一種回音壁模式光子學器件及其制備方法
【專利摘要】本發明提供一種用于回音壁模式光子學器件的微米環陣列結構及其制備方法，所述微米環陣列結構的制備是利用溶劑液滴溶解聚合物薄膜產生的“咖啡環效應”，使聚合物在液體周圍聚集形成明顯不同于薄膜高度的環形結構，實現光在聚合物結構中的傳導和限域，用激發、散射或近場耦合的方式將光信號輸入到微米環形結構中，實現回音壁模式的諧振效應。所制備的微米環結構可以作為高品質因數的光學微腔，得到譜線寬度明顯窄化的調制模式光譜，并可通過光學增益實現回音壁模式的光放大受激發射，進一步在多環耦合的陣列結構中，依據調制光譜及激光模式的波長變化信息，實現光信號處理和對外界刺激的高靈敏響應。
【專利說明】一種回音壁模式光子學器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光子學器件及其制備方法，尤其涉及一種回音壁模式光子學器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著信息網絡技術的迅速發展，人們要面對的信息量與日劇增，對信息存儲和處理器件的性能提出了更高的要求，信息時代的發展迫切需要研究和開發高性能的集成光學器件，用以解決集成電子學面臨的運行速度限制和小尺度下的熱效應問題。較之線性結構的法布里-培羅諧振腔，環形回音壁模式微腔表現出更高的品質因數，因而能夠對透射或發光光譜進行更高分辨率的調制，實現一系列基于譜線模式調制的集成光子學功能。單個回音壁微腔的制備方法已經發展的較為成熟，包括玻璃熔融小球，電子束離子束加工微結構和聚合物微球腔等等。然而，這些方法面臨著工藝繁瑣和可控性差的問題，更重要的是，無法實現陣列化和圖案化的多微腔耦合結構的制備，用以實現功能化的回音壁模式光子學回路。因此，發展一種低成本、可控制和大范圍的制備微米環形波導結構的方法具有很強的實用價值和產業前景。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種回音壁模式光子學器件及其制備方法。
[0004]本發明的另一個目的在于提供一種所述回音壁模式光子學器件中的微米環陣列結構的制備方法及其制備的微米環陣列結構。
[0005]本發明提供如下技術方案:
[0006]—種回音壁模式光子學器件，所述器件中包括一回音壁模式光學諧振微腔，所述微腔包括一微米環陣列結構。
[0007]根據本發明，所述微米環陣列結構為聚合物微米環陣列結構。
[0008]根據本發明，所述器件為光子學激光集成元件、光子學調制集成元件或光子學傳感集成元件。
[0009]根據本發明，所述陣列結構中的環形結構的高度在0.2-2微米，直徑在20-400微米。
[0010]本發明還提供如下技術方案:
[0011]一種上述回音壁模式光子學器件中的微米環陣列結構的制備方法，包括如下步驟:
[0012]I)將能形成薄膜的物質與溶劑混合，攪拌；
[0013]2)向步驟I)的體系中加入發光材料，得到混合溶液；
[0014]3)將上述混合溶液旋涂于基片上，干燥，得到薄膜；
[0015]4)通過噴墨打印將溶劑液滴打印在薄膜基底上，通過“咖啡環效應”形成所述微米環陣列結構；
[0016]另外，步驟3)和4)也可以替換為如下步驟3a):在基片上直接噴墨打印步驟2)所得的混合溶液，通過“咖啡環效應”形成所述微米環陣列結構。
[0017]根據本發明，優選地，所述能形成薄膜的物質選自聚合物；更優選地，所述聚合物選自聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、聚二甲基甲酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚芴、聚吡咯等易于成膜的聚合物。
