一种采用3D打印和热压印技术制备聚合物光波导侧面电极的方法

摘要

一种采用3D打印和热压印技术制备聚合物光波导侧面电极的方法，属于聚合物光波导集成芯片制备技术领域。本发明具体包括采用3D打印技术制备聚合物侧面电极并通过热压印技术将电极转印压入聚合物衬底内部，然后在聚合物衬底电极侧面通过热压印技术制备脊型或矩形波导，最后旋涂包层材料，形成具有侧面电极的光波导器件等步骤。本发明的具有侧面电极的光波导器件可用于使用3D打印技术制备光开关聚合物电极，可在波导的侧面提供热场，也可采用波导两侧电极，在波导的水平方向施加电场。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物光波导集成芯片制备技术领域，具体涉及一种采用3D打印和热压印技术制备聚合物光波导侧面电极的方法。

背景技术

电极是集成光波导芯片重要的组成部分，现有电极和光波导的集成结构主要分为波导顶电极、掩埋型底电极和侧面电极。顶电极和底电极可以在与光波导的集成过程中实现波导上部和底部的加热，顶电极和底电极结合可以在波导上施加垂直方向分布的电场。聚合物侧面电极可以在侧面对光波导进行加热，波导两侧的电极可以提供水平方向的电场。现有电极的制备方法主要针对顶电极和底电极，侧面电极主要停留在理论研究阶段。现有加工方法制备侧面电极存在困难，其主要问题体现在：金属电极通常需要首先制备电极薄膜，而后通过光刻显影制备电极图案。电极薄膜通常采用蒸发或溅射的方法，该薄膜厚度通常为纳米量级，制备在波导侧面困难。另外，金属电极在制备过程中会对先前制备的波导产生影响，尤其是对耐热性较差的聚合物波导，使得侧面电极的制备更加困难。

发明内容

本发明具体包括采用3D打印技术制备聚合物侧面电极并通过热压印技术将电极转印压入聚合物衬底内部，然后在聚合物衬底电极侧面通过热压印技术制备脊型或矩形波导，最后旋涂包层材料，形成具有侧面电极的光波导器件。

具体工艺步骤如下：

1)通过三维模型设计软件(Autodesk公司的Meshmixer)设计电极结构，电极结构设计完成后以OBJ格式文件输出；电极结构示意图如附图1所示，电极为依次连接的左、中、右三段式条形结构；中间段条形结构为电极的有效加热区，其宽度为0.8～1.5mm，其长度为5～30mm；左段及右段条形结构的一端分别与中间段条形结构的两端垂直连接，作为电极引出区；左段及右段条形结构位于有效加热区的同侧，其宽度与有效加热区的宽度相同，其长度为1000～10000μm；在两个电极引出区的另一端分别设置有矩形结构的电极引脚，矩形结构的长和宽分别为1～10mm，且其宽度大于条形结构的宽度；电极的左、中、右三段式条形结构与电极引脚的高度相同，为0.02～0.7mm；

2)使用相应的3D打印管理软件打开上述OBJ文件，并使用3D打印设备1在无机衬底2上(Si或SiO₂)进行打印，得到步骤1)所述结构的电极3(打印速度：1～30mm/s，层厚：0.02～0.7mm，填充度：80％～100％，打印头尺寸：0.3mm或0.4mm)；然后将丙酮溶液在热板上加热形成蒸汽，在蒸汽环境中，将打印制备的电极回溶处理(回溶温度55～65℃、回溶时间30s～60s)以使其表面平整，除去皱状起伏等不均匀的现象，从而达到光滑电极表面的目的；电极材料为导电ABS(Acrylonitrile>

3)用二氧化碳激光器切割表面抛光的聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)基底，二氧化碳激光器的光束方向垂直于基底表面，切割出矩形结构的聚合物基底薄片4，激光器的切割功率为40～60W，走刀速度为1～100mm/s，得到的矩形结构的聚合物基底薄片4的厚度为1～3mm，长度为2～8cm，宽度为1～6cm；

4)将矩形结构的聚合物基底薄片4放置于电极3之上，采用纳米压印机5进行热压印，压印过程的加压温度为80～130℃，保压温度为100～150℃，保压压力为0.5～6kg/cm²，保压时间为1～5min，压印结束后电极3全部被压入聚合物基底薄片4内部，构成内部带有电极3的聚合物衬底6；由于膨胀系数不同，无机衬底2(Si或SiO₂)可与内部带有电极3的聚合物衬底6自然剥离。

