[发明专利]石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的偏振器及其制备方法

权利要求书

1.一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：整个器件为基于矩形结构光波导芯层的直波导，从左到右，由输入直波导(1)、单层石墨烯薄膜置于光波导芯层之中的石墨烯/聚合物混合波导(202)和输出直波导(3)构成；从下到上，输入直波导(1)和输出直波导(3)依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备的聚合物下包层(32)、在聚合物下包层(32)上制备的矩形结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)的两侧及上表面制备的第二聚合物上包层(35)组成；单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导(202)器件依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备的聚合物下包层(32)、在聚合物下包层(32)上制备的矩形结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)中间制备的单层石墨烯薄膜(34)、在光波导芯层(33)的两侧及上表面制备的聚合物上包层(35)组成。

2.如权利要求1所述的一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：输入直波导(1)和输出直波导(3)的长度b₁和b₁＇相同为0～1.0cm，石墨烯/聚合物混合波导(2)的长度b₂为0.1～1.5cm；硅片衬底(21)的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(32)的厚度为4～9μm，矩形结构的光波导芯层(33)的厚度为2～6μm，矩形结构的光波导芯层(33)的宽度为3～6μm，单层石墨烯薄膜(34)的厚度为0.4～1.7nm，单层石墨烯薄膜(34)的宽度与光波导芯层的宽度相等，聚合物上包层(35)的厚度为4～9μm。

3.权利要求1所述的一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器的制备方法，其步骤如下：

A：硅片衬底的清洁处理

将解离好的符合设计尺寸大小的硅片衬底浸泡在丙酮溶液中超声清洗5～12分钟，然后用丙酮和乙醇棉球依次反复擦拭，并用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干后，在90～120℃条件下烘烤1～3小时去除水气；

B：聚合物下包层的制备

采用旋涂工艺将聚合物下包层材料旋涂在清洗干净的硅片衬底上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，固化后得到厚度为4～9μm的下包层(32)；

C：第一光波导芯层(33’)的制备

采用旋涂工艺将第一聚合物光波导芯层材料旋涂在聚合物下包层(32)上，旋涂速度为2000～6000转/分钟，薄膜厚度为1～4μm；然后在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、85℃～95℃条件下处理10～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光10～60秒，接下来，在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、90℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘，最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘，这样便在聚合物下包层上制得了第一光波导芯层(33’)；

D：在混合波导(202)对应区域的第一光波导芯层(33’)上转移石墨烯

将带有PMMA支撑层的单层石墨烯置于装有去离子水的烧杯中，然后将其转移到混合波导(202)对应区域的第一光波导芯层(33’)表面，使石墨烯与光波导芯层接触；接下来，将其自然晾干后在60℃～90℃条件下处理30～120分钟；然后，用滴管将丙酮溶液轻轻滴在PMMA支撑层表面用以去除PMMA，并用去离子水去除残余的丙酮溶液，将得到的器件自然晾干后在70℃～100℃条件下处理30～120分钟，从而在混合波导(202)对应区域的第一光波导芯层(33’)表面得到石墨烯薄膜(34)；石墨烯薄膜(34)的宽度等于混合波导(202)对应区域的光波导芯层(33)的宽度；

E：第二光波导芯层(33”)的制备

采用旋涂工艺将第二光波导芯层材料旋涂在石墨烯薄膜(34)及输入直波导(1)和输出直波导(3)对应区域的第一光波导芯层(33’)上，旋涂速度为2000～6000转/分钟；然后在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、85℃～95℃条件下处理10～30分钟进行前烘，再在波长为350～400nm的紫外光下进行紫外曝光10～60秒，接下来，在60℃～70℃条件下处理10～30分钟、90℃～100℃条件下处理10～30分钟进行中烘，最后，在120～150℃条件下处理30～90分钟进行后烘，从而得到第二光波导芯层(33”)；

F：矩形光波导芯层(33)的制备

采用蒸镀工艺在制备好的第二光波导芯层(33”)上蒸镀一层厚度为50～200nm的Al掩膜，再采用旋涂工艺在Al膜上旋涂一层厚度为0.5～2.0μm的正性光刻胶BP212，在80～100℃条件下烘烤10～30分钟；然后在光刻机上，将其与波导掩膜板紧密接触进行对版光刻，波导掩膜板的结构与需要制备的矩形波导结构相同，曝光时间为5～10秒，除去波导掩膜板，经过10～30秒的光刻胶专用显影液显影后，曝光的正性光刻胶BP212被除去；再在90～110℃条件下烘烤5～20分钟，从而在Al膜上得到所需要的矩形光刻胶波导图形；接着将其放在质量浓度为5～8‰的NaOH溶液中50～90秒，以去除未被光刻胶掩盖的Al膜；然后，在感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀的射频功率为300～500W，偏置功率为20～80W，氧气流量为20～60sccm，刻蚀时间为30～300秒，从而在聚合物下包层(32)上制备出矩形结构的光波导芯层(33)；最后，在光刻机下将器件再充分曝光10～20秒，使剩余的光波导芯层(33)之上的正性光刻胶BP212全部曝光，用质量浓度为5～8‰的NaOH溶液去除残余的光刻胶及由其覆盖的Al膜，再将器件用去离子水冲洗干净后用氮气吹干，最后将器件在90～120℃条件下烘烤1～2小时去除水气，这样便在混合波导(202)对应区域内将石墨烯薄膜制备于光波导芯层(33)之中；

G：聚合物上包层(35)的制备

采用旋涂工艺将聚合物上包层材料旋涂在光波导芯层及聚合物下包层表面，旋涂速度为2000～6000转/分钟，固化后得到聚合物上包层(35)，从而得到单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器。