[0018]根據本發明，所述能形成薄膜的物質在溶液中的質量百分比濃度為10-50毫克每毫升。優選地，所述溶劑為有機溶劑，可選自甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺等。優選地，所述發光物質選自有機染料、量子點和稀土離子摻雜納米顆粒等，所述有機染料選自羅丹明(如羅丹明6G)、香豆素(如香豆素6)、尼羅藍等；所述發光物質在能形成薄膜的物質中的質量百分比為 0.2-10%，優選 0.5-2.5%o
[0019]根據本發明，在步驟3)中，所述基底選自石英片、玻璃片、導電玻璃片、氟化鎂(MgF2)片、金屬薄膜或增強反射鏡等。
[0020]根據本發明，在步驟I)中，所述攪拌溫度為25_50°C，攪拌時間為2-5小時。步驟3)中，旋涂轉速為2000-5000轉/分，優選4000轉/分。步驟4)中，噴頭孔徑(液滴尺寸)為10-200微米，優選20-80微米，更優選50微米，樣品臺溫度25_60°C，優選40_60°C。
[0021]根據本發明，在步驟3)中，所述薄膜的膜厚在100納米-200納米左右。
[0022]根據本發明，上述制備方法還包括以下步驟:通過將光輸入微米環陣列結構中實現光子學功能。優選地，通過近場耦合或遠場泵浦的方式輸出光信號，通過近場耦合或遠場收集的方式探測輸出光信號。
[0023]本發明還提供如下技術方案:
[0024]一種用于回音壁模式光子學器件的微米環陣列結構，其通過上述制備方法制備得到。
[0025]一種上述回音壁模式光子學器件的制備方法，其包括上述的微米環陣列結構的制備方法。
[0026]本發明的有益效果:
[0027]本發明提供的用于回音壁模式光子學器件的光學諧振微腔(如微米環陣列結構)的制備方法，工藝簡單，操作方便，成本低，可大規模制備，具有高品質因數和光譜調制功能，解決了傳統微腔制備工藝的圖案化和批量化的問題，可實現多個微腔的耦合作用；該方法適用性廣，尤其適用于光子學集成元件的設計和實現。
[0028]詳細說明
[0029]噴墨打印技術是通過壓電陶瓷控制噴頭擠壓墨水噴涂在基底上，可以實現微米尺寸上的復雜圖案的制備。通過直接在聚合物薄膜上打印溶劑液滴，再通過溶劑擴散產生的“咖啡環效應”得到一系列的陣列化的孔洞結構。利用這一效應，被溶解的薄膜材料在孔洞的邊緣聚集，通過控制條件可以得到明顯高于薄膜厚度的高質量環形結構。本發明人公開了一種基于噴墨打印技術的聚合物微米環陣列結構，可用作回音壁模式光學諧振微腔，組成一系列功能化的光子學激光、調制和傳感兀件。
[0030]本發明提供的用于光子學集成元件的微米環陣列結構的制備方法，是利用溶劑液滴溶解聚合物薄膜產生的“咖啡環效應”，使聚合物在液體周圍聚集形成明顯不同于薄膜高度的環形結構，用激發、散射或近場耦合的方式將光信號輸入到微米環形結構中，形成光在聚合物結構中的傳導和限域，實現回音壁模式的諧振效應，在高品質光學微腔中得到窄線寬的調制光譜，并可通過光學增益實現回音壁模式的光放大受激發射，進一步在多環耦合的陣列結構中，依據調制光譜及激光模式的波長變化信息，實現光信號處理和對外界刺激的聞靈敏響應。
[0031]具體來說，該方法是用噴墨打印的溶劑液滴，選擇性地溶解特定位置的聚合物薄膜，由于溶劑張力作用使得邊緣形成一圈明顯高于薄膜其余位置的結構，得到形貌規整表面光滑無缺陷的微米環狀結構。利用打印技術的可定位性和高的重復精度，可以在厘米級尺寸的平面基底上大面積制備各種排列方式的微米環陣列。通過選擇低折射率或者高反射率的基底材料，所制備的結構能夠很好地傳播并限域光信號，在環形中形成回音壁模式的諧振電磁場，從而對光信號進行調制和選擇性增強。利用這一點制備出多環腔耦合的回音壁模式光子學元件，可以實現光放大、濾波、慢光、傳感等一系列光子學功能。
