(4)中，所述增益介质可以为激光染料，所述激光染料选自罗丹明B(RhB)，在低聚物中的掺杂质量比为0.25-2wt％，例如为1wt％，所述增益介质的掺杂既能够提供足够的光学增益，同时还能避免染料的聚集淬灭行为。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(4)中，所述可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中加入的溶剂可以是γ-丁内酯和环戊酮。优选为环戊酮。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(4)中，所述加热温度为60-100℃，所述加热时间为1-3小时，例如在65℃加热1分钟，然后在95℃加热120分钟。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(4)中，所述膜的厚度为25-50μm，优选为25μm。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(4)中，所述旋涂的匀胶速率是2000-4000转/秒，匀胶时间是20-60秒，优选为3000转/秒，匀胶时间是40秒。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(5)中，所述飞秒激光的波长是790-810nm，例如是800nm。所述飞秒激光的功率是2-5mW，例如是2.3mW。所述飞秒激光直写加工速率为80-150nm/ms，例如为110nm/ms。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(5)中，所述加热后处理温度为为60-100℃，所述加热时间为1-3小时，例如在65℃加热1分钟，然后在95℃加热30分钟。
在本发明的一个优选实施方式中，在步骤(5)中，所述显影时间为15分钟。
本发明提供了上述有机微纳激光/金属加热微环集成的模块的应用，其可以应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。
下面几何具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
制备例1
配置质量浓度百分比为12％的PMMA聚合物二氯甲烷溶液，采用匀胶机在玻璃基底上匀胶得到PMMA聚合物薄膜，180℃烘烤两分钟去除残余稀释溶剂。在电绝缘的PMMA薄膜上旋涂一层高导电的PEDOT(聚(3,4-乙烯二氧噻吩))和PSS(聚苯乙烯磺酸盐)的混合水溶液充当导电层。随后按照设计好的螺旋形回路图案对聚合物薄膜进行电子束曝光，电压为30.0kV，电子束斑为3.50。曝光后显影，得到预设计图案的软模板。采用低温溅射装置在基底上蒸镀一层80-120nm厚度的金属Pt，随后将聚合物薄层用丙酮溶剂超声清洗掉，就得到带有金属加热微环图案的基底，即制备得到所述金属加热微型回路。
图1为制备例1的金属加热微环的制备过程流程图。
图2为制备例1的金属加热微环的性能测试图。从图2中可以看出，具体地，图2中的A为金属加热微环的轮廓仪形貌表征图；图2中的B为金属加热微环沿长轴方向的热场分布模拟图。从图2中可知，用上述方法制备得到的金属加热微环在通电条件下可通过电生热过程诱导形成局域温度场，微腔介质温度随之发生变化，由于热光效应的存在，微腔的谐振帮场也随之发生相应变化。
实施例1
在SU-8光刻胶中掺杂质量浓度1％的RhB的激光染料，加适量稀释剂环戊酮对染料进行增容；将所述混合体系分别在制备例1制备的带有金属加热微型回路的基底上和玻璃基底上旋涂成膜，转速3000转/秒，匀胶时间为40秒；成膜后热处理，65℃加热1分钟，90℃加热两小时以去除残留稀释剂环戊酮；将所述薄膜样品置于飞秒激光直写样品台，根据已设计的有机微纳激光模型对薄膜进行分层式可控曝光，所采用激光波长为800nm，激光功率为2.3mW，激光束扫描速度为110nm/ms；激光直写结束后将样品置于热台进行加热后处理，处理温度为65℃加热1分钟，95℃加热30分钟；随后将样品置于特定显影液中浸泡10分钟，去除多余未曝光处理的光刻胶，即在制备例1制备的带有金属加热微型回路的基底上旋涂成膜，则制备得到微纳器件；在玻璃基底上旋涂成膜，则制备得到有机微纳激光。
具体如图3和图4所示，图3为实施例1的有机微纳激光的制备过程流程图，
图4为实施例1的有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的制备过程流程图。从图3和图4中可以看出，该制备流程可进行有机微纳激光以及有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的批量制备。从图3中可以看出，通过飞秒激光技术制备得到了多个独立的带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光的形貌为微盘结构，每个有机微纳激光的尺寸相同或不同，所述有机微纳激光的直径为例如为2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、16μm、20μm、22μm、24μm，厚度例如为0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm。所述支撑结构的高度例如为2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm。
