[发明专利]一种带有斜面耦合端口的聚合物光波导的制备方法

说明书

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.Terahertz plasmonic 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-Insensitive Interleaver 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 using polymers.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；