[0032]本發明提供的微米環陣列結構的制備方法，其機理如圖1所示。當溶劑從噴頭中受擠壓快速噴出，由于表面張力作用形成中心對稱的形狀，并垂直接觸基底薄膜形成圓形的溶劑液滴；溶劑液滴能夠溶解形成薄膜的聚合物材料，形成皮升(I(T12L)量級的聚合物溶液；隨著溶劑的逐漸揮發，溶劑與基底的浸潤性使其能夠將溶解的聚合物轉移到液體的邊緣，在其周圍形成環形的聚合物微米結構。通過控制和改變噴涂溶劑量和空間位置，可以形成任意組合的微米環圖案包括多環耦合的形狀。如圖2所示，使用一端連有激光器另一端連接探測器的光纖雙錐，通過接觸環壁進行有效的耦合，可以對環的回音壁模式諧振進行有效的測量和利用。如圖3所示，還可以通過摻入增益介質，利用激光激發環形結構使其發光，實現主動模式的光學調制和光放大，包括自發輻射和受激輻射的回音壁模式調制輸出。如圖4所示，可以通過精確定位打印多個微米環相連接的結構，實現傳導光信號的處理和延遲等功能。
[0033]本發明提供的微米環陣列結構的制備方法具有可控制性，通過設計不同結構的環形圖案可以實現一系列功能化的光子學元件。通過在同一根光纖波導上制備不同尺寸的環形微腔，可以實現將不同波長的光輸入不同的環形微腔中，可以作為集成光子學濾波器使用。通過設計不同尺寸的多環相連結構，通過不同環中本征諧振模式之間的相互耦合，將多個環中共同支持的特定諧振模式進行選擇，可以作為模式可調的集成激光器使用。通過在聚合物環形微腔中加入對光、熱、電、化學物質等敏感的材料，在外界刺激下產生諧振模式和調制光譜的變化，可以作為一類光學傳感器使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明提供的微米環陣列結構制備方法示意圖。
[0035]圖2為本發明提供的回音壁模式光學諧振耦合示意圖。
[0036]圖3為本發明提供的回音壁模式微型激光測量示意圖。
[0037]圖4為本發明提供的微米環陣列結構與調制模式光譜。
【具體實施方式】
[0038]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。
[0039]實施例1、利用聚合物微米環調制光學回音壁模式
[0040]如圖2所示，所用材料(I)為本發明人提供的微米環陣列結構，用光纖錐(2)(錐芯直徑〈I微米)與微米環接觸，使得光能夠有效地相互耦合。通過一端輸出700-800納米的激光(3)進行循環掃描，另一端用探測器(4)將透過的光信號轉化成變化的電信號，并通過示波器(5)采樣形成譜圖。從得到的環形結構的透過譜(6)，可以看到特定波長被環形腔有效的限域形成回音壁模式。將波長與譜線的半高全寬進行比較，可以計算出微米環腔的品質因數在14以上。
[0041]該方法中所用的微米環陣列結構的制備方法如下:
[0042]在1000轉/分的條件下，將0.3克聚苯乙烯(分子量40萬)慢慢地加入到10毫升甲苯中，加熱到40°C使其充分的溶解形成澄清溶液。將得到的混合溶液在4000轉/分的條件下旋涂到清潔的MgF2基片上，使溶劑充分揮發后，將這些基片放在在真空干燥箱中干燥，得到均勻的聚合物復合變色薄膜。將所制備的聚苯乙烯薄膜/MgF2基片放置在噴墨打印設備上，利用50微米噴頭定點噴涂二甲基甲酰胺(DMF)溶劑，形成分立的微米環陣列結構。
[0043]實施例2、染料摻雜聚合物微米環產生回音壁模式微米激光
[0044]如圖3所示，回音壁模式微型激光材料為本發明人提供的微米環陣列結構(7)，用鈦:藍寶石激光器的脈沖激光(8) (514納米)為泵浦光，光斑直徑為10微米，光強為1.5微焦每脈沖，照射單個微米環陣列結構的部分區域，使摻雜在其中的染料發光形成增益。通過50倍物鏡(9)收集微環腔的溢出光，并用濾光片(10) (520納米長通)將激發光濾除，得到回音壁模式微腔產生的多模激光(11)。