图5为实施例1-2使用的SU-8光刻胶在可见及近红外区间的荧光吸收光谱。由图5可知，所述光刻胶材料在可见光及近红外区间呈现良好的光学透明性，用于做光子学功能器件的主体材料不会造成因材料自吸收所带来的光损耗。
图6为实施例1-2使用的激光染料分子罗丹明B的荧光吸收与发射光谱。由图6可知，罗丹明B分子可以被波长为532nm的飞秒激光有效激发，发光中心波长为600nm，为红色。
图7为实施例1制备的添加有RhB的有机微纳激光的扫描电镜与荧光显微图。具体地，图7中的A和图7中的B为单一有机微纳激光的扫描电镜图，图7中的C和D分别为不同尺寸的有机微纳激光的明场照片(图7中的C)以及荧光显微照片(图7中的D)；图7中的C和D中每列所示的微纳激光的直径依次为8μm、16μm和24μm，其中扫描电镜照片A和B对应的是8μm微纳激光。从图7中可以看出，所述有机微纳激光中起到光学反馈的腔体与基底分离，且盘腔的直径厚度高度可控，与设计的尺寸基本相符。其中图7中的A和B标尺为2.5μm，C和D标尺为10μm。
图8为实施例1制备的添加有RhB的不同尺寸的有机微纳激光的激光性能测试结果图。图8中的A的检测对象是直径分别为16μm、20μm和24μm，厚度为2μm，支撑高度为10μm的有机微纳激光，其在泵浦光激发下的光致发光光谱及对应的暗场荧光显微照片(图8中的A)；图8中的B的检测对象是指直径分别为8μm，14μm，18μm，22μm，26μm和28μm，厚度为2μm，支撑高度为10μm的有机微纳激光，其激光波长的平方和模式间距的比值相对于微盘直径的变化关系(图8中的B)；图8中的C的检测对象是指直径分别为8μm、14μm、18μm、22μm、26μm和28μm，厚度为2μm，支撑高度为10μm的有机微纳激光，其品质因子(Q值)相对于微盘直径的变化关系(图8中的C)。从图8中可以看出，不同尺寸的微纳激光对激光信号有很好的腔调制作用，随着腔尺寸的增大，激光峰模式间距随之减小，二者之间相应的变化关系符合回音壁模式谐振腔的腔效应；且随着盘腔尺寸的增大，腔的品质因子也就是Q值呈线性增大趋势，反应了微纳激光尺寸越大，光在沿腔边缘进行传输的路径曲率越小，传输路径弯曲带来的损耗越低，可有效降低光在谐振过程中的光学损耗。其中图标尺为10μm。
图9为实施例1制备的添加有RhB的直径为8μm，厚度为2μm，支撑高度为10μm的有机微纳激光的响应性能测试图。其中，图9中的A和B是其激光波长相对于外界温度的变化关系(图9中的A和B)；其中，图9中的C是其激光峰模式间距相对于外界温度的变化关系(图9中的C)。从图9中可以看出，所述微盘腔的激光波长随温度升高明显逐渐蓝移，且模式峰间距略为变大，这主要归因于对于聚合物材料来讲，其热光响应一部分来源于介质折射率随温度升高而发生的本征变化，而更大一部分是来源于材料热胀冷缩所带来的介质密度变化，由于普通无机半导体材料的热膨胀系数小，因此有机聚合物材料的热光响应在众多材料体系中尤为突出，在做波长可调微纳激光方面可以在同功耗条件下实现更大的调控范围。
图10为用于电光调控的三维集成微纳器件的设计理念展示图。从图10中可以看出，该三维集成的器件包含两个部分：带支撑结构的对外加热有响应的有机微纳激光和附于基底上的金属加热微环。当在金属加热回路两端施加一定电压，回路中会产生相应电流，依托于电阻生热效应，微型螺旋回路的设计可以使得产生的热量主要作用在微纳激光腔体周围，腔体介质的热光效应使得介质折射率变化，从而导致激光波长发生变化。因此图10中所示三维集成微纳器件可以有效的实现电调控的微纳激光。
实施例2
其他步骤同实施例1，区别仅在于将所述薄膜样品置于飞秒激光直写样品台，根据已设计的有机微纳激光模型对薄膜进行分层式可控曝光，即曝光过程中所导入的数据模型为两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合结构模型。
实施例2制备得到两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合结构与金属加热微型回路集成的模块和带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合结构。具体如图11所示，图11为实施例2的两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合微腔的制备过程流程图，若是将图11中所示的玻璃基板替换为制备例1的带有金属加热微型回路的基底上，则其为带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合微腔与金属加热微型回路集成的微纳器件的制备过程流程图。
从图11中可以看出，通过飞秒激光技术制备得到了两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合微腔，每个有机微纳激光的尺寸相同，所述有机微纳激光的直径为例如为2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、16μm、20μm、22μm、24μm，厚度例如为0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm。所述支撑结构的高度例如为2μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm。