5)制备光波导，其波导有两种结构：脊型波导和矩形波导。

脊型波导的制备方法如下：

首先将前面步骤得到的聚合物衬底6带有电极3的一侧与压印模板7(压印模板7上带有的突起截面为矩形结构，矩形的宽度为1～50μm，高度为1～50μm，压印模板7在水平方向的投影为直波导结构)精确对版，热压印后在聚合物衬底6上得到直波导凹槽8，该直波导凹槽8与电极的有效加热区平行，且与电极引出区分别位于有效加热区的两侧，其与有效加热区的间距为1～20μm，压印过程的加压温度为80～150℃，保压温度为80～150℃，保压压力为0.5～8kg/cm²，保压时间为1～20min，热压印后在聚合物衬底6上制备出同时带有直波导凹槽8和电极3的聚合物衬底9，>

聚合物芯层材料是折射率大于聚合物基底(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)的光学聚合物，如SU-8系列材料、NOA(Norland Optical Adhesive，折射率应大于聚合物基底)系列材料；聚合物包层材料为折射率低于聚合物芯层的光学聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯、NOA系列材料(Norland Optical Adhesive，折射率应低于聚合物芯层)；

矩形波导的具体制备方法如下：

在SiO₂衬底13上旋涂聚合物芯层材料，聚合物芯层材料是折射率大于聚合物基底(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)的具有光敏性的光学聚合物，如SU-8系列材料，所谓的旋涂是将聚合物芯层材料滴在SiO₂衬底上，然后将SiO₂衬底置于旋转涂覆机上，在1000～6000r/min的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20～60s，使聚合物芯层材料均匀涂在SiO₂衬底上，芯层厚度1～50μm；按照芯层材料固化、光刻和显影条件，固化并光刻显影，在SiO₂衬底13上得到聚合物矩形波导14(如果所选材料采用热固化，则所选材料的固化温度小于聚合物基底薄片4的熔化温度，如SU-8材料，其固化条件为先于60～70℃条件(烘箱或热板)下加热3～15min，而后于80～90℃条件下加热6～15min，再在350W、365nm波长的汞灯下对版光刻(光刻板为条形直波导结构，条形宽度1～50μm，条形高度1～50μm)，曝光时间为>2衬底13上得到聚合物矩形波导14(矩形波导高度为1～50μm，宽度为1～50μm))。

将SiO₂衬底13带有矩形波导14的一侧与聚合物衬底6带有电极3的一侧精确对版，使矩形波导14与电极的有效加热区平行，间距为1～20μm，且与电极引出区分别位于有效加热区的两侧，调整热压印过程的加压温度为80～130℃，保压温度为100～150℃，保压压力为0.5～6kg/cm²，保压时间为1～5min，压印后矩形波导14被压入聚合物衬底6的内部，然后将SiO₂衬底剥离。

在聚合物衬底6压印有矩形波导14和电极3的一侧旋涂聚合物包层材料(聚合物包层材料为折射率低于聚合物芯层的光学聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯、NOA系列材料(Norland Optical Adhesive)；所述的旋涂聚合物包层材料是将聚合物包层材料滴在聚合物衬底6上，然后将聚合物衬底6置于旋转涂覆机上，在1000～6000r/min的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为20～60s，使聚合物包层材料均匀涂在聚合物衬底6上，并按照包层材料的固化方式固化包层材料(如果所选材料采用热固化，则所选包层材料的固化温度小于聚合物基底薄片4和芯层材料的熔化温度)，得到包层15，包层的厚度1～50μm，最终形成带有侧电极的矩形直波导器件16。

6)最后采用二氧化碳激光器对带有侧电极的脊型直波导器件12或带有侧电极的矩形直波导器件16的两端沿垂直于直波导中光传播的方向进行切割，将得到的切割端面用乙醇和去离子水擦拭清洗，然后在光纤抛光片上抛光可得端面处理过的带有侧电极的脊型直波导器件12或矩形直波导器件16；切割位置距边界1～10mm，切割功率为40～100W，走刀速度为8～50mm/s。

