复合纳米压印与波导取样光栅的制备工艺研究

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纳米压印技术以其低成本、高产量以及高分辨率等特点,引起了世界范围内的广泛关注,经过20多年的发展及演变已经成为一种非常稳定、可靠的纳米图形制备方法。纳米压印技术的核心之一是压印模板的制备,通常选用的硬质模板材料为硅、二氧化硅等,可通过电子束直写或相干光光刻将纳米图案制备其上,然而电子束直写工艺加工时间长、成本昂贵,相干光光刻工艺又会受到光学衍射极限的限制,而且结构仅限于光栅或点阵。本论文详细叙述了复合纳米压印技术的应用,提出了一种简单方便、成本低廉的纳米压印模板制作方法,并成功制备出550 nm周期、结构完整的光栅模板,同时利用三层胶压印工艺成功复制4英寸大面积均匀,结构完美的600nm周期点阵结构,得到了与母模板(孔阵模板)互补的硅模板,并结合实验室成熟的无应力电镀工艺制作镍模板,镍模板因其良好的性能广泛应用于热纳米压印工艺。此外一些低占空比的结构在制备复合模板时会出现严重的缺陷,破坏图案的传递与转移。针对该问题,我们通过计算模板的占空比确定所需胶量,增加复合模板粘胶的厚度,成功地解决了上述缺陷,并将300nm、400nm、500nm、600 nm周期的点阵模板均翻制成互补的孔阵结构。利用这种低成本的方法既可以延长母模板的使用寿命,避免直接用母模板进行热压所面临的风险,又可以获得稳定的互补结构模板。通讯业务的发展对光通讯容量的需求越来越大,而波分复用(Wavelength division multiplexing,WDM)技术则是目前最为广泛应用的增加信息容量的技术,其中最为核心的是多波长分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器阵列和各种无源滤波器。其中结构区域的波导光栅在实际使用时,常根据需要加入特定的结构如啁啾光栅、相移光栅等,而直接制备纳米周期的啁啾光栅和相移光栅需要用到成本高昂、耗时较长的电子束直写工艺。本文根据重构-等效啁啾(Reconstruction-equivalent-chirp,i.e.REC)技术,对均匀的纳米光栅进行特定设计的取样,得到与实际效果类似的等效啁啾、等效相移。为此,我们首先利用复合纳米压印工艺制备结构完整的金属纳米光栅,并对设想的实验方案进行逐步探索,验证其可行性,首次实现了用纳米压印的方法在同一晶片上制备结构不同的波导光栅结构。利用该方案在平面脊波导(Silicon on insulator,SOI)衬底上进行对准压印、再对金属光栅进行套刻取样,最后利用电子束直写制备波导及耦合器,成功获得阵列式脊波导取样光栅器件,该器件可作为无源滤波器对光进行选频,将激光器阵列中发出的光经耦合器传入波导,并通过取样光栅选频后,可得到带宽更窄的出射光,从而提高激光器阵列的单色性。
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