图12为实施例2制备的添加有RhB的双盘耦合结构的性能测试图。其中，图12中的A为双盘耦合微纳激光的扫描电镜照片和电场分布图片(图12中的A)，从中可以看出，制备得到的微盘的直径为8μm，支撑高度10μm，厚度2μm；图12中的B为所述双盘耦合微纳激光在泵浦光激发下的光致发光光谱随功率的变化情况及对应的激发下的暗场照片(图12中的B)；图12中的C为所述双盘耦合微纳激光的激光波长相对于外界温度的变化关系(图12中的C)；其中双盘耦合微纳激光中的两个微盘的尺寸相同，均为直径8μm，支撑高度10μm，厚度2μm的微盘。图12中的A标尺为5μm，B标尺为10μm。
从图12中可以看出，所述双盘耦合结构可以使单独盘腔的光场之间发生相互作用，可以在较大泵浦功率范围内实现单模激光，改变外界温度，单模激光的波长也随之发生变化。
图13为实施例2的有机微纳激光与金属加热微型回路集成的微纳器件的性能测试图。有机微纳激光的直径均为8μm，厚度为2μm，支撑高度为10μm。
图13中的A为所述有机耦合立体微纳激光与金属加热微环的集成模块在泵浦光激发下的电调控概念示意图(图13中的A)；图13中的B和C为所述模块出射的激光波长相对于所施加电压的变化关系(图13中的B和C)；图13中的D为所述模块的可逆调控展示(图13中的D)。从图13中可以看出，所述有机立体微纳激光/金属加热微环的集成模块可以有效实现微纳激光波长的电调控，且该调控过程多次可逆。随外界施加电压逐渐升高，金属回路中的电流也逐渐增大，热效应也随之增强，最终诱导形成温度逐渐升高的局域温度场，受该热场影响，微腔的有效折射率发生变化，其中光学写着波长也随之变化，最终基底上的电学信号变化转化为垂直基底方向的激光信号的变化，成功实现了信号的电光转化及三维信息流动。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (35)

1.一种用于电光调控的三维集成的微纳器件，其中，所述微纳器件包括具有热光响应特质的带支撑结构的有机微纳激光，和位于所述有机微纳激光下方的与之相集成的金属加热微环；所述有机微纳激光与所述金属加热微环形成以有机微纳激光为主体，金属加热微环为电调控单元的微纳器件；
所述有机微纳激光是指具有三维立体结构的有机微纳激光器件。
2.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光具有微纳结构且掺杂激光染料，其作为激光光源，所述金属加热微环作为电调控单元。
3.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光是带有支撑结构的有机微纳激光。
4.根据权利要求3所述的微纳器件，其中，所述带有支撑结构的有机微纳激光的材质为SU-8光刻胶、聚丙烯酰胺、聚戊四醇三丙烯酸酯或聚乙二醇二丙烯酸酯。
5.根据权利要求3所述的微纳器件，其中，所述带有支撑结构的有机微纳激光中包括增益介质，所述增益介质的含量为0.25-2wt％；所述增益介质选自激光染料，所述激光染料选自罗丹明类染料和/或香豆素类染料。
6.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光是圆柱形结构、微盘结构、立方体结构、长方体结构、球体结构、多边形棱柱结构、半球结构或微环结构。
7.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光的直径为2-24μm，厚度为0.1-5μm。
8.根据权利要求7所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光的直径为8μm，厚度为2μm。
9.根据权利要求3所述的微纳器件，其中，所述支撑结构的形状为圆柱形、立方体或球形。
10.根据权利要求3所述的微纳器件，其中，所述支撑结构的高度为2-20μm。
11.根据权利要求10所述的微纳器件，其中，所述支撑结构的高度为10μm。
12.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述有机微纳激光是两个相同尺寸的带有支撑结构的有机微纳激光相互耦合得到的双盘耦合微纳激光。
13.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述金属加热微环的材质为金、银、铜或者铂中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述金属加热微环的厚度为80-120nm。
15.根据权利要求1所述的微纳器件，其中，所述金属加热微环的图形设计为连通的金属回路结构，所述连通的金属回路结构为螺旋回路型结构或为蚊香回绕型结构。
16.权利要求1-15任一项所述的用于电光调控的三维集成的微纳器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；
2)按照预先设计好的图案，采用掩膜板法，在薄膜样品上制备得到金属加热回路软模板；
3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后清洗掉聚合物，在基底上留下微型金属回路，制备得到形成有金属加热微环的基底；