与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

1.在无机衬底上通过3D打印技术制备聚合物导电电极，3D打印技术制备电极，工艺简单快捷，成本低廉，同时可打印平面工艺无法达到的形状。

2.通过热压印技术，把制备的电极转印压入聚合物衬底内部，聚合物衬底和压印工艺成本低廉，可以直接形成波导的侧面电极。

3.有机聚合物材料成本低、可塑性强、工艺简单，相比于金属电极，聚合物电极拥有更大的电阻率。

4.在聚合物衬底电极中间压印凹槽，而后旋涂芯层制备波导，压印波导精度高、成本低，经济快捷。

本发明的具有侧面电极的光波导器件可用于3D打印技术制备光开关电极，可以在波导的侧面提供热场，也可以采用双电极结构在波导水平方向施加水平电场。

附图说明

图1：3D打印制备的电极结构图；

图2：热压印制备脊型光波导侧面电极的工艺流程图；

图3：热压印制备矩形光波导侧面电极的工艺流程图；

具体实施方式

实施例1

打印速度为1mm/s，电极厚度为0.5mm，芯层NOA88，脊型波导，包层NOA63

具体工艺步骤如下：

通过使用Autodesk公司推出的三维模型设计软件Meshmixer自带的素材库，选取几何模型库内的正方体模型。通过局部编辑功能，设计完成电极结构，其中间条形结构宽为1mm，长度为17mm；左、右条形结构长度为8mm，宽为1mm；电极引脚为边长为5mm的正方形，电极的左、中、右三段式条形结构与电极引脚的高度均为0.5mm，并以OBJ格式文件输出。

使用丙酮、无水乙醇以及去离子水对硅片2进行清洗，将清洗完的硅片2放在工作台上在45℃的温度下，通过Ultimaker公司开发的相应的3D打印管理软件Cura控制3D打印设备1，打印头尺寸0.4mm。采用导电ABS材料(表面电阻1×10⁴Ω/cm，打印速度为1mm/s、电极厚度为0.5mm、挤出率为100％)进行打印，打印出电极图形；将丙酮溶液在热板上加热到60℃，在60℃的丙酮蒸汽环境中，将打印制备的电极图形回溶30s，从而得到表面平整的电极3。

如图2所示，用激光器切割厚度1mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片(其玻璃态转化温度为105℃)，切割功率为50W，走刀速度为10mm/s，切割出矩形结构的PMMA基底薄片4(厚度1mm，长a为4cm，宽b为3cm)；将PMMA基底薄片4放置在电极3之上，并放入纳米压印机压印，采用对准式纳米热压印设备5热压印PMMA基底薄片4，将PMMA基底薄片4加热融化，压盖在打印有电极3的硅片2衬底上，纳米压印过程的加压温度120℃，保压温度140℃，保压压力1kg/cm²，保压时间3min，而后降温使得聚合物基底固化，分离PMMA基底薄片和硅片衬底，电极3被压入PMMA基底薄片4内部，形成聚合物衬底6。然后将带有电极3的聚合物衬底6带有电极3的一侧与压印模板7在压印机5上对版，压印>2，保压时间5min，压印后自然剥离压印模板7，压印后基底上制备出带有直波导凹槽8(线宽6μm，深度6μm)和电极3的聚合物衬底9。

在带有凹槽和电极的聚合物衬底9(其玻璃态转化温度为105℃，长4cm，宽3cm，厚1mm)上旋涂NOA88芯层材料，将NOA88芯层材料滴在处理过(用乙醇清洗和超声清洗)的聚合物衬底9上，将衬底置于旋转涂覆机上，在3000r/min的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30s，使NOA88芯层材料均匀涂在衬底上，NOA88材料填充宽6μm、深6μm的凹槽，并带有平板层4μm；采用紫外灯固化NOA88材料，曝光波长365nm，曝光时间3min，曝光强度40mW/cm²，光固化得到得到芯层10；

在芯层10上，在4000r/min的转速下旋转衬底继续旋涂NOA63包层材料，旋涂的时间为30s，使聚合物NOA63材料均匀涂在芯层10上，然后采用紫外灯固化NOA63材料，曝光波长365nm，曝光时间5min，曝光强度40mW/cm²，光固化形成10μm厚的聚合物包层11；

最后采用二氧化碳激光器对带有侧电极的脊型直波导器件12进行切割，切割方向垂直于直波导中光传输方向，两端各切割5mm，(切割功率为60W，走刀速度为10mm/s)，得到长、宽均为3cm的样片，切割端面后用乙醇和去离子水擦拭清洗端面，然后抛光可得端面处理过的带有侧电极的直波导器件，电极导通良好，电极电阻为1.2×10⁴Ω/cm，输入、输出采用石英光纤耦合(芯径9μm)，一端输入光纤输入功率1mW，另外一端用光纤耦合输出，输出的另外一端连接光功率计测量芯片输出光纤的损耗，3cm长的芯片测得插入损耗-8.5dB，截断法测试波导的传输损耗为1.5dB/cm。

