[发明专利]一种基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于石墨烯/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表面的石墨烯/聚合物混合波导(201)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(22)、在聚合物下包层(22)上制备的矩形结构的光波导芯层(23)、在光波导芯层(23)两侧制备的与光波导芯层(23)厚度相等的第一聚合物上包层(25’)、在光波导芯层(23)及第一聚合物上包层(25’)表面制备的第二聚合物上包层(25)组成；单层石墨烯薄膜置于光波导芯层表面的石墨烯/聚合物混合波导(201)依次由硅片衬底(21)、在硅片衬底(21)上制备的聚合物下包层(22)、在聚合物下包层(22)上制备的矩形结构的光波导芯层(23)、在光波导芯层(23)两侧制备的与光波导芯层(23)厚度相等的第一聚合物上包层(25’)、在光波导芯层(23)及第一聚合物上包层(25’)表面制备的单层石墨烯薄膜(24)、在单层石墨烯薄膜(24)上制备的第二聚合物上包层(25)组成。

2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯/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a₁和a₁＇相同，为0～1.0cm，石墨烯/聚合物混合波导(2)的长度a₂为0.1～1.5cm；硅片衬底的厚度为0.5～1mm，聚合物下包层(22)的厚度为4～9μm，矩形结构的光波导芯层(23)的厚度为2～6μm，矩形结构的光波导芯层(23)的宽度为3～6μm，单层石墨烯薄膜(24)的厚度为0.4～1.7nm，单层石墨烯薄膜(24)的宽度为5～30μm，第二聚合物上包层(25)的厚度为4～9μm。

3.权利要求1所述的一种基于石墨烯/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，固化后得到聚合物下包层；

C：矩形结构光波导芯层的制备

采用旋涂工艺将聚合物光波导芯层材料旋涂在聚合物下包层上，旋涂速度为2000～5000转/分钟，厚度为2～6μm；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的紫外光下进行对版光刻，光刻掩膜版的结构与需要制备的矩形结构的光波导芯层互补，曝光时间为6～15秒，使需要制备的矩形结构的光波导芯层区域的有机聚合物材料被曝光；除去光刻掩膜版，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；待温度自然降至室温后，在专用显影液中湿法刻蚀20～40秒，使未曝光的有机聚合物材料被除去；再将其放入异丙醇溶液中清洗除去残留的显影液和光刻胶，然后用去离子水反复冲洗去除残液，氮气吹干后在120～150℃条件下处理20～90分钟进行后烘坚膜，便在聚合物下包层上制得了矩形结构的光波导芯层(23)；

D：第一聚合物上包层(25’)的制备

采用旋涂工艺将第一聚合物上包层材料旋涂在光波导芯层上，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，制得第一聚合物上包层(25’)，第一聚合上包层(25’)完全覆盖光波导芯层；

E：刻蚀掉光波导芯层上表面的光波导包层材料

采用干法刻蚀工艺，将步骤D制备的器件在感应耦合等离子体刻蚀机中进行干法刻蚀，刻蚀掉光波导芯层上表面所在平面以上的第一聚合物上包层(25’)，露出光波导芯层，从而在光波导芯层两侧得到与光波导芯层厚度相等的第一聚合物上包层(25’)；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60～480秒；

F：在混合波导(201)对应区域的光波导芯层上表面转移石墨烯

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，然后将其转移到光波导芯层及其两侧的第一聚合物上包层表面，使石墨烯与混合波导(201)的芯层接触；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(201)对应区域的光波导芯层(23)及其两侧的第一聚合物上包层(25’)表面得到石墨烯薄膜(24)；石墨烯薄膜(24)的宽度大于混合波导(201)对应区域的光波导芯层(23)的宽度；

G：第二聚合物上包层(25)的制备

采用旋涂工艺将第二聚合物上包层材料旋涂在石墨烯薄膜(24)和输入直波导(1)和输出直波导(3)对应区域的第一聚合物上包层(25’)上，固化后得到第二聚合物上包层(25)，从而得到基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器。