[0045]該方法中所用的微米環陣列結構的制備方法如下:
[0046]在1000轉/分的條件下，將0.5克聚甲基苯烯酸甲酯(PMMA)慢慢地加入到10毫升氯仿(CHCl3沖，攪拌數小時使其充分溶解形成澄清溶液，然后將5毫克羅丹明6G加入到澄清溶液中，繼續攪拌10分鐘，使羅丹明6G均一地分散到澄清溶液中。將得到混合溶液通過旋涂(5000轉/分)在保護銀反射鏡基底上，形成約為150nm厚度的薄膜。用直徑50微米的噴頭向帶有PMMA薄膜的基底上有序噴涂氯仿(CHCl3)溶劑液滴，形成陣列化的帶有羅丹明6G的PMMA微米環結構(直徑約為80微米)。
[0047]實施例3、微米環耦合實現單模激光
[0048]所用材料為本發明人提供的微米環陣列結構，用摻鈦藍寶石激光器的脈沖激光(480納米)為泵浦光，光斑直徑為0.5毫米，單脈沖能量為I毫焦，以斜45度照射整個耦合微米環陣列結構，使摻雜在其中的染料發光形成增益。通過50倍物鏡收集微環腔的溢出光，并用濾光片(500納米長通)將激發光濾除，得到回音壁模式微腔的激光光譜。通過調節兩個耦合環的直徑，利用兩個不同環形腔耦合形成的“齒輪效應”，使其相同波長位置的諧振模式被選擇性的放大，實現激光選模功能得到單模激光。
[0049]該方法中所用的耦合微米環陣列結構的制備方法如下:
[0050]在1000轉/分的條件下，將0.5克聚苯乙烯(PS)慢慢地加入到20毫升甲苯中，攪拌數小時使其充分溶解形成澄清溶液，然后將5毫克香豆素6染料加入到澄清溶液中，繼續攪拌20分鐘，使其均勻地分散到澄清溶液中。將得到混合溶液通過旋涂(3000轉/分)在分布式布拉格反射鏡(DBR)基底上，形成約為10nm厚度的薄膜。用直徑50微米的噴頭向基底上一定位置噴涂二甲基甲酰胺(DMF)溶劑液滴，形成一個微米環結構，然后精確移動噴頭(50微米)后再次噴涂溶劑，形成第二個環形結構。通過控制溶劑量和噴涂位置，得到兩個不同大小環(直徑100微米和150微米)相切的結構。
[0051]實施例4、多微米環陣列用于可集成慢光元件
[0052]所用材料為本發明人提供的微米環陣列結構，用兩組光纖錐分別耦合多環結構的第一個環和最后一個環。以700-800納米的飛秒脈沖激光作為探測光源，通過一組光纖錐將探測光源的信號輸入多環微腔中，調節波長使其形成有效的回音壁模式諧振。另一組光纖錐將多環腔中的諧振信號耦合進入單光子計數器中。通過測量不同波長輸入的多環調制輸出的時間延遲，得到多環腔對不同波長的慢光效應，5環耦合的結構可以實現0.1微秒的延時效應。
[0053]該方法中所用的多環微腔的制備方法如下:
[0054]在1100轉/分的條件下，將0.8克聚苯乙烯慢慢地加入到25毫升甲苯中，加熱到50°C使聚苯乙烯充分溶解，攪拌過夜形成澄清溶液，旋涂(3000轉/分)到MgF2基底上得到平整的聚合物薄膜，通過20微米噴頭打印形成一系列大小一致的環狀結構，并通過控制打印位置，使得各個環之間相切，使得光能夠在不同的環形腔之間來回傳導。
[0055]實施例5、多種染料摻雜聚合物微米環用于發光顏色調控
[0056]記錄介質為本發明人提供的微米環陣列結構，用帶濾光片(330-380納米)的汞燈照射樣品，用二向色片(400納米)分光，用濾色片(420納米長通)濾去激發光，得到微米光陣列結構的多顏色圖案化的熒光顯微成像。
[0057]該方法中所用的復合變色微米環陣列結構的制備方法如下:
[0058]在1000轉/分的條件下，將0.5克聚苯乙烯(PS)慢慢地加入到20毫升甲苯中，攪拌數小時使其充分溶解形成澄清溶液，將得到混合溶液通過旋涂(3000轉/分)在玻璃基底上，形成均勻厚度的聚合物薄膜。用直徑50微米的噴頭向基底上一定位置分別噴涂溶解有香豆素6和羅丹明6G的甲苯溶劑液滴。通過控制溶劑量和噴涂位置，得到圖案化的具有綠色和紅色突光的環形結構。