4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤3)所得的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂，得到涂覆有所述低聚物的基底；
5)采用3D打印技术，根据设计的模型在步骤4)的基底上进行3D打印，得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到三维集成的微纳器件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
(1)将聚合物溶解于有机溶剂中，在基底上旋涂成膜，得到聚合物层，在聚合物层上加涂导电介质，得到薄膜样品；
(2)采用电子束刻蚀，按照预先设计好的图案在薄膜样品上进行电子束曝光，清洗掉导电介质后对薄膜样品显影，得到金属加热回路软模板；
(3)在带有金属加热回路软模板的基底上蒸镀一层金属，然后用有机溶剂将未进行电子束曝光的区域的聚合物清洗掉，在基底上留下微型金属回路，即制备得到金属加热微环；
(4)将增益介质溶解于可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中，在步骤(3)的基底上旋涂成膜，烘干，除去溶剂；
(5)采用飞秒激光直写技术，根据设计的模型在步骤(4)的基底上进行特定区域曝光，加热处理并显影后得到带有支撑结构的有机微纳激光，所述有机微纳激光与位于有机微纳激光下方的金属加热微环集成得到所述微纳器件。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述3D打印技术为飞秒激光直写、熔融沉积造型技术或粉末选择性激光烧结技术；
所述掩膜板法为刻蚀技术，包括光刻技术、压印技术或电子束刻蚀。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述有机溶剂是二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯、氯仿、二氯甲烷和三氯甲烷中的一种或多种。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述聚合物在有机溶剂中的质量百分比为8％-16％。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述聚合物层的厚度为1-2微米。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述导电介质为PEDOT。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述导电介质形成的导电介质层的厚度为10-1000nm。
25.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(2)中，预先设计好的图案为连通的金属回路型结构，所述连通的金属回路型结构为螺旋回路型结构或为蚊香回绕型结构。
26.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述金属是金、银、铜或铂，蒸镀后形成的金属层的厚度为80-120nm。
27.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述微型金属回路的厚度为80-120nm。
28.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(3)中，清洗聚合物的有机溶剂是二氯甲烷、三氯甲烷、苯、甲苯和丙酮中的至少一种。
29.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(4)中，所述的可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物选自SU-8光刻胶、聚丙烯酰胺、聚戊四醇三丙烯酸酯或聚乙二醇二丙烯酸酯。
30.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(4)中，所述增益介质为激光染料，所述激光染料选自罗丹明B，其在低聚物中的掺杂质量比为0.25-2wt％。
31.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(4)中，所述可在3D打印条件下发生双光子吸收诱导的交联反应的低聚物中加入的溶剂是γ-丁内酯和环戊酮。
32.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(5)中，所述加热温度为60-100℃，所述加热时间为1-3小时。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，在步骤(5)中，在65℃加热1分钟，然后在95℃加热120分钟。
34.根据权利要求17所述的方法，其中，在步骤(4)中，所述膜的厚度为25-50μm。
35.权利要求1-34任一项所述的用于电光调控的三维集成的微纳器件的应用，其应用于实现微纳尺度高通量信息光源，或应用于实现三维集成回路中电调控波长的微纳相干信息光源，或应用于芯片三维光电混合集成。
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