一種在光子晶體中引入缺陷的方法
2023-12-11 14:58:37
專利名稱：一種在光子晶體中引入缺陷的方法
技術領域：
本發明涉及光子晶體及階梯型相位調製技術，尤其涉及一種在光子晶體中引入缺陷的方法。
背景技術：
隨著電子器件受響應速率等影響越來越成為當今信息技術的制約，光子操控的課題也進入一個必然的趨勢，因其具有速率快、容量大等無法比擬的優勢，其替代電器件將成為必然。自1987年光子晶體(Photonic Crystals,PCs)的提出，這種類似於電學領域半導體的新型材料為光操控提供了很完善的操作平臺，其獨特的光子帶隙結構為光分器，幹涉儀，光波導等重要的器件理想的載體。通過幾十年的發展，光子晶體的製備技術已經相對成熟，有些還已經成功實現產業化，比較典型的有全息技術、自組裝技術，直寫等，其中全息技術因具有操作簡易，成本低廉，在大面積領域中具有明顯的優勢，已成功地應用在深紫外等曝光技術中。而在光子晶體結構中引入所需的缺陷結構則是繼大面積高質量光子晶體平臺之後又一重要的技術平臺。而缺陷的引入則是一個難題，目前所用的技術主要是微球組裝操控和雷射直寫技術。其中，微球技術主要應用於三維缺陷的引入，而直寫技術則受技術精度的制約，製備效率相對較低，而且考慮到機械操作，缺陷的質量不是很理想。所以，如何高效地引入高質量缺陷成為重要的研究課題。結合現在工藝上很成熟的曝光法製備大面積周期性光子帶隙結構的技術，如果能夠成功地引入各式各樣的可操控性的缺陷結構，那將實現一次性曝光製備光操控平臺的突破，甚至可以集合光源，光波導，分束器等常見的器件，大大節省了製備的成本。而利用階梯型薄膜發生透射和反射時的相位及強度等特性，階梯型薄膜的製備不可置否是該技術的關鍵。
發明內容
針對現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種在光子晶體中引入缺陷結構的方法，利用階梯膜發生透射和反射時的相位及強度等特性，並結合全息法製備大面積光子晶體的優勢，得到一種高效率且樣式多樣的缺陷結構引入技術。為實現上述目的，本發明的技術方案為一種在光子晶體中引入缺陷結構的方法，包括以下步驟
(1)取折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體滴在階梯型薄膜的膜層階梯處，階梯型薄膜在和光刻膠相接的空氣隙裡均勻展開並吸附在一起，組成階梯膜曝光系統；
(2)使用全息光刻光路製備光子晶體，將階梯膜曝光系統調節到全息光刻光路的焦平面處；
(3)利用CCD對相干光強模式進行實時監控，相干光強模式即為幾束相干光束形成的二維幹涉模式即光強分布；(4)重複步驟(2)和(3)，直到在C⑶中觀察到的光強分布達到對比度最大，表明此時的二維幹涉模式質量最好；打開全息光刻光路的雷射進行曝光，根據利用光刻膠的曝光劑量和曝光深度的相關數據，反推到相干光強，並結合相干區域光斑的面積大小，最終確定曝光時間；例如，要得到厚度為2micron的樣品，曝光劑量為60mJ/cm2，總光強150 μ W，面積4cm2,貝U曝光時間為IOOs ；
(5)曝光完成後，對階梯型薄膜進行顯影，除去因曝光劑量不足而未固化部分，得到缺陷結構。所述均勻液體的折射率與光刻膠的折射率相差土10%。所述全息光刻光路包括兩個消色差透鏡(L1、L2)組成的4f系統，使光束匯聚在一個大面積的相干區域，且光刻膠的位置位於第二消色差透鏡(L2)焦平面處。光刻膠為SU8光刻膠。
所述階梯膜的製備方法包括以下步驟
Ca)利用矽片的自然解理面為模板；
(b)離子均勻鍍在矽片基底上，形成階梯型膜層。所述步驟(b)中利用利用高溫磁控濺鍍。所述膜層不大於5μπι。所述階梯型薄膜，膜層梯度為90° ±5°。與現有的光子晶體引入缺陷結構相比，本發明採用利用階梯膜引入缺陷結構的方案，大大節省了製備的成本，並能結合全息法製備大面積光子晶體的優勢，得到一種高效率且樣式多樣的缺陷結構引入技術。
圖I為階梯膜的示意圖
圖2為階梯膜引入缺陷原理 圖3為階梯膜的曝光實現示意 圖4為二維缺陷結構圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進行詳細的描述
如圖I為階梯型薄膜的俯視電鏡圖。其製備方法是，利用矽片的自然解理面為模板，利用高溫磁控濺鍍，使離子均勻地鍍在Si02基底上，從而形成階梯型的膜層。從其端面可以看出角度很陡直，所用的材料是Si02，膜層厚度在5μπι之內均可控制。如圖2所示的階梯膜引入缺陷原理圖。階梯膜的功能在於
1、產生相位的躍變。光在和空氣接觸的兩個端面處發生折射和反射，其中，反射光將帶著一定的相位躍變和原來的入射光形成幹涉模式，在左右兩束透射光的影響區域外，幹涉模式和無階梯膜情況一致，保持正常的相干模式，而在影響處，分別發生一定的相位移動，相位的改變造成的是相應的強度改變，通過控制光刻膠的曝光量將一定光強度閾值以下的位置點清洗掉，則得到缺陷結構；
2、膜層本身的參數會對缺陷有所影響。首先，膜層的厚度會影響發生相位躍變的位置，通過控制厚度，可以實現缺陷位置發生的任意選擇。其次是可以通過控制膜層的形狀，實現不同的缺陷結構，例如可以利用直角形膜層實現直角轉彎光子晶體波導等。如圖3是典型的全息法製備光子晶體的光路圖。其詳細步驟如下