实施例2

打印速度为20mm/s，电极厚度为0.7mm，芯层SU-8-2005矩形光波导，包层NOA63

具体工艺步骤如下：

通过使用Autodesk公司推出的三维模型设计软件Meshmixer自带的素材库，选取几何模型库内的正方体模型。通过局部编辑功能，设计完成电极结构，其中间条形结构宽为1mm，长度为17mm；左、右条形结构长度为8mm；矩形结构的电极引脚为边长为5mm的正方形，电极的左、中、右三段式条形结构与电极引脚的高度 均为0.7mm，并以OBJ格式文件输出。

使用丙酮、无水乙醇、以及去离子水等对硅片2进行清洗，将清洗完的硅片放在工作台上在45℃的温度下，通过Ultimaker公司开发的相应的3D打印管理软件Cura控制3D打印设备1打印头，打印头尺寸0.4mm。采用导电ABS材料(表面电阻1×10³Ω/cm)以打印速度为20mm/s，电极厚度为0.7mm，进行打印，打印出电极3。将丙酮溶液在热板上加热到60℃，在60℃的蒸汽环境中，将打印制备的电极回溶30s。

如图3所示，用激光器切割厚度1mm的表面抛光的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片(其玻璃态转化温度为105℃)，切割功率为50W，走刀速度为10mm/s，切割出矩形结构的PMMA基底薄片4(厚1mm，长a为4cm，宽b为3cm)；将PMMA基底薄片4放置在电极3之上，并放入纳米压印机压印，采用对准式纳米热压印设备5热压印PMMA基底薄片4，将PMMA基底薄片4加热融化，压盖在打印有电极3的硅片2衬底上，纳米压印过程的加压温度120℃，保压温度140℃，保压压力1kg/cm²，保压时间3min，而后降温使得聚合物基底固化，分离PMMA基底和硅衬底，电极3被压入PMMA基底薄片4内部，形成聚合物衬底电极6。

在SiO₂衬底13上旋涂聚合物芯层材料SU-8－2000，4000r/min的转速下旋转衬底进行涂膜，旋涂的时间为30s，使聚合物芯层材料均匀涂在SiO₂衬底上，芯层厚度2μm，烘箱或热板60℃加热10min，而后90℃加热10min后，在365nm波长的汞灯下对版光刻(光刻板为条形直波导结构，条形宽度2μm，)，曝光时间为8s，烘箱或热板在65℃加热10min，95℃加热10min而后冷却至室温，然后放入丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影液中湿法刻蚀45s，再放入异丙醇中漂洗去除余胶，用去离子水清洗反应液形成波导，再用热空气烘干，从而在SiO₂衬底13上得到矩形波导14(矩形波导高度与膜厚相同，为2μm，宽度与光刻版相同，为2μm)。

将SiO₂衬底13带有矩形波导14的一侧与带有电极的聚合物衬底6带有电极3的一侧精确对版，使矩形波导14与电极中段(有效加热区)平行，间距为5μm，调整热压印过程的加压温度为110℃，保压温度为110℃，保压压力为2kg/cm²，保压时间为3min，压印后矩形波导14被压入带有电极3的带有电极的聚合物衬底6的内部，SiO₂衬底可自行剥离。

在带有电极的聚合物衬底6压印有矩形波导14和电极3的一侧旋涂聚合物包层材料NOA63，所述的旋涂聚合物包层材料是在4000r/min的转速下旋转衬底继续旋涂NOA63材料，旋涂的时间为30s，使聚合物NOA63材料均匀涂在带有电极的聚合物衬底6上，采用紫外灯固化NOA63材料，曝光波长365nm，曝光时间5min，曝光强度40mw/cm²，光固化形成10μm厚的聚合物包层15，最终形成带有侧电极>

最后采用二氧化碳激光器对带有侧电极的矩形直波导器件16进行切割，切割方向垂直于直波导中光传输方向，两端各切割5mm，(切割功率为60W，走刀速度为10mm/s)，得到3cm长的样片，切割端面后用乙醇和去离子水擦拭清洗端面，然后抛光可得端面处理过的带有侧电极的矩形直波导器件，电极导通良好，电极电阻为9*10²Ω/cm，输入、输出采用石英光纤耦合(芯径9μm)，一端输入光纤输入功率1mW，另外一端用光纤耦合输出，输出的另外一端连接光功率计测量芯片输出光纤的损耗，3cm长的芯片测得插入损耗-15.5dB，截断法测试波导的传输损耗为2dB/cm。