【權利要求】
1.一種回音壁模式光子學器件，其特征在于，所述器件中包括一回音壁模式光學諧振微腔，所述微腔包括一微米環陣列結構；優選地，所述微米環陣列結構為聚合物微米環陣列結構。
2.如權利要求1所述的回音壁模式光子學器件，其特征在于，所述器件為光子學激光集成元件、光子學調制集成元件或光子學傳感集成元件。
3.如權利要求1或2所述的回音壁模式光子學器件，其特征在于，所述陣列結構中的環形結構的高度在0.2-2微米，直徑在20-400微米。
4.一種權利要求1至3任一項所述回音壁模式光子學器件中的微米環陣列結構的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 1)將能形成薄膜的物質與溶劑混合，攪拌； 2)向步驟I)的體系中加入發光材料，得到混合溶液； 3)將上述混合溶液旋涂于基片上，干燥，得到薄膜； 4)通過噴墨打印將溶劑液滴打印在薄膜基底上，通過“咖啡環效應”形成所述微米環陣列結構； 另外，步驟3)和4)也可以替換為:在基片上直接噴墨打印步驟2)所得的混合溶液，通過“咖啡環效應”形成所述微米環陣列結構。
5.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述能形成薄膜的物質選自聚合物；優選地，所述聚合物選自聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、聚二甲基甲酰胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚芴、聚吡咯等易于成膜的聚合物；優選地，所述能形成薄膜的物質在溶液中的質量百分比濃度為10-50毫克每毫升；優選地，所述溶劑為有機溶劑，可選自甲苯、氯仿、二甲基甲酰胺等；優選地，所述發光物質選自有機染料、量子點和稀土離子摻雜納米顆粒等，所述有機染料選自羅丹明(如羅丹明6G)、香豆素(如香豆素6)、尼羅藍等；優選地，所述發光物質在能形成薄膜的物質中的質量百分比為0.2-10%，優選 0.5-2.5%o
6.如權利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中的基底選自石英片、玻璃片、導電玻璃片、氟化鎂(MgF2)片、金屬薄膜或增強反射鏡等。
7.如權利要求4至6任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中，攪拌溫度為25-50°C，攪拌時間為2-5小時;步驟3)中，旋涂轉速為2000-5000轉/分，優選4000轉/分；步驟4)中，噴頭孔徑(液滴尺寸)為10-200微米，優選20-80微米，更優選50微米，樣品臺溫度25-60°C，優選60°C ； 優選地，所述步驟3)的薄膜的膜厚在100納米-200納米左右。
8.如權利要求4至7任一項所述的制備方法，其特征在于，還包括以下步驟:通過將光輸入微米環陣列結構中實現光子學功能；優選地，通過近場耦合或遠場泵浦的方式輸出光信號，通過近場耦合或遠場收集的方式探測輸出光信號。
9.一種用于回音壁模式光子學器件的微米環陣列結構，其通過上述權利要求4至8任一項所述的制備方法制備得到。
10.一種權利要求1所述的回音壁模式光子學器件的制備方法，其包括權利要求4至8任一項所述的微米環陣列結構的制備方法。
【文檔編號】H01S3/08GK104253372SQ201310261700
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】趙永生, 張闖, 劉云圻, 趙巖, 閆永麗, 姚建年 申請人:中國科學院化學研究所