1)一束488nm波長的氬離子雷射光束經過一個x20的物鏡聚焦後，通過一個20 μ m的小孔進行空間濾波；
2)利用一個凸透鏡對濾波後的光束進行準直，使光成平行光束向前傳播，並在一定距離處使平行光照射在衍射光學元件DOE上，分成強度相近，相位相同的同級衍 射光；這裡的濾波和準直也可以組合成一個系統，如圖3所示；
3)利用掩膜板選取同級衍射光，對二維DOE而言，一般是四束衍射光，圖3上只顯示了兩束，經過由兩個消色差透鏡LI、L2組成的4f系統,使光束在焦平面處形成2mm*2_的均勻相干區域；
4)利用折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體，取少許滴在膜層階梯處，使之在和光刻膠(和液體不相溶)相接的空氣隙裡均勻平整地展開，並利用其吸附力粘合在一起，組成階梯膜曝光系統；所述均勻液體的折射率與光刻膠的折射率相差土10%。5)將階梯膜曝光系統安裝在有豎直透光玻璃柱的調節架上，將光刻膠的位置調節到L2的焦平面處，並利用CCD對相干光強模式實行實時監控，如此往復反饋調節，使模式最佳；
6)打開雷射進行曝光，並根據光刻膠的吸收劑量相關數據，確定曝光時間；
7)曝光完成後，利用相應的顯影液和清洗液對樣品進行處理，最後得到相應的缺陷結構。如圖4所示的缺陷結構圖可以利用上述方法得到，所用的膜層是直角形Si02薄膜。在曝光系統中，通過改變膜層的厚度和入射角度等參數，可以控制缺陷結構的寬度，同時改變缺陷寬度和晶體周期的比值。而通過調整好膜層的偏向角度和方向，則可以實現沿各個晶向的缺陷，從而實現不同的光學器件。在同一塊光子晶體平板中同時實現多種器件，則相當於一塊簡單的集成晶片，以供科研和工業生產之用。
權利要求
1.一種在光子晶體中引入缺陷結構的方法，包括以下步驟 (1)取折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體滴在階梯型薄膜的膜層階梯處，階梯型薄膜在和光刻膠相接的空氣隙裡均勻展開並吸附在一起，組成階梯膜曝光系統； (2)使用全息光刻光路製備光子晶體，將階梯膜曝光系統調節到全息光刻光路的焦平面處； (3)利用CXD對相干光強模式進行實時監控； (4)重複步驟(2)和(3)，直到在C⑶中觀察到的光強分布達到對比度最大，表明此時的二維幹涉模式質量最好；打開全息光刻光路的雷射進行曝光，根據利用光刻膠的曝光劑量和曝光深度的相關數據，反推到相干光強，並結合相干區域光斑的面積大小，最終確定曝光時間； (5)曝光完成後，對階梯型薄膜進行顯影，除去因曝光劑量不足而未固化部分，得到缺陷結構。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述均勻液體的折射率與光刻膠的折射率相差土 10%。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述全息光刻光路包括兩個消色差透鏡(LI、L2)組成的4f系統，使光束匯聚在一個大面積的相干區域，且光刻膠的位置位於第二消色差透鏡(L2)焦平面處。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，光刻膠為SU8光刻膠。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述階梯膜的製備方法包括以下步驟 (a)利用矽片的自然解理面為模板； (b)離子均勻鍍在矽片基底上，形成階梯型膜層。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述步驟(b)中利用利用高溫磁控濺鍍。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述膜層不大於5u m。
8.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述階梯型薄膜，膜層梯度為90°±5°。
全文摘要
本發明涉及一種在光子晶體中引入缺陷的方法，包括1、取折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體滴在階梯型薄膜的膜層階梯處，階梯型薄膜在和光刻膠相接的空氣隙裡均勻展開並吸附在一起，組成階梯膜曝光系統；2、將階梯膜曝光系統調節到全息光刻光路的焦平面處；3、利用CCD對相干光強模式進行實時監控；4、重複步驟2和3，直到CCD中觀察到光強分布達到對比度最大，表明此時二維幹涉模式質量最好；打開全息光刻光路雷射進行曝光，根據光刻膠曝光劑量和曝光深度的相關數據，反推相干光強，結合相干區域光斑面積大小，最終確定曝光時間；5、曝光完成後，對階梯型薄膜顯影，除去因曝光劑量不足而未固化部分，得到缺陷結構。
文檔編號G02B6/13GK102707379SQ20121014960
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者周建英, 宋李煙, 王自鑫, 謝向生 申請人:中山大學